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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Abnutzungsgrades eines elektrisch leitfähigen Kabels.
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Elektrisch leitfähige Kabel werden für die unterschiedlichsten Anwendungszwecke verwendet. Eine grobe Unterteilung lässt sich dahingehend vornehmen, dass die elektrisch leitfähigen Kabel einerseits für die Stromversorgung von elektrischen Geräten verwendet werden können. Andererseits können die elektrisch leitfähigen Kabel für eine Übertragung von Daten verwendet werden. Vielfach kann es jedoch vorkommen, dass sowohl die Stromversorgung, als auch die Datenübertragung über das gleiche elektrisch leitfähige Kabel durchgeführt wird.
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Ein industrielles Gebiet, das in jüngster Zeit große Aufmerksamkeit erlangt ist die Robotik. Als Robotik, auch Robotertechnik genannt, wird die Interaktion mit der physischen Welt auf Prinzipien der Informationstechnik, sowie der technisch machbaren Kinetik verstanden. Hierfür sind eine Vielzahl von Sensoren, Aktoren und Informationsverarbeitungseinrichtungen nötig. Sowohl für die Stromversorgung, als auch für die Übertragung der Daten von und zu den Sensoren, den Aktoren sowie den Informationsverarbeitungseinrichtungen werden elektrisch leitfähige Kabel benötigt.
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In einer industriellen Fertigungsstraße sind viele unterschiedliche elektrisch leitfähige Kabel von beispielsweise einer Kontrolleinrichtung zu einem Roboter verlegt, die vorzugsweise zu Kabelsträngen zusammengefasst sind. Dies dient sowohl der mechanischen Stabilisierung, als auch der magnetischen Abschirmung der einzelnen elektrisch leitfähigen Kabel.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die permanenten Bewegungen der langen Kabelstränge die elektrisch leitfähigen Kabel mechanisch sehr belastet werden. Dies hat zur Folge, dass die einzelnen elektrisch leitfähigen Kabel unterschiedlich schnell altern.
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Bei einer Alterung eines elektrisch leitfähigen Kabels brechen üblicherweise einzelne Litzen innerhalb des elektrisch leitfähigen Kabels. Je nach Umfang der Litzenbrüche kann das elektrisch leitfähige Kabel eine Stromversorgung oder eine Datenübertragung oder beides nicht mehr gewährleisten und muss ausgetauscht werden.
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Da insbesondere im Bereich der industriellen Fertigung mittels Robotern eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bzw. Datenübertragung durch die elektrisch leitfähigen Kabel notwendig ist, ist es notwendig, dass in festen Wartungsintervallen die kompletten Kabelstränge ausgetauscht werden, wobei die alten Kabelstränge durch neue Kabelstränge ersetzt werden.
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Diese übliche Praxis hat mehrere Nachteile. So kann es vorkommen, dass ein Kabelstrang, der eigentlich noch voll funktionsfähig ist, ausgetauscht wird und durch einen neuen Kabelstrang ersetzt wird. Dies führt in einem Unternehmen zu erhöhten Kosten. Auch die festen Wartungsintervalle, die mit einem Totalstillstand einer Anlage, in der Maschinen, wie sie aus der Robotik bekannt sind benutzt werden, einhergehen, führen zu Produktionstopps und folglich zu Umsatzeinbußen eines Unternehmens. Neben diesen wirtschaftlichen Nachteilen sind auch die Nachteile in Bezug auf die Umweltbelastung erwähnenswert. So bestehen elektrisch leitfähige Kabel vor allem aus Kupfer- oder Aluminiumlitzen, die mit einer isolierenden Umhüllung versehen sind. Die isolierende Umhüllung ist sehr häufig ein Kunststoff, der sowohl in der Herstellung energieaufwendig, als auch in der Entsorgung problematisch ist.
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Ausgehend von dieser Situation stellt sich das Problem, die Alterung eines Kabels messen zu können, um so rechtzeitig vor der Unterbrechung der elektrischen Verbindung einen Austausch gewährleisten zu können.
