DE102004048633A1

DE102004048633A1 - Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung für wenigstens ein Sensorlager und Verfahren zum Abgleichen bzw. zur Kalibrierung der selben

Info

Publication number: DE102004048633A1
Application number: DE102004048633A
Authority: DE
Inventors: Lajos Dr. Farkas; Günter Schmid; Sven Dr. Gempper; Joachim Dr. Hering
Original assignee: FAG Kugelfischer AG and Co OHG; INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-07
Also published as: DE102004048633B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung (1) für wenigstens ein Sensorlager (5, 6, 18) mit integrierter Sensorik für Kraft (F), Temperatur (T) und Körperschall (K) sowie mit mikroelektronischen Signalvorverarbeitungsmitteln, wobei die Kraft-Sensorik dehnungsempfindliche Widerstandsmessbrücken aufweist. Die Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung (1) ist gekennzeichnet durch Aufnahmen beziehungsweise Lagergehäuse (3, 4, 23) für das wenigstens eine Sensorlager (5, 6, 18) und für zumindest eine im Sensorlager (5, 6, 18) gelagerte Welle (7, 20) sowie durch wenigstens einen Aktuator (8, 24) mit geeigneten Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen (10), mit dem die Sensorlager (5, 6, 18), die Welle (7, 20) und/oder die Lagergehäuse (3, 4, 23) zur Betriebssimulation mit Axial- und/oder Radialkräften (F¶A¶, F¶R¶) belastbar sind, wobei die Kraftsensoren (9, 25), die Temperatur- und Körperschallsensoren sowie die Signalvorverarbeitungsmittel mit einer elektronischen Speicher- und Rechnereinheit (11) der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung (1) signaltechnisch verbunden sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung für wenigstens ein Sensorlager mit integrierter Sensorik für Kraft auf der Basis von dehnungsempfindlichen Widerstandsmessbrücken, Temperatur und Körperschall, sowie mit mikroelektronischen Signalvorverarbeitungsmitteln gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Abgleichen bzw. zur Kalibrierung der Signalvorverarbeitungsmittel an wenigstens einem Sensorlager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Hintergrund der Erfindung

Vorrichtungen zur Kalibrierung von Messeinrichtungen sind an sich vielfältig bekannt. So offenbart die DE 35 36 474 C2 zum Beispiel ein Verfahren zur Bestimmung des Reibmomentes eines Messlagers, bei dem ein Lagerring des Messlagers mit konstanter Drehzahl gedreht wird, während der andere Lagerring über einen Messkopf mit einer als Kraftaufnehmer wirkenden Feder verbunden ist, wobei der Kraftaufnehmer ein Signal als Maß für das Reibmoment des Messlagers erzeugt, und bei dem die Bewegung des Messkopf-Kraftaufnehmer-Systems möglichst wenig gedämpft wird.

Des Weiteren ist durch die DE 19616 312 A1 eine Kalibriervorrichtung bekannt, die insbesondere für die Kalibrierung eines Kraftsensors oder einer Messeinrichtung mit Kraftsensoren dient. Diese Vorrichtung weist ein Stativ auf, an dem eine Aufnahmeplatte für die Aufnahme eines Prüflings mit einem Kraftsensor befestigt ist. Außerdem ist am Stativ eine Wägebalkenanordnung befestigt, die ein reibungsarmes Lager enthält. Die Wägebalkenanordnung weist eine Aufnahmevorrichtung für ein geeichtes Gewicht auf. Eine durch das Gewicht eingeleitete Kraft ist über eine Hebelanordnung auf den Prüfling leitbar. Der Prüfling ist schließlich über eine Messleitung mit einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung verbunden, wodurch die gesamte, durch den Kraftsensor, die Hebelanordnung und die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung gebildete Messkette in einen Kalibriervorgang einbeziehbar ist.

