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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Erfassen eines einen ausgewählten Punkt auf einer Ebene radial umgebenden Metallobjekts. Weiterhin betrifft sie einen Sensor, der eingerichtet ist, um mittels des Verfahrens ein einen ausgewählten Punkt in einer Ebene radial umgebendes Metallobjekt zu erfassen.
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Stand der Technik
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Näherungssensoren werden in der Fertigung und bei der Materialbearbeitung zum Erkennen des Vorhandenseins des metallischen Werkstücks oder zum Erkennen von dessen Position eingesetzt. Hierzu erzeugen Näherungssensoren ein magnetisches Feld durch eine Induktionsspule. Wenn ein metallisches Werkstück in das vom Sensor erzeugte Magnetfeld gelangt, so erzeugen die Wirbelströme im Werkstück ein Gegenfeld, das zu einer Verringerung der Impedanz der Induktionsspule führt. Je nach Materialeigenschaften des Werkstücks kann auch eine Amplitudenänderung eines mit der Induktionsspule verbundenen Oszillators beobachtet werden. Eine Anwendung derartiger Sensoren besteht darin, festzustellen ob Schweißmuttern oder Lochmuttern ordnungsgemäß auf Löchern befestigt worden sind, die in einer Verkleidung eines Fahrzeugs ausgebildet sind. In solche Verkleidungen werden viele Muttern eingesetzt. Es kann nun vorkommen, dass eine oder mehrere Muttern fehlen oder während der Montage abgebrochen sind. Das Fehlen von Muttern in Verkleidungen wird manchmal nicht erkannt bis die fehlerhafte Metallplatte oder die Verkleidung mit zahlreichen anderen Komponenten montiert oder in ein Fahrzeug eingesetzt worden ist. Dann ist es zeit- und kostenaufwendig die notwendigen Nachbesserungsschritte auszuführen.
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Das Anschweißen von Muttern erfolgt üblicherweise mittels Lichtbogenschweißens. Die Verwendung eines Lichtbogenschweißgeräts in der Nähe eines Näherungssensors kann zu Spitzen in der Signalauswertung beziehungsweise in der Amplitudenmessung führen, aufgrund derer keine zuverlässige Erfassung der Mutter möglich ist. Zudem kann der Sensorkopf während des Schweißvorgangs auf Temperaturen von bis zu 150°C erhitzt werden, welche zu einer starken Veränderung des Messsignals, insbesondere der Amplitudenmessung, führen können.
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Die
DE 195 386 53 A1 beschreibt einen Sensor, der radial empfindlich ist und das Vorhandensein oder die Abwesenheit einer Mutter auf einer Verkleidung detektiert, indem die Verkleinerung der Schwingungsamplitude ausgewertet wird, da seine Funktionsweise auf der Auswertung der Wirbelstromverluste in einem Werkstück basiert. Auch dieser Sensor kann jedoch nicht zuverlässig in der Umgebung eines Lichtbogenschweißgerätes eingesetzt werden.
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Ein weiterer Nachteil der voranstehend beschriebenen Sensoren besteht darin, dass sie lediglich Objekte aus ferromagnetischen Metallen erfassen können. Die Erfassung von Muttern aus nicht ferromagnetischen Metallen wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer ist auf diese Weise nicht möglich.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Erfassen eines einen ausgewählten Punkt in einer Ebene radial umgebenden Metallobjektes wie beispielsweise einer Mutter bereitzustellen, das zuverlässig in der Nähe von Lichtbogenschweißgeräten und ähnlichen elektrischen Störquellen eingesetzt werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, das Verfahren so auszugestalten, dass auch die Detektion von Metallobjekten aus nicht ferromagnetischen Metallen ermöglicht. Schließlich ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Sensor bereitzustellen, der von dem Verfahren Gebrauch machen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Einige Aufgaben werden in einem Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zum Erfassen eines Metallobjekts gelöst, das einen ausgewählten Punkt in einer Ebene radial umgibt. Bei dem Metallobjekt handelt es sich insbesondere um eine Mutter, eine Unterlegscheibe oder eine Hülse. In dem Verfahren werden Schritte ausgeführt, die auch im Betrieb herkömmlicher Näherungssensoren bekannt sind. Es erfolgt ein Bereitstellen eines Tastkopfes, der ein radial nach außen gerichtetes magnetisches Wechselfeld relativ zu seiner Längsachse erzeugt. Der Tastkopf wird an einem ausgewählten Punkt angeordnet, wobei seine Längsachse senkrecht zu der Ebene steht. Anschließend wird das die Längsachse des Tastkopfes radial umgebenden Metallobjekt erfasst.