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Bekannt ist beispielsweise, dass die mechanische Belastung, die auf ein Objekt wirkt, mittels akustischer Oberflächenwellensensoren gemessen werden kann, wie beispielsweise in der
US 2016/0282204 A1 beschrieben.
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Ein Problem hierbei ist, dass aus den Daten der mechanischen Belastung nicht unmittelbar auf den Alterungszustand eines elektrisch leitfähigen Kabels geschlossen werden kann.
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Die Druckschrift
US 6 810 743 B2 offenbart ein Verfahren zur Bewertung eines Kabels mit mehr als einer Schicht, umfassend die Verfahrensschritte: Aussenden einer geführten Ultraschallwelle in das Kabel an einer ersten Stelle, Empfangen der geführten Ultraschallwelle an einer oder mehreren vorbestimmten Stellen entlang des Kabels, Verarbeiten der empfangenen geführten Ultraschallwelle zur Auswertung des Kabels.
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Die Druckschrift
US 6 450 036 B1 offenbart ein Verfahren zur Diagnose der Verschlechterung eines Gegenstandes (typischerweise eines Kabels) mit mindestens einer Deckschicht aus einem organischen Polymermaterial.
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Die Druckschrift WILSON, M. S.; HURLEBAUS, S.: „Power Line Monitoring“ in Proc. American Control Conference, 2007, S. 231-235 offenbart einen Sende-/Empfangswandler, der sich auf einer Stromleitung befindet und eine Ultraschallwelle in einem Kabel erzeugt.
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Die Druckschrift US 2016 / 0 282 204 A1 offenbart akustische Oberflächenwellengeräte (SAW-Geräte) zur Verwendung bei der Messung der Verformung von Materialien aufgrund von Spannungskräften, die auf einen Körper oder ein Material einwirken.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben oder zumindest zu minimieren.
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Die gestellte Aufgabe wird von einer Vorrichtung nach Anspruch 1, von einem Verfahren nach Anspruch 11 und von einem computerlesbaren Medium nach Anspruch 14 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Abnutzung mindestens eines Kabels gelöst, wobei die Vorrichtung aufweist: Sendeeinheit, ausgebildet zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen, Empfangseinheit, ausgebildet zum Empfang von akustischen Oberflächenwellen, wobei
die Vorrichtung mindestens eine Einleitungseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, die akustischen Oberflächenwellen in das mindestens eine Kabel einzuleiten; und
die Vorrichtung eine Verarbeitungseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, die empfangenen akustischen Oberflächenwellen mit den erzeugten akustischen Oberflächenwellen zu vergleichen, und
basierend auf dem Vergleich die Abnutzung des mindestens einen Kabels zu bestimmen.
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In diesem Zusammenhand ist unter dem Begriff „einleiten“ einerseits ein Einleiten der akustischen Oberflächenwelle direkt in das elektrisch leitfähige Kabel zu verstehen. Hierdurch wird bewirkt, dass die akustische Oberflächenwelle direkt in das elektrisch leitfähige Kabel gelangt und die eigentliche Oberfläche eines Kabelstrangs wird nur minimal in Schwingung versetzt.
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Auch beschreibt der Begriff „einleiten“ ein Aufbringen der akustischen Oberflächenwelle auf der Oberfläche eines Kabelstrangs, oder auch eines einzelnen, oder mehreren elektrisch leitfähigen Kabels. Hierdurch wird, bildlich gesprochen, der gesamte Kabelstrang, bzw. das gesamte elektrisch leitfähige Kabel in Schwingung versetzt.
