DE102009020286A1

DE102009020286A1 - Kolben mit variablem Permanent-Magneten

Info

Publication number: DE102009020286A1
Application number: DE200910020286
Authority: DE
Inventors: Ernst-August Meyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Aventics GmbH
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2010-11-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmittelzylinder mit einem innerhalb eines Zylindergehäuses (1) angeordneten und zumindest einseitig druckder Bewegungsverlauf über mehrere am Zylindergehäuse (1) zumindest in Umfangsrichtung beabstandet voneinander befestigte Sensoren (4, 5a; 5b) - vorzugsweise umfassend ein Folienpotentiometer - ermittelbar sind, die über mindestens ein am Kolben (2) angeordnetes Magnetelement (8) magnetisch betätigbar sind, wobei zur Betätigung jedes Sensors (4, 5a; 5b) ein eigenes auf die Betätigungsparameter des Sensors (4, 5a; 5b) abgestimmtes Magnetelement (8a, 8b, 8c) vorgesehen ist, das jeweils nur einen Teilbereich des Kolbenumfangs einnimmt und dessen örtliche Zuordnung zum Sensor (4, 5a; 5b) durch Verdrehsicherungsmittel des Kolbens (2) gegenüber dem Zylindergehäuse (1) sichergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmittelzylinder mit einem innerhalb eines Zylindergehäuses angeordneten und zumindest einseitig druckbeaufschlagbaren Kolben, dessen Stellung oder Bewegungsverlauf über mehrere am Zylindergehäuse zumindest in Umfangsrichtung beabstandet voneinander befestigte Sensoren ermittelbar sind, welche über mindestens ein am Kolben angeordnetes Magnetelement betätigbar sind.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Bereich der Automatisierungstechnik. Hierbei werden Linearantriebe in Form von Druckmittelzylindern als Antriebskomponenten genutzt. Zur steuerungstechnischen Einbindung von Druckmittelzylindern in ein Anlagensystem ist es erforderlich, die aktuelle Stellung des Kolbens sensortechnisch zu detektieren und an eine übergeordnete Steuerung weiter zu melden. So lassen sich über sogenannte Reedschalter als Sensoren die Endlagenpositionen sowie auch beliebige Zwischenpositionen des Kolbens entlang des Hubweges erfassen. Daneben ist es auch möglich, über entlang des gesamten Hubwegs wirkende Sensoren, wie Hallsensoren, den Bewegungsverlauf des Kolbens zu ermitteln, um beispielsweise ein Geschwindigkeitsprofil zu erstellen. Mit all diesen steuerungstechnischen Informationen lassen sich Druckmittelzylinder innerhalb eines Analagensystems koordiniert betreiben. Die vorliegende Erfindung lässt sich anwenden auf jede Art von Linearantrieben, vorzugsweise jedoch Hydraulik- oder Pneumatikzylinder als Druckmittelzylinder.
Aus der DE 35 46 865 A1 geht ein gattungsgemäßer Druckmittelzylinder in Form eines pneumatischen Kurzhubzylinders hervor. In einem extrudierten Zylindergehäuse ist ein innenliegender Kolben axial bewegbar geführt und unterteilt das Innere in zwei Druckkammern, welche im Endbereich durch Zylinderdeckel verschlossen sind. Der Kolben ist mit einer Kolbenstange verbunden, welche einen der beiden Zylinderdeckel dynamisch abgedichtet durchdringt. Das Zylindergehäuse weist einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt auf, wobei an drei der vier Seitenfläche in Hubrichtung des Kolbens verlaufende Befestigungsnuten zur teilweisen Unterbringung von Sensoren vorgesehen sind. An der vierten Außenseite ist eine sich ebenfalls in Hubrichtung erstreckende Anschlussleiste angeformt, in welcher im Bereich der Zylinderdeckel Anschlussbohrungen zur Befestigung von Druckmittelleitungen zwecks Zu- bzw. Abfuhr von Druckmittel ausgebildet sind.
Über die drei verschiedenen Befestigungsnuten lassen sich mehrere Sensoren – wie beispielsweise Reedschalter – am Zylindergehäuse in Umfangsrichtung beabstandet voneinander befestigen. Somit liegen diese mehreren Sensoren also nicht in Hubrichtung gesehen hintereinander, sondern nebeneinander. Allerdings kann jeder Befestigungsnut auch mehr als ein Sensor zugeordnet sein. Die Sensoren werden über einen in den Kolben eingelassenen Ringmagnet betätigt, der eine hohe Magnetkraft liefert.
