AT511883A1

Position-measuring device for fluid cylinder

Abstract

The invention relates to a position measuring device (2) for a from a fluid cylinder (1) leading out of the piston rod (6), comprising a at the outer periphery (7) of the piston rod (6) and along this arranged material measure in the form of an optically detectable code pattern (8) and a in a housing (12) fixed on the fluid cylinder (1) arranged sensor assembly (9) for the optical detection of a rectangular measuring cutout (29) of the code pattern (8), with a luminous flux on the code pattern (8) emitting illumination source (15), an image sensor (16), a measurement optics (21) for transmitting an image of the measurement section (29) onto the image sensor (16) and an evaluation unit (18) for determining the absolute position of the piston rod (6) using the image sensor (16) the acquired image information. The illumination source (15) and the image sensor (16) on a common printed circuit board (17) of the sensor assembly (9) are fastened and between illumination source (15) and the measurement cut-out (29) is a light-guiding element (22) for transmitting the light flux from the illumination source (15) arranged on the measuring segment (29).

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34 claims: 34 independent, 0 dependent

  1. 1
    Claims Patentansprüche 1. Position measuring device (2) for a piston rod (6) leading out of a fluid cylinder (1), comprising a measuring standard in the form of an optically detectable code pattern (8), in particular a binary sequence, arranged on the outer circumference (7) of the piston rod (6) and along this line markings (11) oriented transversely to the piston rod axis (10), and a sensor arrangement (9) arranged in a housing (12) stationary on the fluid cylinder (1) for the optical detection of a rectangular measurement section (29) of the code pattern (8), with an illumination source (15) emitting a luminous flux onto the code pattern (8), an image sensor (16), measuring optics (21) for transmitting an image of the measuring section (29) to the image sensor (16) and an evaluation unit (18) for determining the absolute position of the piston rod (6) using the image information recorded by the image sensor (16), characterized in that, that the lighting source (15) and the image sensor (16) are attached to a common printed circuit board (17) of the sensor arrangement (9) and between the lighting source (15) and the measuring section (29) a light guide element (22) for transmitting the luminous flux from the lighting source ( 15) is arranged on the measurement cutout (29). 1. Positionsmessvorrichtung (2) für eine aus einem Fluidzylinder (1) herausführende Kolbenstange (6), umfassend eine am Außenumfang (7) der Kolbenstange (6) und entlang dieser angeordnete Maßverkörperung in Form eines optisch erfassbaren Codemusters (8), insbesondere einer binären Abfolge aus quer zur Kolbenstangenachse (10) orientierten Strichmarkierungen (11), und eine in einem Gehäuse (12) ortsfest am Fluidzylinder (1) angeordnete Sensoranordnung (9) zur optischen Erfassung eines rechteckigen Messausschnittes (29) des Codemusters (8), mit einer einen Lichtstrom auf das Codemuster (8) abgebenden Beleuchtungsquelle (15), einem Bildsensor (16), einer Messoptik (21) zur Übertragung eines Abbildes des Messausschnitts (29) auf den Bildsensor (16) und einer Auswerteeinheit (18) zur Ermittlung der Absolutposition der Kolbenstange (6) unter Verwendung der vom Bildsensor (16) erfassten Bildinformationen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsqueile (15) und der Bildsensor (16) an einer gemeinsamen Leiterplatte (17) der Sensoranordnung (9) befestigt sind und zwischen Beleuchtungsquelle (15) und Messausschnitt (29) ein Lichtleitelement (22) zur Übertragung des Lichtstromes von der Beleuchtungsqueile (15) auf den Messausschnitt (29) angeordnet ist.
  2. 2
    Position measuring device (2) according to claim 1, characterized in that the light guide element (22) connects directly to the illumination source (15) or has a light entry surface (26) which is positioned at a distance of less than 2 mm from the illumination source (15). 2. Positionsmessvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitelement (22) unmittelbar an die Beleuchtungsquelle (15) anschließt oder eine Lichteintrittsfläche (26) ausweist, die in einer Distanz von weniger als 2 mm zur Beleuchtungsquelle (15) positioniert ist.