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Unter dem Begriff „Vergleich“ kann sowohl der direkte Vergleich einer empfangenen akustischen Oberflächenwelle mit einer vorher aktiv seitens der Sendeeinheit gesendeten akustischen Oberflächenwelle verstanden werden. Auch ist es möglich, dass für einen Vergleich in der Empfangseinheit eingespeicherte akustische Oberflächenwellen mit empfangenen akustischen Oberflächenwellen verglichen werden. Ein Vergleich kann sowohl in zeitlicher Abhängigkeit, als auch in frequenzmäßiger Abhängigkeit durchgeführt werden. Unter einem Vergleich im Sinne dieser Erfindung versteht man auch einen Operator, bei dem summiert, subtrahiert, multipliziert oder dividiert wird. Diese Operatoren können selbstverständlich miteinander kombiniert werden, sowohl in einer zeitlichen, als auch in einer frequenzmäßigen Abfolge.
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Ein Vorteil der mindestens einen Einleitungseinheit besteht darin, dass hierdurch die Konstruktion der Vorrichtung vereinfacht wird. So dient in einer Ausführungsform die Sendeeinheit direkt als Einleitungseinheit.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine Verarbeitungseinheit aufweist ist, dass durch den Vergleich der empfangenen akustischen Oberflächenwellen mit den erzeugten akustischen Oberflächenwellen eine Abnutzung, insbesondere ein Abnutzungswert des mindestens einen elektrisch leitfähigen Kabels ermittelt werden kann. Hierdurch kann bestimmt werden, ob der Kabelstrang aktuell noch ausreichend funktionsfähig ist und es kann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit berechnet werden, bis wann der Kabelstrang funktionsfähig bleiben wird. In Abhängigkeit des Abnutzungswertes kann ein Austausch des Kabelstrangs durchgeführt werden oder aufgeschoben werden.
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In einer Ausführungsform umfasst die Sendeeinheit und/oder die Empfangseinheit eine Schelle. Dadurch, dass die Sendeeinheit und/oder die Empfangseinheit eine Schelle umfasst, wird eine mechanisch stabile Konstruktion erreicht. Hierdurch kann bei Bedarf eine feste Strecke zwischen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit definiert werden. Auch ist es hierdurch möglich, dass die Schelle als Einleitungseinheit ausgebildet ist. Die Schelle wird in diesem Fall mit den akustischen Oberflächenwellen beaufschlagt und die Schelle leitet diese akustischen Oberflächenwellen in das mindestens eine elektrisch leitfähige Kabel.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Sendeeinheit und/oder die Empfangseinheit mindestens ein piezoelektrisches Element. Ein Vorteil bei der Verwendung von piezoelektrischen Elementen besteht darin, dass diese individuell auf den jeweiligen Anwendungsbereich abgestimmt werden können. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung piezoelektrischer Elemente besteht darin, dass die akustische Oberflächenwelle punktueller eingeleitet werden kann. Hierbei werden durch die piezoelektrischen Elemente die akustischen Oberflächenwellen erzeugt und diese werden direkt in das mindestens eine elektrisch leitfähige Kabel eingeleitet.
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Vorzugsweise sind die piezoelektronischen Elemente entlang einer Kreisbahn oder Ellipsenbahn angeordnet. Durch diese Anordnung wird eine einheitliche und gleichmäßige Anordnung entlang eines gut zu berechenbaren geometrischen Musters erreicht.
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In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Gehäuse zur Aufnahme der Verarbeitungseinheit und der Sendeeinheit und/oder der Empfangseinheit. Hierdurch kann eine Miniaturisierung der Vorrichtung erreicht werden, was wiederum eine effiziente Platzausnutzung bewirkt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst zumindest die Sendeeinheit eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, während eines Sendeintervalls zu senden, und die Empfangseinheit ist dazu ausgebildet, während eines Empfangsintervalls zu empfangen, wobei die Intervalle zeitlich zumindest teilweise überlappend sind.
