-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kapazitive Messeinrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung bei leitfähigen, also in der Regel metallischen Werkstückoberflächen für thermische Bearbeitungswerkzeuge, wie z. B. Autogen- oder Plasma-Schneidbrenner. Hierbei wird die Abstandabhängigkeit der Kapazität ausgenutzt, die zwischen der Werkstückoberfläche und einer Sensorelektrode besteht, die in der Nähe der Brennerdüse angeordnet ist. Die Auswertung des Kapazitätswertes erfolgt meist durch einen LC-Hochfrequenz-Oszillators, wobei die abstandsabhängige Kapazität (im folgenden als Messkapazität CM bezeichnet) Teil der Schwingkreiskapazität des Oszillators ist.
-
Eine derartige Messeinrichtung ist z. B. aus der Patentschrift
DE 10059232 C2 vorbekannt. Die in dieser Patentschrift wesentlichen Elemente – soweit sie die vorliegende Erfindung betreffen – sind in
1 dargestellt. Die leitfähige Werkstückoberfläche
1 und die Sensorelektrode
2 (hier in Ringform) bilden eine Messkapazität
3, deren Wert von der Geometrie der Elektrode und vom gegenseitigen Abstand abhängt. Die Sensorzuführung
6, z. B. aus federndem Stahldraht bestehend, verbindet die Elektrode mit der Sensorhalterung
5 und ist isoliert an ihr befestigt. Die Sensorhalterung selbst ist über eine Klemme
7 am Bearbeitungswerkzeug
4 befestigt. Die Sensorhalterung enthält elektronische Schaltungselemente, die als Transformationsglieder oder zum Überspannungsschutz dienen. Parallel zur Messkapazität C
M sind die parasitären Kapazitäten zwischen Elektrode und dem Bearbeitungswerkzeug
9 (C
P1) bzw. zwischen Sensorzuführung und dem Bearbeitungswerkzeug
10 (C
P2) wirksam. Sie beeinflussen also auch die Schwingkreiskapazität. Ändern sich die Kapazitäten, so wird das Messergebnis verfälscht.
-
In der Regel ist eine derartige kapazitive Messeinrichtung Teil eines Abstandsregelkreises, der während des Bearbeitungsprozesses den Abstand zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück konstant halten soll. Dieses Abstandsmess- und -regelverfahren ist seit Jahrzehnten in der industriellen Praxis bewährt und stellt den Stand der Technik dar. Allerdings hat die in 1 dargestellte Anordnung auch einige Nachteile:
So kann sich die Position der Elektrode bzw. der Sensorzuführung z. B. bei der Kollision mit einem Hindernis ändern, was eine Änderung der parasitären Kapazitäten CP1 und CP2 (Pos. 9 bzw. 10 in 1) zur Folge hat. Das erfordert entweder eine mechanische Neujustage von Elektrode und Sensorzuführung oder eine neue Kalibration der Abstandsmessung. Beides ist zeitaufwendig und in der betrieblichen Praxis störend.
-
Für die Kapazitätsmessung maßgebend ist die wirksame Messfläche der Elektrode, die bei einer Ringelektrode etwas größer ist als die Kreisfläche, die der Rings umschließt, wobei typische Durchmesser von Ringelektroden zwischen 40 mm und 70 mm liegen. Nähert sich die Elektrode einem Ausschnitt im Werkstück, oder dem Werkstückrand, so kann eine Verfälschung des Abstandsmessung auftreten. Dieser Sachverhalt ist in 2 skizziert: Neben der Düse des Bearbeitungswerkzeugs, dem Werkstück 1 und der Ringelektrode 2 sind elektrostatische Feldlinien 22 (unterbrochene Linien) sowie die wirksame Messfläche 23 als Schnittzeichnung dargestellt.
