WO2012151708A1

WO2012151708A1 - Wirkzylindersensor

Info

Publication number: WO2012151708A1
Application number: PCT/CH2012/000101
Authority: WO
Inventors: Peter A. Mueller
Original assignee: Mueller Peter A
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2012-11-15
Also published as: CH704909A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen im Wirkzylinder (1) einschraubbaren, Sensor (10), welcher entweder druckdicht ist und die Sensoröffnung (11) mittels eines Dichtrings (11a) zugleich gegen Leckage dichtet oder eine Einlage (27) im Wirkzylinder (1) als Dichtmittel wirkt und die Sensorspitze (10a) den im Wirkzylinder eingelassenen Abtastelement (7) detektiert und am Abtastelement (7) eine Feder (6), sowie ein Seilzugmittel (3) oder eine Spindel (21) angebracht ist und mittels des Drehlagers (28) ein Verdrehen der Kolbenstange (9) keinen Einfluss auf das Seilzugmittel (3) hat.

Description

Wirkzylindersensor

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einem im Gehäuse eines Wirkzylinders einschraubbaren, druckfesten Sensors, welcher als Hubmessung an einem Wirkzylinder dient, der durch einen an der Kolbenstange angebrachten Seilzug oder darin liegenden Spindel, ein im

Wirkzylinder liegendes Abtastelement detektiert, nach dem Oberbegriff des ersten

Anspruchs.

Stand der Technik

Hubmessung an einem Wirkzylinder, sei dieser ein hydraulischer oder pneumatischer oder elektrischer Zylinder, ist in vielen Bereichen ein Muss und deshalb stehen verschiedene Messsysteme zu Verfügung, um damit die Hubstellung der Kolbenstange an gewissen Positionen oder permanent zu erkennen.

Gemessen wird berührungslos im Zylinder z.B. mittels induktiven Lanzen oder aussen- liegenden Magnetaufnehmem oder mittels separaten Messmitteln, optischen oder magnetischen, welche an die Kolbenstange angreifen. Im Weiteren sind Messsysteme bekannt, welche Markierungen an der Kolbenstange erkennen, oder mittels Andrücken von Rollen an die Kolbenstange die Rotation dieser detektiert wird und in einem Controller aufbereitet und als Hubweg ausgegeben.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wirkzylinder eine sichere

Wegmessung auch in unwirtlicher Umgebung oder und hohem Druck im Wirkzylinder zu einem günstigen Preis bereitzustellen, welcher zudem bei einem unerwarteten Defekt leicht und schnell ausgetauscht werden kann.

Eine solche Forderung kann mittels eines den Kolbenraum eines Wirkzylinders durch- stossenden Sensors erreicht werden, welcher den Hub der Kolbenstange mittels eines am Kolben montierten Seilzugs und dort am rotierenden Seilzug angebrachten Abtastmittel misst oder die Drehbewegung einer in der Kolbenstange gelagerten Spindel, an welcher ein Abtastmittel angebracht ist, misst. Ein zentrales Element der Hubmessung ist die Hysterese möglichst gering zu halten, idealerweise schon auf der mechanischen Ebene, welches mittels einer einseitig gerichteten Federkraft gelöst werden kann, wie unten im Text aufgezeichnet. Ein Sensor welcher in einen druckbeaufschlagten Wirkzylinder eingeführt wird, muss deshalb druckfest sein oder der Wirkzylinder weist an der Sensorstelle eine nichtmetallische druckfeste Abdeckung auf, welche dem Druck in der Zylinderkammer gewachsen ist. Eine Konstruktion die mehr als 5 bar Zylinderinnendruck wiedersteht, gilt laut Definition als druckfester Sensor.

