DE19523756A1 - Arbeitsmaschine und Sensor für eine Arbeitsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Arbeitsmaschine gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf einen Sensor für eine solche Arbeitsmaschine gemäß Oberbegriff Patentanspruch 18.

Arbeitsmaschinen im Sinne der Erfindung sind insbesondere Maschinen, mit denen unter Verwendung von Werkzeugen die unterschiedlichsten Arbeiten an einem Werkstück vorgenommen werden können, wie beispielsweise Maschinen zum Pressen, Stanzen sowie Arbeitsmaschine. Arbeitsmaschinen im Sinne der Erfindung sind weiterhin auch Prüfeinrichtungen, beispielsweise Prüfstände zum Prüfen von Getrieben, Kupplungen oder anderen Antriebskomponenten. Arbeitsmaschinen im Sinne der Erfindung sind weiterhin auch Vorrichtungen zum Messen von Kräften, insbesondere auch zum Messen von Massen- oder Gewichtskräften, d . h. Wägeeinrichtungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Arbeitsmaschine aufzuzeigen, bei der mit einfachen Mitteln eine Überwachung oder Messung von Kräften und/oder Drehmomenten insbesondere auch an kritischen Bereichen möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Arbeitsmaschine entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 sowie ein Sensor für eine solche Arbeitsmaschine entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 18 ausgebildet.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Kraft und/oder das Drehmoment berührungslos erfaßt werden können, und zwar mit hoher Genauigkeit.

Insbesondere gestattet es die Erfindung, bei Pressen und Werkzeugmaschinen den Verschleiß des Werkzeuges zu überwachen. Bei zunehmendem Werkzeugverschleiß ergibt sich ein Anstieg der zur Umformung oder Zerspanung benötigten Kraft oder des erforderlichen Drehmomentes (z. B. im Antrieb). Durch die Ausbildung des die Kraft und/oder das Drehmoment messenden Sensors als Lichtsensor mit Lichtstrecke ist es insbesondere möglich, diesen Sensor unmittelbar dort vorzusehen, wo die zu überwachende Kraft bzw. das zu überwachende Drehmoment gemessen werden soll, mit dem Vorteil, daß Meßfehler, die z. B. durch zusätzliche Reibung in Lagern und/oder Zwischengetrieben bedingt sind, nicht auftreten können.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in vereinfachter perspektivischer Darstellung ein Sensorelement zur Verwendung bei der Erfindung;

Fig. 2 und 3 das Sensorelement der Fig. 1 im Längsschnitt sowie im Schnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 2;

Fig. 4-12 verschiedene Arbeitsmaschinen in Form von Pressen und Werkzeugmaschinen mit jeweils wenigstens einem Sensor der Fig. 1-3;

Fig. 13-15 einen Lichtsensor zur Torsionsmessung gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 16 und 17 in verschiedenen Ansichten eine weitere Ausführungsform einer Torsions- Meßeinrichtung gemäß der Erfindung.

In den Fig. 1-3 ist ein Sensor 1 wiedergegeben, der sich durch einen besonders robusten Aufbau und durch eine hohe Empfindlichkeit auszeichnet. Der Sensor besteht im wesentlichen aus einer rechteckförmigen Tragplatte 2, die beispielsweise aus Titan oder einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist und in der Mitte in einer Achslinie senkrecht zu den beiden Längsseiten der Tragplatte über ihre gesamte Breite durch Ausnehmungen 3 in der Dicke reduziert ist. An der Unterseite der Tragplatte 2 sind Distanzelemente oder Abstandhalter 4 vorgesehen, mit denen die Tragplatte 2 auf der Oberfläche des jeweiligen Meßobjektes 5 aufsteht. Bei der dargestellten Ausführungsform sind insgesamt vier Abstandelemente 4 an der Unterseite vorgesehen, und zwar in den Eckpunkten der Tragplatte 2. Die Abstandselemente sind spitz zulaufend ausgebildet, und zwar derart, daß sie mit ihrer Spitze auf der Oberseite des Meßobjektes aufstehen. Durch nicht dargestellte, weitere Halte- und Befestigungselemente ist der Sensor 1 in dieser in den Fig. 1-3 wiedergegebenen Weise am Meßobjekt 5 befestigt.

Grundsätzlich ist es auch möglich, anstelle von zwei Abstandhaltern 4 an jeder Schmalseite der Tragplatte 2 einen breiteren Abstandhalter vorzusehen und/oder der Abstandhalter 4 als Klötzchen auszubilden, die an der Oberseite des Meßobjektes 5 angeschraubt sind und zwar wiederum so, daß die Trägerplatte 2 einen Meßbereich des Meßobjektes überbrückt.

An der den Kegelfüßchen bzw. Abstandhaltern 4 abgewandten Oberseite sind auf der Tragplatte zwei Klötze oder klotzartige Elemente 7 und 8 vorgesehen, und zwar jeweils ein Element an jedem Ende bzw. an jeder Schmalseite der Trägerplatte 2.