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Durch ein Sendeintervalls und ein Empfangsintervall wird eine verbesserte informationstechnische Verarbeitung erreicht. So kann beispielsweise durch ein festgelegtes Intervall zum Empfangen die Sendefunktionalität nach erfolgter Sendung abgeschaltet werden, um erst nach einem vollständigen Empfang ein erneutes Senden zu ermöglichen. Durch die zeitliche Begrenzung der jeweiligen Intervalle wird eine für die informationstechnische Verarbeitung weiter verbesserte Verarbeitungsmöglichkeit erreicht. Ein weiterer Vorteil ist, dass die informationstechnische Verarbeitung die bereits durchgeführt werden kann, auch wenn der komplette Sende- bzw. Empfangsvorgang noch nicht vollständig abgeschlossen ist.
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In einer Ausführungsform weisen die Sende- bzw. Empfangsintervalle unterschiedliche Längen auf und/oder die Intervalle wiederholen sich zyklisch. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Intervalle an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden können.
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In einer Ausführungsform umfasst die Sendeeinheit und/oder die Empfangseinheit einen Interdigitalwander (IDT). Hierdurch wird ein im Bereich der akustischen Oberflächenwellenverarbeitung bewährtes Bauteil verwendet, um elektrische Signale in akustische Oberflächenwellen bzw. umgekehrt zu wandeln.
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In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Übertragungseinheit auf, wobei die Übertragungseinheit dazu ausgebildet ist, Daten hinsichtlich der empfangenen akustischen Oberflächenwellen und/oder der gesandten akustischen Oberflächenwellen durch ein drahtloses Übertragungsprotokoll zu übertragen.
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Durch die Übertragung der aufgezeigten Merkmale durch ein drahtloses Übertragungsprotokoll ist die Möglichkeit einer weitergehenden informationstechnischen Verarbeitung gegeben, ohne dass hierfür weitere Datenübertragungskabel vorgesehen werden müssen. Dies ist insbesondere in Anwendungsgebieten vorteilhaft, in denen durch zusätzliche Kabel Stolperquellen oder Platzprobleme verursacht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen oder mehrere akustische Oberflächenwellenresonatoren. Durch die Verwendung von geeigneten akustischen Oberflächenresonatoren kann eine Frequenzüberhöhung erreicht werden. Durch diese Frequenzüberhöhung kann eine Steigerung einer Messgenauigkeit erreicht werden. Auch werden hierdurch die akustischen Oberflächenwellen in eine definierte Richtung gelenkt.
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Die Aufgabe wird ebenso durch ein Verfahren zur Bestimmung des Grades der Abnutzung mindestens eines Kabels mittels einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen gelöst, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen,
- Einleiten der erzeugten akustischen Oberflächenwellen in das mindestens eine Kabel,
- Empfangen der erzeugten akustischen Oberflächenwellen,
- Vergleich der empfangenen akustischen Oberflächenwellen und der erzeugten akustischen Oberflächenwellen,
- Bestimmung des Grads der Abnutzung des mindestens einen Kabels basierend auf dem Vergleich der empfangenen akustischen Oberflächenwellen und der erzeugten akustischen Oberflächenwellen.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch einen Vergleich der empfangenen akustischen Oberflächenwellen und der erzeugten akustischen Oberflächenwellen ein Abnutzungswert des mindestens einen elektrisch leitfähigen Kabels ermittelt werden kann. Hierdurch kann bestimmt werden, ob der Kabelstrang aktuell noch ausreichend funktionsfähig ist und es kann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit berechnet werden, bis wann der Kabelstrang funktionsfähig bleiben wird. In Abhängigkeit des Abnutzungswertes kann ein Austausch des Kabelstrangs durchgeführt werden oder aufgeschoben werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
das Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen in einem Erzeugungsintervall ausgeführt, und
das Empfangen der erzeugten akustischen Oberflächenwellen wird in einem Empfangsintervall ausgeführt, wobei sich das Erzeugungsintervall und das Empfangsintervall zumindest teilweise zeitlich überlappen.
