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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen
des Verformungsverhaltens einer als Druckfeder ausgebildeten Feder.
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Hohlzylindrisch
ausgebildete Druckfedern können
axial wirkende Druckkräfte
aufnehmen, wobei entsprechend der Federcharakteristik die Federkraft
mit der axialen Kompression der Feder zunimmt, bis die Feder maximal
zusammengedrückt
ist und auf Block fährt.
Solche Druckfedern sind insbesondere als Schraubendruckfedern oder
Rohrfedern ausgebildet. Werden solche Druckfedern axial zusammengedrückt, so
führt dies
zu einer Verformung der Feder. Insbesondere führt das Zusammendrücken der
Feder ab einem gewissen Hubweg zu einem Ausbauchen bzw. Ausbeulen
der Feder, das heißt
die äußere Hüllenkontur
der Feder wölbt
sich von der entspannten zylindrischen Form zu einer radial ballig
ausgebauchten Form. Der Hüllkreisdurchmesser
vergrößert sich
somit in bestimmten axialen Bereichen der Feder.
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In
vielen Anwendungsfällen
ist der Einbauraum für
die Feder begrenzt, wobei die Tendenz verstärkt zu einer weiteren Einschränkung des
Bauraumes führt.
Ein Beispiel hierfür
ist der Einbau einer Rohrfeder für
den Aktor eines Brennstoffeinspritzventils wie dies die
DE 103 44 621 A1 beispielhaft
zeigt. Die Verformung der Feder und insbesondere die Vergrößerung des
Hüllkreisdurchmessers
kann bei einem eingeschränkten
Bauraum zu einem Scheuern der Feder an der Wandung des Bauraumes
und dadurch bedingt zu einem Verschleiß und einer Verringerung der
Standzeit der Feder führen.
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Aus
der
DE 10 2006
024 408 A1 ist es bekannt, geometrische Merkmale einer
Schraubenfeder dadurch zu berechnen, dass die Feder mittels eines
optischen Systems mit senkrecht zur Achse der Feder verlaufender
optischer Achse abgebildet wird. Dabei wird die Feder um ihre Achse
in verschiedene Winkelpositionen gedreht, um aus den Aufnahmen in diesen
verschiedenen Winkelpositionen die geometrischen Merkmale zu berechnen.
Aus der
US 2006/0203254
A1 ist es bekannt, eine Schraubenfeder mittels eines optischen
Systems mit senkrecht zur Achse der Feder verlaufender optischer
Achse abzubilden, wobei die Feder um ihre Achse gedreht wird, um
Abweichungen von der achszylindrischen Form des Feder zu ermitteln.
Bei diesen bekannten Verfahren wird die Feder in unbelastetem Zustand abgebildet,
so dass sich keine Anhaltspunkte für das Verformungsverhalten
der Feder unter Belastung gewinnen lassen.
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Aus
der
WO 02/50494 A1 ist
es bekannt, eine Schraubenfeder mittels eines optischen Systems
mit senkrecht zur Achse verlaufende optische Achse abzubilden, um
die Länge
der Feder zu bestimmen. Weiter ist ein Verfahren angegeben, die Querauslenkung
einer Schraubenfeder bei axialer Druckbelastung dadurch zu ermitteln,
dass eine durch die Querauslenkung der Feder verschobene Lochblende
optisch abgebildet wird. Aus der
DE 44 10 680 A1 ist es bekannt, zur Prüfung einer
Schraubendruckfeder, diese axial mit einer Druckkraft zu beaufschlagen,
wobei das eine Ende der Feder auf einer Wippe abgestützt ist.
Eine außermittige
Federkraft wird anhand der Kippbewegung der Wippe ermittelt. Die
Kippbewegung kann optisch erfasst werden. Bei diesen Verfahren wird
die Abhängigkeit
der Federkraft von einer Druckbelastung gemessen. Die Verformung
der Feder unter Einfluss der Druckbelastung wird nicht erfasst.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Verformungsverhalten
einer als Druckfeder ausgebildeten Feder bei axialer Belastung reproduzierbar
und prozesssicher zu erfassen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren gemäß Anspruch
1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch
7.
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Vorteilhafte
Ausführungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schafft eine Möglichkeit,
bereits bei der Herstellung einer als Druckfeder ausgebildeten Feder
das Verformungsverhalten dieser Feder unter den Einsatzbedingungen
zu messen und zu prüfen,
für welche
diese Feder bestimmt ist. Dadurch kann die Prozesssicherheit für die Verwendung
und den Einbau der Feder wesentlich erhöht werden. Die exakte Erfassung
des Verformungsverhaltens macht es darüber hinaus möglich, den
Einbauraum für
die Feder zu minimieren, ohne die Betriebssicherheit und die Standzeit
der Feder zu verschlechtern.
