DE19648335A1 - Anordnung zur Positionsmessung an hochbelasteten Konstruktionselementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Positionsmessung an hoch belasteten Konstruktionselementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Hochbelastete Bauelemente, deren Translations- oder Winkelbewegung gemessen werden soll, trifft man nicht nur bei Baumaschinen oder Kränen an, sondern auch in Flugzeugen oder Kraftfahrzeugen. Beispielsweise ist es zur Stabilisierung eines Fahrzeuges erforderlich, die Position des Kolbens im Zylinder eines Stoßdämpfers zu erfassen und aus der Position und deren zeitlichen Ableitungen Informationen zu gewinnen, die für Regelaufgaben herangezogen werden können.

Eine weitere Aufgabenstellung betrifft die Messung des Weges einer Hydraulik­ stange einer elektrisch angetriebenen Hydraulik-Servolenkung in einem Fahrzeug (Steer-by-Wire-System). Ein besonders kritisches Bauteil hydraulischer Systeme ist die Kolbenstange, da auf ihr wegen der erforderlichen Oberflächengüte keinerlei Marken optischer oder magnetischer Eigenschaften aufgebracht werden können, da sie als Inhomogenitäten des Materials unerwünscht sind.

Ein Positionssensor ist im allgemeinen aus den Komponenten Maßstab und Sensor­ element aufgebaut. Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten des Aufbaus eines solchen Sensors.

• 1. Eine codierte Stange oder Welle in Verbindung mit einem kompakten Senso­ relement,
• 2. ein ausgedehntes Sensorelement und eine Markierung, die nur aus einem Element besteht.

Ein Beispiel für den zweiten Fall ist der Differentialtransformator. Sensorelement ist hier das Spulenelement, das die Ausdehnung des gesamten Wegmeßbereichs umfassen muß. Der Positionsgeber oder die Markierung besteht nur aus einem einzigen Ferritkern.

Aus dem Prospekt der Firma Stegmann ist ein berührungsloses Längenmeßsystem bekannt, welches verschleißfrei eine absolute Positionsbestimmung mit hoher Auf­ lösung erlaubt. Das Sensorteil besteht aus einer Anzahl magnetoresistiver Senso­ ren, die die Lage von mindestens drei Dauermagneten ermitteln können. Der Maß­ stab besteht aus Codesegmenten mit festgelegten, aber unterschiedlichen Abstän­ den, um eine absolute Positionsbestimmung zu ermöglichen. Die Codesegmente sind in Aluminiumprofilen unterbracht und können darin zu einem Maßstab beliebi­ ger Länge zusammengestellt werden. Das Sensorteil wird in einem Abstand von 25 mm an den Profilstücken vorbei geführt. Da immer mindestens drei nicht äquidistan­ te Magnete erfaßt werden, ist die Position absolut bestimmbar.

Aus der europäischen Patentschrift EP 05 09 244 B1 ist ein Sensor und Verfahren zur Messung der Position eines Kolbens in einem Schwingungsdämpfer bekannt. Der Kolben besteht aus magnetisierbarem Material wie auch die Zylinderwand und ist von einer Spule konzentrisch umgeben, die sich auf einem Schutzrohr befindet. Durch Bewegung des Kolbens wird ein veränderbarer induktiver Widerstand gebil­ det, der mit einem ohmschen Widerstand in Reihe geschaltet und mit einer Wech­ selspannungsquelle verbunden ist.

Diese Lösung hat den Nachteil, daß die Meßgenauigkeit durch den sich relativ nur wenig ändernden magnetischen Widerstand der Kombination von Kolben und Zy­ linder relativ klein ist.

Die Erfindung geht davon aus, daß die herkömmlichen Verfahren, die beispielswei­ se eine passive magnetische Codierung an der Oberfläche einer Hydraulikstange vorsehen, in der Herstellung zu aufwendig und teuer sind. Der Wechsel der ma­ gnetischen Eigenschaften findet direkt an der Stangenoberfläche statt, wobei die relative Permeabilität sich von µ = 1 zu einem Wert von µ = 500 sprungartig ändern kann. Dabei wäre eine Stange aus nichtferromagnetischem Stahl (Austenit) durch ein spezielles Verfahren mit einer ferromagnetischen Struktur (Martensit) zu verse­ hen. Auch für die Möglichkeit, einen sogenannten HNS-Stahl (High-Nitrogen-Steel) durch ein spezielles Verfahren mit einer ferromagnetischen Struktur zu versehen, kann trotz spezieller Behandlung keine vollständige Homogenisierung der mecha­ nischen Oberflächeneigenschaften garantiert werden. Dadurch haben derartige Hydraulikstangen eine erhöhte Bruchneigung.