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Anders als in den herkömmlichen Verfahren erfolgt für die Erfassung jedoch keine Auswertung der Amplitude. Stattdessen wird ein Frequenzhub zwischen einer Trägerfrequenz eines Oszillators des Tastkopfes und seiner geänderten Frequenz ausgewertet. Unter der Trägerfrequenz wird dabei die Frequenz verstanden, die der Oszillator aufweist, wenn er das magnetische Wechselfeld erzeugt und dabei nicht von einem Metallobjekt umgeben ist. Die Trägerfrequenz wird auch als Grundschwingung bezeichnet. Unter der geänderten Frequenz wird die Frequenz verstanden, welche der Oszillator aufweist, wenn die Trägerfrequenz durch die Einführung des Tastkopfes in das Metallobjekt geändert wird. Diese Änderung erfolgt dadurch, dass das Metallobjekt bei dem nach außen geben des magnetischen Wechselfeldes ein Gegenfeld erzeugt, das zu dem Frequenzhub führt.
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Dieses Verfahren kann grundsätzlich unter Verwendung eines Sensors durchgeführt werden, der auch mittels eines herkömmlichen Verfahrens unter Auswertung der Amplitude betrieben werden kann. Ein bereits vorhandener Sensor kann deshalb durch Anschließen an ein neues Steuergerät oder durch das Aufspielen einer neuen Steuerungssoftware mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden. Während der Sensor aber bei Auswertung der Amplitude durch Signalspitzen, welche auf äußeren Störeinflüssen beruhen, in der Erfassung des Metallobjekts beeinflusst werden kann, haben derartige Spitzen keinen Einfluss auf die geänderte Frequenz, sodass auch der ausgewertete Frequenzhub durch äußere Störeinflüsse nicht beeinträchtigt wird. Eine Änderung der Frequenz findet sowohl durch ferromagnetische als auch durch nicht ferromagnetische Metalle statt, sodass Metallobjekte aus beiden Metallen mittels dieses Verfahrens detektiert werden können (Faktor1 Verhalten).
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Das Erfassen des Metallobjekts wird vorzugsweise so realisiert, dass seine Anwesenheit erkannt wird, wenn der Frequenzhub einen Schwellenwert überschreitet. Dieser Schwellenwert kann grundsätzlich für jedes Metallobjekt eingelernt werden. Das Einlernen kann beispielsweise dadurch gestartet werden, dass ein Knopf betätigt wird, der zwischen einer Auswerteeinheit und einem elektronischen Steuergerät angeordnet ist, oder dass ein Einlernsignal mittels eines Kommunikationssystems wie beispielsweise IO-Link übermittelt wird. Alternativ ist es allerdings auch möglich, dass sich der Sensor dynamisch mittels eines Algorithmus an seine Umgebung anpasst und somit Metallobjekte einer definierten Mindestgröße erkennen kann, die zusätzlich zur Umgebung radial um den Tastkopf herum angeordnet werden. Durch die dynamische Anpassung ist ein Einlernen des verwendeten Sensors an das Metallobjekt nicht zwingend notwendig. Die gilt insbesondere dann, wenn das Metallobjekt eine Größe aufweist, wie sie beispielsweise eine Mutter hat. Auch bei einem notwendigen Wechsel des Tastkopfes ist dann kein Einlernen erforderl ich.
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Es ist bevorzugt, dass der Oszillator mit einer Trägerfrequenz von mindestens 1 kHz betrieben wird. Sofern äußere Störungen zu einer Änderung der Trägerfrequenz führen, tritt dieser Effekt dann nur in einem kleinen Bereich der beobachteten Frequenz auf, sodass er das Ergebnis der Erfassung nicht signifikant stören kann. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Trägerfrequenz maximal 200 kHz beträgt. Der Tastkopf weist insbesondere ein Stahlgehäuse auf, das von höheren Trägerfrequenzen nicht durchdrungen werden kann.
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Besonders bevorzugt wird hierzu die geänderte Frequenz des Oszillators über einen vorgebbaren Zeitraum aufgenommen. Bereiche dieses Zeitraums deren Frequenz mindestens um einen vorgebbaren Schwellenwert von einer mittleren Frequenz des Zeitraums abweichen, werden dann bei der Auswertung verworfen. Dieses verwerfen kann vorzugsweise durch einen Tiefpassfilter wie beispielsweise ein Firmware-Filter erfolgen.
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Es ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur möglich die Anwesenheit beziehungsweise Abwesenheit eines umgebenden Metallobjektes zu erkennen. Aufgrund des Frequenzhubs und einer Phasenverschiebung des Oszillators kann außerdem darauf geschlossen werden aus welchem Material das Metallobjekt besteht. Hierbei wird ausgenutzt, dass unterschiedliche Metalle sich durch ihre Frequenz und Phasenlage unterschiedlich in einem Schwingkreis oder Oszillatorkreis abbilden können.