Die Klötze 7 und 8 bilden einander zugewandte Innenflächen 7′ und 8′, an denen die Klötze voneinander beabstandet sind. Am Klotz 7 sind zwei Lichtleiter 9 und 10 vorgesehen, die an der Innenfläche 7′ enden bzw. Lichtleiterenden 9′ und 10′ für einen Lichtaustritt (Ende 9′) bzw. für einen Lichteintritt (Ende 10′) bilden. Die Lichtleiter sind im Klotz 7 so fixiert, daß diese im Bereich ihrer Enden mit ihren Achse in einer gemeinsamen Ebene liegen, die parallel zu der Oberseite der Tragplatte 2 und von dieser beabstandet vorgesehen ist, und außerdem die Achsen der Lichtleiter einen spitzen Winkel miteinander einschließen, dessen Schnitt- bzw. Scheitelpunkt im Bereich eines an der Stirnseite oder Innenfläche 8′ des Klotzes 8 gebildeten Spiegels 11 zumindest dann liegt, wenn der Sensor 1 entlastet ist, d. h. das Meßobjekt 5 weder gebogen, noch gedehnt, noch gestaucht ist, also auch kein Biegemoment auf die Tragplatte 2 ausgeübt wird. Der Spiegel 11 ist vorzugsweise um eine Achse, die bei entspanntem Sensor 1 in einer gemeinsamen Ebene mit den Achsen, die die Lichtleiter 9 und 10 an ihren Enden 9′ und 10′ aufweisen liegt, sowie senkrecht zur Winkel halbierenden zwischen dieser Achsen der Lichtleiter angeordnet ist, konkav gekrümmt bzw. gewölbt.

Über die Lichtleiter 9 und 10 ist der Sensor 1 mit einer opto-elektrischen Steuer- Meßeinrichtung 12 verbunden, die u. a. eine mit dem Lichtleiter 9 verbundene Lichtquelle 13 und einen mit dem Lichtleiter 10 verbundenen Lichtdetektor (Fototransistor) oder Fotodiode enthält. Die Enden 9′ und 10′ sowie der Spiegel 11 bilden eine Lichtstrecke, bei der das über den Lichtleiter 9 von der Lichtquelle 13 zugeführte Licht am Spiegel 11 an das Ende 10′ des Lichtleiters 10 reflektiert und über diesen an den Lichtdetektor 14 zurückgeführt wird. Die Lichtstrecke ist dabei so ausgebildet, daß das Maß der zurückgeführten Lichtmenge eine Funktion der Biegung der Trägerplatte 2 um ihre Querachse 15 und damit eine Funktion der Biegung und/oder Dehnung bzw. Stauchung des Meßkörpers 5 an der Oberseite 6 ist. Durch die Abstandhalter 4 führt nicht nur eine Biegung des Meßkörpers 5, sondern auch eine Stauchung oder Dehnung dieses Meßkörpers an der Oberseite zu einer Biegung der Trägerplatte 2 und damit zu einer Änderung der an den Lichtdetektor 14 rückgeführten Lichtmenge und zu einer Änderung des von dem Detektor gelieferten elektrischen Signals.

Die Fig. 4-7 zeigen in sehr vereinfachter Darstellung verschiedene Arbeitsmaschinen bzw. Pressen für ein weggebundenes Pressen. Mit 16 ist in diesen Figuren jeweils ein Werkstück bezeichnet, auf welches mittels eines bei den dargestellten Ausführungsformen stößelartigen Preßwerkzeugs 17 eingewirkt wird. Das Werkstück 16 ist dabei auf einer horizontalen Unterlage 18 angeordnet. Das Preßwerkzeug 17 ist oberhalb der Unterlage 18 und des Werkstückes 16 in vertikaler Richtung auf- und abbewegbar und hierfür an einem in einer vertikalen Führung 19 vorgesehenen Führungsstück 20 gehalten. Die Auf- und Abbewegung erfolgt durch eine Kurbelstange 21, die an einem Ende am Führungsstück 20 und am anderen Ende an einer umlaufend angetriebenen Kurbel 22 angelenkt ist.

Um die auf das Werkstück 16 einwirkenden Kräfte bei diesem weggebundenem Pressen zu messen, ist am Preßwerkzeug 17 ein Sensor 1 angebracht, und zwar derart, daß er mit seiner Längsachse parallel zur Längsachse des Preßwerkzeugs liegt, also die elastische Stauchung des Preßwerkzeugs erfaßt.

Ein weiterer Sensor 1 ist an der Kurbelstange 21 vorgesehen, und zwar wiederum derart, daß dieser Sensor mit seiner Längsachse L parallel zur Längserstreckung der Kurbelstange liegt.