  3. 3
    Position measuring device (2) according to claim 1 or 2, characterized in that the light guide element (22) extends over at least 50%, preferably over at least 75%, of the smallest distance (32) between the illumination source (15) and the outer circumference (7) of the piston rod ( 6) extends. 3. Positionsmessvorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Lichtleitelement (22) über zumindest 50 %, vorzugsweise über zumindest 75 %, des kleinsten Abstandes (32) zwischen Beleuchtungsquelle (15) und Außenumfang (7) der Kolbenstange (6) erstreckt. N2009 / 06800 N2009/06800 25/08 2011 DO 13:50 [SE/EM NR 9891] @028 25/08 2011 THU 13:50 [SE / EM NR 9891] @ 028 13:57:49 25-08-2011 13:57:49 25-08-2011 29 /38 29 /38
  4. 4
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsquelle (15) durch ein LEDElement (23) gebildet ist. 4th Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the illumination source (15) is formed by an LED element (23).
  5. 5
    Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the illumination source (15) has an approximately square radiation surface (24). 5. Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsquelle (15) eine etwa quadratische Abstrahlungsfläche (24) aufweist.
  6. 6
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitelement (22) eine mattierte Lichteintrittsfläche (26) und/oder eine mattierte Lichtaustrittsfläche (28) aufweist. 6th Position measuring device (2) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the light guide element (22) has a matt light entry surface (26) and / or a matt light exit surface (28).
  7. 7
    Positionsmessvorrichtung (2) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenlänge der Abstrahlungsfläche (24) weniger als 2 mm beträgt und die Abmessungen des Messausschnitts (29) zumindest 10 mm mal 2 mm betragen. 7th Position measuring device (2) according to claim 5 or 6, characterized in that the edge length of the emitting surface (24) is less than 2 mm and the dimensions of the measuring section (29) are at least 10 mm by 2 mm.
  8. 8
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitelement (22) einen etwa rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei eine längere Seite des rechteckigen Querschnitts parallel zur Kolbenstangenachse (10) verläuft. 8th. Position measuring device (2) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the light guide element (22) has an approximately rectangular cross-section, a longer side of the rectangular cross-section running parallel to the piston rod axis (10).
  9. 9
    Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the light guide element (22) has a cross section increasing from the light entry surface (26) to its light exit surface (28). 9. Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitelement (22) einen von der Lichteintrittsfläche (26) zu seiner Lichtaustrittsfläche (28) zunehmenden Querschnitt aufweist.
  10. 10
    Position measuring device (2) according to claim 9, characterized in that the light exit surface (28) of the light guide element (22) corresponds to at least three times the light entry surface (26). 10. Positionsmessvorrichtung (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (28) des Lichtleitelements (22) zumindest dem Dreifachen der Lichteintrittsfläche (26) entspricht. N20M / 06800 N20M/06800 25/08 2011 DO 13:50 [SE/EM NR 8891] ©029 25/08 2011 THU 13:50 [SE / EM NR 8891] © 029 13:58:03 25-08-2011 13:58:03 25-08-2011 30 /38 30 /38 -3’ -3’
  11. 11
    Position measuring device (2) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the light entry surface (26) and / or the light exit surface (28) essentially has a flat surface. 11. Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche (26) und/oder die Lichtaustrittsfläche (28) im Wesentlichen eine ebene Oberfläche aufweist.
  12. 12
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitelement (22) in seinem Zentrum des Strahlenganges eine lokale Störung (33) in Form einer Querbohrung (34), einer Abdeckblende oder eines optisch brechenden Elements aufweist. 12th Position measuring device (2) according to one of claims 1 to 11, characterized in that the light guide element (22) has a local disturbance (33) in its center of the beam path in the form of a transverse bore (34), a cover panel or an optically refractive element.
  13. 13
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitelement (22) und/oder die Messoptik (21) bezüglich einer zur Kolbenstangenachse (10) parallelen Schwenkachse (25) verschwenkbar im Gehäuse (12) gelagert ist. 13th Position measuring device (2) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the light guide element (22) and / or the measuring optics (21) are pivotably mounted in the housing (12) with respect to a pivot axis (25) parallel to the piston rod axis (10).
  14. 14
    Positionsmessvorrichtung (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitelement (22) verschwenkbar an der Messoptik (21) oder die Messoptik (21) verschwenkbar am Lichtleitelement (22) gelagert ist. 14th Position measuring device (2) according to claim 13, characterized in that the light guide element (22) is mounted pivotably on the measurement optics (21) or the measurement optics (21) is mounted pivotably on the light guide element (22).
  15. 15
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass am Codemuster (8) die Breite der Strichmarkierungen (11) und der unmarkierten Codeabschnitte jeweils einem Millimeter odereinem ganzzahligen Vielfachen eines Millimeters entspricht. 15th Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 14, characterized in that on the code pattern (8) the width of the bar markings (11) and the unmarked code sections each corresponds to a millimeter or an integral multiple of a millimeter.
