DE102012005555B3

DE102012005555B3 - Messplatte mit Sensoren

Info

Publication number: DE102012005555B3
Application number: DE201210005555
Authority: DE
Inventors: Robert Canti; Ludwig Schaller; Christian Disch; Andri Lehmann
Original assignee: Kistler Holding AG; Audi AG
Current assignee: Kistler Holding AG; Audi AG
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2032-03-22

Abstract

Es wird eine Messplatte mit an Messpunkten (23 bis 26) eines Grundkörpers (1) angebrachten Sensoren (6, 7) vorgeschlagen, die zur Messung von zwischen Lagerflächen (37) auftretenden hohen Schub- und Druckkräften geeignet ist. Die Messplatte (MP) hat holzylindrische Ausnehmungen (2 bis 5), in die piezoelektrische Sensoren (6, 7) zur Messung von Kräften unterschiedlicher Kraftrichtungen jeweils mittels eines aufgeschraubten Druckstücks (8) unter Vorspannung montiert sind, wobei die von den Sensoren (6, 7) abgewandte obere Fläche (30) des zugehörigen Druckstücks (8) mit der angrenzenden Oberfläche (31) des Grundkörpers (1) fluchtet oder geringfügig an der Oberfläche (31) des Grundkörpers (1) übersteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messplatte mit Sensoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Messung von Zug-, Druck- oder Scherkräften, die während eines Umformprozesses im Bereich eines Werkzeugs auftreten, ist aus der EP 1 057 586 A2 ein Werkzeug bekannt, welches einen Modul aufweist, auf dessen Oberfläche Dünnschichtsensoren vorgesehen sind. Die Oberfläche des Moduls bildet gemeinsam mit der Funktionsoberfläche des Werkzeugs eine durchgehende Oberfläche, die an die Werkzeugkontur angepasst ist. Durch diese Anordnung können lokal verschiedene Parameter, wie Temperatur, Druck, Scherkraft und/oder eine Deformation des Werkzeugs bestimmt werden.
Zur Messung von dynamischen Kraftvorgängen sind scheibenförmige piezoelektrische Kraftsensoren bekannt, die als eindimensionaler Sensor eine Kraftmessung in einer Richtung ermöglichen. Es sind auch piezoelektrische Kraftsensoren bekannt, die als dreidimensionale Sensoren ausgebildet sind und somit in allen drei Raumkoordinaten eine Messempfindlichkeit besitzen.
Aus der EP 0 459 068 B1 ist ein Dünnscheiben-Kraftsensor mit parallel geschalteten Sensoren für Druck- und Schubkräfte bekannt, der zum Einbau unter Gewindemuttern oder zwischen kraftübertragende Maschinenteile vorgesehen ist. Die als Messelemente verwendeten Piezokeramikscheiben sind unter hoher mechanischer Vorspannung in eine Metallringscheibe eingeschweißt. Durch das Verschweißen mit der Metallringscheibe sind die Messelemente stoffschlüssig in die Metallringscheibe integriert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messplatte mit Sensoren zur Messung von zwischen Lagerflächen auftretenden hohen Schub- und Druckkräften zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erhalten. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 sind in der Messplatte vorzugsweise holzylindrische Ausnehmungen vorgesehen, in die piezoelektrische Sensoren zur Messung von Kräften in unterschiedlichen Kraftrichtungen unter Vorspannung eingesetzt sind. Hierzu ist ein Druckstück von oben auf die Sensoren aufgeschraubt, wobei die von den Sensoren abgewandte Oberfläche des Druckstücks mit der Oberfläche der Messplatte fluchtet oder geringfügig übersteht. Die derart aufgebaute Messplatte kann zwischen Lagerflächen eines zur Blechumformung verwendeten Schiebers einer Presse oder im Bereich anderer Lagerflächen eingesetzt werden, wo hohe Druckkräfte, von beispielsweise über 100 to, auftreten können und messtechnisch erfasst werden sollen. Eine erfindungsgemäße Messplatte kann beispielsweise vier in gleichen Abständen und in einer Reihe angeordnete Messpunkte mit piezoelektrischen Sensoren besitzen, wobei aber auch andere geometrische Verteilungen der Messpunkte in der Fläche der Messplatte zweckmäßig sein können.
