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Die
Erfindung betrifft einen fluidischen Zylinder mit Positionserfassungseinrichtung
für die Kolbenposition gemäß der Gattung
des Anspruchs 1.
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Ein
fluidischer Zylinder mit einer derartigen Positionserfassungseinrichtung
ist beispielsweise aus der
DE
4306539 C2 bekannt. Mehrere Sensoren sind an einem Trägerstab
fixiert und können mit diesem in eine in Längsrichtung
verlaufende Aufnahmebohrung eingeschoben und darin fixiert werden.
Ein Problem einer solchen Anordnung besteht in der Justierung der
Sensoren beziehungsweise des Trägerstabs relativ zu den
gewünschten Messpositionen. Der Trägerstab und
die darauf angeordneten Sensoren müssen daher mit hoher
Genauigkeit hergestellt werden. Dies ist zum einen aufwendig und
teuer und lässt eine spätere Korrektur der Messpositionen
nur mit größerem Aufwand zu.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung
gemäß der eingangs genannten Gattung zu schaffen,
die bei geringer Fertigungsgenauigkeit dennoch eine hohe Schaltgenauigkeit
und eine einfache Nachjustierbarkeit ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen fluidischen
Zylinder mit Positionserfassungseinrichtung für die Kolbenposition
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Positionsmessung
besteht insbesondere darin, dass in einfacher Weise durch die Justierschraube
eine Justierung oder Nachjustierung der Messpositionen erfolgen
kann, ohne dass irgendwelche Montagearbeiten erforderlich wären.
Auch bei mit geringer Präzision gefertigtem Sensorträger
kann schnell und einfach eine sehr exakte Justage erfolgen. Auch
eventuelle nachträgliche Einflüsse, wie Temperaturänderungen
oder mechanische Veränderungen, können schnell
und einfach kompensiert werden. Die Montage des Sensorträgers
und damit der Sensoren erfolgt ebenfalls schnell und mit geringem
Aufwand.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen Anordnung möglich.
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Bei
dem aus einem durch zwei Zylinderdeckel verschlossenen Zylinderrohr
bestehenden Zylindergehäuse ist die Justier schraube bevorzugt
am ersten Zylinderdeckel angeordnet und die Druckfeder am oder im
zweiten Gehäusedeckel positioniert oder sie stützt
sich an diesem zweiten Gehäusedeckel ab.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist die Druckfeder am Sensorträger
fixiert und greift insbesondere in den zweiten Gehäusedeckel
derart ein, dass ein Deckelbereich in axialer Richtung hintergriffen
wird. Hierdurch kann der Sensorträger mit Hilfe des zweiten
Gehäusedeckels in den Längskanal eingeschoben
und wieder aus diesem herausgezogen werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist der Sensorträger
als Platine ausgebildet und wird insbesondere in Längsnuten
des Längskanals gehalten, wobei die Längsnuten
nicht nur den Sensorträger in einer vorgesehenen festen
Position halten, sondern diese Position kann auch noch winkelmäßig
so eingestellt werden, dass die Sensoren in radialer Richtung zur Längsachse
des Kolbens und damit unmittelbar zum Permanentmagneten hin ausgerichtet
sind.
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Wenigstens
zwei magnetfeldsensitive Sensoren sind zur Erfassung der beiden
Endlagenpositionen des Kolbens entsprechend positioniert, wobei optional
auch noch zusätzliche Zwischenpositionen durch weitere
Sensoren erfassbar sind.
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In
vorteilhafter Weise ist ein Mikroprozessor oder Mikrocontroller
(CPU) auf dem Sensorträger angeordnet und mit den Sensoren
verbunden. Die CPU weist dabei in vorteilhafter Weise Mittel zur
Sensorsignalmessung und -aufbereitung und/oder Mittel zur Durchführung
eines Lernmodus (Teachmodus) auf. Hierdurch bildet der Sensorträger
eine autarke Positionserfassungseinrichtung, die zur Bildung der
Positionssignale und/oder zur Durchführung des Lernmodus
keine zusätzlichen elektronischen Mittel benötigt. Weiterhin
können auf dem Sensorträger noch eine Spannungsversorgungseinrichtung
und zusätzliche separate Elektronikkomponenten angeordnet
sein, die neben der CPU gewünschte Funktionen ausführen,
wie z. B. Signalaufbereitungsfunktionen.
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Der
Lernmodus ist bevorzugt als Lernmodus für den Sensorsignalen
zugeordnete Schaltpunkte ausgebildet. Im Rahmen des Lernmodus können
dabei die Schaltschwellen so variiert werden, dass eine Feinjustierung
der Schaltpositionen im Bereich einiger Millimeter auf einfache
Weise möglich ist.