-
Befindet sich die Messfläche – wie in 2 skizziert – nicht vollständig über der Werkstückfläche, so ist die Messkapazität kleiner, als es dem Abstand Elektrode – Werkstück (in 2 als h0 bezeichnet) entspricht. Der durch die Sensorik ermittelte Abstand hs ist in einem solchen Fall zu hoch. Im Abstandsregelbetrieb hat das zur Folge, dass die Regelung einen zu niedrigen Abstand einstellt. Dadurch ist die Schnittqualität wegen der Abweichungen vom Sollabstand deutlich verschlechtert. Im Extremfall können Kollisionen der Düse mit dem Werkstück auftreten, was zu Beschädigungen führt. Das hat zur Folge, dass in der Nähe von Ausschnitten oder am Rand nicht geschnitten wird, die Werkstückausnutzung also nicht optimal ist.
-
Ein weiterer Nachteil ist die Seitenempfindlichkeit. Falls sich, wie in 3 skizziert ist, die Elektrode bzw. die Sensorzuführung einer Werkstück-Ecke nähert, so ist die Messkapazität höher, als es normalerweise dem Abstand h0 entspricht. Der durch die Sensorik ermittelte Abstand hs ist also in diesem Fall zu niedrig. Auch hier verschlechtert sich im Regelbetrieb die Schnittqualität wegen der Abweichung vom Sollabstand. Dadurch bedingt ist diese Abstandsmesseinrichtung bei dreidimensionalen Werkstück-Topografien nicht einsetzbar.
-
Mehrere Ansätze zur Reduzierung der Messfläche und der Seitenempfindlichkeit sind vorbekannt:
Ein nahe liegender Ansatz ist die Verwendung der Düse des Bearbeitungswerkzeugs als Sensorelektrode. Eine derartige Abstandssensorik ist für Laserstrahlschneidanlagen schon lange vorbekannt, z. B. aus der Patentschrift
DE 3814985 C2 .
-
In der
Gebrauchsmusterschrift G 9419477.7 ist vorgeschlagen, die Düse des Brenners als Sensorelektrode einzusetzen. Konstruktionsbedingt ist die Düse bei üblichen Werkzeugen (z. B. Autogen- oder Plasma-Brenner) galvanisch oder kapazitiv mit dem Brenner verbunden. Dadurch ist die parasitäre Kapazität in dieser Anordnung sehr hoch und zudem nicht stabil. Um die parasitäre Kapazität zu reduzieren, und eine zuverlässige Messung möglich zu machen, ist der Brenner – abgesehen von der Brennerdüse – innerhalb eines abschirmenden metallischen Gehäuses untergebracht (siehe
4). Dadurch ist die Messfläche auf die Querschnittsfläche der Brennerdüse beschränkt, also minimal.
-
Die bei dieser Anordnung gegenüber der Messkapazität CM enorm große parasitäre Kapazität CP zwischen Brenner und Abschirmgehäuse würde allerdings eine präzise und stabile Messung unmöglich machen. Daher wird gemäß Anspruch 4 der genannten Schutzrechtschrift die parasitäre Kapazität nach dem bekannten Verfahren der aktiven Schirmung dadurch kompensiert, dass das Abschirmgehäuse mit einem Schirmpotential verbunden ist, das nach Betrag und Phase exakt mit dem Wechselspannungspotential der Sensorelektrode übereinstimmt. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, erhöht sich die gemessene Kapazität erheblich, was die Funktionsfähigkeit des Messsystems in Frage stellen kann. Dies betrifft z. B. in der industriellen Praxis auftretende Störungen z. B. durch Plasma oder Metallspritzer. Eine einwandfreie Funktion des Schirmpotential bei solchen Störungen wäre nur mit einer sehr aufwendigen Elektronik sicher zu stellen.
-
In der
DE 10202867 A1 wird vorgeschlagen, die Brennerdüse gegenüber dem Brennerkörper elektrisch zu isolieren und als Sensorelektrode für die Kapazitätsmessung einzusetzen. In dieser Schutzrechtschrift wird jedoch nicht auf eine konkrete technische Ausgestaltung dieser kapazitiven Messeinrichtung eingegangen, insbesondere nicht, wie die Kontaktierung und Verbindung zur Elektronik erfolgen soll und wie bei der sehr hohen parasitären Kapazität dieser Anordnung eine zuverlässige Messung erfolgen kann.
