DE102012208893B4 - Method for operating a measuring device of a pneumatic support control device - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer Messeinrichtung zur Bestimmung einer Position
eines Objektes (3) relativ zu einer Bezugsfläche,
mit mindestens einer Messdüse (2), wobei sich die Austrittsöffnung der Messdüse (2) bzw. die Austrittsöffnungen der Messdüsen (2) in der Bezugsfläche befindet bzw. befinden,
einer Druckluftquelle (4), mittels derer Luft mit einem Speisedruck p zur Verfügung stellbar ist und
zwischen der Druckluftquelle (4) und der Messdüse (2) bzw. den Messdüsen (2)ein Versorgungskanal (10) mit einem Versorgungskanalabschnitt (10a) angeordnet ist,
und einem einen thermischen Massedurchflusssensor (21) und einen Drucksensor (30) umfassenden Durchflussmessgerät (20) zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit eines in dem Versorgungskanal (10) strömenden Mediums,
mit folgenden Verfahrensschritten:
■ Einstellen eines definierten Abstandes ARef zwischen der Messdüse (2) mit einem Durchmesser D und dem Objekt (3) und Ermitteln eines Massedurchflusses MRef eines aus der Messdüse (2) austretenden Luftstromes und eines im Versorgungskanal (10) herrschenden Drucks pRef,
■ Ermitteln eines aktuellen Massedurchfluss M und eines im Versorgungskanals (10) herrschenden Drucks p,
■ Berechnen eines aktuellen Abstands A durch die Formel
an object (3) relative to a reference surface,
with at least one measuring nozzle (2), the outlet opening of the measuring nozzle (2) or the outlet openings of the measuring nozzles (2) being located in the reference surface,
a compressed air source (4), by means of which air with a feed pressure p can be made available and
A supply duct (10) with a supply duct section (10a) is arranged between the compressed air source (4) and the measuring nozzle (2) or the measuring nozzles (2),
and a flow measuring device (20) comprising a thermal mass flow sensor (21) and a pressure sensor (30) for determining a flow velocity of a medium flowing in the supply channel (10),
with the following process steps:
Setting a defined distance A Ref between the measuring nozzle (2) with a diameter D and the object (3) and determining a mass flow M Ref of an air flow emerging from the measuring nozzle (2) and a pressure p Ref prevailing in the supply duct (10),
Determining a current mass flow M and a pressure p prevailing in the supply channel (10),
■ Calculate a current distance A using the formula
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Position eines Objektes relativ zu einer Bezugsfläche, insbesondere zur pneumatischen Auflagenkontrolle für Werkstücke oder Werkstückträger.The invention relates to a method for operating a measuring device for determining the position of an object relative to a reference surface, in particular for pneumatic support control for workpieces or workpiece carriers.
Thermische Durchflussmessgeräte an sich sind bekannt. Sie arbeiten nach dem kalorimetrischen Prinzip, bei dem ein bestimmtes Temperaturverhalten aufgrund des in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit auftretenden Wärmetransports bestimmt wird. Im Wesentlichen gibt es hier zwei Möglichkeiten der Strömungsmessung. Bei einer ersten Möglichkeit arbeitet man mit einer Differenztemperaturmessung. An einer ersten Messstelle erzeugt dabei ein Heizer mit konstanter Heizleistung eine lokale Temperaturerhöhung, die von einem ersten Messelement erfasst wird. Weiterhin misst ein zweites Messelement an einem anderen Ort eine Referenztemperatur, welche der Temperatur des Mediums entspricht. Die Strömungsgeschwindigkeit kann nun aus der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Messstellen bestimmt werden. Eine zweite Möglichkeit sieht vor, dass ein Heizelement mit variabler Heizleistung die lokale Temperaturerhöhung erzeugt. Eine Regelung variiert die Heizleistung derart, dass eine vorgegebene, gleichbleibende Temperaturdifferenz von dem entfernt angeordneten Messelement gemessen wird. Diese variierende Heizleistung kann dann als ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ausgewertet werden. Messgeräte der letztgenannten Art sind bspw. aus der deutschen Patentschrift
Messeinrichtungen, insbesondere pneumatische Auflagenkontrollvorrichtungen der genannten Art messen und überwachen die Änderung des Abstandes bzw. die korrekte Lage eines Objektes, z.B. eines Werkstücks oder Werkstückträgers, zu einer Bezugsfläche - der sog. Spaltabstand - und werden in verschiedenen Bereichen der industriellen Fertigungs- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Derartige Messeinrichtungen sowie Verfahren zum Betreiben derartiger Messeinrichtung sind seit vielen Jahren bekannt und werden bspw. von der Anmelderin unter der Produktbezeichnung PSxxxx vertrieben.Measuring devices, in particular pneumatic support control devices of the type mentioned measure and monitor the change in distance or the correct position of an object, e.g. of a workpiece or workpiece carrier, to a reference surface - the so-called gap distance - and are used in various areas of industrial manufacturing and automation technology. Such measuring devices and methods for operating such measuring devices have been known for many years and are marketed, for example, by the applicant under the product name PSxxxx.
