DE102009006805B4

DE102009006805B4 - Sensorelement zur Kraftvektorermittlung

Info

Publication number: DE102009006805B4
Application number: DE102009006805.8A
Authority: DE
Inventors: Anton Schwer
Original assignee: SCHWER and KOPKA GmbH; Schwer Kopka GmbH
Current assignee: DITTEL MESSTECHNIK GMBH, DE
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2022-03-10
Anticipated expiration: 2029-01-31
Also published as: DE102009006805A1

Abstract

Sensorelement (1.1) zur Erfassung eines Kraftvektors F (1.4) bestehend aus einer starren Platte, auf der mindestens zwei Kraft- oder Wegsensoren (1.2) in axialer Richtung eingebracht sind, die die axialen Kraftkomponenten Fs1, Fs2 (1.3) einer eingeleiteten Kraft an mindestens zwei Stellen aufnehmen, wobei aus diesen axialen Komponenten (1.3) unter Berücksichtigung von Drehmomenten, die durch die als Hebel wirkenden Abstände L, B1 und B2, die sich aus der Geometrie des Sensorelements ergeben, entstehen, in einer Auswerteeinheit die horizontale Kraftkomponente Fx (1.6), vertikale Kraftkomponente Fy (1.5), der Vektorwinkel φ (1.7) und der Betrag (1.8) des Kraftvektors (1.4) der eingeleiteten Kraft berechnet werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung „Sensorelement zur Kraftvektorermittlung“ (1.1) dient zum getrennten Erfassen der horizontale Kraftkomponente Fx (1.6), der vertikale Kraftkomponente Fy (1.5), des Vektorwinkels φ (1.7) und des Vektorbetrags (1.8) des Vektors einer eingeleiteten Kraft (1-4) auf eine Ebene. Dieses Sensorelement (1.1) kann überall dort eingesetzt werden, wo z.B. Umform-, Walz-, Füge-, Anpress- oder Schnittkräfte auftreten. Durch die Auflösung der Kraftkomponenten (1.5-1.8) besteht die Möglichkeit, den Kraftvektor (1.4) der auftretenden Kraft zu ermitteln.
Beim derzeitigen Stand der Technik werden Kräfte nur in einer Kraftkomponente Fy (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 (1.5-1.8) durch die Anbringung von entsprechend der Kraft-richtung ausgerichteten Sensoren erzielt. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Ermittlung der Kraftkomponenten (1.5-1.8) durch die Berechnung der Kraftverteilung aus mindestens zwei axial angeordneten Kraft- oder Wegsensoren (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 (1.4), die von einer Seite auf diese Platte eingeleitet wird, abhängig von dem Abständen (1.9-1.10) ein Kraftmoment erzeugt, welches eine zu den Auflagepunkten entsprechende Gegenkraft von der gegenüberliegenden Seite hervorruft (1.3). Durch die Ermittlung der Kraftkomponenten (1.5-1.8) durch mindestens zwei in axialer Richtung angeordneten Kraft- oder Wegsensoren (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 (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 (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 (1.1) verbauten Sensoren (1.2) sind dazu geeignet, neben der Kraft- oder 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 (1.6), die vertikale Kraftkomponente Fy (1.5), den Vektorwinkel φ (1.7) und den Vektorbetrag (1.8) des Vektors (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 (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- oder 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 DE 17 73 551 A 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 (2.6) wie sie z.B. durch Kippeffekte bei einem Teilbruch eines Umformstempels auftreten. In CH 678659 A5 wird eine Anwendung dieses vorgenannten Mehrkomponenten-Sensors in einer Messplatte beschrieben.
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.
Aus WO 2008/003307 A2 ist ein sehr klein bauender Kraftsensor zur Ermittlung eines Kraftvektors bekannt. Bei dieser Anordnung werden die einzelnen Kraftkomponenten durch im rechten Winkel angeordnete Biegebalken ermittelt. Diese verschieden ausgerichteten Biegebalken werden jeweils mit Sensorelementen bestückt die auf einer Widerstandsänderung beruhen.
Aus DE 198 11 935 A1 ist ein Kraftmesselement bekannt welches aus mindestens vier Einzelflächen aufgebaut ist in denen jeweils ein Dehnungsmessstreifen appliziert ist. Dieses Messelement ist dazu ausgelegt sehr kleine Kräfte und deren Einleiteposition auf einer bestimmten Fläche zu ermitteln. Dieser Aufbau beschränkt die Anwendung des Messelements auf bestimmte Anwendungen wie z.B. einen Schrifterkennungssensor.
Figurenliste