Für Sensorlager mit integrierter mikromechanischer Sensorik für beispielsweise Kraft, Temperatur und Körperschall sowie mit mikroelektronischen Signalvorverarbeitungsmitteln ist eine Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung erforderlich, mit der die Sensorlager mit definierter Axial- und/oder Radialkraft belastbar auf ihre Funktion geprüft, und die Signalvorverarbeitungsmittel kalibriert bzw. abgeglichen werden können. Für eine Kraftsensorik aus dehnungsempfindlichen Widerstandsmessbrücken wurde festgestellt, dass die relevanten Merkmale der Ausgangssignale dieser Sensoren nicht nur von Exemplarstreuungen diesbezüglicher Dehnungsmessstreifen abhängig sind, sondern weitere zu beachtende und beispielsweise nicht im Wälzlager messbare Abhängigkeiten bestehen. Die Berücksichtigung solcher Abhängigkeiten für Abgleich- und/oder Kalibrierverfahren bzw. Kalibriervorrichtungen für Sensorlager ist dem oben gewürdigten Stand der Technik nicht zu entnehmen. Hier setzt die nachfolgend beschriebene Erfindung an.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, dass mit dieser auch Sensorlager mit integrierter Sensorik für Kraft, Temperatur und Körperschall derartig abgeglichen bzw. kalibriert werden, dass diese für vorgegebene Kraft- und Temperaturbereiche Ausgangssignale mit vorbestimmten Minimal- und Maximalwerten liefern. Dadurch soll die Möglichkeit für Nutzer dieser Lager geschaffen werden, derartige Messlager sowohl mechanisch als auch hinsichtlich ihrer Ausgangssignale problemlos gegen andere Messlager auszutauschen zu können. Zudem liegt der Erfindung die Ausgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren zum Abgleichen bzw. zur Kalibrierung der Signalvorverarbeitung an wenigstens einem Sensorlager vorzustellen, welches eine solche spätere problemlose Austauschbarkeit ermöglicht.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ausgangssignale von Messlagern unabhängig von einem anwendungsbezogenen Messvorgang nicht nur von Exemplarstreuungen der in dem Sensorlager angeordneten Sensoren abhängig sind. Es wurde vielmehr gefunden, dass diese Ausgangssignale auch von den mechanischen Einbaubedingungen, den verwendeten Werkstoffen und/oder deren Temperaturverhalten abhängig sind. So können insbesondere die Steifigkeit eines Lagergehäuses, der Werkstoff desselben und eines im Sensorlager gelagerten Bauteils, Maßüberdeckungen im Lagergehäuse und dem gelagerten Bauteil, sowie das Temperaturverhalten der verwendeten Werkstoffe für Lagergehäuse, Bauteil und Sensorlager sich auf die Ausgangssignale der Sensoren auswirken.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs hinsichtlich einer Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung für wenigstens ein Sensorlager mit integrierter Sensorik für Kraft, Temperatur und Körperschall sowie mit mikroelektronischen Signalvorverarbeitungsmitteln, wobei die Kraftsensoren dehnungsempfindliche Widerstandsmessbrücken aufweisen, dadurch gelöst, dass diese gekennzeichnet ist durch Aufnahmen beziehungsweise Lagergehäuse für das wenigstens eine Sensorlager und für zumindest eine mittels des Sensorlagers gelagerte Welle, sowie durch wenigstens einen Aktuator mit geeigneten Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen, mit dem die Sensorlager, die Welle und/oder die Lagergehäuse zur Betriebssimulation mit Axial- und/oder Radialkräften belastbar sind, wobei die Kraftsensoren, die Temperatur- und Körperschallsensoren sowie die Signalvorverarbeitungsmittel mit einer elektronischen Speicher- und Rechnereinheit der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung signaltechnisch verbunden sind.

Dieser Aufbau ermöglicht es, dass gerade produzierte Messlager mit fertigungstechnisch nicht optimal standardisierten bzw. genormten Ausgangssignalbereichen in die Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung eingespannt, mit Prüfkräften belastet sowie derart klimatisiert werden, dass sich dadurch Korrekturparameter gewinnen lassen, welche in dem jeweiligen Signalvorverarbeitungsmitteln bzw. Mikrocomputer des Messlagers abgespeichert werden und dort für die Ausgabe von abgeglichenen bzw. kalibrierten Ausgangssignalen sorgen.

Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen oder Ausgestaltungen der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lagergehäuse und die zumindest eine Welle genormt mit definierter Maßüberdeckung oder entsprechend den Einbaubedingungen im Anwendungsfall ausgebildet sind. Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Aktuatoren durch druckmittelbetätigbare Kolben-Zylinder-Anordnungen oder andere geeignete Linearantriebe gebildet sind.

Wie die Erfindung weiter vorsieht, können die Sensorlager in einem Klimaschrank angeordnet und klimatisierbar sein, wodurch bestimmte Umgebungsbedingungen, wie beziehungsweise Schwankungen der Umgebungstemperatur, die im Normalbetrieb beim Anwender nicht auszuschließen sind, einfach und kostengünstig simuliert werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Abgleich- und/oder Kalibriervorrichtung ist vorgesehen, dass dieselbe stehende Sensorlager mit radial und axial belastbarer Welle umfasst.

Demgegenüber kann es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch angezeigt sein, dass in der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung Sensorlager mit einem radial belasteten Außenring und einer axial belasteten sowie drehantreibbaren Welle geprüft werden. Dort kann der Außenring des Sensorlagers mittels einer Mehrzahl von beispielsweise drei mit gleicher Umfangswinkelverteilung über der Welle angeordnete Aktuatoren radial belastbar sein.

Wie die Erfindung weiter vorsieht, kann die Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung auch als stationäre oder als mobile Vorrichtung ausgebildet sein.