Die Presse der Fig. 5 unterscheidet sich von der Presse der Fig. 4 im wesentlichen dadurch, daß für den Antrieb des Führungsstückes 20 insgesamt drei Hebel 21, 21a, 21b vorgesehen sind, von denen die Hebel 21a und 21b ein Kniegelenksystem bilden, auf welches der mit der Kurbel 22 verbundene Hebel 21 einwirkt. An sämtlichen Hebeln ist jeweils ein Sensor 1 vorgesehen. Die Fig. 6 zeigt eine weitere Abwandlung des Antriebs mit mehreren Hebeln, an denen wiederum jeweils ein Sensor 1 vorgesehen ist. In der Fig. 7 ist ein Antrieb für das Führungsstück 20 wiedergegeben, der eine angetriebene Exzenterscheibe 23 aufweist, die mit einer Rolle 24 an einem mit dem Führungsstück 20 verbundenen Stößel 25 einwirkt. Am Stößel 25 ist ein Sensor 1 zur Druckmessung vorgesehen.

Die Fig. 8 zeigt eine Presse, die an einem Pressengestell 26 einen Arbeitszylinder 27 mit einem Kolben und einem an diesem Kolben vorgesehenen Kolbenstange 28 aufweist, deren unteres Ende ein elastisch verformbares Druckelement trägt, welches an der der Kolbenstange 28 abgewandten Seite mit einem stößelartigen Druckwerkzeug 30 versehen ist. Letzteres liegt achsgleich mit der Achse der Kolbestange. Das Druckelement 29 besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus einer mit dem unteren Ende der Kolbenstange 28 fest verbundenen und in einer Ebene senkrecht zur Achse der Kolbenstange angeordneten Scheibe 31 sowie aus einer unteren, mit dem oberen Ende des Werkzeuges 30 verbundenen Scheibe 32 und einem zwischen diesen Scheiben angeordneten Körper 33 aus elastisch verformbarem Material. Das untere Ende des Druckwerkzeuges 30 wirkt auf das Werkstück 16 ein, welches auf der am Pressengestell 26 gebildeten Unterlage 18 aufliegt. Letztere besteht aus einer oberen Platte 34, die mit ihren Oberflächenseiten in Ebenen senkrecht zur Achse des Druckwerkzeuges 30 liegt und sich über einen elastischen Körper 35 auf einer Fläche des Pressengestells 26 abstützt. An der Kolbenstange 28 sowie an dem Druckelement 29 und an der ebenfalls als Druckelement ausgebildeten Auflage 18 sind jeweils ein Sensor 1 vorgesehen, und zwar derart, daß dieser Sensor mit seiner Längsachse L in vertikaler Richtung, d. h. parallel zur Achse der Kolbenstange 28 orientiert ist. Der Sensor 1 am Druckelement 29 ist so angeordnet, daß er sich mit den Abstandhaltern 4 an der einen schmalen Seite der Trägerplatte 2 an der einen Platte 31 und mit den anderen Abstandhaltern am anderen Ende an der unteren Platte 32 abstützt, also den elastischen Körper 33 überbrückt. In gleicher Weise ist auch der Sensor an der als Druckelement ausgebildeten Auflage 18 vorgesehen.

Zusätzliche Sensoren 1 sind an Teilen des Pressengestells 26 vorgesehen, und zwar dort, wo ein elastisches Verbiegen des Gestells zu erwarten ist. Mit 36 ist eine Zugstange bezeichnet, die zwei Bereiche des Pressengestells verbindet, zwischen denen eine elastische Verformung erwartet wird.

Die Fig. 9 zeigt eine Werkzeugmaschine in Form einer Fräse, die an einem unteren Maschinenbett 37 eine elastische Zwischenlage 38 und auf dieser einen Aufspanntisch 39 für das Werkstück 16 aufweist. Mit 40 ist eine mit ihrer Achse in vertikaler Richtung angeordnete Welle bezeichnet, die über ein Getriebe von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben wird. Am unteren Ende trägt die Welle 40 das Fräswerkzeug 42, welches mit der Welle 40 zum Fräsen rotierend angetrieben wird. Der Vorschub erfolgt dabei senkrecht zur Achse der Welle 40. Die hierbei ausgeübte Vorschubkraft führt zu einem Durchbiegen der Welle, wie dies in der Fig. 9 an den biegekritischen Bereich zwischen den beiden Lagern 43 mit 40′ angedeutet ist. An diesem biegekritischen Bereich ist ein schwimmendes Lager 44 an einem Ende eines radial zur Achse der Welle 40 orientierten Stößels 45 vorgesehen, über welchen die durch die Biegung 40′ bedingte Auslenkung auf einen Winkelhebel 46 übertragen wird, der entsprechend der Auslenkung des Stößels 45 elastisch verformt wird, und zwar dadurch, daß sich dieser Hebel an einem Ende an einem festen Lagerpunkt abstützt, am anderen Ende mit dem Stößel 45 gelenkig verbunden ist und zwischen diesen beiden Enden schwenkbar an einem festen Punkt gelagert ist. Die elastische Verformung des Winkelhebels 46 wird durch den Sensor 1 erfaßt.

Die Fig. 10 zeigt eine Presse, die ein druckgebundenes Pressen ermöglicht und bei der die Sensoren an den Druckelementen 29 und 18 nicht an den starren äußeren Teilen, nämlich an den beiden Scheiben oder Platten 31 und 32 bzw. an der Platte 34 und dem Pressengestell 26 angreifen, sondern an Bereichen des elastisch verformbaren Zwischenstückes oder Zwischenkörpers 33 bzw. 35.