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Von
der CPU aus verlaufen Spannungs- und Signalleitungen nach außen.
Zur einfachen und schnellen Durchführung des Lernmodus
sind diese mit einer manuell betätigbaren Lerneinrichtung
verbindbar, die vorzugsweise eine Schaltereinrichtung und optische
Anzeigemittel besitzt. In einer bevorzugten Ausführung
besitzt die Schaltereinheit Schalter zum Ein- und Ausschalten der
Spannungsversorgung und Schalter zum Aufprägen von Signalpegeln auf
die Signalleitungen. Durch festgelegte Schalterbetätigungen
und in Abhängigkeit der Rückmeldungen von der
CPU, die durch die optischen Anzeigemittel visualisiert werden,
kann der Lernmodus schnell und einfach durchgeführt werden.
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Die
magnetfeldempfindlichen Sensoren sind zweckmäßigerweise
als Hall-Elemente ausgebildet, wobei prinzipiell auch andere Ausführungen
von magnetfeldempfindlichen Sensoren möglich sind.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
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1 einen
fluidischen Zylinder im Längsschnitt mit eingeschobenem
Sensorträger,
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2 eine
Stirnansicht des Zylindergehäuses bei abgenommenem Zylinderdeckel
und eingesetztem Sensorträger,
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3 das
Schaltbild einer mit der CPU auf dem Sensorträger verbundenen
manuell betätigbaren Lerneinrichtung und
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4 einen
Sensorsignalverlauf zur Erläuterung der Wirkungsweise.
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Das
in den 1 und 2 dargestellte fluidische Zylindergehäuse 10 besteht
in an sich bekannter Weise aus einem Zylinderrohr 11, das
an seinen beiden entgegengesetzten Stirnseiten durch Zylinderdeckel 12, 13 verschlossen
ist. Im Zylinderrohr 11 ist ein mit einem Permanentmagneten 14 versehener
Kolben 15 verschiebbar geführt, dessen Kolbenstange 16 durch
den einen Zylinderdeckel 12 hindurchgeführt ist,
wobei im Falle eines doppeltwirkenden Zylinders eine dichtende Durchführung
erforderlich ist. Der Kolben 15 teilt den Innenraum des
Zylindergehäuses 10 in zwei Zylinderräume 17, 18 auf. Deren
fluidische Zuleitungen und Ableitungen sind zur Vereinfachung nicht
dargestellt.
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Bei
einem solchen Zylindergehäuse 10 kann es sich
auch um einen kolbenstangenlosen Zylinder handeln, wobei dann der
Kolben 15 mit einem am Zylindergehäuse 10 geführten
Schlitten mechanisch oder magnetisch verbunden ist.
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Das
Zylinderrohr 11 besitzt einen in Längsrichtung
durchgehenden Längskanal 19 zur Aufnahme eines
als langgestreckte Leiterplatte ausgebildeten Sensorträgers 20.
Der Längskanal 19 weist an zwei gegenüberliegenden
Stellen Nuten 21 auf, in denen der Sensorträger 20 geführt
ist, um eine definierte Po sition im Längskanal 19 einzunehmen.
Bei dem seitlich zur Mitte versetzten Längskanal 19 sind die
Nuten 21 so angeordnet, dass seine zu den Zylinderräumen 17, 18 hin
weisende Fläche senkrecht zu einer Radiallinie angeordnet
ist.
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In 2 sind
noch weitere Kanäle und Bohrungen 22 beispielhaft
und schematisch dargestellt. Bei solchen kann es sich um Schraubenlöcher
zur Befestigung der Zylinderdeckel 12 beziehungsweise 13 oder
um fluidische Kanäle handeln.
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Der
als langgestreckte Platine ausgebildete Sensorträger 20 trägt
an seiner im eingesetzten Zustand zum Kolben 15 hin weisenden
Seite drei magnetfeldempfindliche Sensoren 23–25,
die beispielsweise als Hall-Elemente beziehungsweise Hall-Sensoren
ausgebildet sind. Die beiden äußeren Sensoren 23 und 25 dienen
dabei zur Erfassung der Endlagenpositionen des Kolbens 15.
An der entgegengesetzten Flachseite des Sensorträgers 20 ist
im Bereich des Sensors 25, also an einem Endbereich, ein Mikroprozessor
oder Mikrocontroller als CPU 26 angeordnet. Dieser ist
in nicht dargestellter Weise, beispielsweise über Leiterbahnen,
mit den Sensoren 23–25 verbunden und
empfängt deren Sensorsignale. Ein an der CPU 26 angeschlossenes
Anschlusskabel 27 ist aus dem Zylindergehäuse 10 heraus nach
außen geführt. Bei dem Anschluss kann es sich um
einen festen Anschluss, beispielsweise einen Lötanschluss,
oder einen Steckanschluss 28 handeln.
