EP3129661B1

EP3129661B1 - Verfahren zur positions- und/oder bewegungserfassung eines kolbens in einem zylinder sowie zylinderanordnung

Info

Publication number: EP3129661B1
Application number: EP15717128.1A
Authority: EP
Inventors: Torsten KLEINEN
Original assignee: Mhwirth GmbH
Current assignee: Mhwirth GmbH
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2035-04-09
Also published as: WO2015155290A1; JP2017514150A; EP3129661A1; JP6661604B2; DK3129661T3; ZA201606800B; DE102014105154A1; ES2687295T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positions- und/oder Bewegungserfassung eines Kolbens in einem eine Längsmittelachse aufweisenden Zylinder, wobei auf einer ersten Kolbenseite eine Flüssigkeit und an einer zweiten Kolbenseite ein Gas ansteht.
Ferner betrifft die Erfindung eine Zylinderanordnung mit einem Zylinder und mit einem darin entlang einer Längsmittelachse des Zylinders beweglichen Kolben, die geeignet ist, auf einer ersten Kolbenseite anstehende Flüssigkeit von einem an einer zweiten Kolbenseite anstehenden Gas zu trennen.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Zylinderanordnung finden insbesondere im Zusammenhang mit Kolbenspeichern Verwendung. Bei diesen ist die Flüssigkeit eine Hydraulikflüssigkeit, die gegen ein Gas (beispielsweise Stickstoff) in diesen Speicher gepresst wird. Das flüssigkeitsseitige Zylindervolumen kommuniziert regelmäßig über einen Hydraulikanschluss mit einer Hydraulikeinrichtung, aus welcher Hydraulikflüssigkeit unter Überwindung des an der zweiten Kolbenseite anstehenden Gasdrucks in den Zylinder einströmen bzw. bei Nachlassen des Drucks durch Verlagerung des Kolbens aus dem Zylinder in die Hydraulikeinrichtung einströmen kann.
An der der zweiten Kolbenseite zugewandten Seite umfasst der Zylinder regelmäßig einen Anschluss, über den Gas mit dem gewünschten Druck dem Zylinder zuführbar ist. Nach Erreichen des gewünschten Gasdrucks kann der Anschluss abklemmbar ausgebildet sein. Um das Speichervolumen zu vergrößern, kann auch ein ständiger Kontakt zu einer größeren, externen Gasdruckquelle aufrechterhalten werden, wodurch auch - in Abhängigkeit der Volumenverhältnisse zwischen dem Zylinder und der Gasdruckquelle - der Gasdruck unabhängig von der Position des Kolbens in dem Zylinder mehr oder weniger konstant gehalten werden kann.
Für die Funktionalität eines derartigen Kolbenspeichers ist es bedeutsam, an welcher Position sich der Kolben in dem Zylinder befindet. So ist beispielsweise eine Aufrechterhaltung eines mit Hilfe des Kolbenspeichers zu bewirkenden Hydraulikdrucks in der Hydraulikeinrichtung nur solange möglich, solange sich die erste Kolbenseite nicht auf Anschlag mit einem das Flüssigkeitsvolumen des Zylinders begrenzenden Deckel befindet. Andererseits kann der Hydraulikdruck in der Hydraulikeinrichtung mit Hilfe des Kolbenspeichers auch nur solange begrenzt werden, solange die zweite Kolbenseite nicht an einem das Gasvolumen des Zylinders begrenzenden Deckel anschlägt. Es ist bereits insofern Kenntnis der jeweils aktuellen Kolbenposition zum Erhalt der Betriebssicherheit einer einen Kolbenspeicher umfassenden Einrichtung wünschenswert.
Darüber hinaus kann es zur Erfassung von Betriebszustandsänderungen einer den Kolbenspeicher umfassenden Einrichtung, insbesondere der Hydraulikeinrichtung, vonnöten sein, Positionsänderungen des Kolbens zu erfassen. Diese können beispielsweise auf einen Druckabfall durch ein Leck oder einen Druckanstieg durch Belastungsspitzen hindeuten.