Das Verfahren zum Abgleichen bzw. zur Kalibrierung der Signalvorverarbeitungsmittel an wenigstens einem Sensorlager mit integrierter mikromechanischer Sensorik für Kraft F, Temperatur T und Körperschall K, bei dem die Kraftsensoren mit dehnungsempfindlichen Widerstandsmessbrücken arbeiten, die Sensorlager in Aufnahmen beziehungsweise Lagergehäusen einer Abgleich- und/oder Kalibriervorrichtung angeordnet sind sowie zumindest eine Welle lagern, ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Anpassung der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung an das jeweilige Sensorlager durch typspezifische Wechselteile der Vorrichtung.
b) Einlegen und elektrisches Verbinden des wenigstens einen Sensorlagers samt Welle in die Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung und Schließen bzw. Sichern derselben.
c) Auswahl des gewünschten Abgleich- und/oder Kalibrierprogramms und der Messbereichswerte.
d) Aufbringen einer definierten Radialkraft F_R und/oder Axialkraft F_A auf das jeweilige Sensorlager, die Welle und/oder das Lagergehäuse.
e) Durchführung einer Zwei- oder Mehrpunktkalibrierung und/oder eines Abgleichs der Signalverläufe bei einer definierten Umgebungstemperatur T_U.
f) Überprüfung der Kalibrierung bzw. des Abgleichs bei Raumtemperatur.
g) Beschriftung des wenigstens einen Sensorlagers mit einer unverwechselbaren Kennung und/oder einem Barcode.
h) Entnahme des wenigstens einen Sensorlagers aus der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung.

In Fortbildung dieses Verfahrens ist im Hinblick auf den Verfahrensschritt d) vorgesehen, dass Axial- und/oder Radialkräfte F_A, F_R gewählt werden, die der dynamischen Tragzahl C_o oder C des wenigstens einen Sensorlagers entsprechen.

Ferner wird vorgeschlagen, dass im Hinblick auf Verfahrensschritt d) die Radialkraft F_R und/oder Axialkraft F_A bei stehendem Sensorlager auf die Welle aufgebracht werden.

Denkbar ist es auch und wird durch die Erfindung mit erfasst, dass im Hinblick auf den Verfahrensschrit d) die Radialkraft F_R auf den Außenring des Sensorlagers und die Axialkraft F_A auf eine drehantreibbare Welle aufgebracht werden. Für mobile Kalibrierungen wäre es auch besonders vorteilhaft, die Radialkraft F_R über einen definierten Unwuchtring in Abhängigkeit von der Drehzahl der drehantreibbaren Welle auf diese aufzubringen.

Gemäß einer bevorzugten Verfahrensdurchführung wird der Außenring des Sensorlagers mittels einer Mehrzahl, vorzugsweise dreier, mit gleicher Umfangswinkelverteilung über der Welle angeordneten Aktuatoren radial derart belastet, dass eine auf dem Umfang des Außenringes weitestgehend gleichförmige Radialkraft F_R erzeugt wird, um das Sensorlager in allen Radialrichtungen mechanisch zu belasten.

Gemäß einer weiteren Maßnahme wird vorgeschlagen, dass im Hinblick auf den Verfahrensschritt e) die elektronische Kalibrierung bzw. der Abgleich

ea) durch Einlesen und permanente Speicherung von Korrekturparametern in einen Mikrocomputer bzw. Signalvorverarbeitungsmittel erfolgt, welche in dem Sensorlager integriert sind, oder
eb) durch Veränderung von elektrischen Widerstandskaskaden im Sensorlager mittels Laserschnitte, Ritzpräger oder ähnlichem erfolgt, oder
ec) durch Zertrennen von Zuleitungen von elektrischen Widerstandskaskaden im Sensorlager mittels Laserschnitte, Ritzpräger oder ähnlichem durchgeführt wird.

Im Hinblick auf den bevorzugt durchzuführenden Verfahrensschritt ea) werden die simulierten Kräfte (Radialkraft F_R und/oder Axialkraft F_A) mit geeichten Kraftmessumformern (Kraft-Sensorik) in unmittelbarer Nähe des Sensorlagers erfasst und einer elektronischen Speicher- und Rechnereinheit zugeleitet. Diese Messwerte werden dann mit den Ausgangsgrößen der Sensoren des Sensorlagers verglichen und entsprechende Abgleich- bzw. Kalibrierroutinen abgearbeitet. Daraus abgeleitete Abgleichparameter, wie etwa Offset- und/oder Verstärkungskorrekturen, werden nachfolgend in dem Signalvorverarbeitungsmittel bzw. dem Mikrocomputer der Sensorlager gespeichert, woraus sich genormte Ausgangssignale für den spezifischen Kraftmess- und Temperaturbereich der Sensorlager ergeben.

Als zweckmäßig wird des Weiteren angesehen, dass im Hinblick auf den Verfahrensschritt e) dieser durch die Anwendung von Interpolationsverfahren Signalkorrekturen, wie Linearisierungen des Ausgangssignalverlaufes, mit umfasst, und diese dann im Rahmen des Verfahrensschrittes f) mit überprüft werden.