Die
Häufig kommen Durchflussmessgeräte zum Einsatz, die sich über eine Messblende ergebende Druckdifferenz messen, um damit auf den Durchfluss zu schließen, da eine Änderung des Durchflusses Aufschluss auf eine Änderung der Objektlage bezüglich der Messdüsen gibt. Die
Allerdings wirken sich Schwankungen in der Druckversorgung auf das Messergebnis aus. Druckschwankungen sind unausweichlich, denn häufig ist der einzelne Versorgungskanal ein Teil eines komplexen, verzweigten Rohrsystems. Wenn an anderer Stelle des Rohrsystems ein Verbraucher zu- oder abgeschaltet wird, hat das unmittelbaren Einfluss auf den Speisedruck in den anderen Zweigen des Systems, d.h. auf den Druck vor der Blendeneinrichtung. Da es keinen Zusammenhang zwischen den Druckänderungen vor und der daraus resultierenden Druckänderung nach der Blendeneinrichtung gibt - zumindest ist dieser Zusammenhang nicht ohne Weiteres feststellbar -, lässt sich bei Änderungen nicht sicher sagen, ob die Ursache dafür eine Änderung des Spaltabstands ist. Individuelle Druckregler, die die Druckschwankungen glätten und für einen konstanten Speisedruck sorgen, sind zumeist nicht genau genug oder können aus Kostengründen nicht verwendet werden.However, fluctuations in the pressure supply affect the measurement result. Pressure fluctuations are inevitable because the individual supply channel is often part of a complex, branched pipe system. If a consumer is switched on or off elsewhere in the pipe system, this has a direct impact on the feed pressure in the other branches of the system, i.e. on the pressure in front of the aperture device. Since there is no connection between the pressure changes before and the resulting pressure change after the orifice device - at least this connection is not readily ascertainable - it cannot be said in the case of changes whether the cause of this is a change in the gap distance. Individual pressure regulators, which smooth the pressure fluctuations and ensure a constant feed pressure, are usually not precise enough or cannot be used for cost reasons.
Eine alternative Auflagenkontrollvorrichtung zeigt das deutsche Patent
Problematisch kann bei Spülvorgängen, bei denen Luft mit erhöhter Durchflussrate und damit erhöhtem Volumen durch den Versorgungskanal geblasen werden soll, die Blendeneinrichtung sein, die ein Hindernis darstellt und damit die maximale Durchflussrate begrenzt. Spülvorgänge sind notwendig, wenn Verunreinigungen im Versorgungskanal oder an den Messdüsen zu erwarten sind. Diese Verunreinigungen können bspw. durch Reste von Kühl-/Schmiermitteln entstehen, deren Verwendung bei vielen Fertigungsprozessen üblich ist.In the case of flushing processes in which air is to be blown through the supply duct at an increased flow rate and thus increased volume, the diaphragm device, which represents an obstacle and thus limits the maximum flow rate, can be problematic. Flushing processes are necessary if contamination in the supply channel or at the measuring nozzles is to be expected. These contaminants can arise, for example, from residues of coolants / lubricants, the use of which is common in many manufacturing processes.
Dem gegenüber weisen nach dem kalorimetrischen Prinzip arbeitende Durchflussmessgeräten zwar keine Blendeneinrichtung auf, sie können aber bei Änderungen des Durchflusses nicht unterscheiden, ob die Ursache hierfür die Veränderung der Position des Objekts ist oder eine Schwankung im Versorgungsdruck.In contrast, flowmeters operating on the calorimetric principle do not have an orifice device, but when the flow changes, they cannot distinguish whether the reason for this is the change in the position of the object or a fluctuation in the supply pressure.
Weiterer Stand der Technik hinsichtlich der pneumatischen Positionsbestimmung eines Objekts stellen die Dokumente
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messeinrichtung der vorgenannten Art zur Verfügung zu stellen, die ohne Blendeneinrichtung auskommt, daher einen frei wählbaren Düsendurchmesser ermöglicht - hinsichtlich Anzahl der Messdüsen und deren Durchmesser selbst - und leicht zu reinigen ist, sowie auftretende Druckschwankungen kompensieren kann. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung vorgeschlagen werden.The object of the present invention is to provide a measuring device of the aforementioned type which does not require an orifice device, therefore allows a freely selectable nozzle diameter - with regard to the number of measuring nozzles and their diameter itself - and is easy to clean, and can compensate for pressure fluctuations that occur. In addition, a method for operating such a device is to be proposed.
Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.The stated object is achieved according to the invention by a method according to
Erfindungswesentlich ist einerseits, dass aufgrund der Verwendung eines thermischen Durchflussmessgeräts auf eine Blendeneinrichtung verzichtet werden kann. Der Versorgungskanal bzw. Versorgungskanalabschnitt - als Teil des Versorgungskanals innerhalb des Durchflussmessgeräts - weist somit erfindungsgemäß einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt auf. Um eine Druckschwankung im Versorgungsdruck zu erkennen, ist für diesen Zweck ein Drucksensor vorgesehen. Eine Druckänderung in der Versorgungsleitung hat unmittelbaren Einfluss auf die gemessene Strömung, obwohl der Spaltabstand und die verwendete Düse gleichgeblieben ist. Mit Hilfe des jeweils gemessenen Drucks lässt sich der gemessene Durchfluss druckkompensieren und damit die Ursache für die Änderung des Strömungswertes eliminieren, indem alle Durchflusswerte auf ein Druckniveau kompensiert und damit miteinander verglichen werden können. Mit Hilfe des jeweils gemessenen Drucks lässt sich der gemessene Massedurchfluss druckkompensieren, d.h. alle Massedurchflusswerte können auf ein Druckniveau kompensiert und damit miteinander verglichen werden. Hierfür ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, dass der Massedurchflusssensor und der Drucksensor zur Berechnung und Überwachung des Abstands zwischen Düse und Objekt mit einer Auswerteeinheit verbunden sind. Wie die Druckkompensation im Einzelnen erfolgt wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Beschreibung des Verfahrens erläutert.It is essential to the invention that, on the one hand, an orifice device can be dispensed with due to the use of a thermal flow measuring device. The supply duct or supply duct section - as part of the supply duct within the flow measuring device - thus has an essentially constant cross section according to the invention. In order to detect a pressure fluctuation in the supply pressure, a pressure sensor is provided for this purpose. A change in pressure in the supply line has a direct influence on the measured flow, although the gap distance and the nozzle used have remained the same. With the help of the pressure measured in each case, the measured flow can be pressure-compensated and thus the cause of the change in the flow value can be eliminated by compensating all flow values to a pressure level and thus comparing them with one another. With the help of the pressure measured in each case, the measured mass flow can be pressure-compensated, i.e. all mass flow values can be compensated to a pressure level and thus compared with each other. For this purpose, it is advantageous according to the invention that the mass flow sensor and the pressure sensor for calculating and monitoring the distance between the nozzle and the object are connected to an evaluation unit. How the pressure compensation takes place in detail is explained below in connection with the description of the method.
Durch den im Wesentlichen konstanten Querschnitt des Vorsorgungskanals, d.h. ohne etwaige Verjüngungen, Drossel- bzw. Blendeneinrichtungen oder dergleichen, die den Druck im Versorgungskanal beeinflussen, ist es möglich, mit hohem Durchfluss Luft durch den Versorgungskanal durchzuspülen. Auf diese Weise lassen sich auf einfache Weise Ablagerungen und Verunreinigungen, bspw. durch Reste von Kühl-/Schmiermitteln, entfernen, ohne dass ein manuelles Eingreifen notwendig ist. Voraussetzung dafür ist natürlich, dass sich kein Objekt, d.h. Werkstück oder Werkstückträger, auf den Düsen bzw. in naher Umgebung der Düsen befindet, was den freien Luftaustritt aus den Düsen einschränken würde.Due to the essentially constant cross-section of the supply channel, i.e. Without any tapering, throttling or orifice devices or the like, which influence the pressure in the supply channel, it is possible to flush air through the supply channel at high flow. In this way, deposits and impurities, for example through residues of coolants / lubricants, can be removed in a simple manner, without manual intervention being necessary. The prerequisite for this is, of course, that no object, i.e. Workpiece or workpiece carrier located on the nozzles or in the vicinity of the nozzles, which would restrict the free air outlet from the nozzles.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass durch den „freien“ Versorgungskanal eine Analogwert-Ermittlung des Abstands zwischen Messdüse und Objekt möglich ist. Somit ist es möglich, definierte Schaltpunkte festzulegen, die die verschiedenen Situationen - wie „Nullspalt“, „kein Objekt vorhanden“ oder Soll-Abstand - definieren. Sind die gemessenen Werte außerhalb eines definierten Fensters um den Schaltpunkt herum, lassen sich auf diese Weise Fehler erkennen. Wenn im Zustand „kein Objekt vorhanden“ ein Schaltpunkt von 25 l/min Durchfluss definiert ist, kann bei einer Überschreitung eines Fensters von bspw. 23 - 27 l/min auf eine Leckage geschlossen werden, d.h. im Versorgungskanal oder an den Messdüsen sind Undichtigkeiten vorhanden, an denen Luft ungewollt ausströmt. Wird dieses Fenster unterschritten deutet dies darauf hin, dass eine Verschmutzung bzw. Verstopfung innerhalb des Versorgungskanals oder an den Messdüsen vorliegt, eine Verschmutzung der Messelemente des Durchflussmessers vorhanden ist oder ein Knick im Versorgungskanal für den geringen Durchfluss verantwortlich ist.Another advantage of the invention is that the “free” supply channel enables an analog value determination of the distance between the measuring nozzle and the object. It is thus possible to define defined switching points that define the different situations - such as "zero gap", "no object available" or target distance. If the measured values are outside a defined window around the switching point, errors can be identified in this way. If a switching point of 25 l / min flow is defined in the "No object present" state, a leak can be concluded when a window of 23 - 27 l / min is exceeded, i.e. There are leaks in the supply duct or at the measuring nozzles, at which air flows out unintentionally. If this window is not reached, this indicates that there is contamination or clogging within the supply duct or at the measuring nozzles, that the measuring elements of the flow meter are contaminated or that a kink in the supply duct is responsible for the low flow.