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Eine Aufgabe wird in einem weiteren Aspekt der Erfindung durch einen Sensor gelöst, welcher eingerichtet ist, um mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein einen ausgewählten Punkt in einer Ebene radial umgebendes Metallobjekt zu erfassen.
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Dieser Sensor ist vorzugsweise so aufgebaut, dass er einen Tastkopf mit einer Induktionsspule aufweist, deren Draht um die Längsachse des Tastkopfes gewickelt ist. Besonders bevorzugt ist die Induktionsspule, nicht um einen Magnetkern, wie beispielsweise einen Ferritkern, gewickelt. In Gegenwart von Störeinflüssen, die durch Lichtbogenschweißen hervorgerufen werden, würde ein solcher Magnetkern das Erfassen des Metallobjekts nicht erleichtern sondern erschweren.
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Es ist bevorzugt, dass der Tastkopf in einem Sensorkopf angeordnet ist, welcher einen Oszillator aufweist. Der Sensorkopf ist mittels eines Kabels mit einer Auswerteeinheit verbunden, die eine Auswerteschaltung und eine Ausgangsstufe aufweist. Die räumliche Trennung der Auswerteschaltung und der Ausgangstufe von dem Sensorkopf schützt diese vor Störquellen in der Nähe des Sensorkopfes. Außerdem wird es so einfach ermöglicht, den Sensorkopf auszutauschen, ohne dass hierzu ein Austausch der Auswerteschaltung und der Ausgangsstufe erforderlich wird. Dieser Austausch kann beispielsweise erforderlich werden, um Muttern mit unterschiedlichen Durchmessern zu detektieren.
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Zur Auswertung des Frequenzhubs ist es bevorzugt, dass die Auswerteschaltung eingerichtet ist, um einen Frequenzhub des Oszillators auszuwerten.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine isometrische Darstellung eines Sensors, der mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Metallobjekt erfassen kann, das einen ausgewählten Punkt in einer Ebene radial umgibt.
- 2 zeigt eine schematische Teilschnittdarstellung eines Sensorkopfes des Sensors gemäß 1 dessen Tastkopf in eine Metallmutter eingeführt wurde.
- 3 zeigt schematisch elektronische Komponenten des Sensors gemäß 1.
- 4a und 4b zeigen die Beeinflussung einer Signalamplitude durch ein Metallobjekt in einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik.
- 5a und 5b zeigt die Beeinflussung einer Signalfrequenz durch ein Metallobjekt in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt einen Sensorkopf
10, der an eine Auswerteeinheit
20 angeschlossen werden kann. Ein Kabel
21 ermöglicht es den Sensorkopf
10 soweit von der Auswerteeinheit
20 zu beabstanden, dass der Sensorkopf
10 in der Umgebung von elektronischen Störquellen eingesetzt werden kann, ohne dass diese Auswertefunktionen der Auswerteeinheit
20 beeinflussen. Auch hohe Temperaturen in der Nähe des Sensorkopfs
10 haben dadurch keinen Einfluss auf die Auswerteeinheit
20. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Sensorkopf
10 zur Untersuchung einer Verkleidung
30 eines Fahrzeugs verwendet. Diese weist Löcher auf, an denen Metallobjekte
31 in Form von Schweißmuttern mittels Lichtbogenschweißens angeschweißt werden. Der Sensorkopf
10 kann so aufgebaut sein wie ein Sensorkopf zum Erfassen seitlich angeordneter Teile, der in der
DE 195 386 53 A1 beschrieben wird.
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2 stellt die Untersuchung des Loches in der Verkleidung 30 auf die Anwesenheit des Metallobjekts 31 dar. Der Sensorkopf 10 weist einen Endabschnitt 11 auf, mit dem er an dem Kabel 21 angeschlossen werden kann. Weiterhin weist er einen Tastkopf 12 auf. In dem Tastkopf 12 ist eine Induktionsspule 13 angeordnet, deren Draht um einen Kunststoffträger 14 gewickelt ist. Der Tastkopf 12 ist in einem Punkt P in dem Loch in der Verkleidung 30 angeordnet. Diese Anordnung erfolgt so, dass die Längsachse L des Sensorkopfs 10, welche auch die Längsachse L des Tastkopfes 12 ist, senkrecht auf der Ebene E steht, in welcher die Verkleidung 30 und das Metallobjekt 31 liegen. Die Induktionsspule 13 erzeugt relativ zu der Längsachse L ein radial nach außen gerichtetes magnetisches Wechselfeld 40.