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Durch die Definition eines Erzeugungsintervalls und eines Empfangsintervalls wird im definierten Erzeugungsintervall die akustische Oberflächenwelle nur erzeugt und im definierten Empfangsintervall wird nur empfangen. Durch die Definition von Intervallen kann somit eine verbesserte informationstechnische Verarbeitung erreicht werden. So kann beispielsweise durch ein festgelegtes Intervall zum Empfangen nach erfolgter Erzeugung die Erzeugungsfunktionalität abgeschaltet werden, um erst nach einem vollständigen Empfang eine erneute Erzeugung zu ermöglichen.
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Weiterhin können das Erzeugungsintervall und das Empfangsintervall zumindest teilweise überlappend sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn zum Empfangszeitpunkt noch nicht alle akustischen Oberflächenwellen erzeugt worden sind. Durch geeignete schaltungstechnische oder softwaretechnische Maßnahmen kann eine Verarbeitung der akustischen Oberflächenwelle trotz teilweiser Überlappung des Erzeugungsintervalls und des Empfangsintervalls sichergestellt werden.
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Auch kann der Vergleich der empfangenen akustischen Oberflächenwellen und der erzeugten akustischen Oberflächenwellen frequenzabhängig oder zeitabhängig durchgeführt werden. Durch den frequenzabhängigen Vergleich kann mittels einer geeigneten Transformation, beispielsweise einer FourierTransformation oder einer anderen geeigneten Transformation, jeweils ein kontinuierliches Spektrum der erzeugten und der empfangenen akustischen Oberflächenwellen erzeugt werden. Durch Vergleich dieser Spektren kann der Grad der Abnutzung des mindestens einen elektrisch leitfähigen Kabels bestimmt werden.
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Die Aufgabe wird auch durch das erfindungsgemäße computerlesbare Medium mit Anweisungen gelöst, die beim Ausführen auf einem oder mehreren Recheneinheiten ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen implementiert.
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Durch das erfindungsgemäße computerlesbare Medium einschließlich computerausführbarer Anweisungen wird eine verbesserte informationstechnische Handhabung des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt.
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Nachfolgend wird die Erfindung mittels mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
- 1: Schematische Darstellung eines beispielhaften Roboter Systems
- 2: Diagonalquerschnitt durch einen Kabelstrang mit einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform
- 3: Längsschnitt durch einen Kabelstrang entlang der X-Achse der 2
- 4: Längsschnitt durch einen Kabelstrang mit piezoelektrischen Elementen gemäß einer alternativen Ausführungsform
- 5: Längsschnitt durch einen Kabelstrang mit einer Vorrichtung zur drahtlosen Datenübertragung gemäß einer alternativen Ausführungsform
- 6: Längsschnitt durch einen Kabelstrang mit Oberflächenwellenresonatoren gemäß einer alternativen Ausführungsform
- 7 Längsschnitt durch einen Kabelstrang gemäß einer alternativen Ausführungsform
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In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
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Die 1 zeigt exemplarisch eine schematische Darstellung eines Systemaufbaus, wie er in den unterschiedlichsten Industriezweigen zur Anwendung kommt.
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In 1 ist ein Roboter 15 abgebildet, wie er in der Industrie eingesetzt wird. Der Roboter 15 besteht aus einem Sockel und dem eigentlichen Roboterarm. Am Ende des Roboterarms befindet sich der Manipulator, der in der 1 als Zange dargestellt ist, jedoch auch eine beliebige andere Form und Funktionalität besitzen kann.
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In der 1 ist das erste drehbare Element des Roboterarms mit dem Kabelstrang 1 verbunden. Vorstellbar ist jedoch auch, dass der Kabelstrang 1 an einer anderen Stelle mit dem Roboter verbunden ist.
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Der Kabelstrang 1 besteht aus einzelnen elektrisch leitfähigen Kabeln (nicht abgebildet) und verbindet den Roboter 15 mit einer Steuereinheit 14. Die Steuereinheit 14 kann den Anforderungen an das System entsprechend ausgelegt sein und beispielsweise ein oder mehrere Computer bzw. Mikrocontroller sein.
