DE102009006805A1

DE102009006805A1 - Sensorelement zur Kraftvektorermittlung

Info

Publication number: DE102009006805A1
Application number: DE102009006805A
Authority: DE
Inventors: Anton Schwer
Original assignee: Schwer & Kopka GmbH; SCHWER and KOPKA GmbH
Current assignee: DITTEL MESSTECHNIK GMBH, DE
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2029-01-31
Also published as: DE102009006805B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung "Sensorelement zur Kraftvektorermittlung" (Abb. 1.1) dient zum getrennten Erfassen von vertikalen und horizontalen Kraftkomponenten Fy (Abb. 1.5) und Fx (Abb. 1.6) eines Kraftvektors F (Abb. 1.4) auf eine Ebene. Dieses Sensorelement (Abb. 1.1) kann überall dort eingesetzt werden, wo z. B. Umform-, Füge-, Anpress- oder Schnittkräfte auftreten. Durch die Auflösung der Kraftkomponenten besteht die Möglichekeit, die Kraftvektoren (Abb. 1.4) der auftretenden Kräfte zu ermitteln. Beim derzeitigen Stand der Technik werden diese Kräfte in der Regel nur in einer Kraftkomponente erfasst. Werden heute Sensoren zur Ermittlung von verschiedenen Kraftkompoenten eingesetzt, so wird die Ermittlung der Komponenten durch die Anbringung von verschiedenen Sensoren erzielt, die entsprechend der Kraftrichtungen ausgerichtet sind. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Ermittlung der Kraftkomponenten durch die Berechnung der Kraftverteilung aus mindestens zwei axial angeordneten Kraft- bzw. Wegsensoren (Abb. 1.2) erreicht. Der Ermittlung der Kraftkomponenten liegt hier das Prinzip der Kraftverteilung auf einer starren Platte zu Grunde. Bei diesem physikalischen Prinzip ist festgelegt, dass eine Kraft, die von einer Seite auf diese Platte eingeleitet wird, abhängig von dem Abstand (Abb. 1.9) (Kraftmoment) zu den Auflagepunkten eine entsprechende axiale Gegenkraft von der gegenüberliegenden Seite hervorgerufen wir. Die im Sensorelement verbauten Sensoren sind dazu ...