Kleine Wirkzylinder weisen oftmals eine Kolbenstange aus Vollmaterial auf und damit ist eine spindelgeführte Messeinheit nicht möglich. In diesem Fall, aber auch bei grösseren oder sehr langen Kolbenstangen oder Teleskopzylinder, welche eine Hohlbohrung auf- weisen, lassen sich mittels Seilzugs, welcher im Boden des Wirkzylinders eingelassen ist und das Auszugseil mit dem Kolben verbunden ist, mittels einer Feder auf- und abrollen. An der Aufzugsrolle kann ein preiswertes Abtastelement angebracht werden, z.B. ein metallischer Zahnring, sodass ein induktiver Sensor die einzeln vorbeigeführten Zähne zählen kann und daraus sich der Messhub darstellt lässt. Statt einem induktiven Sensor kann ein Hallgeber oder ein optischer Sensor angebracht sein oder es kann mittels eines Wirbelstromsensor gemessen werden. Ein Hall- oder induktiver oder nach dem Wirbelstromoder LVDT Prinzip Sensor kann in einem Hydraulikzylinder direkt im Öl platziert sein, unter der Voraussetzung, dass dieser druckfest ist, welches mittels eines nicht metallischen Abdeckung, z.B. keramischen Abdeckung am oder vor dem Sensor bewerkstelligt wird. Kann die Aufzugsrolle nicht so verbaut werden, dass das Seil sich genau mittig zum Kolben erstreckt, ist eine Umlenkrolle oder mehrere vorgesehen, sodass sichergestellt ist, dass das Seil zur Mitte des Kolbens fluchtend ist oder mittels eines Drehlagers sichergestellt ist, dass das Seil an einem bestimmten Ort in der Längsausrichtung verharrt.

Ebenfalls kann der gleiche Sensor und das gleiche preiswerte Abtastelement in einer weiteren Variante mittels Hohlkolbenstange verwendet werden und darin eine kostengünstige Spindel, evtl. auch aus Kunststoff, Platz findet. Der Kolben weist eine Spindelmutter auf und aufgrund der Ausführung, dass die Kolbenstange sich nur axial verschiebt, führt dies zu einer Drehbewegung der gelagerten Spindel, welche axial und radial geführt ist. Der Sensor detektiert die Verzahnung oder Magnete oder Abstand zum oder am

Abtastelement und mittels eines Controllers wird damit der Istwert des Hubs errechnet. Um die Hysterese möglichst gering zu halten, befindet sich an der Spindel eine Spiralfeder oder eine Druckfeder, welche eine ständige Torsion, resp. einen Druck auf die Spindel ausübt und dazu führt, dass, die Flanken der Spindelmutter, in beide Verschieberichtungen der Kolbenstange, immer an derselben Gewindeflanke der Spindel anliegen. Es wäre auch denkbar, dass zwei Spindelmuttern, welche zueinander verdreht sind, auf diese Weise das Spiel zwischen Spindel und Spindelmutter aufgehoben wird. Diese Option wird mit einer wesentlich höheren Reibung erkauft und bedingt ein sauberes Einstellen der gegenseitigen Verdrehung.

Das gemeinsame der beiden Varianten ist das Durchführen des Sensors durch den Wirkzyiinder, wobei der Sensor einerseits direkt das Abtastelement am Seilzug oder an der Spindel detektiert, anderseits das Sensorkabel nicht durch den Wirkzylinder geführt zu werden braucht und nicht zuletzt, dient der Sensor als Stopfbuchse und dichtet die

Sensoröffnung ideal ab, indem z.B. der druckfeste Sensor in den Wirkzylinder eingeschraubt wird und ein Dichtring die Verschraubung vor Leckage schützt, oder der Wirkzylinder weist eine nicht metallische druckfeste Einlage auf. In der Seilzugvariante kann mittels Umlenkrollen sichergestellt werden, dass das Seil mittig zum Kolben angebracht ist oder und, selbst bei einem seitlich angebrachten Seil am Kolben, dort ein Drehlager dafür sorgt, dass das Seil keine Verdrehung erfahren kann.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht. Kern der Erfindung ist, mittels eines in den Wirkzylinder einschraubbaren, abgedichteten Sensors, welcher den Kolbenhub mittels eines drehinduzierenden Mittels, an dem einfache Abtastelemente angebracht sind, misst und mittels eines Controllers den zurückgelegten Hub in effektive Messlängen konvertiert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Wirkzylinders, an welchem im