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2 zeigt einen Diagonalquerschnitt durch einen Kabelstrang 1, wie er in 1 zur Verbindung der Steuereinheit 14 mit dem Roboter 15 verwendet wird.
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Der Kabelstrang 1 ist durch eine Kabelstrangisolierung 11 vor Umwelteinflüssen geschützt. Auch bewirkt die Kabelstrangisolierung 11 eine mechanische Stabilisierung des Kabelstrangs 1. Zugleich bewirkt die Kabelstrangisolierung 11 eine elektromagnetische Abschirmung des Kabelstrangs 1.
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Der Kabelstrang 1 besteht aus mehreren elektrisch leitfähigen Kabeln 2. Die mehreren elektrisch leitfähigen Kabel 2 sind jeweils durch eine Kabelisolierung 12, die sich zirkular um die elektrisch leitfähigen Kabel 2 herumlegt, geschützt und gleichzeitig voneinander isoliert. Diese Kabelisolierung 12 besteht üblicherweise aus einem Kunststoff. Möglich sind jedoch auch andere Stoffe, die für eine Isolierung des elektrisch leitfähigen Kabels 2 in Frage kommen würden.
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Die Ausführungsform der 2 zeigt eine Ausführungsform, in der sowohl die Sendeeinheit 3, als auch die Empfangseinheit 4 eine erste Schelle 7 bzw. 7' aufweisen. Durch die Schelle 7 bzw. 7' ist der Blick auf die Sendeeinheit 3 bzw. die Empfangseinheit 5 verdeckt.
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Die 3 bis 7 zeigen jeweils unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung. Zur besseren Übersichtlichkeit sind die 3 bis 7 jeweils Schnitte entlang der x-Achse, wie diese in der 2 eingezeichnet ist.
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Die 3 bis 7 unterscheiden sich jeweils durch alternative technische Ausführungen oder Ergänzungen.
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Die technischen Grundvoraussetzungen und die Funktionsweise werden im Folgenden für die 3 bis 7 gleichsam gültig erläutert.
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Zur besseren Übersichtlichkeit sind in den 3 bis 7 exemplarisch nur zwei elektrisch leitfähige Kabel 2 eingezeichnet, wobei diese jeweils durch eine ummantelnde Kabelisolierung 12 umgeben sind. Die elektrisch leitfähigen Kabel 2 bestehen üblicherweise aus bis zu mehreren hundert einzelnen Litzen, wobei in den 3 bis 7 nur zwei Litzen 13 pro elektrisch leitfähiges Kabel 2 eingezeichnet sind. Diese Litzen 13 sind für die Stromübertragung bzw. Datenübertragung in den elektrisch leitfähigen Kabeln 2 zuständig und üblicherweise aus einem leitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium gefertigt. Möglich sind jedoch auch andere Materialien, die für ein elektrisch leitfähiges Kabel 2 möglich sind.
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Bei einer akustischen Oberflächenwelle handelt es sich um eine Körperschallwelle, die sich planar auf einer Oberfläche ausbreitet. Erfindungsgemäß kann eine akustische Oberflächenwelle definiert werden als eine Oberflächenwelle, die typischerweise eine Wellenlänge zwischen 1 bis 100 µm aufweist. Ein Sensor für akustische Oberflächenwellen arbeitet in einer Frequenz zwischen 25 MHz und 3 GHz, bevorzugt 100 MHz bis 1,5 GHz und besonders bevorzugt 200 MHz bis 1 GHz. Beispielsweise beträgt im Material Lithiumniobat bei einer Frequenz von 915 MHz die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle 3,8 µm. Akustische Oberflächenwellen können sich auf der Oberfläche von Festkörpern ausbreiten und weisen sowohl eine transversale als auch eine longitudinale Komponente auf.