Ein weiteres Verfahren ist in der Druckschrift der Firma AMO, Braunau, Österreich: "Induktive Positionsmelder zur Längen- und Winkelerfassung" beschrieben. Dabei wird eine räumliche Struktur in eine ferromagnetische Stange z. B. aus Werkzeug­ stahl gefräst oder geätzt und diese Struktur mit einem nichtferromagnetischen, sehr harten Material, z. B. Chrom aufgefüllt. Die Oberfläche wird anschließend entspre­ chend den Anforderungen der Hydraulikdichtung geglättet und poliert.

Bei derartig codierten Stangen als Positionsgeber kann durch geeigneten Aufbau des Sensorelements und entsprechende Signalauswertung eine Auflösung der Position bis zu 0,01 mm erreicht werden. Dafür ist eine Periode der magnetischen Oberflächenstruktur im mm-Bereich notwendig.

Die Lösungen, bei denen eine magnetische Markierung direkt auf die Kolbenstange aufgebracht werden, sind ungünstig, weil die Markierungen eine von der Matrix unterschiedliche Struktur und damit auch unterschiedliche mechanische Eigen­ schaften aufweisen, welche zu unterschiedlicher Abnutzung und - wie erwähnt - zum Bruch infolge von Rißbildung durch mechanische Wechselbeanspruchung der Kolbenstange führen. Aufgrund unterschiedlicher Abnutzung wird auch die Dich­ tung vorzeitig ausfallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Positionsbestimmung anzugeben, welches keine Eingriffe in die Materialeigenschaften der Meßobjekte bedeutet, deren Verschiebung gemessen werden soll und die unempfindlich ge­ genüber Umwelteinflüssen ist, wobei eine hohe Meßgenauigkeit zu erzielen ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ent­ halten.

Der Sensor nach der Erfindung zeichnet sich durch große Robustheit aus und be­ nötigt praktisch zur Anbringung des raumsparenden und in integrierter Technik hergestellten Sensors keine störenden Anbauten oder zusätzliche Elemente. Die Erfindung beruht im wesentlichen darauf, daß für die verschiebliche Stange ein Werkstoff verwendet wird, der gleichzeitig paramagnetisch und von großer Härte ist. Aufgrund der magnetisch durchsichtigen Rohrwand sind die in dem verschiebli­ chen Rohr angebrachten Permanentmagnete nach außen hin nicht abgeschirmt, so daß ihre magnetischen Felder von dem Sensorelement in voller Stärke erfaßt wer­ den. Der Hauptvorteil des äußerst kompakt aufgebauten Sensors ist seine Unemp­ findlichkeit gegen Verschmutzung und die hohe mechanische Festigkeit.

Anwendungsgebiete der Erfindung sind hydraulische Aktoren, Dämpfer, Zug- oder Druckstangen, die in Buchsen geführt sind und Linearantriebe verschiedenster Art.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß Maßstab und überwachtes Bauele­ ment eine Einheit bilden, und die Skalen des Maßstabs nach Außen optisch und mechanisch nicht erkennbar sind. Das Bauelement ist aus einem hochfesten Werkstoff hergestellt, der keine ferromagnetischen Bestandteile aufweist. Durch die spezielle Auswahl der Stahlsorte ist es ausgeschlossen, daß sich der üblicherweise immer vorhandene Verformungsmartensit bildet. Die in die Mechanik/Hydraulik in­ tegrierte und nach außen nicht sichtbare magnetische Skala ist keinerlei Verschleiß unterworfen und benötigt keine zusätzlichen Volumina oder größeren Baulängen für die Skala.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 Einen Hydraulikantrieb mit magnetischem Maßstab,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Brückenschaltung aus magnetoresistiven Sensoren,

Fig. 3 die Lage der Sensoren relativ zum auszumessenden Magnetfeld,

Fig. 4 die Signalspannung an einem Längensensor in Abhängigkeit vom Meßweg,

Fig. 5 das Prinzip der absoluten Längenmessung mit zwei periodischen magneti­ schen Spuren unterschiedlicher Phase.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die Integration eines magnetischen Maßstabs 1, der mit einem Sensorelement 3 abgetastet wird in eine Hydraulikstange 2. Das Sensorele­ ment ist am Hydraulikgehäuse 4 befestigt. Das Hydrauliköl wird durch die Kanäle 5 zugeführt. Die Stange bzw. das Hydraulikrohr 2 wird durch Ringe 6 abgedichtet. Der Kolben 7 trägt eine Dichtung 8. Als Sensoren zum Auslesen des magnetischen Maßstabs kommen in Frage: magnetoresistive Sensoren, Hallsensoren und induk­ tive Sensoren.