Nachteilhaft bei dieser technischen Lösung wirkt sich der Bedarf an Magnetmaterial („seltende Erden”) aus, der zur Herstellung des Ringmagneten erforderlich ist. Weiterhin entwickelt ein solcher Ringmagnet ein recht starkes Magnetfeld, dass benachbarte störempfindliche elektrische oder eisenmetallische Bauteile beeinflussen könnte.
Aus der EP 1 491 771 A1 geht im Gegensatz hierzu eine technische Lösung hervor, bei welcher ein entlang der Hubrichtung eines Druckmittelzylinders angebrachter Sensor über ein Magnetelement betätigt wird, das außenradial am Kolben befestigt ist. Mit diesem Sensor ist jede aktuelle Stellung des Kolbens entlang des Hubwegs ermittelbar und das quaderförmige Magnetelement liefert im Gegensatz zu einem Ringmagneten eine örtlich konzentrierte magnetische Betätigungskraft für den Sensor. Allerdings wird diese örtliche Betätigungskraft gefährdet, falls sich der kreisrunde Kolben gegenüber dem Zylindergehäuse und damit dem Sensor verdreht. Außerdem stellt diese technische Lösung im Gegensatz zu dem vorstehend diskutierten Stand der Technik auf die Betätigung eines einzigen Sensors am Druckmittelzylinder ab.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Druckmittelzylinder mit mehreren in Umfangsrichtung beabstandet am Zylindergehäuse befestigten Sensoren zu schaffen, welche unter minimalem Einsatz von Magnetmaterial eine zuverlässige Betätigung der mehreren Sensoren sicherstellen.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Druckmittelzylinder gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zur Betätigung jedes Sensors ein eigenes auf die Betätigungsparameter des Sensors abgestimmtes Magnetfeld vorgesehen ist, das jeweils nur einen Teilbereich des Kolbenumfangs einnimmt und dessen örtliche Zuordnung zum Sensor durch Verdrehsicherungsmittel des Kolbens gegenüber dem Zylindergehäuse sichergestellt ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass mehrere derartig am Zylindergehäuse befestigte Sensoren durch minimalen Einsatz von Magnetmaterial betreibbar sind. Durch die individuelle Zuordnung von Magnetelement zu Sensor kann ein hoher Grad an Schaltgenauigkeit erreicht werden, da sich die magnetische Betätigungskraft auf den Bedarf des einzelnen Sensors abstimmen lässt. Außerdem werden magnetische Streufelder minimiert.
Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Kolben zur Bestimmung verschiedener auf die jeweiligen Sensoren abgestimmter Teilbereich des Kolbenumfangs außenradiale Ausnehmungen zur Aufnahme von je zugeordneten Magnetelementen aufweist. Auf Basis dieser Maßnahme lässt sich beispielsweise eine Art Universalkolben schaffen, der für alle Sensorkonfigurationen geeignet ist und sich nur durch Anzahl und Ort der eingesetzten Magnetelemente unterscheidet. Ferner wird vorgeschlagen, die so in die Ausnehmungen des Kolbens eingesetzten Magnetelemente zusätzlich durch Kleben zu fixieren. Daneben ist es auch denkbar, die Magnetelemente über eine Clip-Verbindung kombiniert kraft-/formschlüssig oder dergleichen am Kolben zu befestigen.
Zur Abstimmung der Betätigungsparameter unterschiedlich gearteter Sensoren wird gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme vorgeschlagen, dass für einen Reedschalter als Sensor ein passend zugeordnetes Magnetelement mit einem relativ starken Magnetfeld verwendet wird, das sich unterscheidet von einem Magnetelement mit relativ schwacherem Magnetfeld, das zur Betätigung eines Hallsensors geeigneter ist. Somit lassen sich in vorteilhafter Weise je nach Sensor geeignete Magnetelemente auswählen.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Verdrehsicherungsmittel des Kolbens einen nicht kreisförmigen Außenquerschnitt des Kolbens oder einer hieran angebrachten Kolbenstange umfassen, welcher mit einem formschlüssig hierzu korrespondierenden Innenquerschnitt am Zylindergehäuse zusammenwirkt. Da durch diese einfache Maßnahme sich der Kolben nicht gegenüber dem Zylindergehäuse verdrehen lässt, ist die Zuordnung von Magnetelement zu Sensor sichergestellt. Als nicht kreisförmige Außenquerschnitte kommen vorzugsweise polygonale Querschnitte, ganz vorzugsweise ein oktagonaler Querschnitt in Frage.