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In dem Sensor sind elektronische Bauelemente angeordnet, die schematisch in 3 dargestellt sind. Der Sensorkopf 10 weist in seinem Endabschnitt 11 einen Oszillator 15 auf. Eine Auswerteschaltung 16 und ein Ausgabetreiber 17 in Form eines IO-Link-Chips sind im Inneren der Auswerteeinheit 20 angeordnet. Dort wird zur Auswertung eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application-specific integrated circuit; ASIC) verwendet.
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Die Auswerteeinheit 20 ist mittels des Ausgabetreibers 17 mit einem nicht dargestellten elektronischen Steuergerät verbunden.
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In einem herkömmlichen Verfahren zum Erkennen des Metallobjekts 31 wird die Amplitude des Verlaufs der elektrischen Spannung U mit der Zeit t des Oszillators 15 ausgewertet. Wird das magnetische Feld 40 erzeugt, ohne dass der Tastkopf 12 in das Loch in der Verkleidung 30 eingeführt wurde, so ergibt sich der in 4a dargestellte Signalverlauf 51. Führt man nun den Tastkopf 10 in das Loch in der Leiterplatte 30 ein, so bewirken die Anwesenheit der Verkleidung 30 und des Metallobjekts 31 gemeinsam eine Verringerung der Amplitude, sodass sich der Signalverlauf 52 ergibt. Im zeitlichen Mittel beträgt die Differenz der Amplituden ΔU. Diese überschreitet einen Schwellenwert zur Erfassung des Metallobjekts 31. Der Schwellenwert wird dabei so gewählt, dass er durch eine Verringerung der Signalamplitude allein durch die Anwesenheit der Verkleidung 30 ohne Anwesenheit des Metallobjekts 31 nicht überschritten wird.
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Befindet sich in unmittelbarer Nähe des Metallobjekts 31 ein Lichtbogenschweißgerät in Gebrauch, so beeinflusst dies den Signalverlauf in der in 4b dargestellten Weise. Durch elektrische Störungen kommt es zu Spannungsspitzen 53. Diese verändern im zeitlichen Mittel die Differenz der ΔU Amplituden der beiden Signalverläufe 51, 52. Dadurch wird der Schwellenwert nicht mehr überschritten und es kommt es fälschlicherweise zu keiner Erfassung des Metallobjekts 31.
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In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen des Metallobjekts 31 wird das Steuergerät 20 so betrieben, dass eine Frequenz der elektrischen Spannung U ausgewertet wird. Wie in 5a dargestellt ist wird ein erster Signalverlauf 61 mit einer Trägerfrequenz von mehr als 1 kHz, der sich ergibt, solange der Tastkopf 12 nur von Luft umgeben ist, in der in 2 dargestellten Position so geändert, dass es zu dem Signalverlauf 62 kommt. Die Frequenz erhöht sich dabei soweit, dass ein Frequenzhub zwischen der Trägerfrequenz des ersten Signalverlaufs 61 und der geänderten Frequenz des zweiten Signalverlaufs 62 einen Schwellenwert überschreitet, der eine klare Erfassung des Metallobjekts 31 sicherstellt.
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Wird auch diese Messung in der Gegenwart einer elektrischen Störquelle wiederholt, so ergeben sich die Signalverläufe 61, 62 die in 5b dargestellt sind. Auch hier treten Spannungsspitzen 63 auf. Diese beeinflussen die Frequenz des gedämpften Signalverlaufs 62 jedoch nicht oder nur unwesentlich, sodass der Frequenzhub unverändert bleibt. Um auch diese unwesentlichen Änderungen noch zu kompensieren ist zusätzlich jedoch vorgesehen, dass über den Zeitraum, in dem der zweite Signalverlauf 62 aufgenommen wird, ein Mittelwert der Signalfrequenz gebildet wird und Bereiche des Zeitraums, in denen die Frequenz mindestens um einen vorgegebenen Schwellenwert von diesem Mittelwert abweicht, verworfen werden. Dies erfolgt durch einen als Firmware-Filter ausgeführten Tiefpassfilter im elektrischen Steuergerät 20.
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Neben dem Schwellenwert des Frequenzhubs, der dazu vorgesehen ist zu erkennen ob überhaupt ein Metallobjekt 31 vorhanden ist, kann der Frequenzhub außerdem in Kombination mit einer Phasenverschiebung des Oszillators 15 ausgewertet werden, um auf diese Weise zu unterscheiden aus welchem Metall das Metallobjekt besteht. So kann nicht nur das eventuelle Fehlen einer Mutter an dem Loch in der Verkleidung 30 erkannt werden, sondern es kann auch erkannt werden, wenn eine Mutter aus dem falschen Material verwendet wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19538653 A1 [0004, 0019]