Zylinderboden ein federbelastetes Seilzugmittel eingelassen ist und das Seilende am Kolben befestigt ist und an einer Seite des Seilzugmittels eine Welle hervorsteht an der ein Abtastelement befestigt ist und im Abstand ein mittels eines Dichtrings gedichteter Sensor im Gehäuse des Wirkzylinders platziert ist und das Sensorkabel mit dem Controller verbunden ist

Fig. 1a eine schematische Seitenansicht eines Wirkzylinders, an welchem im

Zylinderboden ein federbelastetes Seilzugmittel eingelassen ist und das Seilende am Kolben befestigt ist und mittels Umlenkrollen mittig auf den Kolben wirkt

Fig. 1b eine schematische Seitenansicht eines Wirkzylinders, an welchem im

Zylinderboden ein federbelastetes Seilzugmittel eingelassen ist und das Seilende am Kolben mittels eines Drehlagers befestigt ist und das Seil lagestabil hält Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Wirkzylinders, an welchem im

Zylinderboden eine axial und radial geführte sowie federbelastete Spindel mit einem Abtastelement angebracht ist, wobei die Spindel in der Kolbenstange eingelassen ist und im Kolben eine Spindelmutter montiert ist und im Gehäuse des Wirkzylinders sich ein dichter Sensor mit einem Sensorkabel befindet, welches mit dem Controller verbunden ist.

Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente schematisch gezeigt. Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Wirkzylinders 1 , an welchem im

Zylinderboden 2 ein Seilzugmittel 3 eingelassen ist, bestehend aus der

Aufzugsrolle - 4, an welcher das Seil 5 befestigt ist und seitlich von der

Aufzugsrolle 4 die Feder 6 und auf der gegenüberliegenden Seite das drehbare Abtastelement 7 befestigt ist und ein Ende des Seils 5 am Kolben 8 angebracht ist, der mit der Kolbenstange 9 verbunden ist. In einem definierten Abstand zum Abtastelement 7 befindet sich der Sensor 10 mit der Sensorspitze 10a, welcher mittels eines Dicht-rings 11a in der Sensoröffnung 11 im Zylinderboden 2 einen

Fluiddruck gegen aussen hin dichtet. Der Sensor 10 ist mittels des Sensorkabels 17 mit dem Controller 20 verbunden.

Der Wirkzylinder 1 kann ein pneumatischer oder hydraulischer Fluidzylinder sein, angezeigt hier als ein doppelwirkender Wirkzylinder 1 mit dem jeweiligen Ein- und Auslass 12 für das Fluid, wobei der Wirkzylinder 1 an den beiden Drehaugen 13 mittels Lagerbolzen an eine Geräteapplikation festgemacht wird. Die Dichtungen 14 verhindern Leckage innerhalb der Zylinderkammern 15a und 15b, als auch gegen den Aussenbereich.

Der Zylinderboden 2 wird mit dem Zylinderrohr 16 zusammen geschraubt, ent- weder mittels eines grossen Gewindes oder mittels mehreren radial angeordneten

Schrauben, sodass auch rasch und einfach Zugang zum Seilzugmechanismus gewährleistet ist. Eine einfache Ausnehmung genügt, um das ganze Seilzugmittel 3 mittels eines hier nicht dargestellten Befestigungsmittels in Position zu halten. Der Vorteil liegt darin, dass das Seilzugmittel 3 ausserhalb des Wirkzylinders 1 als Einheit vormontiert werden kann und es keine Ausrichtung einer Welle gegenüber dem Wirkzylinder 1 oder Durchführung einer Welle durch das Gehäuse des Wirkzylinder 1 und eine komplizierte Drehabdichtung bei einem hohen Hydraulikdruck im Wirkzylinder 1 benötigt.