Im Hinblick auf den Verfahrensschritt e) wird im Sinne der Erfindung weiter vorgeschlagen, dass dieser zur Kompensation von Temperaturdriften der Ausgangssignale (Kraftmesswerte) für eine Mehrzahl von repräsentativen Umge bungstemperaturen T_U durchgeführt wird, wobei diese Kompensation der Temperaturdrift im Rahmen des Verfahrensschrittes f) mit überprüft wird.

Ferner kann vorgesehen sein, dass zwischen den Verfahrensschritten f) und g) eine Überprüfung der Körperschall-Sensoren durchgeführt wird, indem diese mit repräsentativen Messgrößen von Grenzmusterteilen, die ihrerseits das schlechteste Gutteil und das beste Schlechtteil definieren, verglichen wird.

Schlussendlich wird es als zweckmäßig erachtet, im Hinblick auf den Verfahrensschritt g) gleichzeitig ein Kalibrier- bzw. Abgleichprotokoll zu erstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigen:
1 die schematische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
2 einen Schnitt I-I durch die Vorrichtung gemäß 1;
3 eine weitere mögliche Ausführungsform der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung;
4 einen Schnitt II-II durch die Vorrichtung gemäß 3.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die in 1 und 2 gezeigte Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung 1 weist zwei sich auf dem Boden 2 abstützende Aufnahmen oder Lagergehäuse 3, 4 für je ein Sensorlager 5, 6 auf, wobei das links in der Zeichnung angeordnete Sensorlager 5 als Loslager und das rechts angeordnete Sensorlager 6 als Festlager ausgebildet ist.
In die Sensorlager 5, 6 sind an sich bekannte und demgemäß nicht näher dargestellte Sensoren für Kraft F, Temperatur T und Körperschall K integriert, die mit mikroelektronischen Signalvorverarbeitungsmitteln bzw. einem Mikrocomputer, die ebenfalls in die Sensorlager 5, 6 integriert sind, signaltechnisch verbunden sind.
Vorzugsweise sind die genannten Sensoren der Sensorlager 5, 6 nach an sich bekannten Technologien der Mikromechanik und Mikroelektronik hergestellt und werden mit einer elektrischen Spannung versorgt, wobei für die Kraftsensoren dehnungsempfindliche Widerstandsmessbrücken genutzt werden.
Beide Sensorlager 5, 6 tragen eine dort gelagerte Prüfwelle 7. Dazu sind die Sensorlager 5 und 6 in eine genormte oder die späteren Einbaubedingungen simulierende Einbauumgebung eingebaut. Insofern ist es angebracht, die Lagergehäuse 3 und 4 sowie die Welle 7 genormt mit definierter Maßüberdeckung oder entsprechend den Einbaubedingungen des konkreten Anwendungsfalls auszubilden.
Die Welle 7 ist des Weiteren mittels eines als druckmittelbetreibbare Kolben-Zylinder-Anordnung ausgebildeten Aktuators 8 mit einer Axialkraft F_A1 beaufschlagbar. Diese Axialkraft F_A1 ist mittels eines Kraftsensors 9 messbar und durch eine geeignete Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 10 einstellbar. Diese Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 10 umfasst Signalverstärker und wirkt auf Schaltventile, mit denen der Betätigungsdruck für den Aktuator 8 einstellbar ist.
Die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 10 ist, angedeutet durch die strichpunktierten und gestrichelten Linien, ebenso wie die in den Sensorlagern 5, 6 integrierten Sensoren für Kraft F, Temperatur T und Körperschall K sowie die Signalvorverarbeitungsmittel bzw. Mikrocomputer elektrisch oder berührungslos per Infrarot, Ultraschall oder Funk mit einer elektronischen Speicher- und Rechnereinheit 11 verbunden, die ihrerseits vorliegend ein Bedienpult 12 mit einer Eingabe und Ausgabeeinheit aufweist.
Zudem sind im unmittelbaren Bereich der Sensorlager 5 und 6 radial wirkende Aktuatoren 8, vergleichbar mit der oben beschriebenen Bauart, derart angeordnet, dass durch dieselben je eine Radialkraft F_R1, F_R2 auf die Welle 7 aufbringbar ist. Die Radialkräfte F_R1, F_R2 werden vorliegend jeweils über ein das Lagergehäuse 3, 4 samt Sensorlager 5, 6 überspannendes starres Brückenelement 13 von den Aktuatoren 8 auf die Welle 7 übertragen. Insoweit stehen die Sensorlager 5 und 6 bzw. die Welle 7 während eines durchzuführenden Abgleich- bzw. Kalibriervorganges still.
Was die Aktuatoren 8 in Form der vorliegend hydraulisch betriebenen Kolben-Zylinder-Anordnungen anbelangt, so sind diese an einen an sich bekannten Hydraulikölkreislauf 14 mit einem Ölreservoire 15, einer motorbetriebenen Ölförderpumpe 16 und entsprechenden Ölleitungen 17 angebunden, wobei der jeweils gewünschte Öldruck zur Erzeugung der Axial- und/oder Radialkräfte F_A, F_R wie oben beschrieben mittels der Steuer- und Regelungsvorrichtung 10 einstellbar ist.