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Ein Vorteil von akustischen Oberflächenwellen ist, dass die Wellen eine sehr hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit haben.
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Exemplarisch ist in den 3 bis 7 eine Abnutzungserscheinung 8, wie diese beispielsweise durch eine zu hohe oder zu oftmalige mechanische Belastung des Kabelstrangs 1 verursacht werden kann, eingezeichnet. Die Abnutzungserscheinung 8 äußert sich dadurch, dass einzelne Litzen 13 bereits komplett unterbrochen sind und/oder die Kabelisolierung zumindest stellenweise komplett vom elektrisch leitfähigen Kabel 2 abgelöst ist.
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Durch eine Abnutzungserscheinung 8 wird die durch die elektrisch leitfähigen Kabel 2 geleitete akustische Oberflächenwelle abgeschwächt, bzw. gedämpft. Unter einer Dämpfung versteht man vorliegend eine Abschwächung der Amplitude der akustischen Oberflächenwellen durch eine Abnutzungserscheinung 8. Bei Vorhandensein einer Abnutzungserscheinung 8 wird die auftreffende akustische Oberflächenwelle in alle Richtungen gestreut, was zur Folge hat, dass die empfangene akustische Oberflächenwelle schwächer ist als die erzeugte akustische Oberflächenwelle. Auch ist es möglich, dass die Abnutzungserscheinung 8 durch das Vorhandensein von Echos der erzeugten akustischen Oberflächenwelle detektiert wird, wobei eine derartige Messung auf der Sendeseite durchgeführt wird.
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Die Bestimmung der Abnutzung erfolgt durch eine Verarbeitungseinheit 6. Die Verarbeitungseinheit 6 führt einen Vergleich der in der Verarbeitungseinheit 6 gespeicherten eigentlich zu empfangenen akustischen Oberflächenwelle und der empfangenen akustischen Oberflächenwelle durch und bestimmt basierend auf dem Ergebnis einen Abnutzungswert und aufgrund dieses Abnutzungswert kann das Vorhandensein einer Abnutzungserscheinung 8 und deren Auswirkungen auf die elektrisch leitfähigen Kabel 2 bestimmt werden.
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Die Empfangseinheit 4 wird bei Vorhandensein einer Abnutzungserscheinung 8 eine akustische Oberflächenwelle empfangen, die schwächer ist als die unter Beachtung der Dämpfung des Kabelstrangs 1 berechnete eigentlich zu empfangene akustische Oberflächenwelle. Aufgrund dieses Zusammenhanges kann das Vorhandensein einer Abnutzungserscheinung 8 bestimmt werden und es kann entschieden werden, ob der Kabelstrang 1 ausgewechselt werden muss.
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Ein Betrieb der in 3 bis 7 gezeigten Vorrichtung ist sowohl dauerhaft („Dauerbetrieb“), als auch im sogenannten „Wartungsbetrieb“ möglich.
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Im Falle des Dauerbetriebs wird die Vorrichtung bereits bei Montierung eines neu installierten Kabelstrang 1 angebracht, wenn der Kabelstrang 1 mit dem Roboter 15 und der Steuereinheit 14 verbunden wird. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, dass die Empfangseinheit 4 auf die initiale erzeugten akustischen Oberflächenwellen konfiguriert wird und basierend auf dieser Initialkonfiguration wird die zeitliche oder frequenzabhängige Entwicklung der aufgezeigten Merkmale und folglich der Abnutzungswert bestimmt.
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Ein anderer möglicher Betriebsmodus ist der Wartungsbetriebsmodus, in dem die Vorrichtung in bestimmten zeitlichen Abständen an den Kabelstrang 1 montiert wird und der Abnutzungswert durch die Verarbeitungseinheit 6 bestimmt wird. In diesem Betriebsmodus werden die aktuell empfangenen akustischen Oberflächenwellen durch die Verarbeitungseinheit 6 mit eingespeicherten akustischen Oberflächenwellen verglichen und darauf aufbauend wird ein Abnutzungswert bestimmt.