Es hat sich als großer Nachteil herausgestellt, wenn sich im Bereich des Massedurchflusssensors Ölpfützen oder Kondensatablagerungen bilden, weil dadurch der Versorgungskanal verengt werden kann und die Messelemente des Durchflussmessgeräts verschmutzen können. Im Resultat kann dies zu einer Beeinflussung des Messergebnisses der Durchflussmessung führen. Zu Vermeidung dessen ist vorgesehen, dass der Versorgungskanalabschnitt im Bereich des thermischen Massedurchflusssensors eine den Querschnitt nicht verändernde Erhebung zur Vermeidung von Kondensat- oder Pfützenbildung aufweist. So kann auf einfache Weise die Pfützenbildung verhindert werden. Wichtig ist allerdings, dass der Querschnitt des Versorgungskanalabschnitts dabei nicht wesentlich verändert wird, was einen Blendeneffekt nachsichziehen würde. Der Hauptgedanke der Erfindung ist, dass der Durchmesser bzw. Querschnitt des Versorgungskanalabschnitts über die gesamte Länge im weitesten Sinne gleichmäßig verläuft. It has proven to be a great disadvantage if oil puddles or condensate deposits form in the area of the mass flow sensor, because this can narrow the supply channel and contaminate the measuring elements of the flow meter. As a result, this can influence the measurement result of the flow measurement. To avoid this, it is provided that the supply channel section in the area of the thermal mass flow sensor has a raised portion that does not change the cross section in order to avoid the formation of condensate or puddles. In this way, puddling can be prevented in a simple manner. It is important, however, that the cross section of the supply duct section is not changed significantly, which would create an aperture effect. The main idea of the invention is that the diameter or cross section of the supply duct section runs uniformly over the entire length in the broadest sense.
Vorteilhaft ist es, wenn einem Teilbereich des Versorgungskanalabschnitts ein Parallel-Pfad mit einer Blendeneinrichtung zugeordnet ist, wobei über eine Einstellvorrichtung auswählbar ist, ob die Druckluft über den Versorgungskanalabschnitt oder über den Parallel-Pfad strömt. Hintergrund ist, dass es im Wesentlichen zwei Arten von Spülvorgängen gibt: zum einen die bereits erwähnte Methode, bei der Luft mit hohem Durchfluss durch den Versorgungskanal gespült wird, um bereits in die Messdüsen eingedrungene und z. T. angetrocknete Ablagerungen und Verunreinigungen, bspw. Reste von Kühl-/Schmiermitteln, zu entfernen, und zum anderen zur Verhinderung des Eindringens von Substanzen, wie bspw. Kühl-/Schmiermittel, wenn sich - was relativ häufig auftritt - kein Objekt auf den Messdüsen befindet. Im ersteren Fall muss die Luft mit hohem Durchfluss durchgespült werden, da sich bspw. angetrocknete Reste nur schwer entfernen lassen. Der Druckluftverbrauch bei einem solchen Spülvorgang ist entsprechend hoch. Im anderen Fall, wenn lediglich verhindert werden soll, dass Substanzen in die Messdüsen eindringen, reicht es auch aus, Luft mit einem wesentlich geringeren Durchfluss durchzuspülen. Studien haben ergeben, dass es ein enormes Einsparpotential gibt, wenn der Druckluftausstoß an die Anforderung der jeweiligen Anwendung angepasst und damit eine Verschwendung von Druckluft vermieden wird. Aus ökonomischen Gründen ist es daher vorteilhaft, durch Zuschalten einer Blendeneinrichtung die Luftmenge zu begrenzen, wenn sich kein Objekt auf den Messdüsen befindet und damit auch keine Abstandsmessung erfolgt. Die durchströmende Luftmenge wird somit auf einfache Weise auf ein Minimum reduziert, was aber ausreicht, um ein Eindringen von Substanzen in die Düsenöffnungen zu verhindern.It is advantageous if a partial path of the supply duct section is assigned a parallel path with an orifice device, it being possible to use an adjusting device to select whether the compressed air flows via the supply duct section or via the parallel path. The background to this is that there are essentially two types of flushing processes: firstly, the method already mentioned, in which air is flushed through the supply duct at a high flow rate in order to prevent air that has already penetrated into the measuring nozzles and, for. Partly remove dried deposits and contaminants, e.g. residues of coolants / lubricants, and secondly to prevent the penetration of substances, such as coolants / lubricants, if - which occurs relatively often - there is no object on the measuring nozzles located. In the former case, the air has to be flushed with a high flow rate, because dried residues, for example, are difficult to remove. The compressed air consumption in such a flushing process is correspondingly high. In the other case, if it is only intended to prevent substances from penetrating the measuring nozzles, it is also sufficient to purge air with a significantly lower flow rate. Studies have shown that there is enormous potential for savings if the compressed air output is adapted to the requirements of the respective application and thus waste of compressed air is avoided. For economic reasons, it is therefore advantageous to limit the amount of air by switching on an aperture device when there is no object on the measuring nozzles and therefore no distance measurement is carried out. The amount of air flowing through is thus reduced to a minimum in a simple manner, but this is sufficient to prevent substances from penetrating into the nozzle openings.