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Erfindungsgemäß wird die
Feder unter axialer Kraftbeaufschlagung optisch vermessen. Dabei wird
mittels eines optischen Systems die äußere Hüllkontur der Feder in Abhängigkeit
von der ausgeübten axialen
Kraft ermittelt. Das optische System bildet die Hüllkontur
der Feder auf einer Empfängerfläche ab, die
eine elektronische Auswertung des Projektionsbildes erlaubt, sodass
insbesondere der Hüllkreisdurchmesser
softwaremäßig erfasst
werden kann.
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Solche
optischen Systeme, die an sich bekannt sind (z. B.
DE 101 53 581 A1 ,
US 6 606 403 B2 ) bestehen
aus einer Beleuchtung, die die Hüllkontur der
Feder auf die Empfängerfläche ab bildet,
wobei die optische Achse des Systems die Achse der Feder im wesentlichen
senkrecht schneidet. Vorzugsweise wird ein telezentrisches System
benutzt, welches den Vorteil hat, dass die Abmessungen der Abbildung
auf der Empfängerfläche von
geringen Positionsschwankungen der Feder unabhängig sind. Vorzugsweise besteht
das optische System aus einer Beleuchtung, die mittels eines Kollimators
einen parallelen Beleuchtungslichtstrahl erzeugt. Als Empfängerfläche dient
vorzugsweise eine Kamera mit einem objektseitig telezentrischen
Objektiv und einem insbesonderen zweidimensionalen CCD-Sensor.
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Die
Messung des Hüllkreisdurchmessers
der Feder kann im einfachsten Falle bei nur einer vorgegebenen definierten
axialen Kompressionskraft gemessen werden, die insbesondere der
maximalen axialen Kraft entspricht, welche auf die Feder in deren
vorgesehenem Anwendungsfall ausgeübt wird, oder um einen Sicherheitsabstand
höher als
diese Kraft ist. Ein aussagekräftigeres
Ergebnis wird erhalten, wenn die Verformung der Feder über einen
größeren Hubweg
der axialen Kompression in mehreren definierten diskreten Schritten
gemessen wird. Es ist auch eine kontinuierliche Messung über den
gesamten Hubweg bzw. die gesamte Kennlinie der Feder möglich.
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Da
die radiale Ausbauung der Feder nicht in jedem Falle exakt rotationssymmetrisch
zur Federachse sein muss, kann die Feder bei der Messung um ihre
Achse gedreht werden. Dadurch kann auch bei unrunden Verformungen
der maximale Hüllkreisdurchmesser
ermittelt werden. Ein entsprechendes Ergebnis kann ohne eine Rotation
der Feder dadurch erhalten werden, dass das optische System die
Feder unter verschiedenen Azimutwinkeln abtastet. Hierzu ist jedem
Azimut eine optische Achse zugeordnet, d. h. ein Beleuchtungsstrahl
und eine zugeordnete Empfängerfläche, d.
h. zum Beispiel eine CCD-Kamera. In der Regel sind hierbei zwei
im Azimut um etwa 90 Grad umeinander versetzte optische Abtastungen
ausreichend.
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Die
Erfindung liefert ein optisches Messverfahren mit software-basierter
Auswertung zur Ermittlung des Hüllkreises
einer Druckfeder. Dabei kann der Hüllkreis schnell und präzise gemessen
werden, sodass sich das System in der Serienproduktion für eine Stichproben-Prüfung, aber
auch für
eine automatisierte 100%-Prüfung
eignet. Der Hüllkreis
kann über
den gesamten Hubweg der Feder erfasst werden, sodass eine Optimierung
der Feder im gesamten Arbeitsbereich möglich ist, was von Vorteil
ist, da das Maximum des Hüllkreisdurchmessers
nicht immer im selben Axialbereich der Feder und auch nicht zwangsweise
beim größten Kompressionshub
auftritt. Das Verfahren ist auch bei der Auslegung der Feder in
der Konstruktion hilfreich, da der Hüllkreisdurchmesser exakt gemessen
werden kann und die Feder damit in Bezug auf die Einbaubedingungen und
die Dauerstandzeit optimiert werden kann.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung
zum Messen des Verformungsverhaltens einer Feder.
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Auf
einem Bett 10 ist um eine vertikale Achse drehbar ein Stativ 12 angeordnet.
