SE501291C2

SE501291C2 - Device for positioning piston cylinder assemblies

Info

Publication number: SE501291C2
Application number: SE9202750A
Authority: SE
Inventors: Anders Liljenberg; Lars-Goeran Sander
Original assignee: Mecman Ab Rexroth
Priority date: 1992-09-23
Filing date: 1992-09-23
Publication date: 1995-01-09
Also published as: WO1994007037A1; EP0662199A1; SE9202750L; SE9202750D0

Abstract

In a positioning device for a piston cylinder aggregate (1) with a piston rod (5) being connected to the piston, said piston rod at determined axial positions comprising magnetic bodies, a sensor (10) for sensing the magnetic field of the magnetic bodies is positioned adjacent the piston rod (5). The magnetic bodies are comprised of plate shaped permanent magnet (8) with essentially circular cylindric envelope surface. Each magnet (8) is arranged with its magnetic axis essentially coaxial to the axis of the piston rod (5) and with its magnetic poles arranged in the opposite direction with respect to the poles of adjacent magnets. Finally the piston rod comprises an essentially smooth, pipe shaped outer covering (6) of a non magnetic material, which encloses the magnets (8) but allows passage of magnetic flux.

Description

15 20 25 30 35 501 291 2 flöde. Sättet att inställa magneternas axiella läge är omständligt, arbetskrävande och osäkert. 15 20 25 30 35 501 291 2 flow. The method of setting the axial position of the magnets is cumbersome, laborious and uncertain.

Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att anvisa en lösning på de problem som är förknippade med de hittills kända anordningarna, en lösning som i mycket hög grad medger använd- ning av billiga standardkomponenter och likväl tillförsäkrar en säker avkänning av kolvläget med hjälp av avkännare som kan utgöras av kommersiellt tillgängliga enkla, beröringsfria och störningsokänsliga givare. Det är vidare ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma detta vid en anordning vid vilken säker tätning mellan den för indikering avsedda kolvstången och cylindergaveln enkelt kan erhållas.It is an object of the present invention to provide a solution to the problems associated with the hitherto known devices, a solution which to a very large extent allows the use of inexpensive standard components and yet ensures a safe detection of the piston position by means of sensors can consist of commercially available simple, non-contact and interference-sensitive sensors. It is a further object of the present invention to achieve this in a device in which a secure seal between the piston rod intended for indication and the cylinder head can easily be obtained.

Dessa ändamål uppnås genom en anordning med de i patentkravets 1 kännetecknande del angivna särdrag. Härigenom uppnås att kommersiellt tillgängliga standardmagneter kan användas direkt utan vidare bearbetning. Genom det speciella arrangerandet av magneterna uppnås ett tydligt avkännbart magnetiskt flöde vilket medger användning av billiga störningsokänsliga givare av standardtyp. Denna fördel accentueras genom utnyttjande av distansbrickor, vilken medger enkel anpassning av arrangemang- et till vitt skilda önskemål.These objects are achieved by a device with the features stated in the characterizing part of claim 1. This ensures that commercially available standard magnets can be used directly without further processing. Due to the special arrangement of the magnets, a clearly sensible magnetic flux is achieved, which allows the use of cheap, standard-insensitive sensors. This advantage is accentuated by the use of spacers, which allow easy adaptation of the arrangement to widely differing wishes.

En mycket fördelaktig vidareutveckling av uppfinningen uppnås genom särdragen i patentkravet 2, varvid möjliggöres använd- ning av anordningen i mycket besvärlig omgivning såsom t.ex. vid aluminiumsmältverk eller sodakokningspannor där kolvcylin- deraggregatet utsätts för mycket hög värme och/eller hög fuktighet. Genom denna lösning där anordningen anbringas på den arbetskolvstången motstående sidan uppnås även enkel justerbarhet och möjlighet till underhållsarbete och utbyte.A very advantageous further development of the invention is achieved by the features of claim 2, whereby use of the device is made possible in a very difficult environment such as e.g. in aluminum smelters or soda-boiling boilers where the piston cylinder unit is exposed to very high heat and / or high humidity. This solution, where the device is mounted on the opposite side of the work piston rod, also achieves simple adjustability and the possibility of maintenance work and replacement.

