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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum Charakterisieren von metallenen Materialien, d.h. zum Bestimmen der Eigenschaften oder Charakteristiken davon, insbesondere ohne Kontaktieren und/oder Beschädigen der Materialien.
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In dem technischen Feld der Verarbeitungsmaschinen zum Durchführen von Bearbeitungen, Behandlungen, Verarbeitungen an Stücken und/oder Teilen, die aus Metall hergestellt sind (z.B. metallbearbeitende Maschinen, so wie Werkzeugmaschinen, Blech- und Rohrbearbeitungsmaschinen, etc.) wird die Notwendigkeit eines Systems und Verfahren zum Charakterisieren des Stücks vor dem darauf durchgeführten Bearbeiten/Verarbeiten verspürt, um zu die Bearbeitungs-/Verarbeitungsparameter der Maschine gemäß physischen und/oder chemischen Charakteristiken des Stücks einzustellen und/oder anzupassen, was die Materialart (Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Messing, ...) und Materialzusammensetzung (Legierungszusammensetzung), Dicke, Oberflächenzustand (Behandlung, Veredelung) enthält.
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Tatsächlich ist es weit bekannt, dass Qualität, Genauigkeit und Stabilität eines Bearbeitens/Verarbeitens direkt von einer Mehrzahl von Verarbeitungsparametern zum Steuern der Betriebsmittel der Maschine (z.B. Mittel zum Schneiden, Fräsen, Drehen, Schleifen, Stanzen, Umformen, etc.) abhängt und dass solche Verarbeitungsparameter stark variieren und sich gemäß den Charakteristiken des zu bearbeitenden/verarbeitenden Stücks verändern.
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Ein gängiger Ansatz in der Industrie ist es, die optimalen Verarbeitungsparameter für die meisten der typischen Metallmaterialien, die bei der Herstellung verwendet werden, durch Durchführung von umfangreichen empirischen Tests und/oder durch theoretische Verfahren zu finden und diese Parameter in einer Materialdatenbank der Maschine oder einer CAD/CAM-Software, die Verarbeitungsprogramme erzeugt, die von der Maschine ausgeführt werden, zu speichern. Die Auswahl eines solchen Parametersatzes erfolgt durch den Bediener der Maschine oder der CAD/CAM-Software.
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Insbesondere werden die vorbekannten Verarbeitungsparameter von dem Bediener in der Verarbeitungsmaschine vor dem Verarbeiten gemäß der generischen Materialart und der Dicke des zu bearbeitenden Stücks eingestellt. Nichtsdestotrotz können diese Parameter aufgrund von menschlichen Fehlern und/oder begrenzten Bedienerkenntnisse unsachgemäß oder ungenau sein, da sie nicht alle Charakteristiken des Stücks berücksichtigen, insbesondere des Materials davon. Deshalb ist der Bearbeitungsprozess nicht für das zu behandelnde Stück optimiert, mit dem Ergebnis, dass die Qualität und Stabilität des gesamten Bearbeitungsprozesses beeinträchtigt ist. Weiterhin können unerwünschte Folgen Schäden an dem Stück und der Maschine und eine verringerte Produktivität aufgrund von Ausfallzeiten für notwendige Maßnahmen den Fehler zu korrigieren und eine große Anzahl von Ausschlussteilen enthalten.
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Diese Nachteile sind offensichtlicher und kritischer, wenn die Verarbeitungsmaschine in eine automatisierte Produktions-/Fertigungslinie integriert ist, wobei Lager und Ladesysteme stromaufwärts von der Maschine bereitgestellt sind, um letztere mit den unverarbeiteten oder unbearbeiteten Stücken (e.g. Blech, Scheiben, Platten, Stangen, Rohre, etc.) oder halbfertigen/bearbeiteten Stücken zu versorgen, und Entladesysteme stromabwärts der Maschine bereitgestellt sind und die fertigen Stücke von letzterer entfernen und diese weiter entlang der Linie bewegen. Der gesamte Herstellungsprozess ist dann vollständig automatisiert und benötigt keinen regelmäßigen Eingriff von Maschinenbedienern, wobei die Produktionslinie ferngesteuert wird. Deshalb können mangels eines Maschinenbedieners falsche oder ungenaue Einstellungen der Verarbeitungsparameter für einen erweiterten Zeitraum oder sogar vollständig unbemerkt bleiben.