Zur Positions- und/oder Bewegungserfassung eines Kolbens eines Kolbenspeichers sind beispielsweise von der Firma Hydac International GmbH, Sulzbach, Deutschland folgende Systeme bekannt:

Die Position des Kolbens wird mit einem Seilzugmesssystem erfasst. Das eine Ende des Seils ist an einer Rolle, die mit einer Feder vorgespannt ist, das andere Ende des Seils an dem Kolbenboden befestigt. Die Bewegung des Kolbens wird über ein an der Rolle vorgesehenes Drehpotentiometer erfasst.
Das eine Ende eines Seils ist wiederum an dem Kolben befestigt. Das andere, aus dem Zylinder herausgeführte Ende des Seils trägt einen in einem Rohr geführten Permanentmagneten, welcher an dem Rohr angebrachte, magnetosensitive Mittel in Abhängigkeit seiner Position aktiviert und somit die Kolbenbewegung und -position erkennbar macht.
Erfassung der Kolbenposition mittels Ultraschall, indem außerhalb des Zylinders eine oder mehrere Ultraschallsende/Empfangseinheiten vorgesehen sind. Jede dieser Einheiten erkennt den Übergang zwischen Kolben und Öl, so dass eine Kolbenbewegung und -position mit einer Genauigkeit erfassbar ist, die vom Abstand der Ultraschallsende/Empfangseinheiten abhängt.
Erfassung der Position- und/oder der Bewegung des Kolbens mit Hilfe einer aus dem Zylinder herausgeführten Kolbenstange und mit dieser zusammen wirkendem Wegaufnehmer.
Flüssigkeitsseitig angeordnetes Ultraschallwegmesssystem, welches den Abstand zwischen dem flüssigkeitsseitigen Deckel des Zylinders und dem Kolben erfasst.

Nachteilig ist bei diesen Systemen, dass sie entweder eine Herausführung von Komponenten aus dem Zylinder erfordern, wodurch aufwendige Dichtungsanordnungen benötigt werden, die verschleißträchtig sind. Mit anderen Systemen lässt sich die Positions- und/oder Bewegungserfassung lediglich mit einer begrenzten Genauigkeit erreichen, oder sie erfordern das Vorhandensein von Hydraulikflüssigkeit zur Ankopplung.
Aus der US 2002/083826 A1 ist ein hydraulischer Aktuator bekannt, der einen Zylinder mit einem mittels einer Hydraulikflüssigkeit bewegten Kolben aufweist. Zur Ermittlung der Position des Kolbens wird ein Laserstrahl mittels eines Lichtleiters in dem Zylinder auf den Kolben gerichtet, an diesem reflektiert und mittels eines Lichtleiters einer Steuereinheit zugeleitet, mit welcher die Lichtlaufzeit gemessen wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Positions- und/oder Bewegungserfassung eines Kolbens, insbesondere eines Kolbenspeichers, sowie eine verbesserte Zylinderanordnung mit einem Zylinder und mit einem darin entlang einer Längsmittelachse des Zylinders beweglichen Kolbens, insbesondere eines Kolbenspeichers, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 wiedergegebene Verfahren und durch die in Anspruch 3 wiedergegebene Zylinderanordnung gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird unter einem von 90° abweichenden Winkel ein Strahl einer nahezu monochromatischen Welle auf die zweite Kolbenseite gerichtet, von dieser reflektiert und der Ort des Auftreffens des reflektierten Strahls erfasst. Aufgrund des Einstrahlwinkels, der beispielsweise zwischen 0,5 und 10° von einem rechten Winkel abweichen kann, wird eine Kolbenbewegung durch Änderung des Orts des Auftreffens des reflektierten Strahls zuverlässig erfasst.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es keine Dichtungsanordnung zum Abdichten sich bewegender Teile, wie Kolbenstangen oder Seile, erfordert. Ebenfalls ist von Vorteil, dass das Verfahren auf der Gasseite des Kolbens anwendbar ist. So besteht die Möglichkeit der Schaffung eines redudant arbeitenden Systems, in dem auf der Flüssigkeitsseite beispielsweise eines der eingangs genannten, zum Stand der Technik gehörenden Systeme zur Positions- und/oder Bewegungserfassung des Kolbens eingesetzt wird. Insbesondere sei hier die Anwendung des Ultraschallwegmesssystems genannt.