Die bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass in jeder Ausnehmung, die die Position eines Messpunktes repräsentiert, ein Druck- und ein Schubsensor übereinander angeordnet sind. Der Druck- und Schubsensor bilden zusammen mit dem Druckstück ein Sensorpaket, mit dem im Bereich jedes Messpunkts eine auftretende Druckkraft und eine Schubkraft messbar sind. Die in unterschiedlichen Ausnehmungen eingesetzten Schubsensoren können zur Messung von Schubkräften in unterschiedlichen Richtungen positioniert sein.
Um die mit der Messplatte verschraubten piezoelektrischen Sensoren vor einer Überbelastung zu schützen, besteht die Messplatte aus einem Stahl mit einem höheren Elastizitätsmodul als der Elastizitätsmodul der Sensoren.
Die Sensoren und das Druckstück, welches die Sensoren in den Ausnehmungen gegen den Grundkörper der Messplatte verspannt, besitzen vorzugsweise konzentrische Befestigungslöcher, in die eine Zentrierhülse eingesetzt ist, durch die eine Spannschraube in eine Gewindebohrung am Boden der Ausnehmung eingreift. Mit dem Kopf der Spannschraube wird das Druckstück gegen die Sensoren verspannt, und zwar bevorzugt mit einer vorgegebenen Spannkraft. Die an unterschiedlichen Messpunkten der Messplatte angeordneten Sensoren mit aufgesetzten Druckstücken sind vorzugsweise gleichermaßen vorgespannt montiert, wenn gleiche Spannungsverhältnisse an allen Sensoren der Messplatte erhalten werden sollen.
Die piezoelektrischen Sensoren sind bevorzugt als ringförmige Scheiben mit einem mittig angeordneten Befestigungsloch ausgebildet, die handelsüblich in unterschiedlichen Größen zur Verfügung stehen. Diese Sensoren sind insbesondere auch für die Aufzeichnung von Kräfteverläufen und zur Messung dynamischer Belastungen geeignet. Auch eine Messung von absoluten Kraftwerten ist nach einer Kalibrierung mit entsprechender Genauigkeit möglich.
Die Messplatte ist vorzugsweise mit zwei oder mehreren Messpunkten mit Sensoren ausgestattet, um nicht nur eine lokale Messung, sondern eine Messung von auftretenden Kräften verteilt in der Fläche vornehmen zu können. Dabei können die Messpunkte am Grundkörper der Messplatte in gleichen Abständen in Reihe oder in der Fläche des Grundkörpers in einer an eine bestimmte Anwendung angepassten Verteilung positioniert sein.
Die Messplatte mit dem aus Stahl gefertigten Grundkörper kann somit durch eine entsprechende Positionierung der Messpunkte an die jeweiligen Messaufgaben angepasst sein. Dabei ermöglicht der einen hohen Elastizitätsmodul aufweisende Stahl einerseits eine Messung von sehr hohen Kräften und schützt andererseits die in den Ausnehmungen einliegenden Sensoren vor Beschädigungen.
Die elektrischen Messsignale der Sensoren können in einer Auswerteelektronik aufgezeichnet und/oder ausgewertet werden, um beispielsweise einen zeitlichen Verlauf der auftretenden Druck- und Schubkräfte zu berechnen. Ergänzend können zu der erfindungsgemäßen Messplatte zusätzliche Kraftsensoren oder Wegmesssysteme für die Zuordnung der Kraftsignale in an sich bekannter Weise zum Einsatz kommen, falls dies für den jeweiligen Anwendungsfall zweckmäßig oder erforderlich ist.
Die Montage der Sensoren wird durch seitliche Anschlusskanäle erleichtert, die sich an jeden der holzylindrischen Ausnehmungen anschließen. Damit können die Sensoren problemlos von oben in die Ausnehmungen eingesetzt und die elektrischen Anschlussleitungen können an seitlichen Anschlussbuchsen aus dem Grundkörper der Messplatte herausgeführt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 die Ansicht einer erfindungsgemäßen Messplatte mit vier Messpunkten,
2 einen Längsschnitt der Messplatte von 1,
3 einen piezoelektrischen Sensor, der für den Einsatz in der Messplatte von 1 geeignet ist, und
4 eine schematische Darstellung einer Presse, die zur Blechumformung einen Schieber entlang einer geneigten Lagerfläche bewegt.
Die in 1 dargestellte Messplatte MP besteht aus einem Grundkörper 1 aus Stahl, an dem in holzylindrische Ausnehmungen 2 bis 5, von denen hier nur der obere Öffnungsrand ersichtlich ist, piezoelektrische Sensoren eingesetzt sind, die in 2 ersichtlich und dort mit den Bezugszahlen 6, 7 bezeichnet sind. In jeder der Ausnehmungen 2 bis 5 werden paarweise übereinander einliegenden Sensoren 6, 7 jeweils mittels eines Druckstücks 8 gegen den Boden 9 (vgl. 2) verspannt. Die Druckkörper 8 sind zu diesem Zweck jeweils mittels einer Spannschraube 10 am Grundkörper 1 festgeschraubt.
