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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines piezoelektrischen
Messwandlers
Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen
Messwandlers mit in einer Rohrfeder eingesetztem und zwischen der inneren Stirnfläche des
Rohrfederbodens und einer als starres Auflager dienenden unteren Endfläche des Wandlergehäuse- einsatzes unter axialer Vorspannung gehaltenem piezoelektrischen Messelement, wobei die Rohrfeder mit ihrem offenen Ende an die Auflagerfläche des Wandlergehäuseeinsatzes herangeführt wird, bis das
Messelement an der Auflagerfläche anliegt, worauf das Rohrfederende unter axialer, gegen den die Auflagerfläche aufweisenden Wandlergehäuseeinsatz gerichteter Belastung an diesen angeschweisst und eine ringförmig geschlossene, dichte Schweissnaht gebildet wird,
wobei die axiale Belastung vor
Beendigung der Schweissung auf den der vollen Vorspannung des Messelementes entsprechenden Wert gebracht wird. Die Erfindung ist weiters auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Herstellungsverfahrens gerichtet.
Bei Messwandlern, bei denen die zur Erfassung von im negativen Messbereich gelegenen, d. h. das Messelement entlastenden Messgrössen erforderliche axiale Vorspannung des Messelementes durch eine Rohrfeder hervorgerufen wird, sind verschiedene Massnahmen zur Erzeugung einer definierten Vorspannung bekannt. Diese bekannten Methoden sind jedoch in verschiedener Hinsicht nachteilig.
So ist es beispielsweise bei bekannten Messwandlerausführungen mit am Wandlergehäuse angeschraubter Rohrfeder möglich, die erwünschte Vorspannung durch Verschrauben der Rohrfeder mit grosser Genauigkeit einzustellen. Die Gewindeverbindung der Rohrfeder mit dem Wandlergehäuse gewährleistet aber nicht die für einen störungsfreien Dauerbetrieb des Gerätes unerlässliche hermetische Abdichtung des das Messelement enthaltenden Innenraumes des Wandlers nach aussen. Ausserdem ändert sich häufig die anfänglich eingestellte Vorspannung im Laufe der Zeit durch Nachgeben der Gewindeverbindung.
Bekannt ist ferner das Einpressen des Rohrfederbundes in ein Gehäuse und Verbördeln desselben.
Hier lässt sich die erwünschte Vorspannung nur annäherungsweise einstellen, wobei sehr enge Längentoleranzen der zusammenzufügenden Bauteile eingehalten werden müssen. Auch dieser Ausführung mangelt die erforderliche hermetische Dichtheit.
Eine andere, bei der Herstellung von Messwandlern gebräuchliche Methode besteht darin, das zwischen dem Rohrfederboden und dem Auflager eingespannte Messelement auf die vorgesehene Vorspannung zu bringen und die Rohrfeder durch Punktschweissung an mehreren Stellen ihres Umfanges an dem die Auflagerfläche bildenden Wandlergehäuseeinsatz zu befestigen. Diese Methode ist jedoch, abgesehen von der fehlenden hermetischen Dichtheit der Verbindung, auch verhältnismässig unsicher, da beim Abkühlen der Schweissstellen die eingestellte Vorspannung verändernde Wärmespannungen auftreten können.
Günstigere Ergebnisse lassen sich durch das eingangs genannte bekannte Verfahren erzielen, bei dem durch die Ausbildung einer ringförmig geschlossenen Schweissnaht die Forderung einer hermetischen Dichtheit des Wandler-Innenraumes erfullt ist. Hinsichtlich der Erzielung einer genau definierten Vorspannung des Messelementes ist aber auch diese bekannte Methode nicht frei von
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gewissen Unsicherheiten. Dies ist darin begründet, dass die Vorspannung des Messelementes erst im
Verlauf des Schweissvorganges durch die zunehmende Annäherung der unter axialer Belastung zueinander stehenden zu verschweissenden Wandlerteile entsteht.
Es kann daher auch bei präziser
Steuerung der axialen Belastung der während des Schweissvorganges zwischen den Hohlelektroden eines
Widerstandschweissgerätes eingespannten Wandlerteile vorkommen, dass die bei Beendigung der
Schweissung im Messelement auftretende Vorspannung, wenn auch geringfügig, vom vorbestimmten
Sollwert abweicht. Ausserdem sind weitere Einflüsse auf die Grösse der Vorspannung wirksam, deren
Ursache in den Masstoleranzen der zu verschweissenden Bauteile, aber auch in Schwankungen der
Stromstärken und Stromdauer sowie in Veränderungen des mechanischen Schweissdruckes gelegen sein kann.