Um bestimmte Umgebungsbedingungen, wie Schwankungen in der Umgebungstemperatur T_U simulieren zu können, ist ein sogenannter Klimaschrank vorgesehen, in welchem zumindest die Sensorlager 5, 6 angeordnet und demgemäß in dem jeweils gewünschten Maße temperierbar sind (nicht näher dargestellt). In diesem Klimaschrank sind auch andere Umweltbedingungen wie etwa die Luftfeuchtigkeit einstellbar.
Die weitere Beschreibung der Erfindung erfolgt nachfolgend anhand eines Verfahrens zum Abgleich- bzw. zur Kalibrierung der Signalvorverarbeitungsmittel an den Sensorlagern 5 und 6.
Demnach wird der Abgleich und/oder die Kalibrierung der Signalvorverarbeitungsmittel der Sensorlager 5, 6 bevorzugt derart durchgeführt, dass zunächst eine mechanische und elektrische Anpassung der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung 1 an das jeweilige Sensorlager 5, 6 durch typspezifische Wechselteile der Vorrichtung erfolgt. Im Anschluss daran werden die Sensorlager 5, 6 samt Welle 7 in die Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung 1 eingelegt und elektrisch angeschlossen, sowie dieselbe verschlossen bzw. gesichert.
Danach erfolgt die Anwahl des gewünschten Abgleich- und/oder Kalibrierprogramms sowie der Messbereichswerte über das Bedienpult 12 der Speicher- und Rechnereinheit 11 mit dem Ergebnis, dass mittels der Aktuatoren 8 eine definierte Axialkraft F_A1 und jeweils eine definierte Radialkraft F_R1, F_R2 im unmittelbaren Bereich der beiden Sensorlager 5 und 6 auf die Welle 7 aufgebracht werden. Die gewählten Axial- und Radialkräfte F_A1, F_R1, F_R2 entsprechen dabei vorzugsweise der dynamischen Tragzahl C_o oder C der Sensorlager 5 und 6. Die Axial- und Radialkräfte F_A1, F_R1, F_R2 können selbstverständlich aber auch davon abweichende Werte aufweisen.
Nunmehr erfolgen rechnergesteuert eine Zwei- oder Mehrpunktkalibrierung und/oder ein Abgleich der Signalverläufe der Sensoren bei einer definierten Umgebungstemperatur T_U durch Einlesen und permanente Speicherung von Korrekturparametern in das Signalvorverarbeitungsmittel bzw. dem Mikrocomputer, welcher in das jeweilige Sensorlager 5 bzw. 6 integriert ist.
Im konkreten Fall erfolgt dies derart, dass die aufgebrachten Kräfte (Axial- und Radialkräfte F_A1, F_R1, F_R2) mit den geeichten Kraftsensoren 9, 25 in unmittelbarer Nähe des Prüflings an den Sensorlagern 5, 6 erfasst sowie der elektronischen Speicher- und Rechnereinheit 11 zugeleitet werden, wo diese Messwerte mit den Ausgangsgrößen der Sensoren in den Sensorlagern 5, 6 verglichen und entsprechende Abgleich- bzw. Kalibrierroutinen abgearbeitet werden.
Daraus abgeleitete Abgleidiparameter, wie etwa eine Offset- und/oder eine Verstärkungskorrektur, werden sodann den Signalvorverarbeitungsmitteln der Sensorlager 5, 6 zugeleitet und dort gespeichert. Im Ergebnis liefern die jeweiligen Sensorlager 5 und 6 dann genormte Ausgangssignale für den spezifischen Kraftmess- und Temperaturbereich derselben, welches bei der Nutzung solcher Messlager ein umkompliziertes Auswechseln hinsichtlich ihrer Abmessungen, Messbereiche und Ausgangssignale beispielsweise bei einem Defekt ermöglicht.
Insoweit wird es für sinnvoll erachtet, wenn die Sensorlager 5, 6 über die genannten spezifizierten Kraftmess- und Temperaturbereiche genormte Ausgangssignale mit zum Beispiel elektrischen Stromstärken von 4 bis 20 mA an deren Verstärkerausgang liefern. Hierbei entspricht gemäß einer Zweipunktkalibrierung der Messbereichsanfangswert bezüglich der Kraft beispielsweise einem Ausgangssignal von 4 mA und der Messbereichsendwert hinsichtlich der Kraft bevorzugt einem Ausgangssignal von 20 mA. Darüber hinaus kann der Signalverlauf der Sensorlager 5, 6 auch durch eine Mehrpunktkalibrierung beziehungsweise Anwendung von Interpolationsverfahren linearisiert werden. Die im Abgleich- bzw. Kalibriervorgang zu bestimmenden Parameter zur Durchführung eines solchen in dem Signalvorverarbeitungsmittel bzw. Mikrocomputer im Sensorlager abgespeicherten Interpolationsverfahrens sind dazu von der Speicher- und Rechnereinheit 11 an dieselben weiterzuleiten.
Sinnvoll ist es auch und wird durch die Erfindung mit erfasst, dass eine Zwei- oder Mehrpunktkalibrierung und/oder der Abgleich der Signalverläufe zur Kompensation von Temperaturdriften der Ausgangssignale (Kraftmesswerte) für eine Mehrzahl von repräsentativen Umgebungstemperaturen T_U durchgeführt wird, wobei vorteilhaft der oben bereits erläuterte Klimaschrank Anwendung finden kann.