An die holzylindrischen Ausnehmungen 2 bis 5 schließt sich jeweils ein Anschlusskanal 11 an, in den die elektrischen Anschlüsse 12, 13 (vgl. 2) der Sensoren 6, 7 hineinragen.
Die Messplatte MP besitzt außerdem in 1 ersichtliche Befestigungslöcher 14 bis 17, an denen die Messplatte MP an einer Lagerfläche, beispielsweise an der Lagerfläche eines Schiebers einer Presse, montiert werden kann. Außerdem zeigt 1 insgesamt vier Anschlussbuchsen 18 bis 21, die über den Grundkörper 1 durchdringende Leitungskanäle zu den Anschlusskanälen 11 führen. Ein derartiger Leitungskanal 22 ist zugeordnet zur Anschlussbuchse 19 mit unterbrochener Linie angedeutet. Somit können elektrische Anschlussleitungen der Sensoren 6, 7 über die Leitungskanäle aus den Anschlussbuchsen 18 bis 21 herausgeführt werden.
Der Grundkörper 1 der in 1 dargestellten Messplatte MP besteht aus einem Stahl mit einem Elastizitätsmodul, der höher ist als der Elastizitätsmodul der im Grundkörper 1 einliegenden Sensoren 6, 7. Damit kann sichergestellt werden, dass auch bei sehr hohen, auf die Flachseiten der Messplatte MP einwirkenden Druckkräften, eine Beschädigung der Sensoren 6, 7 vermieden wird. Je nach Anwendungsfall besteht auch die Möglichkeit, dass die Druckstücke 8 aus einem Metall mit einem geringeren Elastizitätsmodul bestehen.
2 zeigt einen mittig durch die Messplatte MP von 1 verlaufenden Längsschnitt. Jede Anordnung von übereinander positionierten Sensoren 6, 7 mit zugehörigem Druckstück 8 bildet einen von insgesamt vier Messpunkten 23 bis 26. Jeder Messpunkt 23 bis 26 besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel einen als Schubsensor ausgebildeten Sensor 6 und einen als Drucksensor ausgebildeten Sensor 7, deren elektrische Anschlüsse 12, 13 in die Anschlusskanäle 11 hineinragen. Die weiterführenden elektrischen Leitungen sind hier nicht dargestellt.
Das Druckstück 8 eines Messpunkts 23 bis 26 überträgt die von der Spannschraube 10 ausgehende Spannkraft auf die Sensoren 6, 7, die mittels einer Zentrierhülse 27 konzentrisch zur Spannschraube 10 positioniert sind. Das Gewinde 28 der Spannschraube 10 greift in jeweils eine entsprechende Gewindebohrung 29 am Grundkörper 1 ein.
Die Druckstücke 8 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel so montiert, dass deren obere Fläche 30, geringfügig gegenüber der angrenzenden Oberfläche 31 des Grundkörpers 1 übersteht. Es kann aber auch zweckmäßig sein, die Druckstücke 8 so anzubringen, dass deren obere Fläche 30 exakt mit der angrenzenden Oberfläche 31 des Grundkörpers 1 fluchtet.
In 3 ist ein handelsüblicher piezoelektrischer Sensor 6, 7 dargestellt, der als Drucksensor eine vertikale Kraft F_v messen kann. Ist dieser Sensor als Schubsensor ausgebildet, kann er eine horizontale Schubkraft F_h messen. In dem Ausführungsbeispiel von 1 und 2 sind derartige Sensoren 6, 7 an dem Grundkörper 1 der Messplatte MP montiert.
Die schematische Darstellung von 4 zeigt eine Presse zur Umformung eines Blechteils 32, welches mittels eines Schiebers 33 und einem an diesem befestigten Werkzeug 34 an einem zweiten Werkzeug 35 unter hohem Druck in Pfeilrichtung 35 umgeformt wurde. Beim Umformvorgang bewegt sich der Schieber 33 in Pfeilrichtung 36 entlang einer entsprechend geneigten Lagerfläche 37. An der Lagerfläche 37 liegt eine am Schieber 33 montierte Messplatte MP auf, die wie in 1 mit Sensoren und Druckstücken ausgerüstet sein kann.
Zur Betätigung des Schiebers 33 ist ein Pressenstempel 38 vorgesehen, der sich beim Umformvorgang in Pfeilrichtung 39 bewegt. Die Vertikalbewegung des Pressenstempels 38 wird in eine Schiebebewegung gemäß der Pfeilrichtung 36 umgewandelt, wobei an der Lagerfläche 37 Druck- und Schubkräfte auftreten. Diese Kräfte werden mittels der Messplatte MP gemessen und in einer elektronischen Messeinrichtung 40 ausgewertet.