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Der
Sensorträger 20 ist an seinem dem Zylinderdeckel 13 zugewandten
Endbereich mit einer Druckfeder 29 versehen, die im Wesentlichen
S-förmig gekrümmt ist, in einen Hohlraum 30 des
Zylinderdeckels 13 eingreift und dort bezüglich
der Längsrichtung einen Vorsprung 31 hintergreift.
Diese Druckfeder 29 drückt den Sensorträger 20 federnd
gegen eine Justierschraube 32, die in einer Gewindebohrung
des anderen Zylinderdeckels 12 in Längsrichtung
des Sensorträgers 20 verstellbar angeordnet ist. Mit
Hilfe dieser Justierschraube 32 lässt sich der Sensorträger 20 und
damit die daran angeordneten Sensoren 23–25 in
der Längsrichtung justieren beziehungsweise positionieren,
wobei selbstverständlich die Positionen mit Hilfe dieser
Justierschraube 32 noch nachträglich eingestellt
beziehungsweise nachgestellt werden können.
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Durch
das Hintergreifen des Vorsprungs 31 durch die Druckfeder 29 kann
der Sensorträger 20 mit Hilfe des Zylinderdeckels 13 in
den Längskanal 19 eingeschoben und aus diesem
wieder herausgezogen werden. Hierzu wird vor dem Einschieben die Druckfeder 29 in
den Hohlraum 30 so eingeführt, dass der Vorsprung 31 hintergriffen
wird.
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In
einer alternativen Ausgestaltung kann der Hohlraum 30 auch
entfallen, und eine einfacher gestaltete Druckfeder 29 stützt
sich lediglich gegen die Wandung des Zylinderdeckels 13 ab.
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Die
CPU 26 weist ein Lernmodus- beziehungsweise Teachmodus-Programm
auf, um die jeweiligen Positionen des Kolbens 15 im Bereich
der Sensoren exakt einzustellen beziehungsweise einzulernen. Zur
Bedienung des Lernvorgangs dient eine manuell betätigbare
Lerneinrichtung 33 oder auch eine halbautomatische Einrichtung,
z. B. eine SPS-gesteuerte Schalteinrichtung, die an das Anschlusskabel 27 mittels
einer elektrischen Steckverbindungseinrichtung 34 anschließbar
ist. Das Anschlusskabel 27 ist ansonsten direkt mit einem
elektrischen Verbindungskabel 35 verbunden, das an eine
externe Spannungsversorgungseinrichtung und/oder Steuereinrichtung
angeschlossen ist. Zur Durchführung des Lernvorgangs wird
die Verbindung zwischen dem Anschlusskabel 27 und dem elektrischen
Verbindungskabel 35 gelöst, und die Lerneinrichtung 33 wird
dazwischengesteckt. Das elektrische Verbindungskabel 35 wird
dann seinerseits über eine Steckverbindungseinrichtung 36 mit
der Lerneinrichtung 33 verbunden.
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Die
Lerneinrichtung 33 besitzt eine Schalteranordnung 37,
wobei ein Doppelschalter 38 in zwei Spannungsversorgungsleitungen 39 geschaltet
ist, um die Versorgungsspannung Uv der CPU 26 zuzuführen
oder diese zu unterbrechen. Zwei weitere Schalter 40, 41 dienen
zur Unterbrechung von zwei Signalleitungen 42, 43, über
die die in der CPU 26 aufbereiteten Sensorsignale im Normalbetrieb
einer externen Steuereinrichtung zuge führt werden. Diese beiden
Signalleitungen 42, 43 sind in der Lerneinrichtung 33 über
zwei Signalleuchten 44, 45, bei denen es sich
beispielsweise um LED handeln kann, mit einer Verbindungsleitung 46 zur
CPU 26 verbunden.
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Die
Wirkungsweise der Positionserfassungseinrichtung soll im Folgenden
anhand von 4 erläutert werden.
Die als Hall-Elemente ausgebildeten Sensoren 23–25 erfassen
beim Passieren des im Kolben 15 angeordneten Permanentmagneten 14 jeweils
das radiale Magnetfeld, sodass sich der in 4 dargestellte
Feldverlauf H ergibt. Durch Variation der jeweiligen Schaltschwelle,
die in der CPU 26 niedergelegt wird, kann die jeweils erfasste
Position um ca. 2 mm variiert werden, je nach Betrag der Schaltschwelle.