Eine Alternative zur Zuschaltung dieses, die Blendeneinrichtung aufweisenden Parallel-Pfads, ist, ein Regulierventil vorzusehen, womit gewünschtenfalls der Durchfluss begrenzt werden kann.An alternative to connecting this parallel path, which has the diaphragm device, is to provide a regulating valve, with which the flow can be limited if desired.
Besonders vorteilhaft ist es, den Drucksensor als Sensorplatine auszubilden, wobei die Sensorplatine eine Druckmesszelle mit zwei medienberührenden Flächen aufweist, die gegenüberliegend auf der Vorder- und Rückseite der Sensorplatine vorgesehen sind. Das Wesentliche derartiger Sensorplatinen ist, dass die auf ihr angeordnete Messzelle - vorzugsweise eine Siliziumscheibe -, beidseitig mit Druck beaufschlagt werden kann. Die Druckzuführung erfolgt über kleine Druckkanäle, die so angeordnet sind, dass sie bevorzugt senkrecht auf die eingeschobene Sensorplatine stoßen, und zwar so, dass vorteilhafterweise wenigstens ein Druckkanal die Messzelle von der ersten Seite und ein zweiter Druckkanal die Messzelle von der gegenüberliegenden zweiten Seite beaufschlagen kann. So kann bei Anliegen eines Druckes im ersten Druckkanal und im zweiten Druckkanal durch Messen der Auslenkung der Siliziumscheibe auf die Differenz zwischen den Drücken geschlossen werden. Im vorliegenden Fall wird der Drucksensor als Relativdruckmessgerät eingesetzt, da die Differenz des Systemdrucks in Relation zum Atmosphärendruck gemessen werden soll. Zu diesem Zweck wird über einen Druckkanal der Umgebungsdruck an die Messzelle geleitet. Derartige Sensorplatinen haben u. a. den Vorteil, dass sie auf einfache Weise austauschbar sind, da sie einfach in eine dafür vorgesehene schlitzförmige Ausnehmung eingeschoben und darin gehalten werden. Selbstverständlich kann der Druck innerhalb des Versorgungskanals bzw. des Versorgungskanalabschnitts auch mit jedem anderen Druckmessgerät gemessen werden.It is particularly advantageous to design the pressure sensor as a sensor board, the sensor board having a pressure measuring cell with two surfaces in contact with the medium, which are provided opposite one another on the front and rear of the sensor board. The essence of such sensor boards is that the measuring cell arranged on them - preferably a silicon wafer - can be pressurized on both sides. The pressure is supplied via small pressure channels, which are arranged in such a way that they preferably meet the inserted sensor board vertically, in such a way that at least one pressure channel can advantageously act on the measuring cell from the first side and a second pressure channel from the opposite second side . If a pressure is present in the first pressure channel and in the second pressure channel, the difference between the pressures can be deduced by measuring the deflection of the silicon wafer. In the present case, the pressure sensor is used as a relative pressure measuring device, since the difference in the system pressure is to be measured in relation to the atmospheric pressure. For this purpose, the ambient pressure is passed to the measuring cell via a pressure channel. Such sensor boards have u. a. the advantage that they can be exchanged in a simple manner, since they are simply pushed into a slot-shaped recess provided for this purpose and are held therein. Of course, the pressure within the supply duct or the supply duct section can also be measured with any other pressure measuring device.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, die Auswerteeinheit und den Drucksensor in das Durchflussmessgerät zu integrieren, da dann die Berechnung und die Überwachung des Spaltabstands in einem Gerät erfolgen kann und der Anwender somit nur ein einzelnes Messgerät benötigt, um die Vorteile der Erfindung zu realisieren. Alternativ ist natürlich auch denkbar, jeweils nur eines von beiden, also Drucksensor oder Auswerteeinheit im Durchflussmessgerät zu integrieren. Da der Druck innerhalb des Versorgungskanals an jeder Stelle gleich groß ist, kann es bei bestimmten Anwendungen vorteilhaft sein, die Druckmessung entfernt von der Durchflussmessung durchzuführen. Gleiches gilt für die Verarbeitung der vom Drucksensor und vom