An der drehgelagerten Aufzugsrolle 4 ist das Seil 5 befestigt und entsprechend aufgerollt und mittels der daran befestigten Feder 6, z.B. einer Spiralfeder, welche in Zugrichtung, d.h. in Richtung Einziehen des Seils 5 wirkt. Die Feder 6 wird mittels des aussenliegenden Federdorns 6a am Zylinderboden 2 oder am

Montagerahmen festgemacht, um eine Vorspannung zu sichern. Auf der gegenüberliegenden Seite der Aufzugsrolle 4 befindet sich das Abtastelement 7, welches z.B. ein mehrkantiges oder scheibenartiges Element darstellt oder ein magne- tisches Element aufweist, sodass ein entsprechender Sensor 10 induktiv oder kapazitiv oder als Hallsensor u.a. Sensortypen wirkt, mit dem sich eine Distanz messen oder ein Objekt entsprechend detektieren lässt. Der Sensor 10 wird in die Sensoröffnung 11 im Zylinderboden 2 z.B. eingedreht und mittels einer Schulter 18 als Eindrehanschlag und zugleich oder separat als Dichtfläche mittels des Dichtrings 11a druckdicht gemacht. Ist der Sensor 10 ebenfalls druckdicht, indem z.B. die aktive Sensorfläche aus dem keramischen Zirconiumoxyd oder einem ölbeständigen hochwertigen Kunststoff besteht, können auch hohe Hydraulikdrücke im Wirkzylinder 1 dem Messsystem nichts anhaben. Am Sensor 10, welcher sich aus dem Zylinderboden 2 erstreckt, ist das Sensorkabel 17 aussenseitig angebracht, sodass hierfür auch keine Sensorkabeldurchführung durch den Wirkzylinder 1 nötig wird, d.h. eine Risikostelle in Sachen Leckage und ein weiterer Kostenfaktor ist hiermit eliminiert. Eine am Sensor 10 optional angebrachte

Kontrolldiode als LED lässt mittels Aufleuchten der Diode erkennen, ob jeweils gemessen wird, wobei auch die Hubgeschwindigkeit erfasst werden kann. Der

Sensor 10 ist im Weiteren somit auch ein mechanisches Bindeglied zwischen dem Abtastelement 7 und dem Sensorkabel 17 und zugleich ein Dichtmittel am

Wirkzylinder 1.

Nach der Montage des Seilzugmittels 3 im Zylinderboden 2 kann am Kolben 8, welches im Zylinderrohr 18 geführt ist, daran das Seil 5 befestigt werden. Eine wahlweise Seilführung 19 führt das Seil 5 zusätzlich. Nach der Verbindung des Zylinderbodens 2 mit dem Zylinderrohr 18 und dem darin gelagerten Kolben 8 mit der Kolbenstange 9, ist die Hubmessung bereit und wird an den Controller 20 angeschlossen, welcher die inkrementelle oder absoluten Werte des Sensors 10 in entsprechende Distanzwerte umrechnet. Die Kalibrierung der Messdistanz ist wie üblich bei Längenmessungen und entspricht dem Stand der Technik, indem die Kolbenstange 9 z.B. von Anschlag zu Anschlag abgefahren wird und die Umdrehungen und Teilumdrehung am Abtastelement 7 aufgrund des Ab- und

Aufwickeins des Seils 5 auf die Aufzugsrolle 4 den Gesamthub ergibt, als auch damit der Startpunkt für die Hubmessung definiert wird.

Das Seilzugelement ist damit messbereit und von äusseren Einflüssen wie

Schmutz oder Seilberührung geschützt und im Hydrauliköl zugleich selbstschmierend gelagert. Im Weiteren ist das Sensorkabel 17 ideal aussenliegend am Sensor 10 montiert und braucht somit keine weitere Kabelabdichtung, d.h. mit weniger Teilen und Einfachheit kann eine präzise Hubmessung erfolgen. Fig. 1a zeigt eine schematische Seitenansicht eines Wirkzylinders 1 , an welchem im

Zylinderboden 2 ein federbelastetes Seilzugmittel 3 eingelassen ist und das Ende des Seils 5 am Kolben 8 befestigt ist und mittels mindestens einer Umlenkrolle 26 mittig auf den Kolben 8 wirkt. Je nach Position der Aufzugsrolle 4 muss einmal oder zweimal umgelenkt werden, sodass das Seil 5 immer waagrecht und fluchtend zur Mitte des Kolbens 8 wirkt. Die Umlenkrollen 26 können drehbare Pulleys oder eine entsprechend geformte Hülse sein, welche das Seil 5 störungsfrei führen.