Magnetoresistive Sensorchips, wie beispielsweise aus der DE 42 37 540 C2 be­ kannt, sind in Analogie zur entsprechenden optischen Sensorchips entwickelt wor­ den. Ein solcher Chip enthält zwei komplette Wheatstone-Brücken aus magnetore­ sistiven Sensorstreifen mit Barberpolstruktur. Die Anordnung der Sensorstreifen gegenüber einem Magnetmaßstab ist in Fig. 2 dargestellt. Die Widerstände der Brücke sind auf dem Chip so angeordnet, daß alle Barberpolstrukturen gleiche Richtung haben und in einem äußeren Magnetfeld die gleiche Widerstandsände­ rung erfahren. Sie liefern also im Nullzustand der Brücke kein Signal. Eine Aus­ steuerung der Brücken ist nun durch einen magnetisch codierten Maßstab möglich. Zwischen den Streifen der ersten Brücke und den Streifen der zweiten Brücke be­ steht eine Verschiebung um jeweils ein Viertel der Periodenlänge auf den Maßstab. Die relative Anordnung des Sensorelements 3 zu den zu detektierenden Magnet­ feldern des Maßstabs 1 zeigt Fig. 3 Daraus folgt, daß die Signale aus beiden Brüc­ ken um 90° gegeneinander phasenverschoben sind, d. h. es stehen zur Auswertung und zur Interpolation ein sin- und ein cos-Signal zur Verfügung. Ein entsprechen­ des Meßergebnis ist in Fig. 4 dargestellt. Es zeigt die gemessene Sinus- und Co­ sinusausgangsspannung (in 0,1 V), den daraus ermittelten Meßweg s (in Pollän­ gen) und die Abweichungen δ zum wirklichen Meßweg (in 0,1 Pollängen) bei 2 mm Abstand des Sensors von der Oberfläche des Maßstabs. Die magnetoresistiven Sensoren werden mit der von der Halbleitertechnik her bekannten Mikrostruktur­ technologie hergestellt. Das garantiert die erforderliche genaue relative Lage der Einzelsensoren auf einem Chip.

In einer Neuentwicklung der Linearsensoren müssen die Sensorchips und Maßstä­ be so dimensioniert sein, daß über einen weiten Abstandsbereich eine abstands­ unabhängige Signalamplitude erreicht wird. Dies ist möglich, obwohl der Abstand vom Maßstab eine rasch abnehmende Magnetfeldstärke zur Folge hat. Sie können bis zu Temperaturen von 150°C eingesetzt werden. Der optimale Abstand von Sensorelement und Maßstab sollte etwas kleiner als die Maßstabsperiode sein. Damit lassen sich Abstände bis zu 0,01 mm detektieren.

Magnetoresistive Sensoren haben folgende Vorteile:

• - bei hohen Feldstärken gibt es keine nennenswerte Abhängigkeit des Signals von der Magnetfeldstärke
• - durch eine Brückenschaltung gibt es keinen Signal-Offset
• - durch die Brückenschaltung werden Temperatureffekte weitgehend kom­ pensiert
• - die Montage erfolgt mit geringen Justieraufwand, die Sensoren sind in die mechanischen Komponenten aufgrund des geringen Volumens leicht inte­ grierbar
• - sie erlauben eine ausreichende Meßgeschwindigkeit.

Bei einer Skala mit einer vorgegebenen Veränderung der magnetischen Marken auf der Skala lassen sich auch absolute Wegmessungen vornehmen. Ein bekanntes Absolutweg-Meßsystem beruht auf der Auswertung von magnetischen Marken, die mit jeweils unterschiedlicher Periodenlänge auf zwei Maßstäben angebracht sind. Dabei gilt, daß beide Maßstäbe bei gleicher Gesamtlänge eine um eins differieren­ den Zahl von Perioden aufweisen müssen. Aus einem solchen Doppelmaßstab kann die Nummer der anliegenden Periode bestimmt werden.