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Darüber hinaus können in solchen automatisierten Fertigungslinien Fehler während der Programmierung und/oder des Beladens des Lagers oder innerhalb des Versorgungssystems auftreten, die bewirken, dass ein Stück beladen wird, das für das beabsichtigte Bearbeiten/Verarbeiten ungeeignet ist. Auch in diesem Fall kann aufgrund des Fehlens des Maschinenbedieners diese Art von Fehler für einen erweiterten Zeitraum oder sogar vollständig unbemerkt bleiben. Das Ergebnis ist die Produktion von Ausschuss und/oder ein kompletter Stillstand der Produktionslinie.
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Es gibt bekannte Analyseverfahren, die eine Charakterisierung eines Materials ermöglichen, d.h. die Detektion/Messung von Materialeigenschaften und -charakteristiken in Bezug auf eine chemische Zusammensetzung, Struktur und Oberflächenbedingungen. Jedoch weisen solche Analyseverfahren, die typischerweise chemische Prozesse oder Massenspektroskopieanalyse enthalten, mehrere Nachteile, die deren Integration in die Verarbeitungsmaschinen und/oder in die automatisierte Fertigungslinien beschränken.
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Ein erster Nachteil sind die hohen Kosten einer Vorrichtung, die in der Lage ist, solche Analyseverfahren anzuwenden. Ein zweiter Nachteil ist, dass die Detektion innerhalb weniger Sekunden abgeschlossen sein muss, um den normalen Betriebsfluss der Maschine nicht zu stören. Drittens soll das Stück, wenn überhaupt, nur einen minimalen Schaden durch die Messung erleiden. Viertens muss die Analyse des Materials direkt an der Verarbeitungsmaschine erfolgen, kurz vor dem Bearbeiten/Verarbeiten, um ein Beladen des falschen Materials zu verhindern.
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WO 2011/134805 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Laserbearbeitbarkeit von Blechen, das die Atomemissionsspektroskopie als analytisches Verfahren einsetzt. In der Atomemissionsspektroskopie wird eine kleine Probe des Stücks in ein Plasma ionisiert. Während der Abkühlung des Plasmas bewirkt die Rekombination von Ladungsträgern die Emission von Strahlung bei charakteristischen Wellenlängen. Die spektrale Verteilung des emittierten Lichts ermöglicht die Ableitung der elementaren Zusammensetzung des Stücks. Die Erregung des Plasmas und die Ablation des zu analysierenden Materials erfolgt typischerweise drahtlos mit einem Laserpuls von wenigen Nanosekunden Länge oder einem elektrischen Funken. Die Atomemissionsspektroskopie ist ein bekanntes Verfahren zur drahtlosen Materialanalyse mit der Fähigkeit, die Elementzusammensetzung eines Stückes sowie die Massen- oder Volumenverhältnisse seiner Elementkomponenten zu bestimmen. Solch ein Verfahren ist sehr teuer, da es ein hochauflösendes Spektrometer und eine Laserquelle oder eine präzise Stromquelle zur Erzeugung eines reproduzierbaren Funkens erfordert.
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Darüber hinaus ist die in dem beschriebenen Dokument verfügbare Verarbeitungsmaschinenlaserquelle ausgelegt, um Laserstrahlung als eine kontinuierliche Welle mit hoher Leistung emittiert und ist somit nicht in der Lage, wiederholbare optische Pulse mit hohen Anstiegsraten zu erzeugen, die zum Erzeugen des für die Atomemissionsspektroskopie notwendigen Plasmas erforderlich sind. Das von der Maschinenlaserquelle erzeugte Plasma kann zum Zeitpunkt der Messung zu heiß sein, wodurch ein nahezu kontinuierliches Spektrum emittiert werden würde, das die charakteristischen Emissionspektren der elementaren Zusammensetzung des Stücks verdecken würde. Deshalb kann eine zweite Laserquelle neben der Hochleistungsquelle der Maschine erforderlich sein, um Messungen durchzuführen.
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Zuletzt ist ein großer Nachteil dieses Verfahrens, dass eine präzise Analyse der Grundmaterialzusammensetzung nur möglich ist, wenn Material vor der Messung entnommen wird. Deshalb bewirkt dieses Verfahren beträchtlichen Schaden an dem Stück.