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Die 3 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, in der eine Sendeeinheit 3 und eine Empfangseinheit 4 entlang einer Kreisbahn um den Kabelstrang 1 herum angebracht sind. Die Sendeeinheit 3 der 3 leitet die akustische Oberflächenwelle direkt auf die Oberfläche des Kabelstrangs 1. Die akustische Oberflächenwelle wird durch die Empfangseinheit 4, die ebenfalls direkt an der Oberfläche des Kabelstrangs 1 angebracht ist, empfangen und durch die Verarbeitungseinheit 6, wie im Vorigem beschrieben, verglichen und der Abnutzungswert der beiden elektrisch leitfähigen Kabel 2 wird bestimmt.
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In der 4 sind zwischen der Oberfläche der Kabelstrangisolierung 11 und der Sendeeinheit 3 und der Oberfläche der Kabelstrangisolierung 11 und der Empfangseinheit 4 Einleitungseinheiten 5 angebracht. Diese Einleitungseinheiten 5 bestehen aus piezoelektrischen Elementen und sind entlang einer Kreis- bzw. Ellipsenbahn um den Kabelstrang 1 angeordnet. Durch die Verwendung von piezoelektrischen Elementen werden die akustischen Oberflächenwellen punktueller und zielgerichteter auf die Oberfläche der Kabelstrangisolierung 11 geleitet, als dies nur unter Verwendung der kompletten Oberfläche der Sende- bzw. Empfangseinheiten 3,4 möglich ist.
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Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der 4, wobei die Übertragung des Abnutzungswertes, der von der Verarbeitungseinheit 6 bestimmt wurde, durch eine drahtlose Übertragungseinheit 9 bewerkstelligt wird. Hierdurch ist es möglich, dass nicht direkt am Kabelstrang 1 Geräte zum Ablesen des Abnutzungswerts angebracht werden müssen, sondern der Abnutzungswert an ein externes Gerät unter Verwendung eines kabellosen Übertragungsprotokolls wie beispielsweise Bluetooth, WLAN, RFID, NFC oder ähnliches bewerkstelligt wird.
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In der 6 ist zusätzlich zu den piezoelektrischen Elementen 5 ein akustischer Oberflächenwellenresonator 10 angebracht. Hierdurch wird eine Signalverbesserung dadurch erreicht, dass die Wellen sich nichtmehr in alle Richtungen auf der Oberfläche des Kabelstrangs 1 ausbreiten, sondern zielgerichtet in die Richtung des Empfangselements 4 geleitet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn lange Kabelstränge überwacht werden sollen.
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Die 7 zeigt eine Ausführungsform, in der die Sendeeinheit 3 und die Empfangseinheit 4 in ein Bauteil eingebaut sind. Die dargestellten piezoelektrischen Elemente 5 werden folglich sowohl für die Einleitung der akustischen Oberflächenwelle, als auch für den Empfang der akustischen Oberflächenwelle verwendet. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass für den Sendevorgang und den Empfangsvorgang jeweils Intervalle definiert werden. Darauf aufbauend kann die Verarbeitungseinrichtung 6 die im vorigen beschriebenen Merkmale der Abnutzung bestimmen.
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Es ist selbstverständlich, dass die in den 3 bis 7 gezeigten Ausführungsformen untereinander kombiniert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kabelstrang
- 2
- elektrisch leitfähiges Kabel
- 3
- Sendeeinheit
- 4
- Empfangseinheit
- 5
- Einleitungseinheit
- 6
- Verarbeitungseinheit
- 7
- Schelle
- 8
- Abnutzungserscheinung
- 9
- Übertragungseinheit
- 10
- Oberflächenwellenresonator
- 11
- Kabelstrangisolierung
- 12
- Kabelisolierung
- 13
- Litze
- 14
- Steuereinheit
- 15
- Roboter
