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Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur dynamischen Erfassung von Kräften gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Messsysteme der hier angesprochenen Art sind bekannt. Diese umfassen ein Krafteinleitungselement und ein Gegenelement, welche so insbesondere relativ zueinander angeordnet und ausgebildet sind, dass durch das Krafteinleitungselement eine Kraft in das Gegenelement einleitbar ist, welches eine Gegenkraft aufbringt. Beispielsweise kann das Messsystem als Vorrichtung zum Umformen eines Werkstücks beziehungsweise als Werkzeugmaschine ausgebildet sein. Das Gegenelement kann Teil der Werkzeugmaschine oder auch eine externe Auflagefläche, beispielsweise eine Art Amboss oder eine Halterung für ein Werkstück sein, wobei es nur darauf ankommt, dass das Gegenelement in der Lage ist, die nötige Gegenkraft zu der durch das Krafteinleitungselement ausgeübten Kraft aufzubringen.
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Aus der
DE 10 2007 040 130 B3 geht eine Vorrichtung zum Umformen eines Werkstücks hervor, die ein adaptronisches Stellglied zur Erzeugung einer intermittierenden Bewegung zwischen einem Werkstück und einem Werkzeug umfasst. Dabei kann das adaptronische Stellglied auf einem piezoelektrischen Wirkprinzip beruhen. Eine genaue Anordnung oder Ausbildung des adaptronischen Stellglieds ist dem Dokument nicht zu entnehmen.
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Es ist auch bekannt, dynamische Umformkräfte mithilfe von Kraftmessdosen zu messen, welche allerdings eine niedrige Eigenfrequenz aufweisen, wodurch nur eine stark verfälschte Erfassung dynamischer Kraftverläufe möglich ist. Zudem stellen Kraftmessdosen hohe Anforderungen an den zur Verfügung stehenden Bauraum. Es ist weiterhin bekannt, dynamische Umformkräfte mithilfe von Dehnmessstreifen zu messen. Hierzu ist jedoch für jede Messaufgabe eine optimierte Geometrie des eine Kraft übertragenden Elements erforderlich, damit aus dessen Dehnung auf die wirkende Kraft geschlossen werden kann. Auch hieraus ergibt sich eine hohe Bauraumanforderung. Hinzu kommt, dass das Messsignal eines Dehnmessstreifens sehr stark störungsanfällig ist, wobei es insbesondere durch elektromagnetische Felder stark beeinflusst wird. Solche Messungen erfordern daher einen hohen Grad an Spezialwissen. Sie sind letztlich nur für Spezialaufbauten im Labor nutzbar und nicht flexible einsetzbar. Bekannt ist es auch, dynamische Kräfte, insbesondere Umformkräfte mit Sensormodulen auf Basis resistiver Dünnschichtsensoren zu messen. Diese benötigen allerdings eine eigene Spannungsversorgung und einen Messverstärker. Ihr Einsatz ist daher teuer und umständlich.
