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Die
Erfindung betrifft einen druckmediumsbetätigten Arbeitszylinder mit
einem in einem Zylinderraum zwischen zwei Endstellungen längsverschieblichen
Kolben und mit zwei den Zylinderraum endseitig verschließenden Endteilen,
die Einrichtungen zur Zu- und Ableitung von Druckmedium in die beiden
von dem Kolben und dem jeweiligen Endteil begrenzten Zylinderkammern
aufweisen. Mit dem Kolben ist eine Kolbenstange verbunden, die durch zumindest
eines der Endteile abgedichtet durchgeführt ist.
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Die
Druckmediumsbeaufschlagung der beiden Zylinderkam mern eines solchen
Arbeitszylinders erfolgt in der Regel von einer Druckmediumsquelle aus über ein
5/2-Wege-Steuerventil. Dabei wird durch eine unterschiedliche Druckbeaufschlagung der
beiden Zylinderkammern eine Bewegung des Kolbens und damit der Kolbenstange
erzeugt. Die an der Kolbenstange zur Verfügung stehende Kraft ist direkt
proportional der Druckdifferenz in den beiden Zylinderkammern.
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In
der Praxis und aus der
DE
19633369C2 ist es bekannt den Differenzdruck zwischen den
beiden Zylinderkammern betriebsmäßig zu messen
und aus dem Messwert eine Information über die Stellung des Kolbens
bezüglich
der Endteile des Arbeitszylinders, insbesondere beim Einfahren des
Kolbens in eine Endlage zu gewinnen. Dazu wird ein Differenzdruckaufnehmer
verwendet, dessen Differenzdrucksensorteil druckeingangsseitig mit
den Druckleitungen verbunden ist, die das 5/2-Wege-Ventil mit den
in den Endteilen des Arbeitszylinders vorhandenen Anschlüssen für die Zu-
und Ableitung des Druckmediums in bzw. von der jeweiligen Zylinderkammer
verbinden. Der Druckaufnehmer und die diesem zugeordnete elektronische
Auswerteschaltung, die ein für die
jeweilige Druckdifferenz kennzeichnendes Ausgangssignal abgibt,
sind getrennt von dem Arbeitszylinder angeordnet. Die Länge der
Druckleitungen zu dem Differenzdruckaufnehmer ist häufig auf
die jeweiligen örtlichen
Gegebenheiten des Einsatzzweckes abgestimmt.
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Durch
die Anordnung des Differenzdrucksensors außerhalb des Zylinders treten
aber bei der Differenzdruckmessung Zeitverzögerungen auf, die bei zeitkritischen
Prozessen für
die der Arbeitszylinder eingesetzt ist, nicht zu vernachlässigen sind.
Es ergeben sich strömungstechnisch
bedingte Messfehler, deren Größe und Natur
von der Art der Druckleitungen und der Verbindungsleitungen zu dem
Differenzdrucksensor abhängig
sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb einen druckmediumsbetätigten Arbeitszylinder
zu schaffen, bei dem diesen Nachteilen weitgehend abgeholfen ist
und zwar ohne dass ein übermäßiger zusätzlicher Herstellungsaufwand
erforderlich wäre
oder die ordnungsgemäße Funktion
des Arbeitszylinders beeinträchtigt
würde.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe weist der erfindungsgemäße Arbeitszylinder die Merkmale
des Patentanspruch 1 auf.
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Bei
diesem Arbeitszylinder ist der Differenzdruckaufnehmer unmittelbar
in einem der Endteile angeordnet und mit den beiden Zylinderkammern über eigene
Leitungsmittel verbunden, die zumindest teilweise in den Endteilen
ausgebildet sind. Der Differenzdruckaufnehmer weist einen an dem
ihm zugeordneten Endteil vorgesehenen Signalausgang für ein von
dem jeweiligen Differenzdruck zwischen der Druckmediumsbeaufschlagung
der beiden Zylinderkammern abhängiges
elektrisches Ausgangssignal auf.