Massedurchflusssensor übermittelten Signale, aus denen dann die Berechnung des Spaltabstands möglich ist. Dies kann bspw. in einer übergeordneten SPS erfolgen.It is particularly advantageous to integrate the evaluation unit and the pressure sensor in the flow meter, since the calculation and monitoring of the gap distance can then take place in one device and the user therefore only needs a single measuring device in order to realize the advantages of the invention. Alternatively, it is of course also conceivable to integrate only one of the two, that is to say the pressure sensor or evaluation unit, in the flow meter. Since the pressure within the supply channel is the same at every point, it can be advantageous in certain applications to carry out the pressure measurement away from the flow measurement. The same applies to the processing of the signals transmitted by the pressure sensor and the mass flow sensor, from which the gap distance can then be calculated. This can be done, for example, in a higher-level PLC.
Die Messeinrichtung zur Bestimmung der Position eines Objektes relativ zu einer Bezugsfläche, insbesondere eine pneumatische Auflagenkontrollvorrichtung für Werkstücke oder Werkstückträger, besteht aus mindestens einer Messdüse, wobei sich die Austrittsöffnung der Messdüse bzw. die Austrittsöffnungen der Messdüsen in der Bezugsfläche befindet bzw. befinden, einer Druckluftquelle, mittels derer Luft mit einem Speisedruck p zur Verfügung stellbar ist und zwischen der Druckluftquelle und der Messdüse bzw. den Messdüsen ein Luftversorgungskanal mit einem Versorgungskanalabschnitt angeordnet ist und einem einen thermischen Massedurchflusssensor und einen Drucksensor umfassenden Durchflussmessgerät zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des in dem Versorgungskanal strömenden Mediums.The measuring device for determining the position of an object relative to a reference surface, in particular a pneumatic support control device for workpieces or workpiece carriers, consists of at least one measuring nozzle, the outlet opening of the measuring nozzle or the outlet openings of the measuring nozzles being located in the reference surface, a compressed air source by means of which air with a supply pressure p can be provided and between the compressed air source and the measuring nozzle or the Measuring nozzles, an air supply duct is arranged with a supply duct section and a flow measuring device comprising a thermal mass flow sensor and a pressure sensor for determining the flow velocity of the medium flowing in the supply duct.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer solchen Messeinrichtung umfasst dabei sind folgende Verfahrensschritte:
- ■ Einstellen eines definierten Abstandes
ARef zwischen der Düse mit dem DurchmesserD und dem Objekt und Ermitteln des MassedurchflussesMRef des aus der Düse austretenden Luftstromes und des im Versorgungskanal herrschenden DruckspRef , - ■ Ermitteln des aktuellen Massedurchfluss
M und des im Versorgungskanals herrschenden Drucksp , - ■ Berechnen des aktuellen Abstands
A durch die Formel
- ■ Setting a defined distance
A Ref between the nozzle with the diameterD and the object and determining the mass flowM Ref the air flow emerging from the nozzle and the pressure prevailing in the supply ductp Ref , - ■ Determine the current mass flow
M and the pressure prevailing in the supply channelp , - ■ Calculate the current distance
A through the formula
Zunächst wird bspw. mit Hilfe einer Lehre ein vorgegebener Abstand eingestellt bzw. geteacht, und die sich dabei ergebenden Werte von Massedurchfluss und Druck festgehalten. Diese Lehre kann eine Bügelmessschraube mit einer in den Amboss integrierten Düse sein, mit der ein definierter Abstand im 1/100-Millimeter-Bereich einstellbar ist. Auch gibt es Bleche mit einer Dicke in 1/100-Millimeter-Bereich, in die eine Aussparung vorgesehen werden kann und die zwischen Messdüse und Objekt gelegt wird. Auch so ließe sich ein definierter Abstand einstellen. Dieser vorgegebene Abstand wird betragsmäßig als
Durch empirische Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass, nachdem die Werte für
Zu dieser Formel ist anzumerken, dass sie davon ausgeht, dass es sich immer um dieselbe Messdüse handelt, die auch beim Teach-Vorgang verwendet wurde. Der Düsendurchmesser sowie die Massedurchfluss- und Druckwerte stehen in Relation zueinander, so dass bei einem sich ändernden Durchmesser auch andere Werte für Massedurchfluss und Druck gemessen werden.It should be noted that this formula assumes that it is always the same measuring nozzle that was used in the teaching process. The nozzle diameter as well as the mass flow and pressure values are related to each other, so that if the diameter changes, other values for mass flow and pressure are also measured.