Der verwendete Strahl einer nahezu monochromatischen Welle kann ein Laserstrahl sein.
Besteht im Betrieb die Möglichkeit, dass sich der Druck des an der zweiten Kolbenseite anstehenden Gases ändert, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn das Zylindervolumen nicht mit einem relativ hierzu großen Gasvolumen eines konstanten Drucks kommuniziert, so wird der Druck des an der zweiten Kolbenseite anstehenden Gases erfasst. Denn eine mit einer Gasdruckänderung verbundenen Dichteänderung führt zur Änderung der optischen Eigenschaften des Gases, insbesondere der Änderung des optischen Brechungsindexes zwischen dem Gas und einer eventuell vor einem Sensor zur Erfassung des reflektierten Strahls befindlichen Schutzscheibe, wodurch der Ort des Auftreffens des reflektierten Strahls bei gleichbleibender Position des Kolbens verändert würde. Durch Erfassung des Drucks des an der zweiten Kolbenseite anstehenden Gases kann dieser Effekt bei der Kolbenpositions- und/oder Bewegungserfassung berücksichtigt werden.
Auch eine Änderung der Temperatur des an der zweiten Kolbenseite anstehenden Gases kann eine Änderung der optischen Eigenschaften mit den im Zusammenhang mit einer Druckänderung beschriebenen Auswirkungen zur Folge haben. Dementsprechend wird alternativ oder zusätzlich die Temperatur des an der zweiten Kolbenseite anstehenden Gases erfasst und die Auswirkungen mit einer geeigneten Routine bei der Positions- und/oder Bewegungserfassung berücksichtigt.
Die vorzugsweise zur Ausbildung eines Kolbenspeichers dienende, erfindungsgemäße Zylinderanordnung umfasst eine Strahlenquelle, mittels welcher ein angewendeter Strahl einer nahezu monochromatischen Welle auf die zweite Kolbenseite unter einem von 90° abweichenden Winkel richtbar ist. Damit die Reflexion des Strahls an der zweiten Kolbenseite möglichst streuarm erfolgt, ist an dieser eine Reflexionseinrichtung, beispielsweise ein Spiegel vorgesehen. Ist der Spiegel senkrecht zur Längsmittelachse des Zylinders ausgerichtet, so ist die Strahlenquelle vorzugsweise derart ausgebildet, dass der ausgesendete Strahl in einem spitzen Winkel zur Richtung der Längsmittelachse, vorzugsweise zwischen 0,5° und 10° ausgerichtet ist. Die Zylinderanordnung umfasst des Weiteren eine Erfassungseinrichtung, mittels welcher der Ort des Auftreffens des reflektierten Strahls erfassbar ist.
Die Strahlenquelle und die Erfassungseinrichtung können insbesondere an einem, das Zylindervolumen auf der mit der zweiten Kolbenseite begrenzenden Deckel vorgesehen sein.
Die Strahlenquelle ist vorzugsweise eine Laserquelle.
Die Erfassungseinrichtung umfasst vorzugsweise einen Flächensensor, der - besonders bevorzugt - hinsichtlich seiner Empfindlichkeit auf die Eigenschaften der monochromatischen Welle, insbesondere die Wellenlänge und die Intensität des reflektierten Strahls, abgestimmt ist.
Um den Einfluss einer eventuellen Gasdruckänderung auf die Positions- und/oder Bewegungserfassung berücksichtigen zu können, ist eine Gasdruckerfassungseinrichtung vorgesehen.