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Die
Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass zur Vermeidung von strömungstechnischen Fehlern
bei der Druckmessung es optimal wäre den Druck in der jeweiligen
Zylinderkammer unmittelbar an der Kolbenfläche zu messen. Dies ist aber
wegen der zu dem Drucksensor führenden
elektrischen Verbindungsleitungen nicht ohne Weiteres möglich. Wenn
aber der Differenzdrucksensor unmittelbar in einem der Endteile
integriert ist und über
eigene definierte Leitungsmittel mit den beiden Zylinderkammern
in Verbindung steht, lässt
sich eine sehr genaue Differenzdruckmessung erzielen, die die Druckverhältnisse
in den Zylinderkammern weitgehend verzögerungsfrei wiedergibt. Für bestimmte
Anwendungen von Arbeitszylindern ist es notwendig den zu erreichenden
Differenzdruck, der der entsprechenden Kraft an der Kolbenstange
proportional ist, während der
Kolbenbewegung ständig
zu variieren, um damit eine optimale Anpassung an schwankende Druckanforderungen
zu erzielen. Auch dies ist bei dem neuen Arbeitszylinder ohne Weiteres
möglich.
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In
einer zweckmäßigen Ausführungsform
ist der Differenzdruckaufnehmer in einer Ausnehmung des ihm zugeordneten
Endteils angeordnet, die, wenn bspw. die Stirnfläche des Enteils für Befestigungszwecke
oder dergleichen freigehalten werden soll, mit Vorteil eine an einer
Seitenwand des Endteils mündende Öffnung aufweist,
welche nach der Montage in der Regel abgedichtet verschlossen wird.
Der Differenzdruckaufnehmer weist Differenzdrucksensormittel und
eine diesen zugeordnete elektronische Signalauswerteschaltung auf,
die das elektrische Ausgangssignal erzeugt. Die elektronische Auswerteschaltung
kann auf einem elektrischen Träger, bspw.
in Gestalt einer Leiterplatte, angeordnet sein, der seinerseits
in dem Endteil des Arbeitszylinders untergebracht ist. Das kann
in der Weise geschehen, dass der Träger und die elektronische Auswerteschaltung
zusammen mit dem Drucksensor in der vorerwähnten Ausnehmung des Endteils
angeordnet sind und dass die Ausnehmung nach außen hin durch Anschlussmittel,
etwa in Gestalt einer elektrischen Anschlusssteckbuchse, verschlossen
ist über die
das elektrische Ausgangssignal abgebbar ist.
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Die
elektronische Auswerteschaltung kann ein den gemessenen Differenzdruck
unmittelbar wiedergebendes elektrisches Ausgangssignal erzeugen. Wenn
es aber darum geht nur ein Signal zu erhalten, das die Erreichung
der Endposition durch den Kolben anzeigt, ist es zumeist ausreichend
einen fest eingestellten Sollwert mit dem gemessenen Differenzdruck zu
vergleichen. Zu diesem Zwecke kann die elektronische Auswerteschaltung
eine ein von den Drucksensormitteln abgegebenes Differenzdrucksignal
mit einem vorgegebenen Sollwert vergleichende Vergleichsschaltung
enthalten, wobei das Ausgangssignal wenigstens zwei für das Ergebnis
des Sollwert/Istvergleiches kennzeichnende, voneinander verschiedene
Signalzustände
aufweist.