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Ein anderes bekanntes Analyseverfahren für die Charakterisierung von Material ist die Röntgenfluoreszensspektroskopie. Bei Röntgenfluoreszensspektroskopie werden Partikel des Stücks durch Röntgenstrahlen erregt, die dann sekundäre Röntgenstrahlencharakteristiken für jedes Element der Materialzusammensetzung emittieren. Ein energierückführender Detektor misst diese fluoreszierenden Röntgenstrahlen. Dieses Verfahren ermöglicht eine schnelle Bestimmung der elementaren Zusammensetzung eines Stücks nur von den Oberflächenschichten des Stücks, wenn kein Material vor der Messung entfernt wurde.
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Nichtsdestotrotz ist die Verwendung eines Röntgenfluoreszensspektroskopiesystems in einer Verarbeitungsmaschine und/oder in einer automatisierten Fertigungslinie aufgrund der Notwendigkeit, Strahlenschutzanforderungen (Strahlungsschutzmittel und - prozeduren) einzuhalten, problematisch und teuer.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannten Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Charakterisieren von metallenen Materialien, d.h. zum Detektieren von physischen und/oder chemischen Charakteristiken davon, zu verbessern.
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Es ist eine weitere Aufgabe, eine Erfassungsvorrichtung und ein Verfahren zum präzisen und schnellen Charakterisieren eines metallenen Stücks oder Teils bereitzustellen, insbesondere zum drahtlosen Detektieren von Charakteristiken davon, so wie Materialtyp, -zusammensetzung, Dicke, Oberflächenveredelung und - behandlung, ohne das Stück oder Teil zu beschädigen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, eine Erfassungsvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, um Daten betreffend die Charakteristiken eines zu bearbeitenden/verarbeitenden Stücks an eine Verarbeitungsmaschine und/oder eine automatisierte Fertigungslinie bereitzustellen, um es zu ermöglichen, optimale Bearbeitungs-/Verarbeitungsparameter automatisch einzustellen.
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Eine weitere Aufgabe ist es eine Erfassungsvorrichtung bereitzustellen, die geringe Dimensionen und Gewicht aufweist und einfach und effizient zu einer Verarbeitungsmaschine oder einer automatisierten Produktionslinie zuordenbar ist.
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In einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Erfassungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
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In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bearbeiten von Bearbeiten von Blech gemäß Anspruch 11 bereitgestellt.
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Die Erfindung wird besser unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verstanden und implementiert werden, die eine beispielhafte, nichtbeschränkende Ausführungsform davon illustrieren, in denen:
- - 1 eine im Querschnitt gezeigte, schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung, der ein Stück zugeordnet ist, ist;
- - 2 eine im Querschnitt gezeigte, schematische Ansicht von Komponenten von einer anderen Ausführungsform der Erfassungsvorrichtung von 1, der das Stück zugeordnet ist, ist;
- - 3 eine schematische Vorderansicht der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung, der eine Verarbeitungsmaschine zugeordnet ist, ist.
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Mit Bezug auf die 1 umfasst die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung 1 zum drahtlosen Detektieren einer Mehrzahl von Charakteristiken, insbesondere physischen, chemischen, dimensionalen Charakteristiken, eines metallenen Stücks 50 einen Wirbelstromsensor 5 zum Detektieren von elektrischen und magnetischen Charakteristiken des Stücks 50, zumindest einen elektromagnetisch-akustischen Sensor (EMAT) 6 zum Detektieren einer Dicke und mechanischer Charakteristiken des Stücks 50 und einen optischen Sensor 8 zum Detektieren von Oberflächencharakteristiken, insbesondere Texturen, einer Oberfläche 50a des Stücks 50. Die Sensoren 5, 6, 8 sind in einem Gehäuse 3 der Erfassungsvorrichtung 1 untergebracht.
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Die Erfassungsvorrichtung 1 umfasst weiter eine Auswertungseinheit 11, die angeordnet ist zum Koordinieren des Messprozesses, der von den verschiedenen Sensoren 5, 6, 8, durchgeführt wird, zum Sammeln der Daten, die sich auf Charakteristiken des Stücks 50 beziehen, von den Sensoren 5, 6, 8, zum Verarbeiten der Daten und zum Speichern und/oder Senden der letzteren an eine Steuereinheit der Verarbeitungsmaschine, zu der die Erfassungsvorrichtung 1 zuordenbar ist.
