WO1987004763A1

WO1987004763A1 - Ram cylinder with an electric sensor for the end position of the piston

Info

Publication number: WO1987004763A1
Application number: PCT/DE1987/000013
Authority: WO
Inventors: Gerhard BRÜGGEN; Manfred Gaugler; Dieter Karr; Josef Winkler
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1986-02-08
Filing date: 1987-01-14
Publication date: 1987-08-13
Also published as: EP0258279B1; JPH0776563B2; EP0258279A1; JPS63502296A; DE3760634D1; US4843951A; DE3603992A1

Description

Arbeitszylinder mit einem elektrischen Kolbenendstellungsgeber

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Arbeitszylinder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Anordnungen dieser Art sind bereits bekannt. Sie sind als einfach- oder doppeltwirkende Zylinder ausgebildet, deren Kolben mit Flüssigkeiten oder Gasen, insbesondere Druckluft, beaufschlagbar sind. Der Einlaß und der Auslaß des Druckmediums wird hierbei so gesteuert, daß bei Erreichen der Hubendlage des Kolbens das Schließen des bisherigen Einlasses und Öffnen des Auslasses erfolgt. Es sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, die Stellung des Kolbens eines Arbeitszylinders, insbesondere das Erreichen der Kolbenendstellung, zu messen und festzustellen. Alle diese bekannten Anordnungen sind jedoch relativ aufwendig, störanfällig und ungenau. So verwendet beispielsweise ein durch die DE-PS 30 14 331 bekannt gewordener Arbeitszylinder als Endiagengeber eine mit der Zylinderstirnwand verschweißte Membrane aus Edelstahl, mit welcher ein vom Kolben getragener 3etät igungskδrper axial fluchtet. Die Verformung der Membran wird über einen außer halb des Zylinderraums angeordneten Fühler in ein Stellungssignal umgewandelt. Die DE-OS 32 21 574 befaßt sich mit einem Zylinder mit integriertem elektrischen Signalgeber, welcher in einer Ausführungsform zwei isolierte elektrische Leiter aufweist, die auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen gehalten werden und in der Hubendlage die aus leitendem Material bestehende Kolbenfläche berühren.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß er bei kompakter Bauweise ohne bewegliche Teile für die Erfassung der Kolbenendlage auskommt. Man erreicht bei dichtem Abschluß des Arbeitsraumes eine Kolbenendstellungsgabe mit genauem Ansprechzeitpunkt, die auch unter rauhen Einsatzbedingungen, bei hohen Drücken und Temperaturen, zuverlässig funktioniert und praktisch verschleißfrei ist. Außerdem wird eine Fremdspannungsquelle zur Anzeige der Kolbenendstellung entbehrlich. Der angegebene Arbeitszylinder läßt sich ferner als piezohydraulischer oder piezopneumatisches Stellelement weiterbilden, das sich durch große Stellwege, kurze Stellzeiten und große Kraftübertragung auszeichnet. Hierzu ist vorgesehen, daß in die Zylinderstirnwand die Zuleitung für ein den Kolben beaufschlagendes Druckmedium mündet, welche in der Hubendlage durch einen Teil der Stirnfläche des Kolbens verschlossen ist, daß der Kolben durch eine Kraft in seiner Hubendlage gehalten wird, die größer ist als die auf die Teilfläche des Kolbens einwirkende Kraft des Druckmediums, und daß in der Zylinderstirnwand ein mit einer Spannungsquelle verbindbarer piezoelektrischer Wandler angeordnet ist, welcher sich nach Anlegen der Spannung in Verschieberichtung des Kolbens ausdehnt und dessen Stirnfläche von der Sylinderstirnwand abhebt. Zum Erfassen der Kolben endstellung und zum Abheben des Kolbens von der Zylinderstirnwand ist nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ein gemeinsamer piezoelektrischer Wandler vorgesehen. Dieser Wandler ist zweckmäßig als zylindrischer Körper ausgebildet, welcher in eine in Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufende Bohrung der Zylinderstirnwand eingesetzt ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile näher erläutert. Die Figur zeigt einen schematisch dargestellten Arbeitszylinder mit den zugehörigen Steuereinrichtungen in einem Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Zeichnung zeigt einen Arbeitszylinder 1 mit einem doppelseitig beaufschlagten, über eine geradlinige Hubstrecke hinund herbewegbaren Kolben 2, der jeweils nach Erreichen seiner Endstellungen umgesteuert werden kann. Der Zylinder 1 ist beidseitig durch je einen Zylinderdeckel 3 bzw. 4 druckdicht verschlossen. Die Zylinderdeckel sind der Übersichtlichkeit wegen einstückig mit dem Arbeitszylinder 1 dargestellt. Der Kolben 2 hat eine Kolbenstange 5, welche durch eine mit einer Dichtung 6 versehene Bohrung im Deckel 3 nach außen geführt ist.