Eine Alternative zur Vorgabe eines absoluten Abstandswertes
Alternativ kann statt der o. g. Formel auch ein zuvor eingemessenes Kennlinienfeld verwendet werden. Hierfür werden zunächst Wertesätze, bestehend aus Massedurchfluss, Druck und zugehörigem Abstand, ermittelt. Aus diesen Wertsätzen wird über alle Massedurchfluss- und Druckszenarien eine mehrdimensionale Interpolationsfunktion gebildet, die in der Auswerte-/Speichereinheit abgelegt wird. Die Auswerte-/Speichereinheit ist bevorzugt in der Messeinrichtung und besonders bevorzugt im Durchflussmessgerät selbst angeordnet. Während des Betriebs der Messeinrichtung werden die aktuell vorliegenden Größen Massedurchfluss und Druck gemessen und auf deren Basis der aktuelle Abstand zwischen Messdüse und Objekt durch die zuvor bestimmte Interpolationsfunktion ermittelt.Alternatively, a previously measured characteristic field can be used instead of the above formula. For this purpose, sets of values consisting of mass flow, pressure and associated distance are first determined. A multidimensional interpolation function is formed from these value sets across all mass flow and pressure scenarios and is stored in the evaluation / storage unit. The evaluation / storage unit is preferably arranged in the measuring device and particularly preferably in the flow meter itself. During operation of the measuring device, the currently available parameters of mass flow and pressure are measured and, based on this, the current distance between measuring nozzle and object determined by the previously determined interpolation function.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Auswerteeinheit ein Bereich von Abstandswerten oder Relativwerten vorgegeben, innerhalb dessen der Abstand als „in Ordnung“ definiert ist. Wenn sich die Abstandswerte bzw. Relativwerte außerhalb dieses Bereiches bewegen, wird ein Schaltsignal erzeugt, was bspw. die Ausgabe eines optischen und/oder akustischen Signals erzeugt. Bei Sicherheitsanlagen kann auch die Überführung der Anlage in den sicheren Zustand vereinbart sein.In an advantageous embodiment, the evaluation unit is given a range of distance values or relative values within which the distance is defined as “in order”. If the distance values or relative values move outside of this range, a switching signal is generated, which, for example, generates the output of an optical and / or acoustic signal. In the case of safety systems, the transfer of the system to the safe state can also be agreed.
Das Hauptanwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Messeinrichtung liegt in der pneumatischen Auflagekontrolle. Daneben sind derartige Messeinrichtungen aber auch als Näherungsschalter bzw. Anwesenheitskontrolle einsetzbar, bspw. zur Positionsabfrage eines Werkstücks während eines Fertigungsprozesses oder auch von beweglichen Objekten (Schlitten), die exakte Position eines Greiferarms beim Greifen eines Objekts, Überwachung der Spannfutteraufnahme oder in Fertigungsprozessen der exakte Sitz eines Einbauteils, wie bspw. ein O-Ring. Im letzteren Fall greift ein Greifer mit integrierten Düsen das Objekt an der Stelle, wo sich der oder die O-Ring(e) befindet bzw. befinden. Aufgrund der Genauigkeit im 1/100-Millimeter-Bereich kann automatisiert festgestellt werden, ob der O-Ring an sich vorhanden ist, ob er sich exakt in der vorgesehenen Lage befindet und vom richtigen Typ ist - bspw. feststellbar durch Erkennen der Schnurstärke. Erst wenn dies positiv festgestellt wurde, kann der Greifer das Objekt zur weiteren Bearbeitung weitergeben.The main area of application of the measuring device according to the invention is in the pneumatic support control. In addition, such measuring devices can also be used as a proximity switch or presence control, e.g. for querying the position of a workpiece during a manufacturing process or moving objects (slides), the exact position of a gripper arm when gripping an object, monitoring the chuck holder or the exact fit in manufacturing processes an installation part, such as an O-ring. In the latter case, a gripper with integrated nozzles grips the object at the location where the O-ring (s) is or are located. Due to the accuracy in the 1/100-millimeter range, it can be automatically determined whether the O-ring itself is present, whether it is exactly in the intended position and of the correct type - for example, can be determined by recognizing the cord thickness. The gripper can only pass the object on for further processing if this has been positively determined.