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Der
Differenzdruckaufnehmer kann an sich in jedem der beiden Endteile
des Arbeitszylinders untergebracht werden, doch ist es häufig von
Vorteil, wenn er in dem der Kolbenstange abgewandten Endteil untergebracht
ist. Die die Drucksensormittel mit den beiden Zylinderkammern verbindenden
Leitungsmittel enthalten in der Regel eine zwischen den beiden Endteilen
verlaufende, außerhalb
des Zylinderraums angeordnete Leitung. Diese Leitung kann auch innerhalb
des Umrisses der Endteile verlaufend angeordnet sein. Grundsätzlich sind
aber auch Ausführungsformen
denkbar, bei denen diese Leitung innerhalb des Zylinderraums verläuft und
dabei gegenüber
dem Kolben abgedichtet ist. Beispielsweise bei Arbeitszylindern,
deren Zylinderraum aus besonderen Gründen eine als Verdrehsicherung
für den
Kolben wirkende Führungsstange
enthält
(vergleiche bspw. DE-GBM 200 21 520) kann eine solche Führungsstange
unmittelbar als Verbindungsleitung ausgebildet werden.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des
Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 einen
Arbeitszylinder gemäß der Erfindung
im Längsschnitt,
in einer Seitenansicht und in schematischer Darstellung,
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2 die
elektronische Auswerteschaltung des Differenzdruckaufnehmers des
Arbeitszylinders nach 1, in einer Darstellung als
Blockschaltbild,
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3 ein
Endteil des Arbeitszylinders nach 1 in einer
abgewandelten Ausführungsform
und in perspektivischer Darstellung und
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4 einen
Ausschnitt des Endteils nach 3 mit herausgenommener
elektronischer Auswerteschaltung, in perspektivischer Teildarstellung und
in einem anderen Maßstab.
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Der
in 1 schematisch dargestellte Arbeitszylinder weist
zwei in Gestalt rechteckiger Platten ausgebildete Endteile 1, 2 auf,
die jeweils abgedichtet mit einem sich dazwischen erstreckenden
Zylinderrohr 3 verbunden sind, das gemeisnam mit den Endteilen 1, 2 einen
Zylinderraum 4 begrenzt. In dem Zylinderraum 4 ist
ein randseitig bei 5 gegen das Zylinderrohr 3 abgedichteter,
kreiszylindrischer Kolben 6 längsverschieblich gelagert,
der mit einer koaxialen Zylinderstange 7 starr verbunden
ist. Die kreiszylindrische Zylinderstange 7 ist durch eine
entsprechende Öffnung 8 des
Endteils 1 nach außen
geführt
und durch eine Dichtung 9 gegen das Endteil 1 abgedichtet.
Eine die Bohrung 9 begrenzende Lagerbüchse ist mit 10 bezeichnet.
Die beiden Endteile sind über
vier gleichmäßig rings
um die Achse 11 der Kolbenstange 7 und des Kolben 6 verteilt
angeordnete Zuganker 12 axial gegeneinander verspannt.
In den beiden Endteilen 1, 2 ist jeweils ein mit
einem Gewinde anschluss 13 für eine nicht dargestellte Druckmediumsleitung versehener
Druckmediumzu- und -ableitungskanal 14 ausgebildet, der
mit einer zu der Achse 11 achsparallelen Bohrung 15 in
dem Endteil 1 bzw. zu der Achse 11 koaxialen Bohrung 16 in
dem Endteil 2 in Verbindung steht.
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Der
Zylinderraum 4 ist durch den Kolben 6 in zwei
Zylinderkammern 4a, 4b unterteilt, die durch den
Kolben und jeweils eines der Endteile 1, 2 axial begrenzt
sind. Die Bohrung 15 des Druckmediumszu- und -ableitungskanals 14 in
dem Endstück 1 mündet in
die eine Zylinderkammer 4a, während der Druckmediumszu- und
-ableitungskanal 14 in dem anderen Endteil 2 über die
Bohrung 16 in die andere Zylinderkammer 4b mündet.
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In
dem der Kolbenstange 7 abgewandten Endteil 2 ist
eine Ausnehmung in Gestalt einer Bohrung 17 vorgesehen,
die auf der dem Druckmediumszu- und -ableitungskanal 14 gegenüberliegenden Seite
des Endteils 2 mündet.
In die Ausnehmung 17 ist ein Differenzdruckaufnehmer 18 eingesetzt,
der einen bei 19 schematisch angedeuteten Differenzdrucksensor
und eine diesem zugeordnete elektronische Signalauswerteschaltung 190 aufweist,
deren Einzelheiten anhand von 2 noch erläutert werden.