zeigt das Messprinzip der Auflösung der Kraftkomponenten Fx, Fy aus einer Kraft auf eine Ebene. In ist $\vec{F}$
der Kraftvektor, |F| der Betrag des Kraftvektors, Phi der Winkel des Kraftvektors, Fy die vertikale Komponente von F, Fx die horizontale Komponente von F, Fs1 die resultierende Axialkraft 1, Fs2 die resultierende Axialkraft 2, L der Hebel 1 und B1+2 die Hebel 2 + 3.
zeigt Anwendungsbeispiel 1, d.h. die Kraftmessung Fy, Fy an einem rotationssymmetrischen Umformstempel sowie das Sensorelement mit zwei im Winkel von 90° angeordneten Axialsensoren. In ist $\vec{F}$
der Kraftvektor, |F| der Betrag des Kraftvektors, Phi der Winkel des Kraftvektors, Fy die vertikale Komponente von F, Fx die horizontale Komponente von F, Fs1 die resultierende Axialkraft 1, Fs2 die resultierende Axialkraft 2, L der Hebel 1 und B1+2 die Hebel 2 + 3.
zeigt Anwendungsbeispiel 2, d.h. die Ermittlung der Kraftkomponenten Fx, Fy bei einer Flachbackenprofilwalze sowie das Sensorelement mit Axialsensoren in dem Standarddruckstück der Einlaufstützschraube. In ist $\vec{F}$
der Kraftvektor, |F| der Betrag des Kraftvektors, Phi der Winkel des Kraftvektors, Fy die vertikale Komponente von F, Fx die horizontale Komponente von F, Fs1 die resultierende Axialkraft 1 und Fs2 die resultierende Axialkraft 2.

Aufbau des Sensorelementes
Das Sensorelement wird in der Regel durch ein bereits in der Maschine vorhandenes Maschinenelement (2.1; 3.1) aufgebaut. Dieses Maschinenelement wird durch Einbringung von geeigneten Kraft- oder Wegsensoren erweitert, (2.2; 3.2) die die axialen Komponenten (1.3) einer eingeleiteten Kraft an mindestens zwei Stellen aufnehmen. Diese Kraftkomponenten (1.3) dienen mit Berücksichtigung der Drehmomente die durch die Abstände L, B1 und B2 (1.9-1.10) entstehen und einer geeigneten Umrechnungen in einer Auswerteeinheit dazu, die horizontale Kraftkomponente Fx (1.6), die vertikale Kraftkomponente Fy (1.5), den Vektorwinkel φ (1.7) und den Vektorbetrag (1.8) des Kraftvektors (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. (Abbildung 2)
Um den Zustand einer Umform- oder Fügemaschine zu erfassen werden heute in der Regel die axialen Kraftkomponenten Fy (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 (2.6) nicht ermittelt werden kann. Durch die Anbringung von mindestens zwei Sensoren (2.2) in einem Sensorelement nach vorliegender Erfindung besteht jetzt die Möglichkeit, diese Kraftkomponenten (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 (2.6) möglichst gegen Null gehen.
2. Messen der Kraftkomponenten bei einer Backenprofilwalze (Abbildung 3)
Bei einer Backenprofilwalze ist es wichtig, die Kraftkomponenten einer Walzkraft F (3.4) zu ermitteln, um eine Aussage über die Einstellqualität der Walzwerkzeuge (3.9) zu treffen (Spurung). Dazu wird das an vielen Backenprofilwalzen vorhandene Stützkraftdruckstück (3.1), welches die Gegenkraft der Einstellschraube (3.11) aufnimmt, mit mindestens zwei axialen Sensoren (3.2) laut den vorliegenden Patentansprüchen ausgerüstet. Die dadurch ermittelten Kräfte Fs1 und Fs2 (3.3) dienen mit dem geeigneten Auswertesystem dazu, die Walzkraftkomponenten (3.5-3.8) zu erfassen und auszuwerten. Im vorliegenden Beispiel sollte die Kraft Fx (3.6) möglichst gegen Null gehen.
Bezugszeichenliste