  16. 16
    Position measuring device (2) according to one of claims 1 to 15, characterized in that the code pattern (8) is formed by a binary pseudo random code with interlaced, mutually different code words, the length of the measurement section (29) at least the length of the code words and the code words have a length of at least 8 bits, in particular 15 bits. 16. Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Codemuster (8) durch einen binären PseudoRandom-Code mit ineinander verschränkten, voneinander verschiedenen Codewörtern gebildet ist, wobei die Länge des Messausschnitts (29) zumindest der Länge der Codewörter entspricht und die Codewörter eine Länge von zumindest 8 Bit, insbesondere 15 Bit aufweisen. N2009 / oeaoo N2009/oeaoo 25/08 2011 DO 13:50 [SE/EM NR 9891] @030 25/08 2011 THU 13:50 [SE / EM NR 9891] @ 030 13:58:19 13:58:19 25-08-2011 25-08-2011 31 /38 31 /38
  17. 17
    Positionsmessvorrichtung (2) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Messausschnitt (29) auf der Kolbenstangenoberfläche (7) eine Länge von zumindest 15 Bit des Codemusters (8) abdeckt. 17th Position measuring device (2) according to claim 16, characterized in that the measuring section (29) on the piston rod surface (7) covers a length of at least 15 bits of the code pattern (8).
  18. 18
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Codemuster (8) durch einen binären Blockcode mit einer abwechselnden Folge von Informationsbits konstanter Anzahl und Breite sowie Schutzbits konstanter Anzahl und Breite gebildet ist und die Messung der Kolbenstangenposition ein Messverfahren benutzt, bei dem die Position bzw. Verschiebung der Schutzbits im Messausschnitt (29) erfasst wird und die Informationsbits jeweils Absolutreferenzen für die Kolbenstangenposition definieren. 18th Position measuring device (2) according to one of claims 1 to 15, characterized in that the code pattern (8) is formed by a binary block code with an alternating sequence of information bits of constant number and width and guard bits of constant number and width, and the measurement of the piston rod position is a measuring method used where the position resp. Shift of the protective bits in the measurement section (29) is detected and the information bits each define absolute references for the piston rod position.
  19. 19
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (16) durch ein zur Kolbenstangenachse (10) parallel angeordnetes Zeilenkamera-Element (20) oder LinearSensor-Array gebildet ist. 19th Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 18, characterized in that the image sensor (16) is formed by a line camera element (20) or linear sensor array arranged parallel to the piston rod axis (10).
  20. 20
    Positionsmessvorrichtung (2) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeilenkamera-Element (20) zwischen 32 und 2048 Sensorpunkte, insbesondere 128 Sensorpunkte aufweist. 20th Position measuring device (2) according to Claim 19, characterized in that the line camera element (20) has between 32 and 2048 sensor points, in particular 128 sensor points.
  21. 21
    Position measuring device (2) according to Claim 19 or 20, characterized in that the line camera element (20) has a resolution between 200 and 1200 dpi, in particular 400 dpi. 21. Positionsmessvorrichtung (2) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeilenkamera-Element (20) eine Auflösung zwischen 200 und 1200 dpi, insbesondere 400 dpi aufweist.
  22. 22
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Leiterplatte (17) von der Kolbenstangenoberfläche (7) aus einem Bereich zwischen 15 mm und 25 mm gewählt ist. 22nd Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 21, characterized in that the distance between the printed circuit board (17) and the piston rod surface (7) is selected from a range between 15 mm and 25 mm.
  23. 23
    23 Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 22, characterized in that the main axis of the measuring optics (21) is eccentric 23. Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse der Messoptik (21) exzentrisch N2009 / 06800 N2009/06800 25/08 2011 DO 13:50 [SE / EM NR 9891] ®031 25/08 2011 DO 13:50 [SE/EM NR 9891] ®031 13:58:36 25-08-2011 13:58:36 25-08-2011 32/38 oder windschief bezüglich der Kolbenstangenachse (10) orientiert ist und/oder exzentrisch oder windschief bezüglich der Hauptausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen, die von der Kolbenstangenoberfläche (7) reflektiert werden, orientiert ist. 32/38 or is oriented skewed with respect to the piston rod axis (10) and / or is oriented eccentrically or skewed with respect to the main direction of propagation of the light rays which are reflected from the piston rod surface (7).