Fig. 11 zeigt eine Sensoranordnung, bei der zwischen einem oberen Stößel, der beispielsweise von der Kolbenstange 28 gebildet ist und einem unteren Stößel, der beispielsweise von dem Druckwerkzeug 30 gebildet ist, eine Druckmeßdose angeordnet ist. Diese Druckmeßdose 47 besteht aus einem napfartigen Gehäuse, welches fest mit dem Werkzeug 30 verbunden ist, und aus einer elastisch verformbaren, das Gehäuse oben abschließenden Platte 48, die entsprechend den axialen Druckkräften zwischen Kolbenstange 28 und Werkzeug 30 elastisch verformt wird. An der Innenseite der Druckplatte 46 ist ein Sensor 1 vorgesehen.

Die Fig. 12 zeigt eine Wägeeinrichtung, die aus einer Bodenplatte 49 und einer Wägeplatte 50 besteht. Zwischen beiden, in horizontalen Ebenen angeordneten Platten sind Führungs- und Federelemente 51 vorgesehen. An der Unterseite der Wägeplatte 50 ist ein Stößel 52 vorgesehen, der auf einen einseitig eingespannten horizontalen Biegebalken 53 einwirkt. Auf diesem Biegebalken ist ein Sensor 1 vorgesehen, der mit seiner Längserstreckung parallel zur Längserstreckung des Biegebalkens 53 liegt, und daß von der Massenkraft des zu wiegenden Objektes abhängige Durchbiegen des Biegebalkens 53 erfaßt.

Allen vorbeschriebenen Vorrichtungen ist gemeinsam, daß ein elastisch verformbarer Meßkörper vorgesehen ist und das elastische Verformen dieses Meßkörpers von dem Sensor 1 erfaßt wird. Weiterhin ist allen Vorrichtungen gemeinsam, daß die Verbindung zwischen dem Sensor 1 und der Steuer- und Meßeinrichtung 12 über Lichtleiter erfolgt, so daß insbesondere auch eine Relativbewegung des Sensors 1 zu der Steuer- und Meßeinrichtung 12 möglich ist.

Sofern die axiale Längenänderung von Meßkörpern erfaßt wird, die roationssymmetrisch ausgebildet sind, sind bevorzugt am Umfang dieses Meßkörpers mehrere Sensoren vorgesehen, und zwar jeweils um einen vorgegebenen Winkelbetrag von 120° um die Achse versetzt.

Die Fig. 13-15 zeigen einen Sensor 1a zur Messung der Torsionskraft oder des Torsionsmomentes bei einer Welle. Der Sensor besteht u. a. aus einer Meßwelle 101, die zwischen deren Enden eine Torsionsmeßstrecke bildet, und zwar an einem Abschnitt 102, an dem der Durchmesser der Welle reduziert ist. Die Meßwelle 101 dient dabei beispielsweise dazu, das Moment in einem Antriebsstrang zu messen. Das in der Fig. 13 linke Ende der Meßwelle 101 bildet dabei den Antrieb und das in der Figur rechte Ende den Abtrieb.

Beidseitig von der Torsionsmeßstrecke, d. h. im Bereich des Antriebes und des Abtriebes sind auf der Welle ein Ring 103 vorgesehen, der an einer der Torsionsmeßstrecke zugewandten Schrägfläche einen ersten Spiegel 104 aufweist, und ein zweiter Ring 105 im axialen Abstand von dem Ring 103 vorgesehen. Der Ring 105 weist an einer Schrägfläche einen zweiten, dem Spiegel 104 zugewandten Spiegel 106 auf. Die Spiegel 104 und 106 liegen in Ebenen, die mit der Achse der unbelasteten Meßwelle 101 jeweils einen Winkel von 45° einschließen. An einem mit der Meßwelle 101 nicht mitdrehenden Gehäuse 107 sind ein Lichtsender (Lichtquelle) 108, und zwar im Bereich des Ringes 103 und ein Lichtdetektor 109 (im Bereich des Ringes 105) vorgesehen Letzterer ist als Doppellichtdetektor ausgeführt, d. h. weist zwei lichtempfindliche Elemente auf, die in Richtung der Achse der Meßwelle versetzt sind.

Zwischen dem Lichtsender 108 und dem Lichtdetektor 109 ist eine Lichtstrecke gebildet, deren Lichtweg sich ausgehend von dem Lichtsender 108 radial zur Achse der Meßwelle 101 nach innen zum Spiegel 104, von diesem Spiegel durch Reflexion parallel zur Achse der Meßwelle 101 an den Spiegel 106 und von diesem durch Reflexion zur Achse der Meßwelle 101 radial nach außen zum Lichtempfänger 109 verläuft.