1.1: Sensorelement
1.2: Kraft-/Wegsensoren
1.3: axiale Richtung Fs1, Fs2
1.4: Kraftvektor
1.5: Fy
1.6: Fx
1.7: Vektorwinkel Phi
1.8: Vektorbetrag |F|
1.9: Abstände B1 und B2
1.10: Abstand L
2.1: Maschinenelement
2.2: Wegsensor
2.3: axiale Richtung Fs1, Fs2
2.4: Kraftvektor
2.5: Fy
2.6: Fx
2.7: Vektorwinkel Phi
2.8: Vektorbetrag |F|
3.1: Maschinenelement
3.2: Wegsensor
3.3: axiale Richtung Fs1, Fs2
3.4: Kraftvektor
3.5: Fy
3.6: Fx
3.7: Vektorwinkel Phi
3.8: Vektorbetrag |F|
3.9: Walzwerkzeug
3.11: Einstellschraube

Claims

Sensorelement (1.1) zur Erfassung eines Kraftvektors F (1.4) bestehend aus einer starren Platte, auf der mindestens zwei Kraft- oder Wegsensoren (1.2) in axialer Richtung eingebracht sind, die die axialen Kraftkomponenten Fs1, Fs2 (1.3) einer eingeleiteten Kraft an mindestens zwei Stellen aufnehmen, wobei aus diesen axialen Komponenten (1.3) unter Berücksichtigung von Drehmomenten, die durch die als Hebel wirkenden Abstände L, B1 und B2, die sich aus der Geometrie des Sensorelements ergeben, entstehen, in einer Auswerteeinheit die horizontale Kraftkomponente Fx (1.6), vertikale Kraftkomponente Fy (1.5), der Vektorwinkel φ (1.7) und der Betrag (1.8) des Kraftvektors (1.4) der eingeleiteten Kraft berechnet werden können.
Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (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 (1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Kraftvektorkomponenten (1.5-1.8) über den gesamten Maschinenzyklus nach Weg, Zeit oder Kurbelwinkel aufgenommen werden.
Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Kraftvektorkomponenten (1.5-1.8) in Grenzwerten überwacht werden können.
Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Kraftvektorkomponenten (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 (1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mit den ermittelten Kraftvektorkomponenten (1.5-1.8) als Regelgröße ein Regelkreis zur Einstellung der Maschine aufgebaut werden kann.
Sensorelement zur Kraftvektorermittlung (1.1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Sensoren dazu geeignet sind, neben der Kraft- oder Wegmessung eine parallele Auswertung der Geschwindigkeit, der Beschleunigung oder des Körperschalls zu ermöglichen. 8.) Sensorelement zur Kraftvektorermittlung ( 1.1) nach einem der Ansprüche 1 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen Messgrößen wie die horizontale Kraftkomponente Fx (1.6), die vertikale Kraftkomponente Fy (1.5), der Vektorwinkel φ (1.7) und der Vektorbetrag (1.8) des Vektors (1.4), die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, der Körperschall, der Weg, die Zeit oder der Kurbelwinkel einzeln und in verschiedenen Relationen zueinander ausgewertet werden können.