Statt wie in Fig. 1 erwähnt, kann in dieser Variante der Sensor 30 statt eine druck- feste Ausführung, eine ordinäre Ausführung darstellen, indem im Zylinderboden 2 eine nicht metallische, druckfeste Einlage 27 am Ende der Sensoröffnung 11 angebracht ist, z.B. mittels Einklebens eines Keramikelementes.

Fig. 1b zeigt eine schematische Seitenansicht eines Wirkzylinders 1, an welchem im

Zylinderboden 2 ein federbelastetes Seilzugmittel 3 eingelassen ist und das Ende des Seils 5 an einem Drehlagers 28 befestigt ist, welches sich am Kolben 8 befindet und das Seil 5 lagestabil hält. Insbesondere bei Elektrospindelantrieben, bei welchen der Antrieb der hier nicht gezeigten Kolbenspindel durch die Mitte des Wirkzylinders 1 führt, angezeigt durch den Pfeil MG, ist es zwingend das Seil 5 seitlich davon anzubringen. Das allgemeine Problem von Kolbenstangen 9 ist, dass der Nutzer diese evtl. dreht und beim nächsten Aus-und Wiedereinbau nochmals dreht und somit ein starr festgemachtes Seil 5 an einer solchen Kolbenstange 9 unweigerlich sich verhaspeln würde und die Wegmessung nicht mehr ausgeführt werden könnte. Deshalb befindet sich am Ende des Kolbens 8 ein Drehlager 28, sodass im Falle die Kolbenstange 9 gedreht werden würde, das Seil 5 in Position bleibt und somit die Wegmessung gewährleistet bleibt. Selbstverständlich könnte man an der Kolbenstange eine Markierung anbringen wie diese zu stehen hat, aber ist einmal eine volle Umdrehung ausgeführt worden, ist der vorausgegangene Verdrehvorgang nicht mehr sichtbar oder wird die Kolbenstange 9 sogar dazu genutzt um die Einbaulänge in einem Gerät fein zu justieren, ist ein Drehlager 28 ebenfalls ein Muss.

Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Wirkzylinders , an welchem im

Zylinderboden 2 eine axial und radial geführte, sowie mittels der Feder 6, eine federbelastete Spindel 21 mit einem Abtastelement 7 angebracht ist und seitlich daran sich ein Sensor 10 erstreckt und im Kolben 8 eine Spindelmutter 22 eingelassen ist, wobei die Spindel axial sowie radial mittels des Lagertellers 23 und der Lagermittel 24 geführt wird.

Eine im Zylinderboden 2 platzsparend platzierte Sensoreinbau-Variante ist eine nicht selbsthemmende Spindel 21 in der Kolbenstange 9, welche eine Drehung mittels der im Kolben 8 eingebetteten Spindelmutter 22 und dem Lagerteller 23 erzeugt. Die Spindel 21 erstreckt sich bis zum Zylinderboden 2 und mündet in einen Lagerteller 23, welcher axial, wie radial durch Lagermittel 24 leichtgängig gehalten und geführt wird. Aufgrund der drehstarren Spindelmutter 22, welche sich nur axial mit dem Kolben 8 verschiebt und die, mittels des Lagertellers 23 und

Lagermittel 24 axial gehaltene und geführte Spindel 21 , führt dies zu einer Rotation der Spindel 21. Deshalb ist am Lagerteller 23 das Abtastelement 7 angebracht und dessen Drehbewegung wird mittels des Sensors 10, identisch zur Fig. 1 Lösung, erkannt und ausgewertet. Der Sensor 10 kann wie in Fig. 1 längs zum Wirkzylinder 1 liegen oder wie hier gezeigt querab oder jede andere Winkelposition einnehmen, solange dieser das Abtastelement 7 korrekt detektieren kann und der Sensor 10 zugleich einfach, sicher und dicht montierbar ist oder der Zylinderboden 2 weist eine entsprechend druckdichte Einlage auf und der Sensor 10 stellt ein handelsübliche Standardausführung dar.