Claims

Messplatte mit an Messpunkten (23 bis 26) eines Grundkörpers (1) angebrachten Sensoren (6, 7), die zur Messung von zwischen Lagerflächen (37) auftretenden hohen Schub- und Druckkräften geeignet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messplatte (MP) Ausnehmungen (2 bis 5) hat, in die piezoelektrische Sensoren (6, 7) zur Messung von Kräften unterschiedlicher Kraftrichtungen jeweils mittels eines aufgeschraubten Druckstücks (8) unter Vorspannung montiert sind, und dass die von den Sensoren (6, 7) abgewandte obere Fläche (30) des zugehörigen Druckstücks (8) mit der angrenzenden Oberfläche (31) des Grundkörpers (1) fluchtet oder geringfügig an der Oberfläche (31) des Grundkörpers (1) übersteht.
Messplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als piezoelektrische Sensoren (6, 7) in jeder Ausnehmung (2 bis 5) ein Druck- und ein Schubsensor übereinander eingesetzt sind.
Messplatte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des aus Stahl gefertigten Grundkörpers (1) höher ist als der Elastizitätsmodul der Sensoren (6, 7).
Messplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils übereinander angeordneten Sensoren (6, 7) eines Messpunkts (2 bis 5) und das zugehörige Druckstück (8) konzentrische Befestigungslöcher haben, dass in die Befestigungslöcher eine Zentrierhülse (27) eingesetzt ist, und dass eine Spannschraube (10) durch das Druckstück (8) und die Zentrierhülse (27) in eine Gewindebohrung (29) am Boden (9) der Ausnehmung (2 bis 5) eingreift.
Messplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren als ringförmige Scheiben ausgebildet sind.
Messplatte nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpunkte (23 bis 26) an dem Grundkörper (1) in gleichen Abständen in Reihe angeordnet sind.
Messplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpunkte (23 bis 26) an dem Grundkörper (1) in der Fläche des Grundkörpers (1) verteilt angeordnet sind.
Messplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an jede der Ausnehmungen (2 bis 5) ein seitlicher Anschlusskanal (11) anschließt, in den die elektrischen Anschlüsse (12, 13) der Sensoren (6, 7) hineinragen, und dass von jedem der Anschlusskanäle (11) jeweils ein Leitungskanal (22) zu seitlich am Grundkörper (1) angeordneten Anschlussbuchsen (18 bis 21) führt.