Der Differenzdrucksensor 19 ist mit den beiden Zylinderkammern 4a, 4b über eigene
Leitungsmittel verbunden, die von dem Druckmediumszu- und -ableitungskanal 14 in
den beiden Endteilen 1, 2 unabhängig sind.
Diese Leitungsmittel weisen in dem Endteil 2 einen unmittelbaren
zu dem Differenzdrucksensor 19 führenden, zu der Achse 11 parallelen
Kanal 20 auf, der von der Zylinderkammer 4b abgeht.
In dem anderen Endteil 1 ist ein in die andere Zylinderkammer 4a mündender,
zweiter Kanal 21 vorgesehen, der ebenfalls zu der Achse 11 parallel
ist und über einen
Kanalabschnitt 22 in eine seitlich an das Endteil 1 abgedichtete
angeschlossene Druckleitung 23 mündet, die über einen in dem Endteil 2 ausgebildeten,
bei 24 mit seiner Achse strichpunktiert angedeuteten Druckkanal
zu dem Differenzdrucksensor 19 führt. Bei dem in 1 schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die im Wesentlichen L-förmig ausgebildete
Druckleitung 23 seitlich an das Endstück 1 angesetzt, während die
Verbindung mit dem Endteil 2 über ein an dieses seitlich
abgedichteter, angeflanschtes Anschlussstück 25 erfolgt, das
auch einen in die Druckleitung 23 mündenden Teil des Druckkanals 24 enthält, wie
dies 1 zeigt.
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Die
Ausnehmung 17 erstreckt sich durch das Anschlussteil 25 und
ist nach außen
hin abgedichtet durch eine elektrische Anschlusssteckbuchse 26 verschlossen,
die elektrische Anschlüsse
in Gestalt von Steckerstiften 27 (3) für die elektronische
Auswerteschaltung 190 enthält.
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Da
der Differenzdrucksensor 19 über die genau definierten Druckkanäle 20, 21, 24 ebenfalls
genau definierte Druckleitung 23 unmittelbar mit den Zylinderkammern 4a, 4b in
Verbindung steht, kann ohne große
Zeitverzögerung
der in den beiden Zylinderkammern herrschende Differenzdruck in
dem Sensor direkt ermittelt werden. Der Differenzdrucksensor 19 ist
nach außen
hin abgedichtet und steht elektrisch mit der elektronischen Auswerteschaltung 190 in
Verbindung. Über
die Steckerstifte 27 der Anschlusssteckbuchse 26 gibt
die Auswerteschaltung 190 nach außen ein elektrisches Ausgangssignal
ab, das für
den jeweiligen Differenzdruck zwischen der Druckmediumsbeaufschlagung
der beiden Zylinderkammern 4a, 4b kennzeichnend
ist.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild des Differenzdrucksensors 19 und der
elektronischen Auswerteschaltung 190. Die Drücke P1, P2 in den beiden
Zylinderkammern 4a, 4b werden in einer Messzelle 19a des
Differenzdrucksensors 19 erfasst, der ein analoges, elektrisches
Differenzdrucksignal abgibt. Dieses Differenzdrucksignal wird einer
Vergleichsschaltung 28 zugeleitet, in der das Differenzdrucksignal
der Messzelle 19a mit einem über eine Leitung 29 extern vorgegebenen
Sollwert verglichen wird. Ist der gemessene Differenzdruck größer als
der Sollwert, wird an einem Signalausgang 30 ein Ausgangssignal
mit einem ersten Signalzustand (z.B. Signalwert 0) abgegeben; ist
der gemessene Differenzdruck kleiner als der vorgegebene Sollwert,
so wird ein zweiter Signalzustand 1 (z.B. 5V) ausgegeben. In einem
nachgeschalteten Verstärker 31 wird
das jeweilige Ausgangssignal entsprechend verstärkt und zu einem äußeren Signalausgang
geleitet, der im vorliegenden Falle einer der Steckerstifte 27 ist.