Neben dem vorstehend beschriebenen Einlesen und permanenten Speichern von Korrekturparametern in einen Mikrocomputer bzw. Signalvoiverarbeitungsmittel in dem jeweiligen Messlager 5, 6 sind weitere Methoden zur elektronischen Kalibrierung bzw. zum Abgleichen der Messlagersensoren sinnvoll. So kann diese Kalibrierung beispielsweise auch durch Veränderung von elektrischen Widerstandskaskaden an den Sensoren mittels an sich bekannter Laserschnitte, Ritzpräger oder ähnliches, oder auch durch Zertrennen von Zuleitungen von elektrischen Widerstandskaskaden mittels besagter Laserschnitte oder Ritzpräger durchgeführt werden.
An die vorstehenden Verfahrensschritte schließt sich eine Überprüfung der durchgeführten Maßnahmen an, also eine Überprüfung der Kalibrierung bzw. des Abgleichens bei Raumtemperatur, der Linearisierung und/oder der Kompensation einer Temperaturdrift.
Als vorteilhaft wird des Weiteren beurteilt, wenn sich hiernach eine Überprüfung der Körperschall-Sensoren anschließt, indem diese mit repräsentativen Messgrößen von Grenzmusterteilen, die ihrerseits das schlechteste Gutteil und das beste Schlechtteil definieren, verglichen wird.
Schließlich ist eine Beschriftung des jeweils kalibrierten Sensorlagers 5, 6 mit einer unverwechselbaren Kennung wie beispielsweise einem Barcode vorgesehen, die ihrerseits mit einer gleichzeitigen Erstellung eines entsprechenden Kalibrier- oder Abgleichprotokolls einhergehen kann, sowie mit der Entnahme der Sensorlager 5, 6 aus der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung 1.
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen greifen die Axial- und Radialkräfte F_A1, F_R1, F_R2 an der Welle 7 an. Möglich ist es jedoch auch, dass derartige Kräfte gleichzeitig oder in Alleinstellung direkt am Sensorlager 5, 6 und/oder am Lagergehäuse 3, 4 angreifen, um im Sinne der Erfindung den Abgleich und/oder die Kalibrierung der Sensoren bzw. der Signalvorverarbeitungsmittel an den Sensorlagern 5, 6 durchzuführen.
Weiterhin ist festzustellen, dass die genannte Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung 1 wie vorliegend beschrieben als stationäre, beispielsweise als beim Lagerhersteller fest stationierte Vorrichtung ausgebildet ist, wobei die Sensorlager 5, 6 in beispielsweise genormte Lagergehäuse 3, 4 eingepresst und auf eine genormte Welle 7 aufgepresst werden. Ebenso können auch kundenseitige Lagergehäuse 3, 4 und Wellen 7 in der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung 1 Verwendung finden, wodurch die oben bereits erwähnten konkreten Einbaubedingungen gut simulierbar sind.
Demgegenüber ist auch eine mobile Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung 1 mit leicht handhabbaren Anlagenkomponenten denkbar, die vorzugsweise mit genormten mechanischen und elektrischen Schnittstellen versehen sind und an eine Kundenapplikation angeflanscht werden können (nicht näher dargestellt).
Das Ausführungsbeispiel gemäß den 3 und 4 unterscheidet sich von dem vorstehenden Ausführungsbeispiel im wesentlichen dadurch, dass hier die Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung 1 ein abzugleichendes und/oder zu kalibrierendes Sensorlager 18 mit radial belastetem Außenring 19 umfasst, welches von einer Welle 20 (Prüfwelle) aufgenommen ist, die ihrerseits in einem zwei Wälzlager 21 tragenden gemeinsamen Lagergehäuse 22 und einem das Sensorlager 18 aufnehmenden, vorliegend separat ausgebildeten Lagergehäuse 23 drehantreibbar gelagert ist. Zum Antrieb der Welle 20 ist an ihrem anderen Ende ein Antriebsmotor 26 mit zwischengeschalteter Kupplung 27 vorgesehen.
Der Außenring 19 des Sensorlagers 18 ist hier mittels dreier mit gleicher Winkelverteilung über die Welle 20 angeordneten Aktuatoren 24 über Kraftsensoren 25 mit Radialkräften F_R belastbar, wobei die Aktuatoren 24 den vorstehend beschriebenen Aktuatoren 8 entsprechen können (4). Ferner ist die Welle 20 an dem Sensorlager 18 benachbarten Wellenende mittels eines weiteren Aktuators 24 axial mit einer Axialkraft F_A belastbar, die über den weiteren Kraftsensor 25 auf die Welle 20 wirkt.
Die Steuerung- und Regelung der Aktuatoren 24 sowie das Betreiben dieser Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung 1 erfolgt wie vorstehend im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschrieben. Ebenso kann auch die Anbindung derselben und des Sensorlagers 18 an die hier nicht näher gezeigte Speicher- und Rechnereinheit 11 wie bereits beschrieben realisiert sein.
Durch den in 3 und 4 dargestellten Aufbau ist es möglich, den Außenring 19 derart radial zu belasten, dass eine auf dem Umfang des Außenringes 19 weitestgehend gleichverteilte Radialkraft F_R erzeugt wird, um das Sensorlager 18 in allen Richtungen mechanisch möglichst gleichmäßig zu belasten.