Durch die Erfindung sollen die erwähnten Nachteile der bekannten Herstellungsverfahren vermieden und soll eine den Gesichtspunkten einer rationellen Serienfertigung Rechnung tragende
Herstellungsmethode für piezoelektrische Messwandler angegeben werden, die sowohl die Einhaltung einer genau definierten Vorspannung, als auch die einwandfreie Abdichtung des Wandler-Innenraumes gewährleistet.
Ausgehend von dem eingangs erwähnten bekannten Herstellungsverfahren ist zu diesem
Zweck erfindungsgemäss vorgesehen, dass nach Heranführung der Rohrfeder einschliesslich des darin enthaltenen Messelementes durch axiale Belastung an den Wandlergehäuseeinsatz, wobei die Stirnfläche des Messelementes mit der des Wandlergehäuseeinsatzes zur Deckung kommt, unter weiterer axialer
Belastung eine volle vorausbestimmt Vorspannung so weit gebildet wird, dass an der Stossstelle der
Rohrfeder mit dem Wandlergehäuseeinsatz ein Spalt bleibt und anschliessend durch
Lichtbogenschweissung, insbesondere Plasmaschweissung, unter Beibehaltung der vollen Vorspannung eine den Spalt überbrückende Ringschweissnaht gebildet wird.
Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens ist darin begründet, dass der Schweissvorgang selbst auf die voreingestellte und in einfacher Weise bis zum Ende der Schweissung aufrechtzuerhaltende Vorspannung praktisch ohne jeden Einfluss bleibt. Insbesondere kommt es durch Anwendung der Lichtbogenschweissung zu einer lokal eng begrenzten Erwärmung der zu verschweissenden Wandlerteile, so dass Spannungsänderungen infolge Wärmedehnungen nahezu zur Gänze vermieden werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren besitzt gegenüber den bekannten Methoden auch den Vorzug, dass durch Zulassung eines Spaltes zwischen dem offenen Ende. der Rohrfeder und der entsprechenden Gegenfläche des Wandlergehäuseeinsatzes auf die Einhaltung enger Längentoleranzen dieser Bauteile ohne Nachteil verzichtet werden kann. Durch den Spalt ist ausserdem die Ausbildung einer in die Tiefe gehenden Schweissnaht gewährleistet, da der Spalt das Eindringen des Brennerstrahles begünstigt.
Als besonders vorteilhaft erweist sich die Anwendung der Plasma-Schweissung, da diese bekannte Methode einen nahezu punktförmig konzentrierten Lichtbogen von ausserordentlicher Stabilität liefert und ausserdem die Anwendung sehr niedriger Stromstärken erlaubt. Um die vorteilhaften Möglichkeiten des erfindungsgemässen Verfahrens voll auszunutzen, empfiehlt es sich, die Anschlussquerschnitte der zu verschweissenden Bauteile im Bereich des zwischen ihnen gebildeten Spaltes klein zu halten. Dies kann entweder durch Ausbildung ausgeprägter Schweissflansche an diesen Wandlerteilen oder durch zum Spalt hin abnehmende Querschnitte derselben verwirklicht werden.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens kann es sich als vorteilhaft erweisen, die Vorspannung des Messelementes in an sich bekannter Weise laufend zu messen, wobei die Vorspannung in Abhängigkeit von diesem Messwert selbsttätig auf den vorbestimmten Sollwert eingeregelt wird. Durch die Automatisierung dieses zur Erzielung der gewünschten Vorspannung massgeblichen Vorganges werden durch Bedienungsfehler oder sonstige individuelle Einflüsse verursachte Abweichungen der endgültigen Vorspannung des Messelementes vom vorgesehenen Wert vermieden.
Ausserdem wird der Ablauf des Herstellungsverfahrens vereinfacht und abgekürzt.
Zur Durchführung des erfmdungsgemässen Verfahrens eignet sich eine Vorrichtung besonders, welche erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass bei zwei einander koaxial gegenüberstehenden, relativ zueinander verschiebbaren und durch entgegengesetzte Druckkräfte belastbaren Halterungen für die das Messelement enthaltende Rohrfeder und den die Auflagerfläche aufweisenden Wandlergehäuseeinsatz und einer elektrischen Schweissvorrichtung, die Schweissvorrichtung aus einem Lichtbogen-, insbesondere Plasma-Schweissbrenner besteht, der relativ zu den beiden Halterungen um eine mit der gemeinsamen Längsachse der Halterungen zusammenfallende Achse drehbar angeordnet ist.