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Speichermittel, so wie ein elektronischer Speicher, und Übertragungsmittel, um Daten betreffend die detektierten Charakteristiken drahtlos oder kabelgebunden zu übertragen, sind bekannt und werden deshalb nicht in den Figuren gezeigt oder im Detail beschrieben.
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Die Auswertungseinheit 11 der Erfassungsvorrichtung 3 umfasst weiter eine Datenbank, die Charakteristiken von einer Mehrzahl von Referenzmaterialien enthält. Die Auswertungseinheit 11 ist dazu konfiguriert, die Charakteristiken, die von den Sensoren 5, 6, 8 detektiert werden, mit den Charakteristiken, die in der Datenbank enthalten sind, zu vergleichen, um ein Material des Stücks zu identifizieren. Die Informationen, die sich auf das identifizierte Material beziehen, werden in dem Speicher der Auswertungseinheit 11 gespeichert.
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Die Auswertungseinheit 11 ist auch dazu konfiguriert, um Daten, die sich auf das identifizierte Material beziehen, durch Übertragungsmittel an eine Steuereinheit einer Verarbeitungsmaschine zu senden, zu der die Erfassungsvorrichtung 1 zuordenbar ist, um der Steuereinheit zu ermöglichen, Verarbeitungsparameter zu konfigurieren und/oder anzupassen, um Betriebsmittel der Maschine zu steuern, um ein optimales Bearbeiten/Verarbeiten an dem Stück 50 durchzuführen.
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Alternativ ist die Datenbank in der Steuereinheit der Verarbeitungsmaschine enthalten, die zum Vergleichen der Charakteristiken, die von der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 1 detektiertet und übertragen werden, mit den Charakteristiken, die in der Datenbank enthalten sind, konfiguriert ist, um ein Material des zu bearbeitenden Stücks 50 zu identifizieren, um die Verarbeitungsparameter zum Steuern der Betriebsmittel gemäß dem identifizierten Material zu konfigurieren und/oder anzupassen.
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Wie in 3 gezeigt, ist die Verarbeitungsmaschine, der die Erfassungsvorrichtung 1 zugeordnet werden kann, zum Beispiel eine Blechbearbeitungsmaschine, die mit Betriebsmitteln 22 versehen ist, um zumindest eine Bearbeitung an einem Stück 50 durchzuführen, welches ein Blech, ein Band, eine Scheibe, eine Platte oder ähnliches ist, das aus einem metallischem Material hergestellt ist, so wie unlegierte oder legierte Stähle, Aluminium, Kupfer, Messing, etc. Insbesondere ist in dem nichtbeschränkenden Beispiel von 3 die Blechbearbeitungsmaschine 100 eine Laserschneidmaschine und die Betriebsmittel 22 umfassen einen Laserschneidkopf 20, der durch bekannte und deshalb nicht weiter im Detail beschriebenen Bewegungsmittel 21 entlang drei orthogonalen Bewegungsrichtungen X, Y, Z beweglich ist. Die Verarbeitungsmaschine 100 umfasst auch eine Steuereinheit 104 zum Steuern der Betriebsmittel und insbesondere zum Konfigurieren und/oder Anpassen von Verarbeitungsparametern zum Steuern von Betriebsmitteln der Maschine, um ein optimales Bearbeiten/Verarbeiten an dem Stück 50 durchzuführen.
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Die Erfassungsvorrichtung 1 ist zum Beispiel in der Maschine 100 stromaufwärts von den Betriebsmitteln 22 in Bezug auf eine Versorgungsrichtung A des Stücks 50, das in die Maschine 100 eintritt positioniert und befindet sich in der Nähe einer Oberfläche 50a, insbesondere einer oberen Oberfläche, des Stücks 50 und ist dieser zugewandt. Letztere ist zum Beispiel auf einer Bearbeitungsebene 31 der Maschine 1 mittels eines Ladesystems 30 der Maschine 100 positioniert.
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Die Erfassungsvorrichtung 1 ist in einem Kantenbereich der Maschine 100 positioniert, der sich in der Nähe des Ladesystems 30 befindet und durch Stützmittel 12 an der Bearbeitungsebene 31 oder an einem Stützrahmen 32 der Maschine 1 fixiert ist. Alternativ kann die Erfassungsvorrichtung 3 dem Ladesystem 30 der Maschine 1 zugeordnet sein.
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In Bezug auf die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung 1 ist der Wirbelstromsensor 5 ausgebildet, eine elektrische Leitfähigkeit und eine magnetische Durchlässigkeit des Stücks Material zu messen.