1: Abgleich- bzw. Kalibriervorrich
: tung
2: Boden
3: Lagergehäuse
4: Lagergehäuse
5: Sensorlager
6: Sensorlager
7: Welle
8: Aktuator
9: Kraftsensor
10: Steuerungs- und Regelungsvor
: richtung
11: Speicher- und Rechnereinheit
12: Bedienpult
13: Brückenelement
14: Hydraulikölkreislauf
15: Ölreservoire
16: Motorbetriebene Ölpumpe
17: Ölleitungen
18: Sensorlager
19: Außenring
20: Welle
21: Wälzlager
22: Lagergehäuse
23: Lagergehäuse
24: Aktuator
25: Kraftsensor
26: Antriebsmotor
27: Kupplung
F: Kraft
T: Temperatur
K: Körperschall
F_A: Axialkraft
F_R: Radialkraft
T_U: Umgebungstemperatur

Claims

Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung (1) für wenigstens ein Sensorlager (5, 6, 18) mit integrierter Sensorik für Kraft (F), Temperatur (T) und Körperschall (K) sowie mit mikroelektronischen Signalvorverarbeitungsmitteln, wobei die Kraftsensoren (9, 25) dehnungsempfindliche Widerstandsmessbrücken aufweisen, gekennzeichnet durch, – Aufnahmen beziehungsweise Lagergehäuse (3, 4, 23) für das wenigstens eine Sensorlager (5, 6, 18) und für zumindest eine mittels des Sensorlagers (5, 6, 18) gelagerte Welle (7, 20) – sowie durch wenigstens einen Aktuator (8, 24) mit geeigneten Steuerungs- und Regelungsvorrichtungen (10), – mit dem die Sensorlager (5, 6, 18), die Welle (7, 20) und/oder die Lagergehäuse (3, 4, 23) zur Betriebssimulation mit Axial- und/oder Radialkräften (F_A, F_R) belastbar sind, – wobei die Kraftsensoren (9, 25), die Temperatur- und Körperschallsensoren sowie die Signalvorverarbeitungsmittel des Sensorlagers (5, 6, 18) mit einer elektronischen Speicher- und Rechnereinheit (11) der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung (1) signaltechnisch verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagergehäuse (3, 4, 23) und die zumindest eine Welle (7, 20) mit definierter Maßüberdeckung oder entsprechend den Einbaubedingungen im Anwendungsfall ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (8, 24) durch druckmittelbetätigbare Kolben-Zylinder-Anordnungen oder andere geeignete Linearantriebe gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorlager (5, 6, 18) zur Simulation bestimmter klimatischer Bedingungen in einem Klimaschrank angeordnet und temperierbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese stehende Sensorlager (5, 6) mit radial und axial belastbarer Welle (7) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Sensorlager (18) mit einem radial belasteten Außenring (19) und eine axial belastete sowie drehantreibbare Welle (20) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (19) mittels einer Mehrzahl mit gleicher Umfangswinkelverteilung um die Welle (20) angeordnete Aktuatoren (24) radial belastbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese als stationäre oder als mobile Vorrichtung ausgebildet ist.
Verfahren zum Abgleichen bzw. zur Kalibrierung der Signalvorverarbeitungsmittel an wenigstens einem Sensorlager (5, 6, 18) mit integrierter mikromechanischer Sensorik für Kraft (F), Temperatur (T) und Körperschall (K), wobei die Kraftsensoren mit dehnungsempfindlichen Widerstandsmessbrücken arbeiten, die Sensorlager (5, 6, 18) in Aufnahmen bezie hungsweise Lagergehäusen (3, 4, 23) einer Abgleich- und/oder Kalibriervorrichtung (1) angeordnet sind sowie zumindest eine Welle (7; 20) lagern, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Anpassung der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung (1) an das jeweilige Sensorlager (5, 6, 18) durch typspezifische Wechselteile der Vorrichtung. b) Einlegen und elektrisches Anschließen des wenigstens einen Sensorlagers (5, 6, 18) samt Welle (7, 20) in die Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung (1) und Schließen bzw. sichern derselben. c) Auswahl des gewünschten Abgleich- und/oder Kalibrierprogramms und der Messbereichswerte. d) Aufbringen einer definierten Radialkraft (F_R) und/oder Axialkraft (F_A) auf das jeweilige Sensorlager (5, 6, 18), die Welle (7, 20) und/oder das Lagergehäuse (3, 4, 23). e) Durchführung einer Zwei- oder Mehrpunktkalibrierung und/oder eines Abgleichs der Signalverläufe bei einer definierten Umgebungstemperatur (T_U). f) Überprüfung der Kalibrierung bzw. des Abgleichs bei Raumtemperatur. g) Beschriftung des wenigstens einen Sensorlagers (5, 6, 18) mit einer unverwechselbaren Kennung und/oder einem Barcode. h) Entnahme des wenigstens einen Sensorlagers (5, 6, 18) aus der Abgleich- bzw. Kalibriervorrichtung (1).