Description

Die vorliegende Erfindung „Sensorelement zur Kraftvektorermittlung” (Abb. 1.1) dient zum getrennten Erfassen der horizontale Kraftkomponente Fx (Abb. 1.6), der vertikale Kraftkomponente Fy (Abb. 1.5), des Vektorwinkels φ (Abb. 1.7) und des Vektorbetrags (Abb. 1.8) des Vektors einer eingeleiteten Kraft (Abb. 1.4) auf eine Ebene. Dieses Sensorelement (Abb. 1.1) kann überall dort eingesetzt werden, wo z. B. Umform-, Walz-, Füge-, Anpress- oder Schnittkräfte auftreten. Durch die Auflösung der Kraftkomponenten (Abb. 1.5–1.8) besteht die Möglichkeit, den Kraftvektor (Abb. 1.4) der auftretenden Kraft zu ermitteln.
Beim derzeitigen Stand der Technik werden Kräfte nur in einer Kraftkomponente Fy (Abb. 1.5) erfasst. Das gilt auch für Sensorelemente wie z. B. Druckstücke die mit mehreren Sensoren bestückt werden, da bei diesen die einzelnen Sensoren zu einem Summensignal zusammengefasst werden. Werden heute Sensoren zur Ermittlung von verschiedenen Kraftkomponenten eingesetzt, so wird die Erfassung der Kraftkomponenten (Abb. 1.5–1.8) durch die Anbringung von entsprechend der Kraftrichtung ausgerichteten Sensoren erzielt. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Ermittlung der Kraftkomponenten (Abb. 1.5–1.8) durch die Berechnung der Kraftverteilung aus mindestens zwei axial angeordneten Kraft- bzw. Wegsensoren (Abb. 1.2) erreicht. Der Ermittlung der Kraftkomponenten liegt das Prinzip der Kraftverteilung auf einer starren Platte zu Grunde.
Bei diesem physikalischen Prinzip ist festgelegt, dass eine Kraft (Abb. 1.4), die von einer Seite auf diese Platte eingeleitet wird, abhängig von dem Abständen (Abb. 1.9–1.10) ein Kraftmoment erzeugt, welches eine zu den Auflagepunkten entsprechende Gegenkraft von der gegenüberliegenden Seite hervorruft (Abb. 1.3). Durch die Ermittlung der Kraftkomponenten (Abb. 1.5–1.8) durch mindestens zwei in axialer Richtung angeordneten Kraft- bzw. Wegsensoren (Abb. 1.2) können die Sensorelemente sehr kompakt und kostengünstig aufgebaut werden. Ausserdem besteht die Möglichkeit, durch die kompakte und einfache Bauform der einzelnen axialen Sensorelemente, bestehende Maschinenteile als Sensorelemente (Abb. 1.1) auszurüsten oder zusätzlich einzubringen. Das vereinfacht in der Praxis die Anwendung dieser Sensortechnik erheblich, da die baulichen Gegebenheiten der Maschine nicht verändert werden müssen.
Bei vielen Maschinen und Anwendungen gelten Regeln, die sich insbesondere auf die heute nicht ermittelte Kraft Fx (Abb. 1.6) beziehen. Aus diesem Grund dienen die ermittelten Kraftvektoren über eine geeignete Visualisierung zur Optimierung der Maschineneinstellung. Mit den ermittelten Kraftvektoren als Regelgröße und den anwendungsspezifischen Grundregeln kann ein Regelkreis zur Einstellung der Maschine aufgebaut werden.
Die im Sensorelement (Abb. 1.1) verbauten Sensoren (Abb. 1.2) sind dazu geeignet, neben der Kraft- bzw. Wegmessung eine parallele Auswertung der Geschwindigkeit, der Beschleunigung oder des Körperschalls zu ermöglichen. Dadurch besteht die Möglichkeit, in einer geeigneten Auswerteeinheit die gewonnenen Messgrößen wie die horizontale Kraftkomponente Fx (Abb. 1.6), die vertikale Kraftkomponente Fy (Abb. 1.5), den Vektorwinkel φ (Abb. 1.7) und den Vektorbetrag (Abb. 1.8) des Vektors (Abb. 1.4), die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, den Körperschall, den Weg, die Zeit oder den Kurbelwinkel einzeln und in verschiedenen Relationen zueinander (Kombinatorik) erfassen und auswerten zu können. Damit ist auch eine Überwachung des Produktionsprozesses zu realisieren.
Stand der Technik
Beim derzeitigen Stand der Technik werden Kräfte nur in einer Kraftkomponente Fy (Abb. 1.5) erfasst. Das gilt auch für Sensorelemente wie z. B. Druckstücke die mit mehreren Sensoren bestückt werden, da bei diesen die einzelnen Sensoren zu einem Summensignal zusammengefasst werden. Heute wird die Auflösung verschiedener Kraftkomponenten durch die Anordnung der Kraft- oder Wegsensoren in der entsprechenden zu messenden Richtung erreicht. Bei einem in DE 10 2005 013 746 A1 in den Patentansprüchen 5, 6, und 7 beschriebenen Sensor werden die Kraft- bzw. Wegsensoren so angeordnet und beschaltet, dass nur eine Kraftkomponente erfasst werden kann. Sollen die Kraftkomponenten in eine andere Richtung aufgelöst werden, so müssen zusätzliche Sensoren in den entsprechenden Richtungen verbaut werden. Das erfordert einen erheblichen mechanischen Aufwand.
Bei aus P 17 73 551.2 bekannten Mehrkomponenten-Sensoren auf Piezo-Basis werden die einzelnen Kraftkomponenten durch interne Ringsensoren mit unterschiedlicher Ausrichtung der Kristallstruktur ermittelt. Diese Mehrkomponentensensoren sind ungeeignet für die Erfassung von kleinen resultierenden Querkräften Fx (Abb. 2.6) wie sie z. B. durch Kippeffekte bei einem Teilbruch eines Umformstempels auftreten.
Eine in DE 10 2007 019 180 A1 beschriebene Mehrkomponenten Kraftmesseinrichtung ist in der Lage, alle Komponenten einer auftretenden Kraft wie Betrag, Winkel und Raumkoordinaten zu ermitteln. Die einzelnen Kraftkomponenten wie Fz, Fy und Fx (siehe DE 10 2007 019 180 A1 ) werden hier durch einzelne entsprechend der Kraftrichtung ausgerichteten Sensoren erfasst. Der Aufbau dieser Messeinrichtung ist allerdings sehr aufwändig und nicht beliebig klein herzustellen. Dadurch sind die Anwendungen dieser Messeinrichtung hauptsächlich auf Referenzmessungen im Laborbereich beschränkt.
Aufbau des Sensorelementes
Das Sensorelement wird in der Regel durch ein bereits in der Maschine vorhandenes Maschinenelement (Abb. 2.1; Abb. 3.1) aufgebaut. Dieses Maschinenelement wird durch Einbringung von geeigneten Kraft- bzw. Wegsensoren erweitert, (Abb. 2.2; Abb. 3.2) die die axialen Komponenten (Abb. 1.3) einer eingeleiteten Kraft an mindestens zwei Stellen aufnehmen. Diese Kraftkomponenten (Abb. 1.3) dienen mit Berücksichtigung der Drehmomente die durch die Abstände L, B1 und B2 (Abb. 1.9–1.10) entstehen und einer geeigneten Umrechnungen in einer Auswerteeinheit dazu, die horizontale Kraftkomponente Fx (Abb. 1.6), die vertikale Kraftkomponente Fy (Abb. 1.5), den Vektorwinkel φ (Abb. 1.7) und den Vektorbetrag (Abb. 1.8) des Kraftvektors (Abb. 1.4) herauszurechnen. Der Berechnung liegt das Prinzip einer starren Platte zu Grunde. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die Maschinenelemente, die mit den axialen Sensorkörpern ausgerüstet werden, eine gewisse Steifigkeit aufweisen.
Ausführungsbeispiele
1. Messen der Kraftkomponenten bei Umform- und Fügemaschinen. (2)
Um den Zustand einer Umform- oder Fügemaschine zu erfassen werden heute in der Regel die axialen Kraftkomponenten Fy (Abb. 2.5) von einem oder mehreren Umformwerkzeugen erfasst. Das erlaubt heute nur eine eingeschränkte Aussage über den Zustand dieser Werkzeuge, da die wichtige Komponente Fx (Abb. 2.6) nicht ermittelt werden kann. Durch die Anbringung von mindestens zwei Sensoren (Abb. 2.2) in einem Sensorelement nach vorliegender Erfindung besteht jetzt die Möglichkeit, diese Kraftkomponenten (Abb. 2.5–2.8) gezielt aufzulösen. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit bei der Einrichtung und der Überwachung dieser Werkzeuge erheblich. Im vorliegenden Beispiel sollte die Kraft Fx (Abb. 2.6) möglichst gegen Null gehen.
2. Messen der Kraftkomponenten bei einer Backenprofilwalze (3)
Bei einer Backenprofilwalze ist es wichtig, die Kraftkomponenten einer Walzkraft F (Abb. 3.4) zu ermitteln, um eine Aussage über die Einstellqualität der Walzwerkzeuge (Abb. 3.9) zu treffen (Spurung). Dazu wird das an vielen Backenprofilwalzen vorhandene Stützkraftdruckstück (Abb. 3.1), welches die Gegenkraft der Einstellschraube (Abb. 3.11) aufnimmt, mit mindestens zwei axialen Sensoren (Abb. 3.2) laut den vorliegenden Patentansprüchen ausgerüstet. Die dadurch ermittelten Kräfte Fs1 und Fs2 (Abb. 3.3) dienen mit dem geeigneten Auswertesystem dazu, die Walzkraftkomponenten (Abb. 3.5–3.8) zu erfassen und auszuwerten. Im vorliegenden Beispiel sollte die Kraft Fx (Abb. 3.6) möglichst gegen Null gehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005013746 A1 [0006]
- DE 102007019180 A1 [0008, 0008]

