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Die Erfindung betrifft ein Maschinenelement mit einer Elektronikbaugruppe und ein System zur Erfassung zumindest einer Zustandsgröße einer Maschine.
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Um die Produktivität und Flexibilität in der industriellen Fertigung immer weiter zu verbessern, werden die einzelnen Be- und Verarbeitungsprozesse sowie der Transport von Ausgangsmaterialien, Halbzeugen, Vorprodukten, Zwischenprodukten und Endprodukten mehr und mehr von Sensoren überwacht, die die Zustandsgrößen der einzelnen Elemente der Produktions- und Transportanlagen erfassen. Die Erfassung der einzelnen Zustandsgrößen dient dabei insbesondere zur Qualitätssicherung, zur Produktivitätssteigerung und zur Erhöhung der Betriebssicherheit der in der Industrieproduktion eingesetzten Fertigungs- und Transportanlagen.
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Auch in Fahrzeugen jeder Art, Flugzeugen und Schiffen wird der Betrieb mehr und mehr von entsprechenden elektronischen Steuergeräten überwacht, gesteuert und geregelt, die die dafür nötige Information über entsprechende Zustandsgrößen von geeignet angeordneten Sensoren geliefert bekommen.
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Aus der Kraftfahrzeugtechnik ist es beispielsweise bekannt, zur Erhöhung der Bremssicherheit, also zur Optimierung des Bremswegs eines Fahrzeugs sogenannte Antiblockiersysteme einzusetzen, die den Bremseingriff in Abhängigkeit von der Drehung der gebremsten Räder regeln. Bei Fertigungsrobotern werden die Bewegungen der einzelnen Achsen erfasst und der Zustand der Antriebe wird überwacht. Die hierfür erforderlichen Sensoren müssen jeweils an geeigneter Stelle in oder an der entsprechenden Maschine oder Vorrichtung angeordnet sein und so mit den jeweiligen Steuer- und Überwachungsgeräten verbunden werden, dass diese die Zustandsgrößen in Echtzeit erfassen und berücksichtigen können.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Maschinenelement bereit zustellen, dass es ermöglicht, eine oder mehrere Zustandsgrößen einer Maschine zu erfassen und für die Überwachung und/oder Steuerung zumindest eines Betriebszustands der Maschine bereit zu stellen. Eine weitere Aufgabe besteht darin ein entsprechendes System zur Erfassung zumindest einer Zustandsgröße einer Maschine bereit zu stellen.
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Diese Aufgaben werden durch das Maschinenelement gemäß Patentanspruch 1 sowie durch das System zur Erfassung von Zustandsgrößen in Maschinen gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß weist das Maschinenelement eine darin integrierte Elektronikbaugruppe mit einem Messsystem, einer Datenübertragungseinheit zur drahtlosen Übertragung von Daten, einem Mikrokontroller und einer Energieversorgungseinheit auf. Die Energieversorgungseinheit ist zum drahtlosen Empfang von elektrischer Energie ausgelegt und versorgt den Mikrokontroller, die Datenübertragungseinheit und das Messsystem. Somit können von einem oder mehreren Sensoren des Messsystems eine oder mehrere Messgrößen erfasst und über die Datenübertragungseinheit zur weiteren Verarbeitung und Nutzung an entsprechende Datenverarbeitungsvorrichtungen geliefert werden.
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Das Maschinenelement ist dabei vorzugsweise als Rotor, insbesondere als Bremsrotor ausgebildet, wie er beispielsweise in Magnetbremsen eingesetzt wird. Das rotorförmige Maschinenelement kann aber auch in einer Kupplung eines Antriebsstrangs als Reibscheibe oder dergleichen eingesetzt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Integration einer Elektronikbaugruppe mit Messsensoren, Steuerkreisen, Energieversorgung und Luftschnittstelle für die Datenübertragung wird es ermöglicht, Zustandsgrößen von Maschinen insbesondere von Antrieben und Antriebswellen unmittelbar im Antriebsstrang bzw. an der Antriebswelle zu erfassen und zur Überwachung und Steuerung des Antriebs nach außen bereit zu stellen.
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Zur einfachen Montage des erfindungsgemäßen Maschinenelements auf einer Welle weist der rotorförmige Körper eine zentrale Öffnung auf, die mit Mitteln zur drehfesten Lagerung versehen ist, die also unrund und/oder mit einer Verzahnung versehen ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Körper des Maschinenelements aus Kunststoff, insbesondere aus einem Faserverbundmaterial, wobei die Elektronikbaugruppe in den Körper eingepresst ist.