Zur Erläuterung des Auswertverfahrens dient Fig. 5. Der errechnete Weg ist eine säge-zahnförmige Kurve. Der Meßfehler δ beträgt maximal nur Bruchteile von 1%. Zur Grobposition des absoluten Meßwerts wird noch der Interpolationswert für die Phase der bei der entsprechenden Position liegenden letzten Periode der Spur da­ zuaddiert, um die Genauigkeit zu erhöhen.

Zum Auslesen magnetischer Maßstäbe sind Halleffekt-Sensoren von der Empfind­ lichkeit her ähnlich gut geeignet wie magnetoresistive Sensoren. Auch bei ihnen sind folgende Vorteile zu vermerken:

• - kostengünstige Herstellung mit Hilfe der von der Halbleitertechnik her be­ kannten Mikrostrukturtechnologie
• - geringes Zusatzvolumen
• - Integrierbarkeit in die betreffende mechanische Komponente
• - ausreichende Meßgeschwindigkeit.

Das Hallsensor-Signal ist jedoch feldstärke- und damit stark abstandsabhängig. Dies verlangt sehr kleine Toleranzen bei der Montage. Induktive Sensoren können nicht ohne weiteres mit den von der Halbleitertechnik her bekannten Methoden hergestellt werden, da ihre Abmessungen zu groß sind. Sie werden daher für die Auswertung wahrscheinlich weniger gut geeignet sein.

Eine große Bedeutung im Zusammenhang mit dem Einsatz der Erfindung haben die mechanischen und magnetischen Eigenschaften der verwendeten Materialien. Für den Einsatz in einer Hydraulikstange bedeutet dies einerseits eine große Härte auf der Oberfläche und andererseits eine Möglichkeit, das Material an der Oberfläche zu schleifen und zu polieren, so daß aus dem Hydraulikzylinder kein Öl verloren geht. Für die verlangten Festigkeitseigenschaften erscheint ein austenitischer rost­ freier Stahl, welcher durch Stickstoffeinlagerung verfestigt wurde, am besten geeig­ net. Ein Stahl mit den Legierungsbestandteilen Chrom, Mangan und bis zu 1% Gewichtsprozent Stickstoff erreicht eine Streckgrenze von 700 Mpa. Dieser Stahl ist durch Kaltumformung bis zu einer Streckgrenze von 2.500 Mpa noch weiter zu verfestigen.

Claims (7)

1. Anordnung zur Positionsmessung an hochbelasteten Konstruktionselemen­ ten mit einem Rohr (2), in dessen Inneren magnetische Bereiche zu einem Maßstab (1) angeordnet sind, wobei ein Sensorelement (3) an einem festen Gehäuse (4) befestigt ist und die Position des beweglichen magnetischen Maßstabs (1) abtastet, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Maßstab in einem Rohr aus austenitischem Stahl an­ geordnet ist und daß dieser Stahl mehr als 0,2 Gewichtsprozent Stickstoff enthält.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Maßstab im Rohr (2) derart angeordnet ist, daß bei Temperaturänderungen keine Verschiebungen der magnetischen Bereiche gegenüber dem Rohr stattfinden.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Bereiche auf zylindrischen hohlzylindrischen Körpern angebracht sind, welche mit elastischen Zwischenstücken im Rohr (2) fest eingespannt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des Rohrs (2) eine ferromagnetische Schicht ange­ ordnet ist, deren Wärmeausdehnung sich von derjenigen des Rohrs nicht unterscheidet.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Bereiche auf einer aus Vollmaterial hergestellten oder durchbohrten Stange angebracht sind, die zumindest an einer Stelle mit dem Rohr (2) fest verbunden ist und einen dem Ausdehnungskoeffizienten des Rohrs (2) angepaßten Ausdehnungskoeffizienten aufweist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Rohr (2) zwei Maßstäbe angeordnet sind, welche magnetische Be­ reiche mit jeweils verschiedenem Abstand voneinander aufweisen, so daß beide Maßstäbe zur Bestimmung der Absolutposition bei gleicher Gesamt­ länge eine unterschiedliche Zahl von Perioden aufweisen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Rohr (2) zwei Maßstäbe parallel und übereinander angeordnet sind, welche magnetische Bereiche mit jeweils verschiedenem Abstand voneinan­ der aufweisen, so daß beide Maßstäbe bei gleicher Gesamtlänge eine um eins differierende Zahl von Perioden aufweist.