Hierdurch kann beispielsweise auch die Hubtoleranz des erfassten
Magnetfelds H ausgeglichen werden.
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Im
Folgenden soll die Einstellung der Schaltschwellen im Lernmodus
beispielhaft erläutert werden. Eine Vorpositionierung kann
dabei durch Einstellung beziehungsweise Verstellung der Justierschraube 32 erfolgen.
Durch die Vorjustierung und die Justierung der Schaltschwellen im
Lernmodus kann insgesamt eine sehr hohe Schaltgenauigkeit erreicht
werden, sowohl im jeweils definierten Temperaturbereich als auch über
alle Bauteile und Fertigungschargen hinweg.
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Der
folgende beispielhafte Lernvorgang bezieht sich auf die beiden Endpositionen
des Kolbens 15, die durch die beiden Sensoren 23, 25 signalisiert werden
sollen. Das Einlernen von Zwischenpositionen, beispielsweise einer
Mittelposition, durch den Sensor 24 kann in entsprechender
Weise erfolgen.
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Zunächst
wird der Kolben 15 in eine Mittelstellung gebracht. Dann
werden durch entsprechende Schalterstellungen der Schalter 40, 41 Signalpegel
H (High) auf die beiden Signalleitungen 42, 43 gelegt,
also auf die Schaltausgänge der CPU 26. Dann wird
durch Umlegen des Doppelschalters 38 die Spannungsversorgung
mit Versorgungsspannung Uv an die CPU 26 angelegt. Anschließend
werden durch Umlegen der Schalter 40, 41 Schaltpegel
L (Low) auf die Signalleitungen 42, 43 gelegt.
Diese Schaltfolge signalisiert der CPU 26, dass das Lernprogramm
gestartet werden soll. Dies kann selbstverständlich auch
durch andere Schaltfolgen bewirkt werden.
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Die
CPU 26 signalisiert dann den Beginn des Lernprogramms durch
Taktsignale auf den Signalleitungen 42, 43, die
ein Blinken der Signalleuchten 44, 45 bewirken.
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Nun
wird der Kolben 15 in die linke Endposition am Zylinderdeckel 13 gebracht,
um diese Position einzulernen. Die Spannungsversorgung wird mittels
des Doppelschalters 38 dann ausgeschaltet, und die Signalleitung 42,
die dem Schaltausgang dieser Kolbenposition entspricht, wird mit
dem Signalpegel H und die Signalleitung 43 mit dem Signalpegel
L beaufschlagt. Dann wird die Spannungsversorgung wieder eingeschaltet.
Die linke Endposition des Kolbens 15 ist damit eingelernt,
und als Erfolgsbestätigung blinkt die linke Signalleuchte 44.
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Nun
wird der Kolben 15 in die entgegengesetzte Endposition
am Zylinderdeckel 12 gebracht, und die Spannungsversorgung
wird ausgeschaltet. Die Signalleitung 42 wird mit dem Signalpegel
L und die Signalleitung 43 mit dem Signalpegel H beaufschlagt.
Anschließend wird die Spannungsversorgung wieder eingeschaltet.
Die rechte Endposition ist damit eingelernt, und als Erfolgsbestätigung
blinkt die rechte Signalleuchte 45. Durch Ausschalten und anschließendes
Wiedereinschalten wird der Lernmodus abgeschlossen.
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Der
Lernmodus kann selbstverständlich auch durch andere Signalbetätigungen
und andere Schaltfolgen der Versorgungsspannung bewirkt werden.
Wesentlich ist dabei, dass eine einfache Lerneinrichtung 33 verwendet
werden kann, die nur einfache Schalter und Signalleuchten, beispielsweise LED,
aufweist.
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Der
Lernmodus kann noch durch weitere Funktionen ergänzt werden.
Beispielsweise kann dieser automatisch beendet werden, wenn die
vorgesehene Betätigungsfolge der Schalteranordnung 37 nicht
eingehalten wird. Wird während des Lernvorgangs ein Fehler
festgestellt, kann ein solcher durch schnelles Wechsel-Blinken der
beiden Signalleuchten 44, 45 angezeigt werden.
Solche möglichen Fehler sind beispielsweise, dass sich
der Magnet 14 außerhalb des beschriebenen Toleranzbereichs
der Sensoren 23, 25 befindet, dass ein fehlerhafter
Sensor oder ein falsch positionierter Kolben 15 vorliegt, dass
eine falsche Spannungspolarität vorliegt oder dergleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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