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Die Integration der Elektronikbaugruppe in das Maschinenelement durch Einpressen in dessen Körper ermöglicht es, ein herkömmliches Maschinenelement durch ein erfindungsgemäßes Maschinenelement gleicher Form auszutauschen, das mit einer Sensorik, also mit einem Messsystem mit einem oder mehreren Sensoren versehen ist, um entsprechende Messdaten über die Luftschnittstelle, also über die Datenübertragungseinheit zur drahtlosen Übertragung von Daten bereit zu stellen, also von außen zugänglich zu machen. Demzufolge ist es auf einfache Weise möglich eine Maschine oder deren Antrieb für die Überwachung einer oder mehrerer ihrer/seiner Zustandsgrößen nachzurüsten. Soll eine bestehende Maschine oder ein existierender Antrieb mit einer Sensorik gemäß der vorliegenden Erfindung nachgerüstet werden, so ist es lediglich erforderlich, zusätzlich zum Austausch des entsprechenden Maschinenelements die Energieversorgung der Sensorik, also der integrierten Elektronikbaugruppe sicher zu stellen, also eine an die allgemeine Energieversorgung der Maschine oder des Antriebs angeschlossene Energieversorgungseinheit im Bereich des Maschinenelements anzuordnen, die zur drahtlosen Energieübertragung ausgelegt ist.
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Zweckmäßiger Weise ist die Elektronikbaugruppe auf einer Leiterplatte, insbesondere auf einer ringförmigen Leiterplatte angeordnet und mit einer Schutzbeschichtung versehen, die aus einer oder mehreren Schichten besteht. Durch den Einsatz einer Schutzbeschichtung kann sichergestellt werden, dass beim Einpressen der Elektronikbaugruppe in den insbesondere aus einem Faserverbundmaterial bestehenden Körper keine chemische Reaktionen zwischen dem Material des Körpers und den einzelnen Elementen der Elektronikbaugruppe auftreten. Insbesondere können auch chemische Reaktionen aufgrund hoher Temperatur und/oder hohem Druck vermieden werden.
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Um eine möglichst effektive Energieversorgung sicherzustellen, ist vorgesehen, dass die Energieversorgungseinheit einen Resonanzempfänger für die Energieübertragung mittels induktiver Resonanzkopplung aufweist. Besonders einfach lässt sich der Resonanzempfänger ausbilden, wenn seine Induktivität einfach als Leiterbahn beispielsweise als spiralförmige Leiterbahn auf der insbesondere ringförmigen Leiterplatte ausgeführt ist, die die Öffnung der Leiterplatte umgibt.
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Das zur Erfassung von Zustandsgrößen in Maschinen, insbesondere in Antrieben ausgelegte Messsystem des erfindungsgemäßen Maschinenelements weist zumindest einen Temperatursensor, Schwingungssensor, Beschleunigungssensor, Schallsensor und/oder Drehzahlsensor oder dergleichen auf.
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In besonders vorteilhafter Weise wird das erfindungsgemäße Maschinenelement in einem System zur Erfassung von Zustandsgrößen von Maschinen, insbesondere von Zustandsgrößen in Antrieben eingesetzt, das neben dem erfindungsgemäßen Maschinenelement eine externe Energieversorgungeinheit, die zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie zur Elektronikbaugruppe des Maschinenelements ausgelegt ist, und eine externe Datenübertragungseinheit aufweist, die zum drahtlosen Empfang von Daten von der Elektronikbaugruppe des Maschinenelements ausgelegt ist. Die externe Datenübertragungseinheit kann dabei beispielsweise in einer externen Datenverarbeitungseinrichtung (Client), beispielsweise einer Maschinenüberwachungs- oder Steuerungseinheit integriert sein, oder über entsprechende drahtlose und/oder drahtgebundene Datenübertragungskanäle oder -leitungen mit diesen verbunden sein. Beispielsweise ist es denkbar, als externe Datenübertragungseinheit eine Funkschnittstelle eines Smartphones oder eines Tablet-PCs zu nutzen. Bei geeigneter Software ist es dann möglich, dass ein Benutzer die erfassten Zustandsgrößen der Maschine oder des Antriebs auf dem Bildschirm seines mobilen Endgerätes zur Überwachung dargestellt bekommt.
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Zweckmäßiger Weise ist vorgesehen, dass auch die externe Energieversorgungseinheit einen Resonanzsensor für die Energieübertragung mittels induktiver Resonanzkoppelung aufweist. Hierdurch ergibt sich eine sehr wirksame und zuverlässige Energieversorgung der Elektronikbaugruppe im Maschinenelement.