-
Die
DE 102009014 beschreibt eine kapazitive Abstandssensorik für Plasmaschneiddüsen, wobei die ringförmige Sensorelektrode sich im Innern der Brennerspitze befindet und durch eine nicht leitenden Kappe abgedeckt ist. Hier wird die Messfläche und Seitenempfindlichkeit gegenüber der in
1. skizzierten klassischen Messanordnung erheblich reduziert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Gefahr einer Dejustage der Elektrode infolge einer Kollision durch diese Konstruktion praktisch ausgeschlossen ist.
-
Die parasitäre Kapazität der Ringelektrode und des Kontaktelementes, das die Elektrode mit der Sensorelektronik verbindet, zur Düse ist allerdings wesentlich größer als die Messkapazität zum Werkstück, was die Messempfindlichkeit gegenüber einer Anordnung gemäß 1 erheblich verschlechtert.
-
Ein weiterer Nachteil ist, dass die Realisierung eine spezielle Konstruktion des Plasmabrenners erfordert, damit die Elektrode in der Brennerspitze und ein Teil der Sensorelektronik im Brenner integriert werden kann, was mit erheblichen Zusatzaufwand verbunden ist. Für Autogenschneidbrenner ist dieses Konzept konstruktionsbedingt nicht einsetzbar.
-
Die im folgenden dargestellte erfindungsgemäße Lösung bezieht sich auf das bereits erwähnte Messverfahren, bei dem die Messkapazität Teil eines Hochfrequenzoszillators ist. Sie zielt darauf ab, die Nachteile der vorbekannten Anordnungen zu vermeiden. Sie ermöglicht eine sehr kompakte Sensorelektrode mit kleiner Messfläche und geringer Seitenempfindlichkeit und damit auch die abstandsgeregelte Bearbeitung dreidimensionaler Werkstücke. Weiter läßt sie sich mit geringem Aufwand herstellen und universell an Bearbeitungsköpfe anpassen, so dass die abstandsgeregelte Bearbeitung dreidimensionaler Werkstücke auch bei Autogenschneidanlagen möglich wird.
-
Die erfindungsgemäße Lösung ist im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Wie 5 zeigt, bilden das Trägerteil 14, das Isolierteil 13, und der leitfähige Haltering 12 für die Sensorelektrode 2 eine im wesentlichen konzentrische Einheit, die am Rohr 4 des Bearbeitungswerkzeuges befestigt ist. Die Fixierung und ggf. auch Zentrierung dieser Einheit erfolgt bei der dargestellten Variante durch eine oder mehrere Fixierelemente 15, z. B. durch Schrauben. Die Sensorelektrode hat vorzugsweise eine Ringstruktur und ist bei der dargestellten Variante über Halteelemente 6 mit dem Haltering elektrisch leitend verbunden. Die Gefahr von Beschädigung der Elektrode bei Kollisionen kann dadurch minimiert werden, dass die Halteelemente elastisch nachgiebig ausgebildet werden. Im Trägerteil 14 befinden sich eine elektronische Anpassschaltung 17, die Bestandteil des Hochfrequenzoszillators ist. Die Elektrode bzw. der Haltering sind in geeigneter Weise mit der Anpassschaltung über eine Leitung 16 verbunden. Über eine elektrische Leitung 8, vorzugsweise eine Koaxialleitung, ist die Anpassschaltung mit der übrigen Oszillatorelektronik verbunden.
-
Die Abmessungen der Elektrode können in weiten Grenzen variiert werden, es muß nur vermieden werden, dass die Düse berührt wird oder die parasitäre Kapazität zu groß wird. insbesondere lassen sich sehr kleine Ring-Elektroden realisieren, z. B. für einen typischen Autogenbrenner mit einem Innendurchmesser von 15 mm und einer Ringbreite von 3–5 mm. Dadurch wird der Einsatz bei dreidimensionalen Anwendungen und Fasenschnitt möglich. Beim Fasenschnitt steht die Brennerdüse nicht lotrecht, sondern schräg, z. B. unter 45° zur Werkstückoberfläche, so dass eine schräge Schnittkante erreicht wird.