Um sicherzustellen, dass die Spindel 21 mit der Spindelmutter 22 spielfrei geführt ist, kann eine zweite Spindelmutter 22 angebracht werden, welche zur ersten Spindelmutter 22 verdreht ist, sodass die Spindel 21 vorgespannt wird und das Spiel zwischen den Gewinden 25 der Spindel 21 und Spindelmutter 22 in beiden Drehrichtungen aufgehoben wird. Eine andere Variante ist, dass die Spindel 21 gegenüber der Spindelmutter 22 mittels der Welle 4a und Feder 6, in Form einer

Spiral- oder Druckfeder, sich permanent gegen eine Flankenseite eines Gewindes 25 anlegt und auf diese Weise die Spindel 2 gegenüber der Spindelmutter 22 in beiden Drehrichtungen der Spindel 21 spielfrei wirkt und so die mechanische Hysterese effektiv eliminiert.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht nur auf die gezeigten und beschriebenen

Ausführungsbeispiele beschränkt. Bezugszeichenliste

1 Wirkzylinder

2 Zylinderboden

3 Seilzugmittel

4 Aufzugsrolle

4a Welle

5 Seil

6 Feder

6a Federdorn

7 Abtastelement

8 Kolben

9 Kolbenstange

10 Sensor druckfest

10a Sensorspitze

11 Sensoröffnung

11a Dichtring

12 Ein- und Auslass

13 Drehauge

14 Dichtung

15a, 15b Zylinderkammer

16 Zylinderrohr

17 Sensorkabel

18 Schulter

19 Seilführung

20 Controller

21 Spindel

22 Spindelmutter

23 Lagerteller

24 Lagermittel

25 Gewinde

26 Umlenkrolle

27 Einlage

28 Drehlager

30 Sensor Standard

Claims

Patentansprüche

Wirkzylinder (l)

gekennzeichnet,

dass der Sensor (10) in den Wirkzylinder (1) einführbar ist und die Sensorspitze (10a) das Abtastelement (7) im Wirkzylinder (1) mittels eines druckfesten Sensors (10) und daran angebrachtem Dichtring (11a) oder mittels eines Standardsensors (30) mit davor angebrachter Einlage (27) detektiert und dass an der Welle (4a) eine Feder (6) befestigt ist und das Seil (5) fluchtend und mittig am Kolben (8) oder am Drehlager (28) befestigt ist.

Wirkzylinder (1) nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet,

dass das Seil (5) mittels einer oder mehr Umlenkrollen (26) fluchtend und mittig am Kolben (8) befestigt ist oder aussermittig am Drehlager (28), welches sich am Kolben (8) befindet.

Wirkzylinder (1) nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet,

dass am Abtastelement (7) ein Seilzugmittel (3) mit einer Feder (6) angebracht ist oder eine Spindel (21) die in eine Spindelmutter (22) eingreift und die

Spindelmutter (22) in einem Kolben (8) montiert ist und die Spindel (21) gegen eine Feder (6) wirkt oder dass die Spindel (21) zwei Spindelmuttern (22) aufweist, welche gegeneinander spielfrei verschränkt sind.

Wirkzylinder (1) nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet,

dass der Sensor (10) in einem beliebigen Winkel zum Abtastelement (7) angebracht werden kann.

Wirkzylinder (1) nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet,

dass der Standardsensor(30) in eine Sensoröffnung (11) eingesetzt wird, an dessen Ende eine druckfeste und nichtmetallische Einlage (27) angebracht ist.