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Verfahrensschritt d) Axial- und/oder Radialkräfte (F_A, F_R) gewählt werden, die der dynamischen Tragzahl (C_o oder C) des wenigstens einen Sensorlagers (5, 6, 18) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf Verfahrensschritt d) die Radialkraft (F_R) und/oder Axialkraft (F_A) bei stehendem Sensorlager (5, 6, 18) auf die Welle (7, 20) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Verfahrensschritt d) die Radialkraft (F_R) auf den Außenring (19) des Sensorlagers (18) und die Axialkraft (F_A) auf eine drehantreibbare Welle (20) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (19) des Sensorlagers (18) mittels einer Mehrzahl mit gleicher Umfangswinkelverteilung über der Welle (20) angeordneter Aktuatoren (24) radial derart belastet wird, dass eine über den Umfang des Außenrings (19) weitestgehend gleichverteilte Radialkraft (F_R) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Verfahrensschritt e) die elektronische Kalibrierung bzw. der Abgleich ea) durch Einlesen und permanente Speicherung von Korrekturparametern in Signalvorverarbeitungsmittel bzw. einen Mikrocomputer erfolgt, welcher in dem wenigstens einen Sensorlager (5, 6, 18) integriert ist, oder eb) durch Veränderung von elektrischen Widerstandskaskaden an den Sensoren mittels Laserschnitte oder Ritzprägen erfolgt, oder ec) durch Zertrennen von Zuleitungen von elektrischen Widerstandskaskaden an den Sensoren mittels Laserschnitte oder Ritzpräger durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Verfahrensschritt ea) die simulierten Kräfte (Radialkraft F_R und/oder Axialkraft F_A) mit geeichten Kraftsensoren in unmittelbarer Nähe des Sensorlagers (5, 6, 18) erfasst und einer elektronischen Speicher- und Rechnereinheit (11) zugeleitet werden, dass diese Messwerte mit vorbestimmten minimalen und maximalen Ausgangsgrößen des Sensorlagers (5, 6, 18) verglichen und entsprechende Abgleich- bzw. Kalibrierroutinen abgearbeitet werden, dass daraus abgeleitete Abgleichparameter, wie Offset- und Verstärkungskorrekturwerte, in den Signalvorverarbeitungsmitteln der Sensorlager (5, 6; 18) gespeichert werden, woraus genormte Ausgangssignale für einen vorbestimmten Kraftmess- und Temperaturbereich der jeweiligen Sensorlager (5, 6, 18) ergeben.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt e) durch die Anwendung von Interpolationsverfahren Signalkorrekturen, wie Linearisierungen des Ausgangssignalverlaufes, mit umfasst, und dass diese dann im Rahmen des Verfahrensschrittes f) mit überprüft werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Verfahrensschritt e) dieser zur Kompensation von Temperaturdriften der Ausgangssignale (Kraftmesswerte) für eine Mehrzahl von repräsentativen Umgebungstemperaturen (T_U) durchgeführt wird, wobei diese Kompensation der Temperaturdrift im Rahmen des Verfahrensschrittes f) mit überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verfahrensschritten f) und g) eine Überprüfung der Körperschall-Sensorik durchgeführt wird, indem diese mit repräsentativen Messgrößen von Grenzmusterteilen, die ihrerseits das schlechteste Gutteil und das beste Schlechtteil definieren, verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Verfahrensschritt g) gleichzeitig ein Kaübrier- und Abgleichprotokoll erstellt wird.