  24. 24
    Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 23, characterized in that the center-to-center distance (35) from the illumination source (15) to the image sensor (16) on the circuit board (17) is selected from a range between 5 mm and 12 mm. 24. Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenabstand (35) von Beleuchtungsquelle (15) zu Bildsensor (16) auf der Leiterplatte (17) aus einem Bereich zwischen 5 mm und 12 mm gewählt ist.
  25. 25
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (18) auf der Leiterplatte (17) angeordnet ist. 25th Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 24, characterized in that the evaluation unit (18) is arranged on the printed circuit board (17).
  26. 26
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass an der Leiterplatte (17) eine Schnittstelle (31) zur Stromversorgung und Datenübertragung angeordnet ist. 26th Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 25, characterized in that an interface (31) for power supply and data transmission is arranged on the printed circuit board (17).
  27. 27
    27 Position measuring device (2) according to one of claims 1 to 26, characterized in that at least one second circuit board (30) is connected to the circuit board (18), in particular in parallel, to which an evaluation unit and / or a power supply component and / or a data interface is arranged. 27. Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass an der Leiterplatte (18) zumindest eine zweite Leiterplatte (30), insbesondere parallel dazu angeschlossen ist, an der eine Auswerteeinheit und/oder eine Stromversorgungskomponente und/oder ein Datenschnittstelle angeordnet ist.
  28. 28
    Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 27, characterized in that the housing (12) is designed in two parts and the circuit board (17) is attached to an outer, removable housing section (13) 28. Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) zweiteilig ausgeführt ist und die Leiterplatte (17) an einem äußeren abnehmbaren Gehäuseabschnitt (13) befestigt ist
  29. 29
    29 Position measuring device (2) according to claim 28, characterized in that the circuit board (17) in its position within the removable 29. Positionsmessvorrichtung (2) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (17) in ihrer Position innerhalb des abnehmbaren N2009 / 06BOO N2009/06BOO 25/08 2011 DO 13:50 [SE/EM NR 9891] @032 25/08 2011 THU 13:50 [SE / EM NR 9891] @ 032 13:58:51 13:58:51 25-08-2011 25-08-2011 33 /38 33 /38 4 · · * ♦ * * * .·· -6^·”··”* : ...... 4 · · * ♦ * * * .·· -6^·”··”* : ...... Gehäuseabschnitts (13) von außen, insbesondere mittels Stellschrauben, verstellbar befestigt ist Housing section (13) is fastened adjustably from the outside, in particular by means of adjusting screws
  30. 30
    Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass Messoptik (21) und/oder das Lichtleitelement (22) im Wesentlichen optische Elemente aus PMMA (Plexiglas) oder Polycarbonat umfassen. 30th Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 29, characterized in that the measuring optics (21) and / or the light guide element (22) essentially comprise optical elements made of PMMA (Plexiglas) or polycarbonate.
  31. 31
    Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 30, characterized in that the printed circuit board (17) has a rectangular basic shape with a maximum edge length of 40 mm. 31. Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (17) eine rechteckige Grundform mit einer maximalen Kantenlänge von 40 mm aufweist.
  32. 32
    Position measuring device (2) according to one of Claims 1 to 31, that the piston rod (6) completely encompassing sealing rings or stripping elements are arranged on the housing (12) on both sides of the measuring cutout (29). 32. Positionsmessvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dass am Gehäuse (12) beidseits des Messausschnitts (29) die Kolbenstange (6) vollständig umfassende Dichtringe oder Abstreifelemente angeordnet sind.
  33. 33
    Fluid cylinder (1) with at least one piston rod (6) guided out of this, characterized in that at least two position measuring devices (2) according to one of Claims 1 to 32 are provided for measuring the piston rod position. 33. Fluidzylinder (1) mit zumindest einer aus diesem herausgeführten Kolbenstange (6), dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Kolbenstangenposition zumindest zwei Positionsmessvorrichtungen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 32 vorgesehen sind.
  34. 34
    Fluid cylinder according to Claim 33, characterized in that the fluid cylinder has a bilateral and / or continuous piston rod and the position measuring devices (2) are arranged at opposite ends of the fluid cylinder. 34. Fluidzylinder nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidzylinder eine beidseitige und/oder durchgehende Kolbenstange aufweist und die Pos'rtionsmessvorrichtungen (2) an entgegengesetzten Enden des Fluidzylinders angeordnet sind.
Independent claims34