Die Anbringung des Sensors am Zylindergehäuse kann nach verschiedenen Alternativen erfolgen. Nach einer ersten Alternative wird eine offene Befestigungsnut vorgeschlagen, die entlang des Kolbenhubs am Zylindergehäuse verläuft und einen Sensor zumindest teilweise aufnimmt. Die Befestigungsnut kann zum Verspannen des Sensors hierin mit einem Schwalbenschwanzprofil oder dergleichen ausgeführt sein. Nach einer zweiten Alternativen lässt sich der Sensor über eine Befestigungsschiene außen am Zylindergehäuse und hiervon abstehend befestigen. Auch hier eignet sich ein Schwalbenschwanzprofil als Querschnitt. Die Lösungen nach der ersten und zweiten Alternative sind insbesondere zur Anbringung von als Reedschaltern ausgebildeten Sensoren am Zylindergehäuse zu bevorzugen. Dagegen eignet sich die dritte Alternative eines geschlossenen Kanals innerhalb der Wandung des Zylindergehäuses insbesondere zur Unterbringung von Wegmesssensoren, die entlang der gesamten Hublänge des Druckmittelzylinders verlaufen. Ein derartiger Sensor ist im geschlossenen Kanal vollständig geschützt vor störenden äußeren Umwelteinflüssen untergebracht.
Zur Ausbildung eines solchen geschlossenen Kanals sowie auch zur Formgebung der anderen Befestigungsalternativen wird vorgeschlagen, das Zylindergehäuse aus einem extrudierten Leichtmetall herzustellen, wie beispielsweise Aluminium. Ein weiterer Vorteil dieses Materials ist, dass es magnetisch durchlässig ist. Alternativ hierzu könnte das Zylindergehäuse auch aus einem geeignetem formstabilen Kunststoff bestehen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines Pneumatikzylinders als Druckmittelzylinder, teilweise geschnitten,
2 einen Querschnitt durch das Zylindergehäuse eines Druckmittelzylinders.
Gemäß 1 besitzt der als Pneumatikzylinder ausgebildete Druckmittelzylinder ein Zylindergehäuse 1, in welchem axial verschiebbar ein Kolben 2 mit hieran angebrachter Kolbenstange 3 untergebracht ist, welche die durch Druckluft erzeugte Bewegung des Kolbens 2 nach außen zur Bereitstellung einer linearen Antriebskraft leitet. Das Zylindergehäuse 1 ist aus einem extrudierten Leichtmetall hergestellt. Zur Verdrehsicherung weist der Kolben 2 einen achteckigen Querschnitt auf, der formschlüssig mit einem ebenso achteckigen Innenquerschnitt des Zylindergehäuses 1 korrespondiert. Außen am Zylindergehäuse 1 ist entlang der Hubrichtung des Kolbens 2 eine Befestigungsschiene 6 angeformt, an welcher ein Stecker 7 lösbar angebracht ist. Der – hier exemplarische – Sensor 4 ist ein Folienpotentiometer, das über ein am Kolben 2 befestigtes – hier nicht erkennbares – Magnetelement betätigbar ist. Das Magnetelement nimmt nur einen Teilbereich des Kolbenumfangs ein, hier weniger als 10%, um eine örtliche Zuordnung zu dem Sensor 4 zu schaffen, welcher über die vorstehend erläuterten Verdrehsicherungsmittel gewährleistet bleibt.