Mit Hilfe dieser Vorrichtung lässt sich die Herstellung eines Messwandlers nach der erfindungsgemässen Methode weitgehend mechanisieren und gegebenenfalls durch entsprechende Programmsteuerung automatisieren.
Eine bevorzugte Ausführung einer solchen Vorrichtung ist erfindungsgemäss dadurch
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gekennzeichnet, dass eine der beiden Halterungen an einem Festlager und die andere Halterung, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Kraftmessgerätes, an einem axial verstellbaren Widerlager drehbar gelagert ist. Der Schweissbrenner kann in diesem Falle an einer Halterung befestigt werden, welche lediglich die Zustell- und Rückführbewegung des Brenners zum und vom Werkstück erlaubt.
Hiebei empfiehlt es sich, gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung zumindest eine der beiden Halterungen mit einem auf die zulässige Vorschubgeschwindigkeit des Schweissbrenners abgestimmten Drehantrieb auszustatten. Dieser Drehantrieb lässt sich in einfacher Weise in eine Programmsteuerung einbeziehen, die die Zündung des Lichtbogens des Schweissbrenners bei Beginn der kontinuierlichen Drehung des Werkstückes und die Abschaltung des Schweissbrenners nach einer vollen Umdrehung des Werkstückes steuert.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen Fig. l den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in schematischer Schnittdarstellung, Fig. 2 einen Vertikalschnitt eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten piezoelektrischen Druckgebers und Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform eines nach dem gleichen Verfahren hergestellten Messwandlers.
Die Vorrichtung nach Fig. l weist zwei einander koaxial gegenüberstehende, abgesetzt zylindrische Halterungen--l und 2--auf, von denen die eine--l--in einer Sackbohrung --3-- die
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--4-- stütztInnenrand --5-- gebildeten Ringschulter an der ringförmigen Stirnfläche --6-- der Halterung - -1-- ab.
In eine entsprechende Sackbohrung --7-- der zweiten Halterung --2-- ist der das starre Auflager-8- (aus Fig. 2 ersichtlich) aufweisende Bauteil des Messwandlers, beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein Wandlergehäuseeinsatz --9--, eingesetzt. Der Wandlergehäuseeinsatz-9-- stützt sich mit einem Flansch --10-- an der ringförmigen Stirnfläche --11-- der Halterung - ab.
Die Halterung-l-ist mit ihrem als Welle ausgebildeten zylindrischen Schaft --12-- in einem Festlager --13-- drehbar gelagert und stützt sich mit einem Bund-14-an der inneren Stirnfläche dieses Festlagers --13-- axial ab.
Die Halterung --2-- ist gleichfalls drehbar ausgebildet und zu diesem Zweck mit ihrem abgesetzten zylindrischen Schaft --15-- in ein sehr leichtgängig ausgebildetes Lager-16- eingesetzt, welches sich an dem einen Ende eines koaxial zu den beiden Halterungen--l und 2-angeordneten Kraftmessgerätes --17-- befindet, das mit seinem andern Ende an einem axial
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--18-- aufliegt.Die in Fig. l dargestellte Vorrichtung umfasst weiters einen elektrischen Schweissbrenner, der im vorliegenden Fall als Plasma-Schweissbrenner --19-- ausgeführt ist und dessen Längsachse auf die Drehachse der beiden Halterungen --1 und 2-- senkrecht steht. Der Schweissbrenner --19-- ist im Sinne des eingezeichneten Doppelpfeiles in Achsrichtung verstellbar. Der Brennerstrahl-20--, der von einem in einer hochionisierten Gashülle erzeugten, eingeschnürten elektrischen Lichtbogen gebildet ist, ist direkt auf die Stossstelle der Rohrfeder--4-mit dem Wandlereinsatz--9--gerichtet. Die vom Brenner--19--an der Stossstelle gebildete Ringschweissnaht ist mit--21--bezeichnet.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2, aus der ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellter piezoelektrischer Druckgeber in zwei verschiedenen Herstellungsphasen (linke Bildhälfte vor dem Schweissen und rechte Bildhälfte nach Beendigung der Schweissung) ersichtlich ist, wird im folgenden der Ablauf des erfindungsgemässen Verfahrens näher erläutert :
Zu Beginn wird das mit einer zentralen Verbindungsleitung --24-- für die Ableitung der erzeugten Ladungen versehene Messelement-22-samt einer es umgebenden Isolierhülse --23-in die Rohrfeder --4-- eingesetzt, so dass es mit der inneren Stirnfläche am Boden --25-- der Rohrfeder-4-aufliegt. Die Rohrfeder --4-- wird nun in die Sackbohrung --3-- der Halterung --1-- eingesetzt.