Ferner kann die Messeinrichtung zur Identifizierung von Objekten eingesetzt werden, wenn diese über eine markante Oberflächenstruktur verfügen. Diesbezügliche Anwendungen gibt es z.B. zum Erkennen von Bremsscheiben für verschiedene Fahrzeuge, aber mit im Wesentlichen identischen Geometrien. Unterscheiden sich die Bremsscheiben bspw. durch eine Nut bzw. Rille, ist eine Identifikation und damit eine Sortierung mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung möglich. Der Vorteil begründet sich darin, dass ein analoges Messen möglich ist, da über einen bestimmten Abstandsbereich ein 4-20 mA-Messsignal abgreifbar ist.Furthermore, the measuring device can be used to identify objects if they have a distinctive surface structure. There are applications in this regard, e.g. to identify brake discs for different vehicles, but with essentially identical geometries. If the brake disks differ, for example, by a groove or groove, identification and thus sorting is possible with the measuring device according to the invention. The advantage is based on the fact that analog measurement is possible since a 4-20 mA measurement signal can be tapped over a certain distance range.
Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below in connection with figures on the basis of exemplary embodiments.
Es zeigen:
-
1 eine Anordnung einer pneumatischen Auflagenkontrollvorrichtung, -
2 ein Durchflussmessgerät einer pneumatischen Auflagenkontrollvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform, -
3 ein Durchflussmessgerät einer pneumatischen Auflagenkontrollvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform und -
4 ein Anwendungsbeispiel in Form einer Anwesenheitskontrolle für ein Werkstück.
-
1 an arrangement of a pneumatic support control device, -
2nd a flow meter of a pneumatic support control device according to a second embodiment, -
3rd a flow meter of a pneumatic pad control device according to a third embodiment and -
4th an application example in the form of presence control for a workpiece.
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.In the following figures, unless otherwise stated, the same reference symbols designate the same parts with the same meaning.
In
Der Druck p des durch die Druckversorgungseinheit
Die Druckzuführung zur Sensorplatine erfolgt über kleine Druckkanäle, die so angeordnet sind, dass sie bevorzugt senkrecht auf die eingeschobene Sensorplatine stoßen, und zwar so, dass vorteilhafterweise wenigstens ein Druckkanal die Messzelle von der ersten Seite und ein zweiter Druckkanal die Messzelle von der gegenüberliegenden zweiten Seite beaufschlagen kann. So kann bei Anliegen eines Druckes im ersten Druckkanal und im zweiten Druckkanal durch Messen der Auslenkung der Siliziumscheibe auf die Differenz zwischen den Drücken geschlossen werden. In
- Zunächst wird bspw. mit Hilfe einer Lehre ein vorgegebener Abstand eingestellt bzw. geteacht, und die sich dabei ergebenden Werte von Massedurchfluss und Druck festgehalten. Diese Lehre kann eine Bügelmessschraube mit einer in den Amboss integrierten Düse sein, mit der ein definierter Abstand in 1/100-Millimeter-Schritten einstellbar ist. Auch gibt es Bleche mit einer Dicke in 1/100-Millimeter-Bereich, in die eine Aussparung vorgesehen werden kann und die zwischen Messdüse und Objekt gelegt wird. Auch so ließe sich ein definierter Abstand einstellen. Dieser vorgegebene Abstand wird betragsmäßig als
ARef in der Auswerteeinheit eingetragen. Gleiches gilt für die dabei gemessenen Werte des MassedurchflussesMRef und des innerhalb des Versorgungskanals bzw. Versorgungskanalabschnitts herrschenden DruckespRef . Sind diese drei Werte in der Auswerteeinheit hinterlegt, kann mit den eigentlichen Messungen begonnen werden. Durch empirische Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass, nachdem die Werte fürMRef undpRef bei einem vorgegebenen AbstandARef bekannt sind, sich der Spaltabstand nach folgender Formel berechnen lässt:
- First of all, with the help of a gauge, a predetermined distance is set or taught, and the resulting values of mass flow and pressure are recorded. This gauge can be a micrometer with a nozzle integrated in the anvil, with which a defined distance can be set in 1/100-millimeter increments. There are also sheets with a thickness in the 1/100 millimeter range, into which a recess can be provided and which is placed between the measuring nozzle and the object. A defined distance could also be set in this way. The amount of this predetermined distance is as
A Ref entered in the evaluation unit. The same applies to the measured mass flow valuesM Ref and the pressure prevailing within the supply duct or supply duct sectionp Ref . If these three values are stored in the evaluation unit, the actual measurements can be started. Empirical studies have shown that after the values forM Ref andp Ref at a given distanceA Ref are known, the gap distance can be calculated using the following formula:
Eine Alternative zur Vorgabe eines absoluten Abstandswertes
In
In
In
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