Denna applikation är även speciellt tillämplig då kolvyclin- deraggregatet skall förses med genomgående kolvstång, i syn- nerhet för kompensering av på arbetskolvstången anbragta massor såsom verktyg och för anpassning av arbetskolvareorna. 10 15 20 25 30 35 3 501 291 Genom särdragen i patentkravet 3 uppnås att magneterna kan anbringas på en central stång vilket i hög grad underlättar montering av magneterna till en enhet, vilken kan anbringas i höljet. Då den magneterna innehållande kolvstången även utgör arbetskolvstång kan nämnda centrala stång vara kraftöverfö- rande.This application is also particularly applicable when the piston cylinder cylinder is to be provided with a continuous piston rod, in particular for compensating masses mounted on the working piston rod as tools and for adapting the working piston products. The features of claim 3 ensure that the magnets can be mounted on a central rod which greatly facilitates mounting of the magnets to a unit which can be mounted in the housing. Since the magnets containing the piston rod also constitute a working piston rod, said central rod can be power-transmitting.

Särskilt fördelaktiga vidareutvecklingar av uppfinningen åstadkommes genom särdragen i patentkraven 4 och 5. Genom att distansbrickorna uppvisar en diameter som är anpassad till höljets innerdiameter och som är större än magneternas dia- meter uppnås dels vid magnetiserbara brickor ett jämnare förlopp hos det magnetiska flödet och därigenom bättre avkänningsförhållanden för givaren, dels att endast distans- brickorna behöver anpassas till det aktuella höljet medan magneternas diametrar kan avvika, vilket möjliggör användning av magneter av standardstorlek vid vitt skilda kolvstångs- dimensioner. Genom att brickornas tjocklek kan anpassas för optimering av magnetfältet vid magnetiserbara brickor och/eller för injustering av magneternas axiella lägen, uppnås även stor frihet att använda magneter av standardstorlek under samtidig mycket enkel anpassning av hela magnetpaketet till den aktuella applikationen.Particularly advantageous further developments of the invention are achieved by the features of claims 4 and 5. Because the spacers have a diameter which is adapted to the inner diameter of the housing and which is larger than the diameters of the magnets, a smoother course of the magnetic flux is thereby achieved. sensing conditions for the sensor, and that only the spacers need to be adapted to the current housing, while the diameters of the magnets may differ, which enables the use of magnets of standard size with widely differing piston rod dimensions. Because the thickness of the washers can be adjusted for optimizing the magnetic field at magnetizable washers and / or for adjusting the axial positions of the magnets, great freedom is also achieved to use magnets of standard size while at the same time very simple adaptation of the entire magnetic package to the current application.

Genom särdragen i patentkraven 6 till 8 uppnås mycket ända- målsenliga inställningsmöjligheter för anpassning av vändlägen och liknande till aktuella applikationer.Due to the features in claims 6 to 8, very appropriate setting possibilities are achieved for adapting turning positions and the like to current applications.

Genom modifikationen enligt krav 9 uppnås att uppfinningen även får tillämpning vid kolcylinderaggregat av konventionellt slag. T.ex. kan den utnyttjas vid kolvstångslösa cylindrar.The modification according to claim 9 achieves that the invention is also applied to carbon cylinder assemblies of a conventional type. For example. it can be used with piston rodless cylinders.

Ytterligare ändamål och fördelar med föreliggande uppfinning framgår av den följande detaljbeskrivningen.Additional objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description.

Uppfinningen ska nu närmare beskrivas mot bakgrund av ett utföringsexempel och med ledning av bifogade ritningar, på 10 15 20 25 30 35 501 291 4 vilka: Fig 1 visar delvis i ett centralt axiellt snitt en del av en positioneringsanordning i enlighet med föreliggande upp- finning, Fig 2 visar ett schematiskt kopplingsschema för anordningen enligt fig 1, och Fig 3 schematiskt visar magneterna med antydda flödeslinjer samt där, under i diagramform, signalen från givaren till styrutrustningen.The invention will now be described in more detail with reference to an exemplary embodiment and with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 shows partly in a central axial section a part of a positioning device in accordance with the present invention. Fig. 2 shows a schematic wiring diagram for the device according to Fig. 1, and Fig. 3 schematically shows the magnets with indicated flow lines and there, in diagrammatic form, the signal from the sensor to the control equipment.