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Genauer gesagt ist der Wirbelstromsensor 5 konfiguriert, ein primäres Wechselerregungsmagnetfeld MF1 zu erzeugen, welches Wirbelströme EC in dem Bereich des Stücks 50 erzeugt, das der Erfassungsvorrichtung 1 zugewandt ist; die Wirbelströme EC erzeugen wiederum ein sekundäres Magnetfeld MF2, welches eine Rückkopplung an den Wirbelstromsensor 5 zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Durchlässigkeit des Stücks Material bereitstellt.
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Eine Erregerspule des Wirbelstromsensors 5 erzeugt das Erregungsmagnetfeld MF1, während das sekundäre Magnetfeld MF2 von einer dedizierten Empfängerspule oder von derselben Erregerspule detektiert wird. Die Werte der Wirbelströme EC werden gemessen durch Messen von Amplituden und Phasenverschiebung der zwei Signale, die sich auf die zwei Magnetfelder MF1, MF2 beziehen, die als ein komplexer Spannungswert repräsentiert werden können.
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Da der Wert oder die Stärke der Wirbelströme EC, die in dem Stück 50 erzeugt werden, von der elektrischen Leitfähigkeit und Durchlässigkeit des Stücks Material abhängen, ermöglicht der Wirbelstromsensor 5 eine präzise und genaue Messung solcher Charakteristiken des Stücks 50.
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Zu beachten ist, dass sich einige ähnliche Materialarten, insbesondere unlegierte und/oder niedriglegierte Stähle, nur leicht in Bezug auf eine elektrische Leitfähigkeit und magnetische Durchlässigkeit bei einer bestimmten Feldstärke und/oder gemessenen Frequenz unterscheiden und die deshalb schwierig zu unterscheiden sein können. Die Durchlässigkeitskurve unterscheidet sich jedoch oft entlang von steigenden Feldstärken und/oder Frequenzen des Erregungsmagnetfelds.
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Der Wirbelstromsensor 5 ist deshalb auch konfiguriert, die Messung des Wirbelstroms EC nicht nur bei einer festen Frequenz und/oder Feldstärke des Erregungsmagnetfeld MF1, sondern auch bei verschiedenen separaten Testfrequenzen und/oder Testfeldstärken oder entlang einem Bereich von Testfrequenzen und/oder Testfeldstärken durchzuführen. Auf diese Weise wird die Sensitivität und Genauigkeit der von dem Wirbelstromsensor 5 auf dem Stück 50 durchgeführten Messung signifikant erhöht.
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Der Wirbelstromsensor 5 ermöglicht auch ein Detektieren von Homogenitätsmängeln in dem Material als ein Ergebnis von Schichtstrukturen, die das nachfolgende an dem Stück 50 durchzuführende Bearbeiten/Verarbeiten betreffen kann.
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Wie bekannt bestimmt die Frequenz des Erregungsmagnetfelds MF1, das von dem Wirbelstromsensor 5 erzeugt wird, dessen Eindringtiefe in das Stück 50. Dadurch kann die Eindringtiefe der Messung durch Variieren der Frequenz des magnetischen Erregungsmagnetfelds MF1 gesteuert werden, wobei eine Variation einer solchen Eindringtiefe ein Detektieren von Homogenitätsmängeln des Materials ermöglicht.
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Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform, umfasst die Erfassungsvorrichtung 3 auch einen elektromagnetisch-akustischen Sensor (EMAT) 6, der ausgebildet ist, Ultraschallwellen in dem metallischen, leitfähigen Stück zu erregen und zu empfangen.
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Wie bekannt erfolgt die Erregung oder Erzeugung von Ultraschallwellen durch Induktion eines Wechselwirbelstroms in ein zu messendes Objekt, welches gleichzeitig von einem statischen Magnetfeld durchdrungen wird. Das statische Feld übt einer Lorentz-Kraft auf die Wirbelströme aus, was die Erregung von mechanischen Vibrationen in dem Objekt bewirkt, wobei die Charakteristik der mechanischen Vibrationen mit physischen und mechanischen Charakteristik des Materials des Objekts korreliert, d.h. dessen Elastizitätsmodul und intrinsische mechanische Belastung.