Um auch entsprechende Auswirkungen einer eventuellen Temperaturänderung des an der zweiten Kolbenseite anstehenden Gases berücksichtigen zu können, ist alternativ oder zusätzlich eine Temperaturerfassungseinrichtung vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Zylinderanordnung umfasst eine Auswerteeinrichtung zur Berücksichtigung des Einflusses des Drucks und/oder der Temperatur auf den Ort des Auftreffens des reflektierten Strahls bei der Positions- und/oder Bewegungserfassung des Kolbens, die entsprechende Korrekturroutinen umfasst. Diese Korrekturroutinen können Korrekturfunktionen enthalten, die rechnerisch und/oder empirisch ermittelt sind und den Einfluss einer Druck- und/oder Temperaturänderung auf den Ort des Auftreffens des reflektierten Strahls bei einer bestimmten Position des Kolbens berücksichtigen.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Zylinderanordnung ist eine weitere Einrichtung zur Positions- und/oder Bewegungserfassung des Kolbens vorgesehen, die insbesondere elektrisch, elektromagnetisch, akustisch und/oder mechanisch die Kolbenposition und/oder Bewegung erfasst. Bei dieser zweiten Einrichtung kann es sich um eine eingangs beschriebene, zum Stand der Technik gehörenden handeln.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen, die schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung verdeutlichten, weiter erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild dieses Ausführungsbeispiels bei längsgeschnittenem Zylinder;
Fig. 2: einen Längsschnitt durch den Zylinder mit dem Kolben in einer ersten Position;
Fig. 3: eine Fig. 2 entsprechende Ansicht mit dem Kolben in einer zweiten Position;
Fig. 4: den Ausschnitt IV in Fig. 2;
Fig. 5: den Ausschnitt V in Fig. 3 sowie
Fig. 6: den Ausschnitt VI in Fig. 3 in perspektivischem Längsschnitt.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel einer Zylinderanordnung umfasst einen Zylinder 1 mit einer Längsmittelachse L. In dem Zylinder ist ein Kolben 2 vorgesehen, der entlang der Längsmittelachse L verlagerbar ist. Der Kolben umfasst in der Zeichnung nicht dargestellte Dichtmittel in an sich bekannter Art, wie beispielsweise Kolbenringe, um eine Dichtwirkung zwischen einem Außenumfang und dem Innenumfang des Zylinders 1 zu bewirken.
Auf der in der Zeichnung rechts dargestellten Seite weist der Kolben eine Vertiefung 3 auf, wohingegen die in der Zeichnung links dargestellte Seite des Kolbens eben ausgebildet ist. Die in der Zeichnung links dargestellte Seite bildet eine erste Kolbenseite 4, an welcher im Betrieb der Zylinderanordnung als Kolbenspeicher eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Öl oder ein Wasser-Glykol-Gemisch ansteht. Das so gebildete Flüssigkeitsvolumen 5 des Zylinders 1 ist nach außen begrenzt durch einen ersten Deckel 6. Letzterer weist eine zentrale Anschlussbohrung 7 zum Anschluss einer in der Zeichnung nicht dargestellten Hydraulikeinrichtung auf.
Im Betrieb ist das Flüssigkeitsvolumen 5 regelmäßig vollständig mit Flüssigkeit gefüllt. Um diese Flüssigkeit unter Druck zu halten und um Änderungen des Flüssigkeitsvolumens in der Hydraulikeinrichtung kompensieren zu können, ist zwischen der der ersten Kolbenseite 4 gegenüberliegenden zweiten Kolbenseite 8 und einem zweiten Deckel 9 und dem Zylinder 1 ein Gasvolumen 10 begrenzt. Dieses ist im Betrieb der Kolbenzylinderanordnung regelmäßig mit unter Druck stehendem Stickstoff, sofern es sich bei der Flüssigkeit um Öl handelt, oder mit Luft, wenn es sich bei der Flüssigkeit um Wasser-Glykol-Gemisch handelt, gefüllt.