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Bei 32 ist
die Spannungsversorgungsstufe angedeutet, deren Eingang ebenfalls
an einen der Steckerstifte 27 angeschlossen ist über den
die Versorgungsspannung U zugeleitet wird. Auch die Sollwertleitung 29 führt zu einem
der Steckerstifte 27.
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In
den 3, 4 ist eine gegenüber der schematischen
Darstellung nach 1 leicht abgewandelte Ausführungsform
der Endteile 1, 2 veranschaulicht, wobei lediglich
das Endteil 2 dargestellt ist. Der übrige Aufbau des Arbeitszylinders
ist im Wesentlichen gleich wie in 1 und deshalb
nicht weiter erläutert.
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das
in Gestalt eine quadratischen Platte ausgebildete Endteil 2 ist
mit den Bohrungen 12a für
die Zuganker 12 ausgebildet. Der Umriss des Zylinderrohrs 3 lässt sich
aus der kreisrunden Zylinderrohrdichtung 33 ersehen, auf
die im montierten Zustand das Zylinderrohr 3 aufgesetzt
ist. Seitlich neben einer der Zugankerbohrungen 12a mündet der
zu dem nicht sichtbaren Differenzdrucksensor 19 führende Druckkanal 24,
an den die hier nur gestrichelt angedeutete Druckleitung 23 angeschlossen
ist. Die als gerades Rohrstück
ausgebildete Druckleitung 23 liegt somit innerhalb des
Umrisses des quadratischen Endteils 2, so dass das Anschlussstück 25 der 1 entfällt. Das
nicht dargestellte andere Endteil 1 ist mit einer entsprechend
angeordneten Mündung des
Kanals 22 (1) ausgebildet. Alternativ könnte die
Druckleitung auch in einem entsprechend eingeformten Kanal innerhalb
eines einstückigen
Profils verlaufen, das das Zylinderrohr 3 bildet. Ein solcher eingeformter
Kanal ist in 1 bei 23a angedeutet.
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Wie
insbesondere auch aus 4 zu entnehmen, ist die Ausnehmung 17 mit
einer auf einer Seitenfläche
des Endteils 2 mündenden
zylindrischen Aufnahmebohrung 17a ausgebildet, die eine leistenförmige Leiterplatte 34 aufnimmt,
welche die elektronische Auswerteschaltung 190 trägt und mit der
Anschlusssteckbuchse 26 fest verbunden ist, so dass diese
Teile als Ganzes in die Aufnahmebohrung 17a eingeschoben
werden können,
die sodann durch die Anschlusssteckbuchse 26 abgedichtet
verschlossen wird.
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Der
Drucksensor 19 ist in einem mit der Aufnahmebohrung 17a in
Verbindung stehenden, kammerartigen Teil der Ausnehmung 17 untergebracht und über elektrische
Leitungen 36 mit der Auswerteschaltung 190 verbunden.
Zur Erleichte rung der Montage ist der den Drucksensor 19 enthaltende kammerartige
Teil durch einen zylindrischen Deckel 37 verschlossen,
der die Mündung
des Druckkanals 20 enthält
und von der Zylinderraumseite her mit dem Endteil 2 abgedichtet
verschraubt ist. Ein Blick auf 4 zeigt
die einfachen Montageverhältnisse
des Differenzdruckaufnehmers 190. Außerdem ist aus 3 zu
entnehmen, dass der Arbeitszylinder mit dem in ein Endteil integrierten
Differenzdruckaufnehmer sich durch einen einfachen übersichtlichen
Aufbau auszeichnet und keinen zusätzlichen Platzbedarf aufweist.
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Der
druckmediumsbetätigte
Arbeitszylinder kann sowohl als Pneumatikzylinder als auch als hydraulischer
Zylinder ausgebildet sein.