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Schließlich ist es bekannt, dynamische Umformkräfte mithilfe folienartiger piezoelektrischer Aufnehmer zu messen. Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Aufnehmers und ein solcher Aufnehmer sind aus der
DE 43 44 911 A1 bekannt. Aus dem Artikel
„Use of PVF₂ shock gauges for stress measurements in Hopkinson bar" von F. Bauer und A. Lichtenberger, Shock Waves in Condensed Matter, 1987, 631, ist der Einsatz eines folienartigen piezoelektrischen Aufnehmers zur Schockwellenmessung in direktem Werkstückkontakt bekannt. Generell werden folienartige piezoelektrische Aufnehmer üblicherweise in direktem Werkstückkontakt verwendet. Dies hat den Nachteil, dass nur eine einmalige Verwendung des Sensors möglich ist, und dass die Querdehnung des Werkstücks einen Einfluss auf das Messsignal hat. Daher ist das Einsatzgebiet folienartiger piezoelektrischer Aufnehmer letztlich hauptsächlich auf Schockwellenmessungen in Laboraufbauten begrenzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges, zuverlässiges, einfach und insbesondere auch mehrfach nutzbares Messsystem zur dynamischen Erfassung von Kräften zu schaffen, welches insbesondere geeignet ist, dynamische Umformkräfte zuverlässig zu erfassen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass das Krafteinleitungselement, das Gegenelement oder auch beide Elemente mindestens ein erstes Teilelement und mindestens ein zweites Teilelement umfasst/umfassen, wobei das erste Teilelement eine erste planare Anlagefläche aufweist, und wobei das zweite Teilelement eine der ersten Anlagefläche zugewandte, zweite planare Anlagefläche aufweist. Dabei ist zwischen der ersten und der zweiten Anlagefläche ein im Wesentlichen planarer, piezoelektrischer Aufnehmer so angeordnet, dass er an der ersten und an der zweiten Anlagefläche anliegt. Der piezoelektrische Aufnehmer ist demnach nicht zwischen dem Krafteinleitungselement und dem Gegenelement angeordnet, insbesondere nicht in Kontakt mit einem gegebenenfalls bearbeiteten Werkstück. Stattdessen ist mindestens eines der an der Krafterzeugung beteiligten Elemente zweigeteilt ausgebildet, wobei der piezoelektrische Aufnehmer zwischen den beiden Teilen im Kraftfluss angeordnet ist. Dadurch wird eine Zerstörung des piezoelektrischen Aufnehmers während der Messung vermieden, und eine mögliche Querdehnung eines Werkstücks hat keinerlei Einfluss auf das Messsignal. Es ist möglich, das erste und/oder das zweite Teilelement geometrisch an die zu erwartende Maximalkraft des zu erfassenden Prozesses und/oder die Belastbarkeit des piezoelektrischen Aufnehmers anzupassen, wobei insbesondere die erste und/oder auch die zweite Anlagefläche hieran angepasst sind. Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht eine Integration der Kraftmessung beispielsweise in eine Werkzeugmaschine, aber auch in andere Vorrichtungen, in denen dynamische Kraftmessungen durchgeführt werden sollen, wobei nur eine sehr geringe Beeinflussung des dynamischen Verhaltens des Gesamtaufbaus gegeben ist. Dabei weist der planare, piezoelektrische Aufnehmer eine sehr geringe Baugröße auf, was ihn besonders gut integrierbar macht. Ein dynamischer Kraftverlauf ist ohne Weiteres mithilfe beispielsweise eines marktüblichen Oszilloskops sowie herkömmlicher Datenauswertungssoftware erfassbar, ohne dass es spezieller Mess- beziehungsweise Ladungsverstärker bedarf. Auch eine eigene Spannungsversorgung für den Aufnehmer ist nicht erforderlich. Stattdessen wird das Messsignal direkt von dem piezoelektrischen Aufnehmer erzeugt. Dieser stellt eine sehr hohe Auflösung und exakte Wiedergabe der dynamischen Kräfte bereit, sodass hieraus eine sehr genaue Messung mit – bedingt durch die geringe Störungsanfälligkeit der Messsignale – äußerst günstigem Signal-Rausch-Verhältnis resultiert. Dadurch ist eine detailgetreue Erfassung von Kraftverläufen möglich, und zwar sowohl in Laboraufbauten als auch bei Serienanwendungen. Das beschriebene Messsystem ist daher insbesondere auch zur Prozessüberwachung geeignet.