Um eine Position und/oder eine Bewegung des Kolbens 2 in dem Zylinder 1 erfassen zu können, ist an dem zweiten Deckel 9 eine Anordnung 11 umfassend eine Strahlenquelle 12, mittels welcher ein Strahl einer nahezu monochromatischen Welle auf die zweite Kolbenseite 8 richtbar ist, und eine Erfassungseinrichtung 13, mittels welcher der Ort des Auftreffens des reflektierten Strahls erfassbar ist, angeordnet. Die Erfassungsrichtung kann einen Flächensensor umfassen.
Ferner sind an dem zweiten Deckel 9 eine Gasdruckerfassungseinrichtung 14 und eine Temperaturerfassungseinrichtung 15 vorgesehen, die den Druck und die Temperatur des in dem Gasvolumen 10 befindlichen Gases erfassen. Die Anordnung 11 ist elektrisch mit einer Einrichtung 16 zur Ansteuerung der Strahlenquelle 12 und zur Auslesung der Erfassungseinrichtung 13 verbunden. Die Gasdruckerfassungseinrichtung 14 ist elektrisch mit einem Signalwandler 17, die Temperaturerfassungseinrichtung 15 mit einem Signalwandler 18 verbunden.
Die Einrichtung 16 und die Signalwandler 17 und 18 wiederum sind elektrisch mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 19 verbunden, welche unter Berücksichtigung von Druck- und Temperaturkorrekturfunktionen aus den von der Einrichtung 16 erhaltenen Signalen an einem ersten Ausgang 20 die tatsächliche Position des Kolbens 2 im Zylinder 1 und an einem zweiten Ausgang 21 ein Signal abgibt, welches bei einem in Bewegungsetzen des Kolbens 2 aus einer Ruhelage erzeugt wird.
Der konstruktive Aufbau des dargestellten Ausführungsbeispiels und dessen Wirkungsweise sollen nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 6 weiter erläutert werden:
Wie in Fig. 2 erkennbar ist, welche den Kolben 2 in einer aus der Mitte zum ersten Deckel 6 verlagerten Position zeigt, wird mit Hilfe der Strahlenquelle 12 ein Strahl einer nahezu monochromatischen Welle, hier ein Laser-Strahl 22 auf die zweite Kolbenseite 8 ausgesendet. Wie in Fig. 6 erkennbar ist, ist die zweite Kolbenseite 8 mit einem Spiegel 23 versehen, der zumindest nahezu senkrecht zur Mittellängsachse L ausgerichtet ist. Da der Laster-Strahl 22 unter einem Winkel schräg zur Richtung der Längsmittelachse L auf den Spiegel 23 auftrifft, wird der reflektierte Strahl 24 unter einem entsprechenden Ausfallswinkel umgekehrten Vorzeichens zur Erfassungseinrichtung 13 reflektiert.
Wie durch Vergleich von Fig. 2 und 3 sinnfällig wird, verlagert sich der Auftreffpunkt des Laserstrahls 22 auf den Spiegel 23, wenn der Kolben 2 in dem Zylinder entlang der Mittellängsachse L verlagert wird, und zwar bei dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bei einer Verlagerung des Kolbens gemäß der Zeichnung nach rechts nach oben. Da der Einfallswinkel bezüglich der Mittellängsachse L konstant bleibt, wandert der Ort des Auftreffens P des reflektierten Strahls 24 auf der Erfassungseinrichtung 13 nach oben, so dass durch die Erfassung des Orts des Auftreffens P sowohl die Position des Kolbens 2 in dem Zylinder 1, als auch der Beginn einer Bewegung detektierbar ist.
Wie in Fig. 6 gezeigt, ist das Gasvolumen 10 von der Einrichtung 11 durch in eine von außen in eine Stufenbohrung 25 eingesetzter Glasscheibe abgetrennt. Zwischen die Stufe der Bohrung und die Glasscheibe ist eine Dichtung 27 eingesetzt. Gegen diese Dichtung ist die Glasscheibe mittels einer Gewindehülse 28, die in eine Gewindebohrung 29 eingedreht ist, gepresst.