Das Stativ 12 kann gesteuert motorisch vorzugsweise um
180° um
die vertikale Achse gedreht werden. In dem Stativ 12 ist eine
Aufnahme angeordnet, die aus einer oberen Platte und einer unteren
Platte 16 besteht. Die Platten 14 und 16 sind
in vertikaler Richtung gegeneinander beabstandet und konzentrisch
zu der Rotationsachse des Stativs 12 angeordnet. Die untere
Platte 16 sitzt fest auf dem Stativ 12, während die
obere Platte 14 mittels eines motorischen Antriebs 18 gesteuert
vertikal in der Rotationsachse des Stativs 12 bewegbar
ist. Zwischen die obere Platte 14 und die untere Platte 16 kann
eine zu prüfende
Druckfeder 20 eingesetzt werden, z. B. eine Schraubenfeder
oder eine Rohrfeder. Die Feder 20 kann mittels des motorischen
Antriebs 18 NC-gesteuert axial zusammengedrückt werden.
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Die
Hüllkontur
der Feder 20 wird durch ein optisches System erfasst. Das
optische System ist insbesondere als telezentrisches System ausgebildet.
Das optische System weist eine Beleuchtung 22 auf, die
eine Lichtquelle und einen Kollimator enthält, sodass von der Beleuchtung 22 ein
parallel gebündelter
Lichtstrahl 24 ausgesandt wird. Der Lichtstrahl 24 schneidet
die Achse der Feder 20 senkrecht. Der Durchmesser des Lichtstrahls 24 wird
vorzugsweise mindestens so groß wie
die axiale Länge
der Feder 20 gewählt,
sodass sich die gesamte Feder 20 in dem Querschnitt des
Lichtstrahls 24 befindet.
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In
Bezug auf die vertikale Drehsachse des Stativs 12 und die
mit dieser zusammenfallende vertikale Achse der Feder 20 diametral
zu der Beleuchtung 22 ist eine digitale Kamera 26 angeordnet.
Die Kamera 26 weist ein telezentrisches Objektiv mit einem
vorzugsweise in einer zweidimensionalen Matrix ausgebildeten CCD-Sensor
auf. Der Lichtstrahl 24 trifft auf die Kamera 26 und
wird durch deren Objektiv auf der Empfangsfläche des CCD-Sensors abgebildet.
Die telezentrische Ausbildung des optischen Systems gewährleistet
dabei, dass die Abmessungen der Abbildung der Feder 20 auf
der Empfängerfläche der
Kamera 26 von der Position der Feder 20 in der
Achsrichtung des Lichtstrahls 24 in einem ausreichenden
Toleranzbereich unabhängig
sind.
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Das
optische System bildet die äußere Hüllkontur
der Feder 20 auf der Empfängerfläche der Kamera 26 ab.
In einer der Kamera 26 nachgeschalteten Auswerteelektronik
kann der Hüllkreisdurchmesser
ermittelt werden, wobei bei Drehung der Feder 20 um 180° um ihre
vertikale Achse auch die Erfassung des maximalen Hüllkreisdurchmessers
bei einer unrunden Verformung der Feder 20 möglich ist.
Die Erfassung der Hüllkontur
und die Messung des Hüllkreisdurchmessers
kann bei einer vorgegebenen axialen Kompression der Feder 20 durch
den motorischen Antrieb 18 erfolgen. Ebenso kann der motorische
Antrieb 18 die Feder 20 in mehreren definierten diskreten
Messschritten komprimieren. Schließlich kann die Feder 20 auch
kontinuierlich über
ihren Hubweg zusammengedrückt
werden. Die software-basierte Steuerung und Auswertung korreliert
die gemessenen Hüllkreisdurchmesser
mit dem jeweiligen axialen Kompressionshub der Feder 20 durch den
Antrieb 18.
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Anstelle
des im Ausführungsbeispiel
gezeigten optischen Systems mit einer Beleuchtung 22, einem
Lichtstrahl 24 und einer Kamera 26 kann das optische
System auch zwei oder mehr Beleuchtungen 22, Lichtstrahlen 24 und
Kameras 26 aufweisen, wobei deren Lichtstrahlen 24 jeweils
in der zur Achse der Feder 20 senkrechten Ebene im Azimut
gegeneinander versetzt die Achse der Feder 20 schneiden. Bei
zwei Lichtstrahlen 24 schneiden sich deren optische Achsen
vorzugsweise unter einem Azimutwinkel von 90°.
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Weist
das optische System zwei oder mehr Abbildungslichtstrahle auf, die
im Winkel gegeneinander versetzt sind, so kann durch diese verschiedenen
Abbildungen auch eine unrunde Verformung der Feder 20 festgestellt
werden, ohne das das Stativ 12 und damit die Feder 20 um
die vertikale Achse gedreht wer den müssen.
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- 10
- Bett
- 12
- Stativ
- 14
- obere
Platte
- 16
- untere
Platte
- 18
- motorischer
Antrieb
- 20
- Feder
- 22
- Beleuchtung
- 24
- Lichtstrahl
- 26
- Kamera