-
Die Elektrode und die Halteelemente können sehr kostengünstig einstückig, z. B. durch Tiefziehen aus Edelstahl, hergestellt werden.
-
Bei der in 6 dargestellten Variante erfolgt die Zentrierung des Trägerteils 14, das hier einen deutlich größeren Durchmesser als das Brennerrohr 4 aufweist, durch passend gewählte Zentrierringe 18, z. B. elastische sogenannte ”O-Ringe”. Diese Selbstzentrierung vereinfacht die Montage. Weiter ist in 6 die Elektrode 2 direkt mit dem Haltering verbunden. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Anordnung, die allerdings nicht so nachgiebig z. B. bei Kollisionen ist wie die Lösung in 5, was bei Kollisionen eher zu Beschädigungen führen kann. Da die Halteelemente wegfallen, weist diese Variante eine besonders geringe Seitenempfindlichkeit auf und ist daher besonders gut für dreidimensionale Anwendungen geeignet.
-
Da Sensorelektroden bei Bearbeitungsmaschinen in der Regel Verschleißteile sind, ist es vorteilhaft, die Befestigung der Sensorelektrode bzw. der Halteelemente am Haltering so zu gestalten, dass sie leicht ausgetauscht werden können, z. B. durch Gewinde- oder Klemmvorrichtungen. Im Falle eines Austausches ist bei dieser erfahrungsgemäßen Lösung keine mühsame Justage und Zentrierung der Ringelektrode nötig wie bei der in 1 dargestellten Anordnung.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Elektrode mit einer Keramikschicht überzogen. Dadurch wird eine im Vergleich zu einer metallischen Oberfläche sehr geringe Haftung von Metallspritzern oder Schlacke erreicht, was für die Standzeit der Elektrode vorteilhaft ist.
-
Wie in 7 gezeigt, ist es auch erfindungsgemäß, den gesamten Oszillator 19 im Trägerteil 14 zu integrieren. Mit oberflächenmontierten, sehr kleinen Elektronik-Bauelementen lässt sich der gesamte Hochfrequenz-Oszillator auf einer Fläche von 1–2 cm2 unterbringen. Ein Vorteil dieser Variante ist neben dem kompakten Aufbau, dass das Hochfrequenz-Signal des Oszillators über die Leitung 8 über größere Entfernungen (z. B. 10 ... 20 m) zur Sensorelektronik transportiert werden kann.
-
Die erfindungsgemäße Messanordnung, wie bisher beschrieben, ist beschränkt auf leitende Werkstücke. Durch Einsatz einer taktilen Zusatzelektrode
20, wie sie beispielhaft in
8 dargestellt ist, kann eine Abstandsmessung auch bei nicht leitenden Werkstücken durchgeführt werden. Grundsätzlich sind taktile Zusätze bei kapazitiven Messanordnungen z. B. aus der
DE-OS 3826634 vorbekannt. Abhängig vom Abstand zwischen der Ringelektrode
2 und der Zusatzelektrode
20, die von Haltestäben
21 vertikal verschiebbar geführt und mit Druckfedern
15 auf das Werkstück gedrückt wird, ändert sich die Messkapazität C
M zwischen diesen beiden Elektroden. C
M ist auch ein Maß für den Abstand zwischen Werkstück und Düse des Bearbeitungskopfes, so dass mit der Ergänzung durch einer taktilen Zusatzelektrode die kapazitive Messeinrichtung auch für nicht leitende Materialien eingesetzt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10059232 C2 [0002]
- DE 3814985 C2 [0007]
- DE 9419477 U [0008]
- DE 10202867 A1 [0010]
- DE 102009014 [0011]
- DE 3826634 A [0023]