Die Halterung --2-- nimmt den mit einer zentralen, mit einem Isolierrohr --26-- ausgekleideten Längsbohrung versehenen Wandlergehäuseeinsatz --9-- auf.
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--4-- und- mit dem von der Stirnfläche des Wandlereinsatzes --9-- gebildeten Auflager --8-- in Berührung kommt. Wie die linke Bildhälfte in Fig. 2 zeigt, verbleibt hiebei an der Stossstelle der Rohrfeder --4-- mit dem Wandlereinsatz--9--ein Spalt-27--von der Breite-h--.
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--25-- und dem Auflager --8-- eingespannten- l-und damit auch das Werkstück sowie die Halterung --2-- in eine dem Schweissfortschritt entsprechende kontinuierliche Drehung versetzt.
Der zum Teil bis in den Spalt --27-- eindringende Brennerstrahl bildet dabei unter Überbrückung des Spaltes eine dichte homogene Ringschweissnaht - 21-aus (vgl. Fig. 2). Die Erwärmung des Werkstückes beschränkt sich dabei wegen der hohen Konzentration des Lichtbogens --20-- auf den unmittelbaren Bereich der Schweissnaht selbst.
Während der Schweissung wird die eingestellte volle Vorspannung des Messelementes aufrechterhalten.
Dieser Vorgang kann gegebenenfalls automatisch gesteuert werden, wobei die Anzeige des
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als Regelgrösse für die Konstanthaltung der vorbestimmten Vorspannung zu verwenden.
Sobald nach einer vollen Umdrehung der Welle --12-- die Ringschweissnaht --21-geschlossen ist, wird der Schweissbrenner --19-- ausgeschaltet und in seine Ausgangsstellung zurückbewegt. Das Widerlager--18--wird nun gleichfalls in seine Ausgangsstellung gebracht und darauf der verschweisste Wandler aus den Halterungen--1 und 2--herausgenommen.
Nach dem gleichen Verfahren erfolgt auch die Herstellung des in Fig. 3 dargestellten Messwandlers.
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enthaltende Rohrfeder --4'-- unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 2 durch die Ausbildung ihres verstärkten Randes --5'-- mit einer konischen Ringstirnfläche --28--. Diese
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die in der rechten Bildhälfte der Fig. 3 ersichtliche Ringschweissnaht --21'--. Die zum Schweissen dieses Wandlers angewendete Vorrichtung unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. l nur dadurch, dass der Schweissbrenner-19-in Richtung des Spaltes --27'-- schräggestellt wird.
Das erflndungsgemässe Verfahren kann selbstverständlich auch mit andern als den dargestellten Einrichtungen durchgeführt werden. Beispielsweise können zum Einspannen der zu verschweissenden Wandlerteile drehfeste Halterungen vorgesehen werden, wobei der Schweissbrenner die erforderliche Drehung um die gemeinsame Längsachse dieser Halterungen ausführt. Die verwendeten Vorrichtungen können sowohl von Hand aus bedient als auch durch Programmsteuerung automatisch betätigt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Messwandlers mit in einer Rohrfeder eingesetztem und zwischen der inneren Stirnfläche des Rohrfederbodens und einer als starres Auflager dienenden unteren Endfläche des Wandlergehäuseeinsatzes unter axialer Vorspannung gehaltenem piezoelektrischem Messelement, wobei die Rohrfeder mit ihrem offenen Ende an die Auflagerfläche des Wandlergehäuseeinsatzes herangeführt wird, bis das Messelement an der Auflagerfläche anliegt, worauf das Rohrfederende unter axialer, gegen den die Auflagerfläche aufweisenden Wandlergehäuseeinsatz gerichteter Belastung an diesen angeschweisst und eine ringförmig geschlossene, dichte Schweissnaht gebildet wird, wobei die axiale Belastung vor Beendigung der Schweissung auf den der vollen Vorspannung des Messelementes entsprechenden Wert gebracht wird,
dadurch gekenn- zeichnet, dass nach Heranführung der Rohrfeder einschliesslich des darin enthaltenen Messelementes durch axiale Belastung an den Wandlergehäuseeinsatz, wobei die Stirnfläche des Messelementes mit der des Wandlergehäuseeinsatzes zur Deckung kommt, unter weiterer axialer Belastung eine volle vorausbestimmte Vorspannung so weit gebildet wird, dass an der Stossstelle der Rohrfeder mit dem Wandlergehäuseeinsatz ein Spalt bleibt und anschliessend durch Lichtbogenschweissung, insbesondere Plasmaschweissung, unter Beibehaltung der vollen Vorspannung eine den Spalt überbrückende Ringschweissnaht gebildet wird.
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