Die Fig. 14 und 15 zeigen im Prinzip die Wirkungsweise des Sensors 1a, d. h. in Abhängigkeit von dem über die Meßwelle 101 übertragenen Drehmoment und der hieraus resultierenden Torsion der Meßwelle 101 im Bereich der Torsionsmeßstrecke zwischen den Ringen 103 und 105 um den Winkel α tritt ein Versatz des Spiegels 106 zu dem Spiegel 104 um den Winkel β auf, woraus sich eine Verschiebung des Auftreffpunktes des Lichtstrahles auf den Empfänger 109 um den Weg s in Richtung der Achse der Meßwelle ergibt, was zu einer Änderung der Lichtintensität an dem Doppelempfänger 109 und damit zu einer Änderung des von diesem Empfänger gelieferten elektrischen Meßsignals führt. Letzteres ist dann eine Funktion des Drehmomentes an der Meßwelle 101.

Um eine Änderung der auf den Lichtempfänger 109 bzw. auf die dortige Lichtdetektoranordnung auftreffende Lichtmenge in Abhängigkeit vom Torsionswinkel α zu erreichen, ist zumindest einer der Spiegel 104, 106 gekrümmt und/oder in einer Ebene angeordnet, die Teil einer Schraubenlinie um die Achse der Meßwelle 101 ist.

Erfolgt die Messung des Drehmomentes bei umlaufender Welle 101, so wird bei jedem Umlauf einmal ein Meßsignal erzeugt. Dieses Meßsignal wird dann in der an die Lichtdetektoranordnung 109 angeschlossene und nicht dargestellte Meßelektronik ausgewertet, beispielsweise durch Messung der Amplitude des impulsförmigen Meßsignals.

Ausgewertet wird entweder die maximale Amplitude des vom Empfänger 109 gelieferten impulsförmigen Meßsignals, wobei die Breite der Impulse und die Impulsfrequenz von der Drehzahl der Meßwelle 101 abhängen. Grundsätzlich kann auch das Meßsignal für die Auswertung über eine vorgegebene Zeitperiode integriert werden, wobei der so gewonnene Meßwert dann allerdings abhängig ist von der Drehzahl der Meßwelle 101.

Bei der Sonde 1a ist der den Spiegel 106 tragende Ring 105 in dem im Querschnitt reduzierten Bereich der Meßwelle vorgesehen, so daß die wirksame axiale Länge der Torsionsstrecke nur der zwischen den beiden Ringen 103 und 105 liegende Teil des Abschnittes 102 ist. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Ring 105 außerhalb des Abschnittes 102, und zwar im Bereich der dem Ring 103 gegenüberliegenden anderen Seite dieses Abschnittes vorzusehen. Weiter können an jedem Ring mehrere Spiegel vorgesehen sein.

Die Fig. 16 und 17 zeigen einen Sensor 1b, der sich von dem Sensor 1a dadurch unterscheidet, daß in dem reduzierten Bereich 102 eine durchgehende, radiale Bohrung 110 vorgesehen ist, und zwar in der Mitte des Abschnittes 102. An dem Teilbereich der Meßwelle 101 außerhalb des Abschnittes 102 und bei der für die Fig. 16 und 17 gewählten Darstellung rechts von dem Abschnitt 102 sind zwei Arme 111 jeweils mit einem Ende befestigt, die um 180° um die Achse der Meßwelle 101 versetzt sind und sich von ihrem Befestigungspunkt parallel zur Achse dieser Welle über einen Teil des Abschnittes 102 erstrecken, wobei die Arme 111 von der Außenfläche des Abschnittes 102 beabstandet sind. Jeder Arm 111 ist an seinem freien Ende mit einer Bohrung 112 versehen und bildet damit eine Lichtblende. Jede Bohrung 112 besitzt bei der dargestellten Ausführungsform einen Durchmesser der gleich dem Durchmesser der Bohrung 110 ist und liegt bei nicht belasteter Meßwelle 101 achsgleich mit der Bohrung 110. An ortsfesten Gehäuseteilen 107 sind bezogen auf die Achse der Meßwelle 101 diametral gegenüberliegend der Lichtsender 108 und der Lichtdetektor 109 vorgesehen, und zwar derart, daß diese eine die Achse der Meßwelle 101 radial schneidende Lichtstrecke bilden, die in einer Ebene senkrecht zur Achse der Meßwelle 101 zusammen mit den Achsen der Bohrungen 110 und 112 liegt. Bei nicht belasteter Meßwelle 101 empfängt der Lichtdetektor 109 bei jeder vollen Umdrehung der Meßwelle zweimal das Licht des Senders 108 durch die Bohrungen 110 und 112. Wird über die Meßwelle 101 ein Drehmoment übertragen, so bewirkt dieses eine Torsion insbesondere des Abschnittes 102 auch in dem zwischen der Bohrung 110 und dem Befestigungspunkt der Arme 111 liegenden Meßbereich, so daß in Abhängigkeit von dem Torsionswinkel und damit in Abhängigkeit von der Größe des Momentes ein Versatz zwischen der Achse der Bohrung 110 und den Achsen der Bohrungen 112 eintritt und damit die an den Lichtdetektor 109 übertragene Lichtmenge in Abhängigkeit von dem Moment geändert wird.