Fig 1 visar således ett kolvcylinderaggregat 1 i ett centralt axíellt snitt. I cylindern, som omfattar en cylindergavel 2 och ett cylinderrör 3, är en, ej visad, arbetskolv axiellt rörligt anordnad. En kolvstång 5 utgår från kolven och passe- rar cylindergaveln 2 via sedvanliga tätningar. Kolvstången 5 omfattar ett hölje 6 av ett omagnetiskt material såsom rost- fritt austenitiskt stål, en aluminiumlegering, en armerad plast eller annat lämpligt material. Inuti höljet 6 är platt- formiga magneter 8 inrymda, vilka är anordnade med sina magne- tiska axlar i huvudsak koaxiella med kolvstångens 5 axel.Fig. 1 thus shows a piston-cylinder assembly 1 in a central axial section. In the cylinder, which comprises a cylinder head 2 and a cylinder tube 3, a working piston, not shown, is arranged axially movably. A piston rod 5 starts from the piston and passes the cylinder head 2 via conventional seals. The piston rod 5 comprises a housing 6 of a non-magnetic material such as stainless austenitic steel, an aluminum alloy, a reinforced plastic or other suitable material. Inside the housing 6, flat magnets 8 are housed, which are arranged with their magnetic axes substantially coaxial with the axis of the piston rod 5.

Varannan magnet 8 är vänd på så sätt att två närliggande magneters poler av samma slag står emot varandra. Den axiella polföljden mellan två intilliggande magneter blir således syd- nord-nord-syd eller nord-syd-syd-nord. Magneterna 8, som är av standardtyp, har en ytterdiameter som är något mindre än höl- jets innerdiameter. Mellan intilliggande magneter 8 är en dis- tansbricka 9 av magnetiserbart material placerad. Distans- brickorna 9 är anpassade till höljets innerdiameter på så sätt att en lämplig passning erhålles mellan brickorna och höljet.Every other magnet 8 is turned in such a way that the poles of two adjacent magnets of the same kind are opposed to each other. The axial pole sequence between two adjacent magnets is thus south-north-north-south or north-south-south-north. The magnets 8, which are of the standard type, have an outer diameter which is slightly smaller than the inner diameter of the housing. Between the adjacent magnets 8, a spacer 9 of magnetizable material is placed. The spacer washers 9 are adapted to the inner diameter of the housing in such a way that a suitable fit is obtained between the washers and the housing.

Genom att brickorna uppvisar något större diameter än magne- terna uppnås att mer distinkta utgångslägen för det magnetiska flödet erhålles och därmed bättre avkänningsförhållanden.Because the washers have a slightly larger diameter than the magnets, it is achieved that more distinct starting positions for the magnetic flux are obtained and thus better sensing conditions.

Distansbrickornas 9 tjocklek kan även väljas så att det magne- tiska flödet optimeras, vilket enkelt låter sig utprovas av en 10 15 20 25 30 35 5 501 291 fackman inom området. I kombination med, eller som alternativ till detta kan distansbrickornas 9 tjocklek anpassas för erhållande av önskade avkänningslägen för en intill kolv- stången 5 anbragt givare 10, vilken via en ledning 11 kommuni- cerar med en central styrenhet. Optimering av magnetflödet kan vara mycket väsentligt t.ex. där givaren av något skäl inte kan anbringas intill kolvstången, eller då man önskar använda ett tjockt hölje. För att underlätta montering av magnet/ brickpaketet är en central stång 7 belägen inuti kolvstången 5. I det fall kolvstången 5 utgör arbetskolvstång kan höljet 6 och/eller den centrala stången 7 utgöra kraftöverförande element. I det i fig 1 visade exemplet utgör emellertid kolv- stången 5 endast en positioneringskolvstång som motstår den egentliga arbetskolvstången. Kolvstången 5 kan också tjäna till anpassning av kolvens arbetsyta inuti cylindern.The thickness of the spacers 9 can also be selected so that the magnetic flux is optimized, which can easily be tested by a person skilled in the art. In combination with, or as an alternative to, the thickness of the spacers 9 can be adapted to obtain the desired sensing positions for a sensor 10 arranged next to the piston rod 5, which communicates via a line 11 with a central control unit. Optimization of the magnetic flux can be very important e.g. where the sensor for some reason can not be placed next to the piston rod, or when it is desired to use a thick casing. To facilitate mounting of the magnet / washer package, a central rod 7 is located inside the piston rod 5. In case the piston rod 5 constitutes a working piston rod, the housing 6 and / or the central rod 7 can constitute force-transmitting elements. However, in the example shown in Fig. 1, the piston rod 5 constitutes only a positioning piston rod which resists the actual working piston rod. The piston rod 5 can also serve to adapt the working surface of the piston inside the cylinder.

Genom utnyttjande av en arbetskolvstången motstående posi- tioneringskolvstång 5 uppnås hög grad av säkerhet vid använd- ning av aggregatet i med avseende på värme, smuts och fukt besvärliga omgivningar. Service, utbyte och inställning låter sig även enkelt göras vid denna applikation.By using a positioning piston rod 5 opposite a working piston rod, a high degree of safety is achieved when using the unit in environments that are difficult with regard to heat, dirt and moisture. Service, replacement and setting can also be easily done with this application.