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Es wird ein Messsystem bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass die erste und/oder die zweite Anlagefläche schräg zu einer Krafteinleitungsrichtung angeordnet ist/sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass zumindest eine Komponente der eingeleiteten Kraft senkrecht auf einer durch den planaren, piezoelektrischen Aufnehmer definierten Ebene steht. Diese ist dann zumindest insoweit im Kraftfluss angeordnet, als sich durch eine einfache geometrische Betrachtung aus der auf den Aufnehmer wirkenden Kraftkomponente auf die Gesamtkraft schließen lässt. Vorzugsweise sind die erste und/oder die zweite Anlagefläche im Wesentlichen senkrecht, besonders bevorzugt genau senkrecht zu der Krafteinleitungseinrichtung angeordnet. Der piezoelektrische Aufnehmer ist dann optimal in den Kraftfluss integriert, wobei die Krafteinleitungsrichtung senkrecht auf einer durch seine Lage definierten Ebene steht.
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Es wird auch ein Messsystem bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass der piezoelektrische Aufnehmer folienartig ausgebildet ist. Er ist dann besonders dünn und benötigt besonders wenig Bauraum, sodass er sehr leicht in verschiedene Anwendungen integrierbar ist.
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Es wird auch ein Messsystem bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass die erste und die zweite Anlagefläche planparallel zueinander ausgerichtet sind. Dies vereinfacht den geometrischen Aufbau wesentlich und hat eine gleichmäßige Belastung des piezoelektrischen Aufnehmers ohne mögliche Scherkräfte oder Querkräfte zur Folge.
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Es wird auch ein Messsystem bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass der piezoelektrische Aufnehmer zwischen dem ersten und dem zweiten Teilelement vorgespannt ist. Dies bedeutet, dass der piezoelektrische Aufnehmer in einem Ruhezustand des Messsystems, wenn also keine Kraft von dem Krafteinleitungselement in das Gegenelement eingeleitet wird, gleichwohl einer Vorspannkraft zwischen dem ersten Teilelement und dem zweiten Teilelement unterworfen ist. Hierdurch wird stets ein definiertes Ausgangssignal beziehungsweise eine definierte Nulllinie des unbelasteten Messsystems gewährleistet. Vorzugsweise wird die. Vorspannung über ein Vorspannelement aufgebracht, welches mit dem ersten und dem zweiten Teilelement zusammenwirkt, um diese gegeneinander vorzuspannen und so die Vorspannkraft in den piezoelektrischen Aufnehmer einzuleiten.
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Es wird auch ein Messsystem bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass es als Werkzeugmaschine ausgebildet oder von einer Werkzeugmaschine umfasst ist. Dabei ist das Krafteinleitungselement als ein erstes Werkzeugteil ausgebildet, das so angeordnet und ausgebildet ist, dass es mit einem Werkstück zusammenwirkt. Vorzugsweise wirkt es mit dem Werkstück zusammen, um dieses umzuformen. Die Werkzeugmaschine ist dann als Umformwerkzeug ausgebildet oder umfasst ein Unformwerkzeug. Der piezoelektrische Aufnehmer ist dabei nicht an dem Werkstück beziehungsweise in unmittelbarem Kontakt zu dem Werkstück angeordnet, sondern – wie bereits ausgeführt – zwischen dem ersten und dem zweiten Teilelement, sodass die Verformung des Werkstücks, insbesondere dessen Querdehnung, keinen Einfluss auf das Messsignal hat.
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In diesem Zusammenhang wird ein Messsystem bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass das Gegenelement als ein zweites Werkzeugteil ausgebildet ist, das mit einem vorzugsweise umzuformenden Werkstück zusammenwirkt. Dabei ist das Gegenelement Teil der Werkzeugmaschine. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es aber auch möglich, dass das Gegenelement ein nicht von der Werkzeugmaschine selbst umfasstes Element ist, welches jedenfalls so angeordnet und ausgebildet ist, dass es eine zur Bearbeitung des Werkstücks nötige Gegenkraft aufbringen kann. Dabei kann es sich bei dem Gegenelement auch schlicht um einen Hallenboden, eine Hallenwand oder eine Art Amboss beziehungsweise einen Halter für das Werkstück handeln.