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Für die Datenübertragung sind die externe Datenübertragungseinheit und die Datenübertragungseinheit des Maschinenelements jeweils zur drahtlosen Übertragung von Daten mittels von Funktechnik ausgelegt, die für die Datenübertragung zwischen Geräten über kurze Distanz geeignet ist, wie beispielsweise Bluetooth, Bluetooth Smart oder dergleichen.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Systems zur Erfassung von Zustandsgrößen in Maschinen, in das das erfindungsmäße Maschinenelement integriert ist,
- 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Maschinenelements,
- 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Maschinenelements gemäß 2,
- 4 eine schematische Draufsicht auf eine ringförmige Elektronikbaugruppe, wie sie im Maschinenelement gemäß 2 integriert ist, und
- 5 eine Seitenansicht der Elektronikbaugruppe gemäß 4.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Element mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie in 1 schematisch vereinfacht dargestellt ist, umfasst das erfindungsgemäße System zur Erfassung von Zustandsgrößen in Maschinen oder Antrieben ein Maschinenelement 10 mit einem Körper 11 aus nichtmetallischem Material in den eine Elektronikbaugruppe 12 integriert ist. Die Elektronikbaugruppe 12 umfasst ihrerseits ein Messsystem 14 mit zumindest einem Sensor zur Erfassung zumindest einer Messgröße, und eine Datenübertragungseinheit 15 zur drahtlosen Übertragung von Daten zur einer externen Datenübertragungseinheit 16 die zum drahtlosen Empfang von Daten ausgelegt ist, die von der Datenübertragungseinheit 15 der Elektronikbaugruppe 12 gesendet werden. Die externe Datenübertragungseinheit 16 kann in nicht näher dargestellter Weise in eine externe Datenverarbeitungsvorrichtung, wie beispielsweise einer Maschinensteuerung integriert sein. Es ist aber auch möglich, dass die externe Datenübertragungseinheit 16 die von der Elektronikbaugruppe 12 über die darin integrierte Datenübertragungseinheit 15 empfangenen Daten lediglich über Datenkanäle oder Datenleitungen per Funk oder drahtgebunden weiterleitet, wie in 1 durch eine Antenne 16.1 und einen Anschluss 16.2 schematisch angedeutet ist.
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Die Elektronikbaugruppe 12 umfasst ferner einen Mikrokontroller 17, der wie durch den Doppelpfeil 18 angedeutet das Messsystem 14 steuert und von diesem die Messdaten von dem oder den Sensoren des Messsystems 14 empfängt. Wie durch den Pfeil 19 angedeutet steuert der Mikrokontroller die Datenübertragungseinheit 15 und liefert ihr die nach außen zu übertragenden Daten, insbesondere Messdaten.
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Eine Energieversorgungseinheit 20, die zum drahtlosen Empfang von elektrischer Energie ausgelegt ist, versorgt das Messsystem 14 und den Mikrokontroller 17 - wie durch den Pfeil 20.1 angedeutet - und die Datenübertragungseinheit 15 mit der für den Betrieb erforderlichen elektrischen Energie.
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Die Energieversorgungseinheit 20 empfängt die elektrische Energie von einer externen Energieversorgungseinheit 21, die als sogenannter Push-Pull-Oszillator ausgelegt sein kann, über einen durch die gestrichelte Linie L angedeuteten Luftspalt zwischen den Antennen oder Induktivitäten der Energieversorgungseinheiten 20, 21.
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Wie in 2 und 3 dargestellt, ist der Körper 11 des Maschinenelements 10 vorzugsweise rotorförmig ausgebildet und stellt beispielsweise einen Bremsrotor dar. Der scheibenförmige Körper 11 des Maschinenelements 10 ist mit einer zentralen Öffnung 22 versehen, in deren Umfangswand 23 eine Vielzahl von Nuten 24 vorgesehen sind, so dass sich der Körper 11 drehfest auf einer nichtdargestellten Welle lagern lässt. Die Nuten wirken dann in bekannter Weise mit entsprechenden axialen Federn oder Keilen einer Welle zusammen.