Fig 2 visar schematiskt ett kopplingsschema för den i fig 1 visade positioneringsanordningen med den intill kolvstången 5 belägna givaren 10. Som styrenhet används här en programmerbar logisk dator (PLC) 13 som via ledningen 11 erhåller impulser från givaren 10. Eventuellt kan som alternativ till en dylik dator även en relativt enkel räknare användas. Styrenheten 13 vidarebefordrar efter erhållande av ett bestämt antal pulser från givaren 10 signaler till ventilen 14, som inställer denna för axiell rörelse till höger eller vänster i figuren eller för cylinderstopp. Med 15 är betecknad en tryckmediekälla.Fig. 2 schematically shows a circuit diagram of the positioning device shown in Fig. 1 with the sensor 10 located next to the piston rod 5. such a computer even a relatively simple calculator can be used. After receiving a certain number of pulses from the sensor 10, the control unit 13 forwards signals to the valve 14, which sets it for axial movement to the right or left in the figure or for cylinder stops. Denoted by 15 is a source of print media.

I fig 3 är överst schematiskt fyra intill varandra liggande magneter i ett magnetpaket visade med poler angivna samt flödeslinjer 16a och 16b och flödesriktningar medelst pilarna 17a och 17b antydda. Linjerna 18 och 19 visar givarens (här 10 15 20 25 30 35 501 291 6 sökandens egen magnetkolvsavkännare 322-20, -21) tillslags- respektive frånslags-nivå. Skillnaden i nivåhöjd förklaras av viss givarhysteres.In Fig. 3, at the top schematically, four adjacent magnets in a magnetic package are shown with poles indicated and flow lines 16a and 16b and flow directions by means of arrows 17a and 17b indicated. Lines 18 and 19 show the sensor's (here 10 15 20 25 30 35 501 291 6 the applicant's own magnetic piston sensor 322-20, -21) switch-on and switch-off level, respectively. The difference in level height is explained by some donor hysteresis.

Fig 3 visar underst givarens utsignal i volt som funktion av rörelseväg då givaren förs parallellt med stången. Givarut- signalen är således en fyrkantvåg.Fig. 3 shows at the bottom the sensor output signal in volts as a function of the travel path when the sensor is moved parallel to the rod. The sensor output signal is thus a square wave.

Den i beskrivningen angivna utföringsformen av uppfinningen är endast att betrakta som ett exempel och uppfinningen begränsas endast av vad som anges i de efterföljande patentkraven.The embodiment of the invention stated in the description is to be considered as an example only and the invention is limited only by what is stated in the following claims.

Således kan givaren, såsom tidigare antytts, vara av valfritt slag förutsatt att tidigare angivna krav på bland annat stör- ningsokänslighet uppfylles. Den angivna magnetkolvsavkännaren som är av magnetoresistiv typ kan givetvis ersättas av andra givare av detta slag. Även givare av Hall-elementtyp kan komma ifråga liksom till exempel tungelementgivare. En givare av sistnämnt slag klarar förlopp åtminstone upp till 50 Hz medan de andra nämnda givarna klarar än snabbare omslagsförlopp.Thus, the sensor can, as previously indicated, be of any kind provided that previously stated requirements for, among other things, disturbance insensitivity are met. The specified magnetic piston sensor which is of the magnetoresistive type can of course be replaced by other sensors of this kind. Sensors of the Hall element type may also be considered, as may, for example, tongue element sensors. A sensor of the latter type can handle processes at least up to 50 Hz, while the other sensors mentioned can handle even faster switching processes.

Den beskrivna positioneringsanordningen är i sin enklaste form avsedd för vad som skulle kunna definieras som grovpositione- ring varvid positioneringsläget vanligen tillåts variera inom 1 1 mm. Noggrannare positionering kan erhållas om flera givare anbringas axiellt förskjutna intill kolvstången (jämför indi- kering vid t.ex. skjutmått). Ett typiskt avstånd mellan mag- netpolerna är 4-15 mm, men även andra avstånd kan komma ifrå- ga. De kortaste avstånden är nu fullt realistiska mot bakgrund av numera på marknaden tillgängliga stabila permanentmagneter.The described positioning device is in its simplest form intended for what could be defined as coarse positioning, the positioning position usually being allowed to vary within 1 1 mm. More accurate positioning can be obtained if several sensors are placed axially offset next to the piston rod (compare indication for eg dimension). A typical distance between the magnetic poles is 4-15 mm, but other distances can also be considered. The shortest distances are now fully realistic in the light of stable permanent magnets now available on the market.