Bezugszeichenliste:

1: Zylinder
2: Kolben
3: Vertiefung
4: erste Kolbenseite
5: Flüssigkeitsvolumen
6: erster Deckel
7: Anschlussbohrung
8: zweite Kolbenseite
9: zweiter Deckel
10: Gasvolumen
11: Anordnung
12: Strahlenquelle
13: Erfassungseinrichtung
14: Gasdruckerfassungseinrichtung
15: Temperaturerfassungseinrichtung
16: Einrichtung
17: Signalwandler
18: Signalwandler
19: Signalverarbeitungseinrichtung
20: erster Ausgang
21: zweiter Ausgang
22: Laserstrahl
23: Spiegel
24: reflektierter Strahl
25: Stufenbohrung
26: Glasscheibe
27: Dichtung
28: Gewindehülse
29: Gewindebohrung
L: Längsmittelachse
P: Ort des Auftreffens

Claims

Verfahren zur Positions- und/oder Bewegungserfassung eines Kolbens (2) in einem eine Längsmittelachse (L) aufweisenden Zylinder (1), wobei auf einer ersten Kolbenseite (4) eine Flüssigkeit und an einer zweiten Kolbenseite (8) ein Gas ansteht, wobei
unter einem von 90° verschiedenen Einstrahlwinkel in Richtung zur Längsmittelachse (L) ein Strahl (22) einer nahezu monochromatischen Welle auf die zweite Kolbenseite (8) eingestrahlt, von dieser reflektiert und der Ort des Auftreffens (P) des reflektierten Strahls (24) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des an der zweiten Kolbenseite (8) anstehenden Gases erfasst wird, und/oder dass die Temperatur des an der zweiten Kolbenseite (8) anstehenden Gases erfasst wird, und der Einfluss des Gasdrucks und/oder der Temperatur auf den Ort des Auftreffens (P) des reflektierten Strahls (24) bei der Positions- und/oder Bewegungserfassung des Kolbens (2) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (22) einer nahezu monochromatischen Welle ein Laser-Strahl ist.
Zylinderanordnung mit einem Zylinder (1) und mit einem darin entlang der Längsmittelachse (L) des Zylinders (1) beweglichen Kolben (2), die geeignet ist, auf einer ersten Kolbenseite (4) anstehende Flüssigkeit von einem an einer zweiten Kolbenseite (8) anstehenden Gas zu trennen,
wobei
die Zylinderanordnung eine Strahlenquelle (12) umfasst, mittels welcher ein Strahl (22) einer nahezu monochromatischen Welle unter einem von 90° verschiedenen Winkel auf die zweite Kolbenseite (8) richtbar ist,
und die zweite Kolbenseite (8) eine Einrichtung zur Reflexion des Strahls aufweist,
und die Zylinderanordnung eine Erfassungseinrichtung (13) umfasst, mittels welcher der Ort des Auftreffens (P) des reflektierten Strahls (24) erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasdruckerfassungseinrichtung (14) zum Erfassen des an der zweiten Kolbenseite (8) anstehenden Gasdrucks vorgesehen ist, und/oder dass eine Temperaturerfassungseinrichtung (15) zum Erfassen der Temperatur des an der zweiten Kolbenseite (8) anstehenden Gases vorgesehen ist, und dass eine Auswerteeinrichtung zur Berücksichtigung des Einflusses des Drucks und/oder der Temperatur auf den Ort des Auftreffens (P) des reflektierten Strahls (24) bei der Positions- und/oder Bewegungserfassung des Kolbens (2) vorgesehen ist.
Zylinderanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (12) eine Laserquelle ist.
Zylinderanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (13) einen Flächensensor umfasst, der vorzugsweise hinsichtlich seiner Empfindlichkeit auf die Eigenschaften der monochromatischen Welle abgestimmt ist.
Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Einrichtung zur Positions- und/oder Bewegungserfassung des Kolbens vorgesehen ist, die vorzugsweise elektrisch, elektromagnetisch, akustisch und/oder mechanisch die Kolbenposition und/oder -bewegung erfasst.