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Wie der Schnittdarstellung in 3 zu entnehmen ist, ist in den Körper 11 des Maschinenelements 10 eine Elektronikbaugruppe 12 integriert. Die Elektronikbaugruppe 12, die unten näher erläutert wird, ist in den Körper 11, der aus einem nichtmetallischem Material, vorzugsweise aus Kunststoff, und insbesondere aus einem Faserverbundmaterial besteht, eingepresst. Das Einpressen erfolgt mit hohem Druck im Bereich von 40 bis 50 bar bei Temperaturen im Bereich von 130 bis 180 °C. Die Drücke und Temperaturen hängen dabei von der speziellen Zusammensetzung des Faserverbundmaterials ab. Zum Einpressen der Elektronikbaugruppe in den Körper des Maschinenelements 10 wird die auf einer Leiterplatte angeordnete Elektronikbaugruppe 12 sandwichartig zwischen zwei Rohlinge aus Faserverbundmaterial in einer Presse angeordnet, die dann diese Vorform des Maschinenelements 10 zum Einpressen der Elektronikbaugruppe 12 in den Körper 11 mit einem Druck von beispielsweise etwa 45 bar bei einer Temperatur von etwa 150 °C bis 160 °C beaufschlagt. Anschließend wird das Maschinenelement 10 mit eingepresster Elektronikbaugruppe 12 über einen längeren Zeitraum bei hohen Temperaturen zwischen 180 °C und 220 °C, beispielsweise bei etwa 190 °C gehärtet.
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Die einzelnen Elemente der Elektronikbaugruppe 12 sind, wie in 4 und 5 dargestellt, auf einer ringförmigen, dem ring- oder rotorförmigen Maschinenelement 10 entsprechenden Leiterplatte 25 angeordnet, wobei einzelne Elemente der Elektronikbaugruppe 12 von einer Schutzbeschichtung 26 abgedeckt sind, die durch die schwarze Schicht in 4 angedeutet ist. Eine Induktivität 27 des nicht näher dargestellten Resonanzempfängers der Datenübertragungseinheit 15 ist als Leiterbahn auf der Leiterplatte 25 ausgebildet. Diese Leiterbahn verläuft dabei vorzugsweise spiralförmig und ist auf der Seite der Leiterplatte 25 angeordnet, die von der die einzelnen Elektronikbauteile tragenden Seite abgewandt ist, also auf der in 5 linken Seite der Leiterplatte 25. In 4 ist noch die Antenne 15.1 der Datenübertragungseinheit 15 zu erkennen.
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Grundsätzlich kann das Messsystem jede Art von Sensoren, wie Temperaturfühler, Schwingungs- und Beschleunigungssensoren, Schallsensoren und/oder Drehzahlsensoren oder dergleichen umfassen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Maschinenelements 10 umfasst das Messsystem 14 der Elektronikbaugruppe 12 zwei vorzugsweise von einander entfernt angeordnete Temperatursensoren und einen 3-Achsenbeschleunigungssensor. Ist eine derartige Elektronikbaugruppe beispielsweise in einem Bremsrotor eingebaut, so lässt sich der Schwingungszustand der Welle, auf der Bremsrotor montiert ist, während des ungebremsten Betriebs, während des Bremsens und auch im gebremsten Zustand ständig erfassen. Gleichzeitig lässt sich die Temperatur im Bereich des Bremsrotors ständig kontrollieren, wobei insbesondere auch das Temperaturverhalten beim Bremsen in Folge von Reibungswärme überwacht werden kann, um dem Bremsvorgang entsprechend zu steuern.
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Die für die Steuerung des Messsystems 14 und der Datenübertragungseinheit 15 erforderlichen Datenverarbeitungsprogramme (Software, Firmware) des Mikrokontrollers 17, die üblicherweise bereits vor der Integration der Elektronikbaugruppe 12 in dem Körper 11 des Maschinenelements 10 in diesem gespeichert werden, lassen sich auch nach dem Pressen, also wenn der Mikrokontroller nur noch über die Datenübertragungseinheit 15 zugänglich ist, erweitern und aktualisieren, da die entsprechenden aktualisierten und/oder erweiterten Datenverarbeitungsprogramme über die externe Datenübertragungseinheit 16 und die Datenübertragungseinheit 15 an den Mikrokontroller 17 übertragen werden und dort gespeichert werden können.
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Das erfindungsgemäße Maschinenelement und das damit ausgerüstete System zur Erfassung zumindest einer Zustandsgröße einer Maschine oder ihres Antriebs ermöglicht somit die Erfassung bestimmter Messgrößen in einem Bereich der Maschine, der für herkömmliche Sensoren nur schwer oder gar nicht zugänglich ist. Dabei ermöglicht die drahtlose Einbindung der Elektronikbaugruppe in das System zur Erfassung von Zustandsgrößen von Maschinen es, dass Messwerte, die bestimmten Zustandsgrößen der Maschine zugeordnet sind, gemessen und für die Maschinensteuerung, die Überwachung und Dokumentation des Betriebs der Maschine für den Zugriff von außen bereitgestellt werden können. Insbesondere lässt sich somit die Überwachung einzelner Bereiche in Maschinen für die industrielle Produktion auf bestimmte Zustandsgrößen hin realisieren und mittels moderner Informations- und Kommunikationstechnik (Industrie 4.0) für die weitere Verwendung bereitstellen.