Ausgewertet wird wiederum entweder die maximale Amplitude des vom Empfänger 109 gelieferten impulsförmigen Meßsignals, wobei die Breite der Impulse und die Impulsfrequenz von der Drehzahl der Meßwelle 101 abhängen. Grundsätzlich kann auch das Meßsignal für die Auswertung über eine vorgegebene Zeitperiode integriert werden, wobei der so gewonnene Meßwert dann allerdings abhängig ist von der Drehzahl der Meßwelle 101.

Vorteil der Sensoren 1a und 1b ist auch, daß bei Gewährleistung eines konstanten Abstandes zwischen der Meßwelle 101 und dem äußeren Gehäuse 107 ein Aufbau ohne zwischenliegende Lagerung erreicht werden kann, d. h. ein Aufbau, der besonders einfach ist. Weiterhin erfolgt die Meßaufnahme berührungslos.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b Sensor
2 Tragplatte
3 Ausnehmung
4 Abstandelement
5 Meßkörper
6 Oberseite
7, 8 Klotz
9, 10 Lichtleiter
9′, 10′ Lichtleiterende
11 Spiegel
12 Meß- und Steuerelektronik
13 Lichtquelle
14 Lichtdetektor
15 Querachse
16 Werkstück
17 Meßwerkzeug
18 Unterlage
19 Führung
20 Führungsstück
21′, 21′ Hebel
22 Kurbel
23 Exzenterscheibe
24 Rolle
25 Stößel
26 Pressengestell
27 Arbeitszylinder
28 Kolbenstange
29 Druckelement
30 Druckwerkzeug
31, 32 Platte
33 Elastischer Körper oder Zwischenstück
34 Platte
35 Elastischer Körper
36 Zugstange
37 Maschinenbett
38 Zwischenlage
39 Aufspanntisch
40 Welle
41 Getriebe
42 Fräswerkzeug
43 Lager
44 Lager
45 Stößel
46 Kipphebel
47 Druckmeßdose
48 Druckplatte
49 Bodenplatte
50 Wägeplatte
51 Feder- und Führungselement
52 Stößel
53 Biegebalken
101 Meßwelle
102 Abschnitt
103 Ring
104 Spiegel
105 Ring
106 Spiegel
108 Lichtsender oder Lichtquelle
109 Lichtdetektor
110 Bohrung
111 Arm
112 Bohrung

Claims (34)

1. Arbeitsmaschine mit wenigstens einem mit einer Kraft und/oder einem Drehmoment beaufschlagten Maschinenelement und/oder Werkstück, sowie mit einem an diesem Maschinenelement und/oder Werkstück vorgesehenen, die Kraft und/oder das Drehmoment erfassenden Sensor (1, 1a, 1b), dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1, 1a, 1b) ein opto-elektrischer Sensor ist, welcher wenigstens eine Lichtstrecke bildet, in deren Lichtweg zwischen einem Lichtaustritt und einem Lichteintritt mindestens ein an einem Tragkörper am Maschinenteil vorgesehener Spiegel und/oder eine am Maschinenteil vorgesehene Blendenanordnung derart vorgesehen sind, daß der Spiegel und/oder wenigstens eine Blende einer elastischen Verformung des Maschinenteils aufgrund der anliegenden Kraft und/oder des anliegenden Momentes folgen, und zwar derart, daß die über die Lichtstrecke vom Lichtaustritt an den Lichteintritt übertragene Lichtmenge bzw. deren Größe und Änderung eine Funktion der Kraft und/oder des Drehmomentes an dem Maschinenteil ist.

2. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) aus einem elastisch verformbaren Tragkörper (2) besteht, an dem die Lichtstrecke gebildet ist, und daß an dem Tragkörper (2) im Abstand voneinander wenigstens zwei Abstandhalter (4) vorgesehen sind, über die der Tragkörper (2) mit Abstand an der Oberfläche (6) des Maschinenelementes und eine Meßstrecke des Maschinenelementes überbrückend derart befestigt ist, daß eine durch eine Kraft oder ein Drehmoment bedingte Längenänderung und/oder Verformung der Meßstrecke eine Verformung des Tragkörpers eine Änderung des wenigstens einen Spiegels der Lichtstrecke relativ zu dem Lichtaustritt und/oder Lichteintritt und damit die Änderung der übertragenen Lichtmenge bewirkt.

3. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmaschine eine Presse oder Werkzeugmaschine mit einem auf ein Werkstück (16) einwirkenden Werkzeug (17) oder Werkzeugträger ist, und daß der wenigstens eine Sensor (1) an dem Werkzeug oder der Werkzeughalterung vorgesehen ist.

4. Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Sensor (1) zur Messung von Axialkräften an dem Werkzeug oder der Werkzeughalterung (17) vorgesehen ist.

5. Arbeitsmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Sensor an einem elastisch verformbaren Element (29, 18, 47) in einem Antriebsstrang und/oder in einer Werkzeughalterung und/oder in einem Werkzeug der Arbeitsmaschine vorgesehen ist.

6. Arbeitsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das verformbare Element (18, 29) aus wenigstens einer elastisch verformbaren Zwischenlage (32, 38) sowie aus zwei beidseitig von der Zwischenlage vorgesehenen Elementen (31, 33, 34, 39) mit geringerer Verformbarkeit besteht.

7. Arbeitsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) mit den Abstandhaltern an den äußeren Elementen (31, 32, 34, 26, 39, 37) des verformbaren Elementes angreift.

8. Arbeitsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter an dem verformbaren Teil (32, 46, 48) angreift.

9. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verformbare Element Bestandteil eines zwischen zwei Maschinenteilen (28, 30) angeordneten Druck- oder Kraftmessers (29, 47) ist.

10. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verformbare Element (46) über einen mechanischen Weggeber (45) mit einem eine Welle (40) umschließenden Lager (44) verbunden ist, um eine Durchbiegung der Welle (44) zu messen.

11. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Maschinenteil oder Element mehrere Sensoren (1) um eine Mittelachse verteilt vorgesehen sind.

12. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kraftmessung der Sensor (1) an einem Biegebalken (43) vorgesehen ist, der durch eine zu messende Kraft durch Biegen elastisch verformbar ist.

13. Arbeitsmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (53) an einem Ende fest eingespannt ist und auf das andere Ende des Biegebalkens die zu messende Kraft einwirkt.

14. Arbeitsmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Arbeitsmaschine als Wägeeinrichtung die zu messende Kraft eine Gewichtskraft ist.

15. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Sensor Bestandteil einer Einrichtung zur Überwachung und/oder Feststellung des Verschleißes eines Werkzeugs (42) einer Werkzeugmaschine ist.

16. Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Momentes beispielsweise eines Antriebs an einer Meßwelle (101) an dem Meßbereich (102) in einem axialen Abstand zwei Spiegel (104, 106) vorgesehen sind, die Bestandteil der Lichtstrecke zwischen einem Lichtsender (108) und einem Lichtdetektor (109) sind, und zwar derart, daß in Abhängigkeit von dem Drehmoment und dem aus diesem Drehmoment resultierenden Torsions-Winkel (α) bzw. aufgrund des diesem Torsionswinkel entsprechenden Winkelversatzes der Spiegel (104, 106) eine Änderung der übertragenen Lichtmenge als Funktion des Drehmomentes eintritt.

17. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Drehmomentes an einem Maschinenelement oder in einem Antriebsstrang der Sensor eine Meßwelle (101) wenigstens eine zwischen einem Lichtsender (108) und einem Lichtdetektor (109) gebildete Lichtstrecke, wenigstens eine radial zur Achse der Meßwelle (101) angeordnete und beidendig offene erste Öffnung (110) in der Meßwelle für einen Durchtritt des Lichtes der Lichtstrecke sowie wenigstens eine Blende (111, 112) aufweist, welche an einem von der ersten Bohrung (110) axial beabstandeten Bereich der Meßwelle (101) befestigt ist und wenigstens eine zweite Öffnung (112) besitzt, die bei entlasteter Meßwelle (101), zumindest teilweise deckungsgleich mit der ersten Öffnung (110) angeordnet ist, und zwar derart, daß der von der ersten Öffnung (110) und der wenigstens einen zweiten Öffnung (112) gebildete effektive Querschnitt der Blendenanordnung und damit die an den Empfänger übertragene Lichtmenge eine Funktion des Torsionswinkels zwischen dem die erste Öffnung (110) aufweisenden Bereich und dem zur Befestigung der wenigstens einen Blende (111) dienenden Bereich der Meßwelle (101) und damit eine Funktion des Drehmomentes ist.

18. Sensor zur Verwendung bei einer Arbeitsmaschine zur Messung der Kraft und/oder des Drehmomentes an wenigstens einem mit einer Kraft und/oder einem Drehmoment beaufschlagten Maschinenelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1, 1a, 1b) ein opto-elektrischer Sensor ist, welcher wenigstens eine Lichtstrecke bildet, in deren Lichtweg zwischen einem Lichtaustritt und einem Lichteintritt mindestens ein an einem Tragkörper am Maschinenteil vorgesehener Spiegel und/oder eine am Maschinenteil vorgesehene Blendenanordnung derart vorgesehen sind, daß der Spiegel und/oder wenigstens eine Blende einer elastischen Verformung des Maschinenteils aufgrund der anliegenden Kraft und/oder des anliegenden Momentes folgen, und zwar derart, daß die über die Lichtstrecke vom Lichtaustritt an den Lichteintritt übertragene Lichtmenge bzw. deren Größe und Änderung eine Funktion der Kraft und/oder des Drehmomentes an dem Maschinenteil ist.

19. Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) aus einem elastisch verformbaren Tragkörper (2) besteht, an dem die Lichtstrecke gebildet ist, und daß an dem Tragkörper (2) im Abstand voneinander wenigstens zwei Abstandhalter (4) vorgesehen sind, über die der Tragkörper (2) mit Abstand an der Oberfläche (6) des Maschinenelementes und eine Meßstrecke des Maschinenelementes überbrückend derart befestigt ist, daß eine durch eine Kraft oder ein Drehmoment bedingte Längenänderung und/oder Verformung der Meßstrecke eine Verformung des Tragkörpers eine Änderung des wenigstens einen Spiegels der Lichtstrecke relativ zu dem Lichtaustritt und/oder Lichteintritt und damit die Änderung der übertragenen Lichtmenge bewirkt.

20. Sensor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmaschine eine Presse oder Werkzeugmaschine mit einem auf ein Werkstück (16) einwirkenden Werkzeug (17) oder Werkzeugträger ist, und daß der wenigstens eine Sensor (1) an dem Werkzeug oder der Werkzeughalterung vorgesehen ist.

21. Sensor nach einem der Ansprüche 18-20, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Sensor (1) zur Messung von Axialkräften an dem Werkzeug oder der Werkzeughalterung (17) vorgesehen ist.

22. Sensor nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Sensor an einem elastisch verformbaren Element (29, 18, 47) in einem Antriebsstrang und/oder in einer Werkzeughalterung und/oder in einem Werkzeug der Arbeitsmaschine vorgesehen ist.

23. Sensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das verformbare Element (18, 29) aus wenigstens einer elastisch verformbaren Zwischenlage (32, 38) sowie aus zwei beidseitig von der Zwischenlage vorgesehenen Elementen (31, 33, 34, 39) mit geringerer Verformbarkeit besteht.

24. Sensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) mit den Abstandhaltern (4) an den äußeren Elementen (31, 32, 34, 26, 39, 37) des verformbaren Elementes angreift.

25. Sensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter (4) an dem verformbaren Teil (32, 46, 48) angreift.

26. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verformbare Element Bestandteil eines zwischen zwei Maschinenteilen (28, 30) angeordneten Druck- oder Kraftmessers (29, 47) ist.

27. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verformbare Element (46) über einen mechanischen Weggeber (45) mit einem eine Welle (40) umschließenden Lager (44) verbunden ist, um eine Durchbiegung der Welle (44) zu messen.

28. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Maschinenteil oder Element mehrere Sensoren (1) um eine Mittelachse verteilt vorgesehen sind.

29. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kraftmessung der Sensor (1) an einem Biegebalken (43) vorgesehen ist, der durch eine zu messende Kraft durch Biegen elastisch verformbar ist.

30. Sensor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (53) an einem Ende fest eingespannt ist und auf das andere Ende des Biegebalkens die zu messende Kraft einwirkt.

31. Arbeitsmaschine nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Arbeitsmaschine als Wägeeinrichtung die zu messende Kraft eine Gewichtskraft ist.

32. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Sensor Bestandteil einer Einrichtung zur Überwachung und/oder Feststellung des Verschleißes eines Werkzeugs (42) einer Werkzeugmaschine ist.

33. Sensor nach einem der Ansprüche 18-33, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Momentes beispielsweise eines Antriebs an einer Meßwelle (101) an dem Meßbereich (102) in einem axialen Abstand zwei Spiegel (104, 106) vorgesehen sind, die Bestandteil der Lichtstrecke zwischen einem Lichtsender (108) und einem Lichtdetektor (109) sind, und zwar derart, daß in Abhängigkeit von dem Drehmoment und dem aus diesem Drehmoment resultierenden Torsions-Winkel (α) bzw. aufgrund des diesem Torsionswinkel entsprechenden Winkelversatzes der Spiegel (104, 106) eine Änderung der übertragenen Lichtmenge als Funktion des Drehmomentes eintritt.

34. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Drehmomentes an einem Maschinenelement oder in einem Antriebsstrang der Sensor eine Meßwelle (101) wenigstens eine zwischen einem Lichtsender (108) und einem Lichtdetektor (109) gebildete Lichtstrecke, wenigstens eine radial zur Achse der Meßwelle (101) angeordnete und beidendig offene erste Öffnung (110) in der Meßwelle für einen Durchtritt des Lichtes der Lichtstrecke sowie wenigstens eine Blende (111, 112) aufweist, welche an einem von der ersten Bohrung (110) axial beabstandeten Bereich der Meßwelle (101) befestigt ist und wenigstens eine zweite Öffnung (112) besitzt, die bei entlasteter Meßwelle (101) zumindest teilweise deckungsgleich mit der ersten Öffnung (110) angeordnet ist, und zwar derart, daß der von der ersten Öffnung (110) und der wenigstens einen zweiten Öffnung (112) gebildete effektive Querschnitt der Blendenanordnung und damit die an den Empfänger übertragene Lichtmenge eine Funktion des Torsionswinkels zwischen dem die erste Öffnung (110) aufweisenden Bereich und dem zur Befestigung der wenigstens einen Blende (111) dienenden Bereich der Meßwelle (101) und damit eine Funktion des Drehmomentes ist.