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Es wird auch ein Messsystem bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass ein Werkstück zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil anordenbar ist, um das Werkstück umzuformen. Beispielsweise ist es möglich, dass das Krafteinleitungselement als Unter- oder Oberwerkzeug und das Gegenelement als Ober- oder Unterwerkzeug, zum Beispiel in einer Stempel/Matrizen-Konfiguration ausgebildet sind. Es ist auch möglich, dass die beiden Werkzeugteile zwei Teile eines Schmiedegesenks darstellen.
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Es wird auch ein Messsystem bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass die erste und die zweite Anlagefläche und der piezoelektrische Aufnehmer näher an dem Ort des Werkstücks als an einem dem Werkstück abgewandten Ende des Krafteinleitungselements oder des Gegenelements angeordnet sind. Dies spricht an, dass der piezoelektrische Aufnehmer vorzugsweise möglichst nahe an dem Werkstück angeordnet ist, um die dort wirkenden dynamischen Verformungskräfte möglichst genau zu erfassen. Insbesondere soll ein Kraftverlauf beim Umformen oder bei einer andersartigen Bearbeitung des Werkstücks möglichst detailgetreu und unverfälscht erfasst werden. Das Krafteinleitungselement und/oder das Gegenelement ist/sind daher bevorzugt so in das erste und das zweite Teilelement unterteilt, dass sich die Teilung an einem Ort ergibt, der – in Kraftrichtung gesehen – möglichst nah an dem Werkstück angeordnet ist. Es ergeben sich dann keine langen Wege für die Krafteinleitung in den piezoelektrischen Aufnehmer, sodass eine möglichst unverfälschte und detailgetreue Messung möglich ist.
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Schließlich wird ein Messsystem bevorzugt, welches sich dadurch auszeichnet, dass es als Werkzeugmaschine zum Hochgeschwindigkeitsumformen oder Hochgeschwindigkeitsscherschneiden ausgebildet ist. Alternativ ist das Messsystem von einer Werkzeugmaschine zum Hochgeschwindigkeitsumformen oder Hochgeschwindigkeitsscherschneiden umfasst.
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Es ist auch möglich, das Messsystem zur Erfassung dynamischer Kräfte in beliebigen anderen Anwendungen beziehungsweise Aufbauten einzusetzen. Beispielsweise kann das Messsystem in einen Kraftfahrzeug-Motor eingesetzt werden. Es ist dann zum Beispiel möglich, dass das Krafteinleitungselement als Kolben und das Gegenelement als Pleuel ausgebildet sind, wobei der piezoelektrische Aufnehmer zwischen einem ersten und einem zweiten Teilelement des Kolbens beziehungsweise des Pleuels angeordnet ist. In dem Motor auftretende dynamische Kräfte können dann sicher und detailgetreu erfasst werden, wobei sich ein platzsparender, konstruktiv sehr einfacher Aufbau für das Messsystem ergibt. Schließlich ist es auch möglich, das Messsystem zur Erfassung dynamischer Prozesskräfte beim Nieten einzusetzen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Schnittansicht durch ein als Werkzeugmaschine oder Teil einer Werkzeugmaschine ausgebildeten Messsystems.
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Das Messsystem 1 ist als Teil einer Werkzeugmaschine oder als Werkzeugmaschine ausgebildet. Diese umfasst ein oberes Maschinenelement 3 und ein unteres Maschinenelement 5. Es sind ein Krafteinleitungselement 7 und ein Gegenelement 9 vorgesehen, die so ausgebildet und insbesondere relativ zueinander angeordnet sind, dass durch das Krafteinleitungselement 7 eine Kraft in das eine Gegenkraft aufbringende Gegenelement 9 einleitbar ist.