Das Druckmittel wird dem Zylinderinnenraum über in den Zylinderdeckeln 3, 4 ausgebildete Leitungen 7 bzw. 8 zugeführt. Die Leitungen sind im 3ereich der einander zugekehrten Stirnwände der Zylinderdeckel als Ringräume 9 bzw. 10 ausgebildet, mit denen an den Stirnflächen des Kolbens 2 befindliche Dichtringe 11 bzw. 12 zusammenarbeiten. Zum Abführen des im Zylinder befindlichen Druckmediums sind Rücklaufleitungen 13 und 1 4 vorgesehen, die nahe der Stirnwände der Zylinderdeckel 3 bzw. 4 in den Zylinderraum münden. Die Leitungen enthalten einen durch einen Elektromagneten 15 betätigbaren Steuerschieber 16. Je nach Stellung dieses Schiebers werden entweder die Zuleitung 8 und die Abflußleitung 14 oder die Zuleitung 7 und die Abflußleitung 13 freigegeben.

Das Signal für das Umschalten des Steuerschiebers 16 wird durch Kolbenendstellungsgeber erzeugt, welche in bzw. an den Zylinderdeckeln 3, 4 angeordnet sind und in den Hubendlagen durch den Kolben 2 betätigt werden. Als solche Endst ellungsgeber dienen piezoelektrische Wandler 17 und 18. Diese sind im Ausführungsbeispiel als zylindrische Hohlkörper ausgebildet, welche in je eine zentrisch angeordnete und in Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufende Bohrung 19 bzw. 20 des Deckels 3 bzw. 4 eingesetzt sind. Die Hohlkörper stehen im unbelasteten Zustand um einige Mikrometer über die Stirnwand der Deckel vor. Der Hohlkörper 17 wird von der Kolbenstange 5 durchgriffen. Jeder Wandler besteht aus mehreren, aufeinandergeschichteten piezoelektrischen Lochscheiben, die in einem Isolierstoffgehäuse angeordnet sind. Die Scheiben sind elektrisch parallel geschaltet. Jeder Wandler ist über eine nach aussen geführte Leitung 21 bzw. 22 mit dem Elektromagneten 15 verbunden.

Der Kolben 2 wird durch eine Kraft in seiner jeweiligen Endhublage gehalten, die größer ist als die auf die Fläche der den Ringraum 9 bzw. 10 der Zuleitungen 7 bzw. 8 verschlie ßenden Dichtringe 11 bzw. 12 einwirkende Kraft des Druckmediums. Diese Kraft wird im Ausführungsbeispiel durch Permanentmagnetringe 23, 24 aufgebracht, die in je einer Ausdrehung 25, 26 der Zylinderdeckel 3 bzw. 4 befestigt sind. Die Stirnflächen der Magnetringe schließen mit der Stirnwand der Zylinderdeckel bündig ab. Den Magnetringen 23, 24 steht je ein Weicheisenring 27 bzw. 28 gegenüber, welcher im Kolben 2 verankert ist. Über die Leitungen 21, 22 können die Wandler 17, 18 wechselweise an Spannung gelegt werden. Dabei dehnen sich die piezoelektrischen Scheiben unter dem Einfluß des angelegten elektrischen Feldes bei gleichzeitiger Kontraktion ihrer Durchmesser in Richtung der Zylinder-Längsachse aus, so daß der Kolben 2 von der Stirnwand des Zylinderdeckels abgehoben wird. Um die Masse des Kolbens 2 möglichst klein zu halten ist es vorteilhaft, den Kolben aus einem Kunststoff anzufertigen, in den die beiden Weicheisenringe 27, 23 eingebettet sind. Möglich ist auch eine Ausführung, bei welcher die Dauermagnete im Kolben 2 fixiert sind und die Zylinderdeckel aus Weicheisen bestehen.