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Das statische Magnetfeld kann durch einen Permanentmagneten oder vorzugsweise durch einen Elektromagneten erzeugt werden. The von einem Elektromagneten erzeugte Feld kann nur in Bezug auf die Messung statisch sein. Zu Zeiten, in denen keine Messung vollzogen wird, kann der Elektromagnet abgeschaltet werden, wodurch Energieverbrauch und Aufheizung der Vorrichtung reduziert wird. Das Wechselmagnetfeld für die Induktion von Wechselwirbelströmen kann von einer Spulenanordnung erzeugt werden. Die Anordnung einer Spule in einem statischen Magnetfeld kann gleichermaßen auch mechanische Vibrationen in dem Messobjekt detektieren. In diesem Fall führt die Bewegung (Vibration) des Objekts in einem statischen Magnetfeld zu einer Induktion von Wechselwirbelströmen in demselben Objekt, dessen Magnetfeld in eine detektierbare Spannung durch die Spule umgewandelt wird.
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Durch geeignete Auswahl der Struktur der Spulenanordnung und des statischen Magnetfelds, können verschiedenen Ultraschallmodus und Ausbreitungsmodus erregt und detektiert werden, inklusive longitudinale und transversale Wellen sowie Oberflächenwellen, z.B. Rayleigh- und Lamb-Wellen.
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Durch das Messen der Ausbreitungszeit der Ultraschallwellen entlang der Dicke des Objekts gemäß dem Impuls-Echo-Prinzip, kann eine Dicke des Objekts bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit für das spezifische Material des Objekts gemessen werden. Die Schallgeschwindigkeit eines Materials kann durch vorherige empirische Studien von Referenzmaterialien oder von Datenreferenzbüchern bestimmt werden.
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Der optische Sensor 8 ist zum Detektieren einer Farbe der Oberfläche 50a des Stücks und/oder zum Messen einer Größe einer optischen Reflektivität der Oberfläche 50a des Stücks konfiguriert.
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Als eine Alternative kann die Erfassungsvorrichtung 3 einen ersten optischen Sensor, der zum Detektieren der Farbe der Oberfläche 50a konfiguriert ist, und einen zweiten optischen Sensor, der zum Messen einer Größe einer optischen Reflektivität der Oberfläche 50a konfiguriert ist, umfassen.
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Die Erfassungsvorrichtung 3 umfasst weiter ein Lichtquellenmittel 9 zum Beleuchten des Stücks 50 und arbeitet mit dem optischen Sensor 8 zusammen, um die Charakteristiken der Oberfläche 50a zu detektieren.
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Die Lichtquelle kann weißes oder mehrfarbiges Licht emittieren, das aktiv die Oberfläche 50a von Stück 50 beleuchtet.
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Vorzugsweise umfasst das Lichtquellenmittel 9 eine Mehrzahl von weißen oder mehrfarbigen Lichtquellen, die den optischen Sensor 8 mit einer kreisförmigen Anordnung umgeben und die individuell steuerbar sind, um das Stück aus verschiedenen Winkeln relativ zu dem optischen Sensor 8 zu beleuchten, um die optische Reflektivität der Oberfläche mit verschiedenen Beleuchtungswinkeln zu messen und die Charakteristiken der Oberfläche 50a besser zu detektieren.
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Die Verwendung des optischen Sensors 8 ermöglicht die Detektion der Charakteristiken der Oberfläche, d.h. Oberflächentexturen umfassend mechanische Oberflächenbehandlungen oder -veredelungen und Oberflächenbeschichtungen. Mechanische Oberflächenbehandlungen enthalten zum Beispiel Bürsten, Schleifen, Polieren und Walzen eines Materials. Oberflächenbeschichtungen können Laminierungen, Anodisierung, Korrosionsschutzbeschichtungen, metallische Beschichtungen und Folien sein, aber auch Häute, die nach dem Walzen an der Oberfläche haften.
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Zu beachten ist, dass der Wirbelstromsensor 5 auch einige metallische und somit leitfähige Oberflächenbeschichtungen und deren Dicken detektieren kann durch Vergleichen der Messwerte des beschichteten Stücks mit den Referenzwerten, die für das entsprechende reine, unbeschichtete Stück bekannt sind.
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Die Erfassungsvorrichtung 3 umfasst auch einen Temperatursensor 10, z.B. ein Pyrometer oder Infrarotthermometer, zum Detektieren einer Temperatur des Stücks 50, wobei die Auswertungseinheit 11 konfiguriert ist, entsprechende Kompensationsparameter für die Charakteristiken, die von dem Wirbelstromsensor 5, dem elektromagnetisch-akustischen Sensor 6 und dem optischen Sensor 8 detektiert werden, auf der Basis der detektierten Temperatur zu berechnen.