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Das Krafteinleitungselement 7 kann bei verschiedenen Ausführungsbeispielen verschieden ausgebildet sein. Es steht vorzugsweise in Wirkverbindung mit einer Krafterzeugungseinrichtung. Beispielsweise ist es möglich, dass das Krafteinleitungselement 7 als Hydraulikkolben ausgebildet ist, der mit einem Hydraulikzylinder in Wirkverbindung steht. Der Hydraulikzylinder wirkt dabei als Krafterzeugungseinrichtung. Es ist auch möglich, dass das Krafteinleitungselement 7 mit einem Kolben eines Hydraulikzylinders verbunden ist. Weiterhin ist es möglich, dass das Krafteinleitungselement 7 vorzugsweise über ein Getriebe mit einem Motor in Verbindung steht, der als Krafterzeugungseinrichtung wirkt. Es ist auch möglich, dass ein Exzenter zwischen einem Motor und dem Krafteinleitungselement 7 zur Kraftübertragung vorgesehen ist.
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Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Krafteinleitungselement 7 einen Stempel 8, der mit einem Werkstück 11 zusammenwirkt, um dieses umzuformen. Dabei wird die zum Umformen nötige Kraft über das untere Maschinenelement 5 in den Stempel 8 eingeleitet, wobei eine mit dem unteren Maschinenelement 5 in Wirkverbindung stehende Krafterzeugungseinrichtung hier nicht dargestellt ist.
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Das Werkstück 11 ist einer Matrize 13 angeordnet, wo es durch das Gegenelement 9 gehalten wird. Dieses umfasst einen Niederhalter 14, der sich an dem oberen Maschinenelement 3 abstützt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Krafteinleitungselement 7 insbesondere ein erstes Teilelement 15 und ein zweites Teilelement 17 auf. An dem ersten Teilelement 15 ist eine erste, planare Anlagefläche 19 angeordnet, und an dem zweiten Teilelement 17 ist eine zweite, planare Anlagefläche 21 angeordnet. Zwischen der ersten Anlagefläche 19 und der zweiten Anlagefläche 21 ist ein folienartiger, planarer, piezoelektrischer Aufnehmer 23 so angeordnet, dass er sowohl an der ersten Anlagefläche 19 als auch an der zweiten Anlagefläche 21 anliegt.
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Eine Krafteinleitungsrichtung ist in der Figur durch eine durchgezogene Linie L dargestellt. Dabei zeigt sich, dass hier die erste Anlagefläche 19 und die zweite Anlagefläche 21 planparallel zueinander und senkrecht zu der Krafteinleitungsrichtung angeordnet sind. Entsprechend ist auch der piezoelektrische Aufnehmer 23 beziehungsweise eine durch dessen Lage definierte Ebene senkrecht zu der hier durch die Linie L dargestellten Krafteinleitungsrichtung angeordnet. Insbesondere ist der piezoelektrische Aufnehmer 23 im Kraftfluss der durch das Krafteinleitungselement 7 und das Gegenelement 9 erzeugten Kraft angeordnet.
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Die auf das Werkstück 11 wirkende Kraft kann daher durch den piezoelektrischen Aufnehmer 23 unverfälscht und detailgetreu erfasst werden, zumal dieser vergleichsweise nah an dem Werkstück 11 angeordnet ist.
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Dabei zeigt sich, dass das Krafteinleitungselement 7 neben dem ersten Teilelement 15 und dem zweiten Teilelement 17 weitere Elemente umfassen kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst es auch das untere Maschinenelement 5, vorzugsweise bis zu einer Verbindung zu der nicht dargestellten Krafterzeugungseinrichtung. Es zeigt sich dann, dass der piezoelektrische Aufnehmer 23 näher an dem Ort des Werkstücks 11 als an einem dem Werkstück abgewandten Ende des Krafteinleitungselements 7 angeordnet ist.
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Das erste Teilelement 15 und das zweite Teilelement 19 beziehungsweise insbesondere die ersten und zweiten Anlageflächen 19, 23 sind bevorzugt geometrisch an die zu erwartende Maximalkraft des Umformprozesses und auch an die Belastbarkeit des piezoelektrischen Aufnehmers 23 angepasst. Insbesondere kann so eine geeignete Druckverteilung in den piezoelektrischen Aufnehmer 23 gewährleistet werden.