Claims

Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (Abb. 1.1) zur Erfassung eines Kraftvektors F (Abb. 1.4) dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kraft- bzw. Wegsensoren (Abb. 1.2) in axialer Richtung in einem aus einer starren Platte bestehenden Sensorelement eingebracht sind, um damit die horizontale Kraftkomponente Fx (Abb. 1.6), die vertikale Kraftkomponente Fy (Abb. 1.5), den Vektorwinkel φ (Abb. 1.7) und den Vektorbetrag (Abb. 1.8) des Vektors (Abb. 1.4) einer eingeleiteten Kraft zu ermitteln.
Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (Abb. 1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement in Form einer starren Platte ein Maschinenteil ersetzt oder zusätzlich eingebracht wird.
Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (Abb. 1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Kraftvektorkomponenten (Abb. 1.5–1.8) über den gesamten Maschinenzyklus nach Weg, Zeit oder Kurbelwinkel aufgenommen werden.
Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (Abb. 1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Kraftvektorkomponenten (Abb. 1.5–1.8) in Grenzwerten überwacht werden können.
Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (Abb. 1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Kraftvektorkomponenten (Abb. 1.5–1.8) über eine geeignete Visualisierung der Istwerte der Kraftvektorkomponenten im Vergleich zu den Sollwerten der Kraftvektorkomponenten zur Optimierung der Maschineneinstellung genutzt werden können.
Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (Abb. 1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mit den ermittelten Kraftvektorkomponenten (Abb. 1.5–1.8) als Regelgröße ein Regelkreis zur Einstellung der Maschine aufgebaut werden kann.
Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (Abb. 1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Sensoren dazu geeignet sind, neben der Kraft- bzw. Wegmessung eine parallele Auswertung der Geschwindigkeit, der Beschleunigung oder des Körperschalls zu ermöglichen.
Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (Abb. 1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen Messgrößen wie die horizontale Kraftkomponente Fx (Abb. 1.6), die vertikale Kraftkomponente Fy (Abb. 1.5), der Vektorwinkel φ (Abb. 1.7) und der Vektorbetrag (Abb. 1.8) des Vektors (Abb. 1.4), die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, der Körperschall, der Weg, die Zeit oder der Kurbelwinkel einzeln und in verschiedenen Relationen zueinander (Kombinatorik) ausgewertet werden können.