Uppfinningen erbjuder också goda möjligheter till att på olika sätt justera indikeringslägena i axiell led. Detta kan åstad- kommas genom att givaren är axiellt förskjutbart anbragt intill kolvstången på en gejd, på skruvtappar, eller på annat sätt. Magnetpaketet kan även vara förskjutbart inuti höljet medelst distansförskruvning, axiellt expanderande brickor eller på annat lämpligt sätt. Vid stora kolvrörelser kan 10 15 7 501 291 kolvstången inrymma grupper av magneter utmed endast vissa avsnitt av kolvstångens axiella utsträckning, och mellan magnetgrupperna, vilka definierar till exempel vändningslägen eller stopplägen, kan stång- eller rörformiga distansorgan vara anbragta (12 i fig 1).The invention also offers good possibilities for adjusting the indication positions in axial direction in different ways. This can be achieved by the sensor being axially displaceably arranged next to the piston rod on a guide, on screw pins, or in another way. The magnetic package can also be displaceable inside the housing by means of a distance screw, axially expanding washers or in another suitable way. In the case of large piston movements, the piston rod can accommodate groups of magnets along only certain sections of the axial extent of the piston rod, and between the magnetic groups, which define for example turning positions or stopping positions, rod or tubular spacers may be arranged (12 in Fig. 1).

Det är även möjligt att utnyttja distansbrickor 9 av ej magne- tiserbart material såsom plast, rostfritt austenitiskt stål, en aluminiumlegering eller något annat lämpligt material. Vad som ovan sagts beträffande dimensioneringen av brickorna äger även tillämpning vid ej magnetiserbara brickor (med undantag för optimering av magnetfältet).It is also possible to use spacers 9 of non-magnetizable material such as plastic, stainless austenitic steel, an aluminum alloy or any other suitable material. What has been said above regarding the dimensioning of the washers also applies to non-magnetizable washers (with the exception of optimization of the magnetic field).

Slutligen är det möjligt att utnyttja uppfinningen även vid en med kolven eller kolvstången 5 parallellkopplad indikerings- stång av i och för sig känt slag. Härvid inrymmer indikerings- stången magneter 8, distansbrickor 9 och ev. stång 7 och distansorgan i motsvarighet till vad som beskrivits ovan i samband med kolvstången 5.Finally, it is possible to use the invention also with an indicating rod of a kind known per se connected in parallel with the piston or the piston rod 5. In this case, the display bar houses magnets 8, spacers 9 and possibly rod 7 and spacers corresponding to what has been described above in connection with the piston rod 5.

Claims

10 15 20 25 30 35 501 291 8 P A T E N T K R A V

Device for positioning a piston-cylinder assembly (1) with a piston rod (5) connected to the piston, comprising magnetic bodies (8) arranged at certain axial positions on the piston rod (5), and a sensor (10) sensing the magnetic field of the magnetic bodies the piston rod, the magnetic bodies being constituted by flat permanent magnets (8) with a substantially circular-cylindrical outer surface, and the piston rod (5) having a substantially smooth, tubular outer casing (6) of a non-magnetic material, which encloses the magnets (8) but allows the passage of magnetic flux, characterized in that each magnet (8) is arranged with the magnetic axis substantially coaxial with the axis of the piston rod (5) and with the magnetic poles arranged in opposite directions with respect to adjacent magnets ( 8), and that the magnets (8) are separated by intermediate circular spacers (9) of magnetizable or non-magnetizable material.

Device according to claim 1, characterized in that the piston rod (5) containing the magnets (8) is a positioning piston rod (5) opposite the working piston rod.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the magnets (8) have a center hole for receiving a rod (7) arranged centrally in the piston rod.

Device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the spacers (9) have a diameter which is adapted to the inner diameter of the housing (6) and which is larger than the diameter of the magnets (8).

Device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the thickness of the washers (9) is adapted for optimizing the magnetic field and / or for adjusting the axial positions of the magnets (8). 10 15 9 501 291

Device according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the magnets (8) are part of an adjustable unit displaceable in the axial direction relative to the housing (6).

Device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the sensor is axially displaceable for adjusting the sensing position.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the rod (5) has spacers (12) for filling the piston - that the magnets (8) containing the piston rod are separated between or next to groups of spacers (9) arranged magnets (8).

Modification of a device according to one of Claims 1 and 3 to 8, wherein a separate indicating rod connected in parallel with the piston or piston rod (5) has characteristics of the piston rod (5) specified in these claims.