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Abweichend von dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist es ohne Weiteres möglich, alternativ oder zusätzlich zu dem piezoelektrischen Aufnehmer 23 einen piezoelektrischen Aufnehmer im Bereich des Gegenelements 9 anzuordnen, welches dann ein erstes und ein zweites Teilelement mit erster und zweiter Anlagefläche aufweist. Ebenso ist es möglich, an weiteren interessierenden Positionen der Werkzeugmaschine oder des Werkzeugs alternativ oder zusätzlich mindestens einen piezoelektrischen Aufnehmer vorzusehen.
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Es ist möglich, dass das Gegenelement 9 relativ zu einem raumfesten Koordinatensystem stets ruht, sodass es lediglich passiv eine Gegenkraft zu der durch das Krafteinleitungselement 7 erzeugten Kraft aufbringt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass auch das Gegenelement 9 über das obere Maschinenelement 3 mit einer Krafterzeugungseinrichtung in Verbindung steht, sodass hier aktiv eine Gegenkraft erzeugt werden kann. Insbesondere, aber nicht nur in diesem Fall sind sowohl im Bereich des Krafteinleitungselements 7 als auch im Bereich des Gegenelements 9 piezoelektrische Aufnehmer vorgesehen.
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Der piezoelektrische Aufnehmer 23 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Teilelement 15, 17 vorgespannt. Hierzu ist ein Vorspannelement 25 vorgesehen, durch welches eine Vorspannkraft in das erste Teilelement 15 und das zweite Teilelement 17 einleitbar ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Vorspannelement 25 mit dem unteren Maschinenelement 5 verschraubt und wirkt über eine vorzugsweise als Ringnut ausgebildete Ausnehmung 27 mit einer Schulter 29 des ersten Teilelements 15 zusammen, sodass dieses gegen das zweite Teilelement 17 gepresst wird, wenn die Schraubverbindung des Vorspannelements 25 mit dem unteren Maschinenelement 5 angezogen wird.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass das Vorspannelement 25 mit dem ersten oder dem zweiten Teilelement 15, 17 beispielsweise durch eine Schraubverbindung verbunden ist, wobei es mit einer Mitnahmeeinrichtung auf das andere Teilelement 17, 15 wirkt, sodass letztlich die beiden Teilelemente 15, 17 gegeneinander gedrückt oder gepresst werden. Jedenfalls ist das Vorspannelement 25 bevorzugt so ausgebildet und angeordnet, dass der Vorspannweg, nicht jedoch eine Bewegung des Krafteinleitungselements 7 in Richtung der Krafteinleitung begrenzt ist.
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Insgesamt zeigt sich, dass das Messsystem eine sehr kompakte, Bauraum sparende Integration in eine Anwendung ermöglicht, bei welcher ein dynamischer Kraftverlauf erfasst werden soll. Es ermöglicht weiterhin eine detailgetreue, sehr genaue Messung der übertragenen Kräfte bei zugleich sehr geringer Beeinflussung des dynamischen Verhaltens des Gesamtaufbaus. Das Messsystem ist sowohl in Laboraufbauten als auch bei Serienanwendungen anwendbar und erfordert keine speziellen Spannungsversorgungen oder Mess- beziehungsweise Ladungsverstärker. Stattdessen ist es möglich, auf marktübliche Oszilloskope und herkömmliche Datenauswertungssoftware zurückzugreifen, weil das Messsignal direkt von dem folienartigen piezoelektrischen Aufnehmer 23 erzeugt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007040130 B3 [0003]
- DE 4344911 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Use of PVF₂ shock gauges for stress measurements in Hopkinson bar” von F. Bauer und A. Lichtenberger, Shock Waves in Condensed Matter, 1987, 631 [0005]