Gemäß 2 sind am Zylindergehäuse 1 zusätzlich mehrere in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnete – hier nur schematisch dargestellte – Sensoren 5a und 5b vorgesehen. Dabei ist der Sensor 5a teilweise innerhalb einer zugeordneten offenen Befestigungsnut 9a untergebracht, wogegen der andere Sensor 5b in einer anders profilierten Befestigungsnut 9b untergebracht ist. Zur Bestimmung verschiedener auf die jeweiligen Sensoren 4, 5a und 5b abgestimmter Teilbereiche des Kolbenumfangs weist der Kolben 2 außenradial Ausnehmungen 10 zur Unterbringung verschiedener Magnetelemente auf.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Magnetelement 8a dem Sensorelement 5a zugeordnet und weist einen in etwa runden Querschnitt auf, welcher eine zur Betätigung des Sensors 5a passende Magnetkraft liefert. Der Sensor 5a ist als Reedschalter ausgebildet, so dass die Magnetkraft des Magnetelements 8a recht hoch ist. Dem gegenüber ist das andere Magnetelement 8b einem Hallsensor als Sensor 5b zugeordnet und besitzt durch seinen rechteckigen Querschnitt eine relativ geringere, jedoch zum Hallsensor passende Magnetkraft.
Ferner ist in der Wandung des Zylindergehäuses 1 ein geschlossener Kanal 11 in Hubrichtung des Kolbens ausgebildet, um den als Folienpotentiometer ausgebildeten Sensor 4 hierin vollständig aufzunehmen. Hiermit korrespondiert ein kolbenseitiges Magnetelement 8c.

1: Zylindergehäuse
2: Kolben
3: Kolbenstange
4: Sensor (Foliepotentiometer)
5: Sensor
6: Befestigungsschiene
7: Stecker
8: Magnetelement
9: Befestigungsnut
10: Ausnehmung
11: Kanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3546865 A1 [0003]
- EP 1491771 A1 [0006]

Claims

Druckmittelzylinder mit einem innerhalb eines Zylindergehäuses (1) angeordneten und zumindest einseitig druckbeaufschlagbaren Kolben (2), dessen Stellung und/oder Bewegungsverlauf über mehrere am Zylindergehäuse (1) zumindest in Umfangsrichtung beabstandet voneinander befestigte Sensoren (4, 5a; 5b) ermittelbar sind, die über mindestens ein am Kolben (2) angeordnetes Magnetelement (8) magnetisch betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betätigung jedes Sensors (4, 5a; 5b) ein eigenes auf die Betätigungsparameter des Sensor (4, 5a; 5b) abgestimmtes Magnetelement (8a, 8b, 8c) vorgesehen ist, das jeweils nur einen Teilbereich des Kolbenumfangs einnimmt und dessen örtliche Zuordnung zum Sensor (4, 5a; 5b) durch Verdrehsicherungsmittel des Kolbens (2) gegenüber dem Zylindergehäuse (1) sichergestellt ist.
Druckmittelzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) zur Bestimmung verschiedener auf die jeweiligen Sensoren (4, 5a; 5b) abgestimmter Teilbereiche des Kolbenumfangs außenradiale Ausnehmungen (10) zur Aufnahme von je zugeordneten Magnetelementen (8a, 8b, 8c) aufweist.
Druckmittelzylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (8a, 8b, 8c) in die zugeordneten Ausnehmungen (10) des Kolbens (2) durch Kleben fixiert sind.
Druckmittelzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstimmung der Betätigungsparameter eines als Reedschalter ausgebildeten Sensors (5a) das zugeordnete Magnetelement (8a) ein stärkeres Magnetfeld aufweist als das Magnetelement (8b) eines als Hallsensor ausgebildeten Sensors (5b).
Druckmittelzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehsicherungsmittel des Kolbens (2) einen nichtkreisförmigen Außenquerschnitt des Kolbens (2) oder einer hieran angebrachten Kolbenstange (3) umfassen, der mit einem formschlüssig hierzu korrespondierenden Innenquerschnitt am Zylindergehäuse (1) zusammenwirkt.
Druckmittelzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anbringung des Sensors (5a) eine diesen zumindest teilweise aufnehmende im Querschnitt offene Befestigungsnut (9) entlang des Zylindergehäuses (1) verläuft.
Druckmittelzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anbringung eines Sensors eine Befestigungsschiene entlang des Zylindergehäuses (1) verläuft.
Druckmittelzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anbringung eines als Folienpotentiometer ausgebildeten Sensors (4) ein diesen vollständig aufnehmender im Querschnitt geschlossener Kanal (11) entlang des Zylindergehäuses (1) verläuft.
Druckmittelzylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylindergehäuse (1) aus einem extrudiertem Leichtmetall hergestellt ist.
Druckmittelzylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als ein Pneumatikzylinder ausgebildet ist.