Die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Zylinderanordnung ist wie folgt:

In der Zeichnung befindet sich der Kolben 2 in seiner linken Hubendlage. Er wird durch das Magnetfeld des Ringmagneten 24 an der Stirnwand des Zylinderdeckels 4 festgehalten. Die Druckleitung 8 ist geöffnet, so daß die Kraft des Druckmediums am Dichtring 12 des Kolbens 2 anliegt. Diese Kraft ist kleiner als die magnetische Haltekraft. Erhält nun der piezoelektrische Wandler 18 über die Leitung 22 einen elektrischen Spannungsimpuls, so dehnt er sich aus und hebt den Kolben 2 unter gleichzeitigem öffnen des Abdicht sit zes 10, 12 etwas von der Stirnwand des Zylinderdeckels 4 ab. Der Druck des durch die Leitung 8 zugeführten Druckmediums wirkt nun auf die gesamte Kolbenfläche, d.h. der Hydraulikbzw. Pneumatikdruck wird größer als die magnetische Haltekraft, Der Kolben bewegt sich demzufolge in die rechte Hubendlage, wobei das Druckmedium auf der rechten Kolbenseite über die Rücklaufleitung 13 ausgepreßt wird. Kurz vor Erreichen der rechten Endlage wird die Rücklaufleitung durch den Kolben geschlossen und die Kolbengeschwindigkeit etwas abgebremst. Beim Auftreffen des Kolbens auf die Stirnwand des Zylinderdeckels 3 erfährt der piezoelektrische Wandler 17 eine Deformation. Das dadurch erzeugte elektrische Signal wird über die Leitung 21 und einen zwischengeschalteten Verstärker auf den Elektromagneten 15 gegeben. Dieser überführt den Steuerschieber 16 in seine andere Endlage, in welcher die Rücklaufleitung 14 und die Druckleitung 7 geöffnet, die Leitungen 8 und 13 hingegen geschlossen sind. Danach kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Wandler 17 der Auslöseimpuls für die Bewegung des Kolbens 2 in umgekehrter Richtung eingegeben werden.

Der Einfluß temperaturbedingter Größenänderungen der piezoelektrischen Wandler läßt sich durch Anlegen einer Gleichspannung an die Piezokeramik kompensieren. Als Stellgröße für den Elektromagneten 15 wird das überlagerte Wechselspannungssignal verwertet, das durch die Kompression des Wandlers beim Auftreffen des Kolbens auf die Stirnwand eines der Zylinderdeckel 3, 4 erzeugt wird.

Claims

Ansprüche

1. Arbeitszylinder mit einem elektrischen Endstellungsgeber, dei am Zylinderdeckel angebracht ist und in der Hubendlage durch den Kolben betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kolbenendstellungsgeber ein piezoelektrischer Wandler (17 bzw. 18) dient.

2. Arbeitszylinder, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zylinderstirnwand die Zuleitung (7 bzw. 8) für ein den Kolben (2) beaufschlagendes Druckmedium mündet, welche in der Hubendlage durch einen Teil (11 bzw. 12) der Stirnfläche des Kolbens verschlossen ist, daß der Kolben durch eine Kraft in seiner Hubendlage gehalten wird, die größer ist als die auf die Teilfläche des Kolbens einwirkende Kraft des Druckmediums, und daß in der Zylinderstirnwand ein mit einer Spannungsquelle verbindbarer piezoelektrischer Wandler (17 bzw. 18) angeordnet ist, welcher sich nach Anlegen der Spannung in Verschieberichtung des Kolbens ausdehnt und dessen Stirnfläche von der Zylinderstirnwand abhebt.

3. Arbeitszylinder nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen der Xolbenendst eilung und zum Abheben des Kolbens (2) von der Zylinder Stirnwand ein gemeinsamer piezoelektrischer Wandler (17 bzw. 18) vorgesehen ist.

4. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (17 bzw. 18) als zylindrischer Körper ausgebildet ist, welcher in eine in 3ewegungsrichtung des Kolbens verlaufende Bohrung der Zylinderstirnwand eingesetzt ist.

5. Arbeitszylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (17) als zentrisch angeordneter Hohlzylinder ausgebildet ist, der von einer Kolbenstange (5) durchgriffen wird.

6. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kolben (2) in seiner Hubendlage haltende Kraft durch einen Permanentmagneten (23 bzw. 24) aufgebracht wird.

7. Arbeitszylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (23 bzw. 24 ) im Zylinder (1) befestigt ist und einen Teil der Zylinderstirnwand bildet.

8. Arbeitszylinder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2) aus einem Kunst stoffkörper mit Weicheiseneinlagen (27, 28) besteht.