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Insbesondere wird die Temperatur, die von dem Temperatursensor 10 gemessen wird, verwendet, Temperatureffekte in dem Wirbelstromsensor 5 und in dem elektromagnetisch-akustisch Sensor 6 zu kompensieren.
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Die Erfassungsvorrichtung 3 umfasst weiter Stützmittel 12, um das Gehäuse 3 zu stützen und an einer Verarbeitungsmaschine in einer passenden Position fixierbar zu sein, um der Erfassungsvorrichtung zu ermöglichen, nahe einer Oberfläche 50a des Stücks 50 und dieser zugewandt zu sein, zum Beispiel während letzteres in die Maschine eingeführt ist.
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Die Stützmittel 12 können mit Bewegungsmitteln 13 versehen sein, die angeordnet sind, um das Gehäuse 3 entlang an Anpassungsrichtung B, insbesondere orthogonal zu der Oberfläche 50a des Stücks 50 zu bewegen.
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Die Bewegungsmittel 13 des Stützmittels 12 können manuell oder durch die Auswertungseinheit 11 oder durch die Steuereinheit 104 der Verarbeitungsmaschine 100 gesteuert werden, um einen konstanten Abstand von Erfassungsvorrichtung 1 von dem Stück 50 einzuhalten. Der Abstand zwischen der Erfassungsvorrichtung 1 und dem Stück 50 kann automatisch von einem Abstandssensor detektiert werden, der mit der Auswertungseinheit 11 oder der Steuereinheit 104 der Verarbeitungsmaschine 100 verbunden ist.
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Der Betrieb der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 1 stellt einen ersten Schritt bereit, wobei das Stück 50 in Bezug auf die Erfassungsvorrichtung 1 positioniert wird oder andersherum, sodass letztere sich nahe einer Oberfläche 50a des Stücks 50 befindet und dieser zugewandt ist, um eine Mehrzahl von Charakteristiken des Stücks 50, insbesondere physische, chemische, dimensionale Charakteristiken, mittels der oben beschriebenen Sensoren 5, 6, 8, 10, die in dem Gehäuse 3 enthalten sind, drahtlos zu detektieren. Genauer gesagt ist der Wirbelstromsensor 5 ausgebildet, Charakteristiken von elektrischer Leitfähigkeit und magnetischer Durchlässigkeit des Stücks Materials zu detektieren, der elektromagnetisch-akustische Sensor (EMAT) 6 ist ausgebildet, eine Dicke des Stücks 50 zu detektieren und der dem Lichtquellenmittel 9 zugeordnete optische Sensor 8 ist ausgebildet Charakteristiken einer Oberfläche 50a des Stücks 50, insbesondere Oberflächentexturen umfassend mechanische Oberflächenbehandlungen oder -veredelungen und Oberflächenbeschichtungen zu detektieren.
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The Auswertungseinheit 11 der Erfassungsvorrichtung 3 koordiniert die Messprozesse, die von den verschiedenen Sensoren 5, 6, 8, 10 durchgeführt werden, sammelt die Daten, die sich auf Charakteristiken des Stück beziehen von den Sensoren 5, 6, 8, 10, verarbeitet die Daten und speichert/oder sendet letztere an eine Steuereinheit einer Verarbeitungsmaschine, der die Erfassungsvorrichtung zugeordnet sein kann.
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Die Auswertungseinheit 11, die eine Datenbank umfasst, die Charakteristiken von einer Mehrzahl von Referenzmaterialien enthält, die typischerweise beim spezifischen Bearbeiten/Verarbeiten verwendet werden, ist ausgebildet, die von dem Sensor 5, 6, 8, 10 detektierten Charakteristiken mit den Charakteristiken, die in der Datenbank enthalten sind, zu vergleichen, um ein Material des zu bearbeitenden Stücks 50 zu identifizieren. Solche Informationen bezüglich des identifizierten Materials wird in dem Speicher der Auswertungseinheit 11 gespeichert und/oder an eine Steuereinheit der Verarbeitungsmaschine übertragen, um der Steuereinheit zu ermöglichen, die Verarbeitungsparameter zum Steuern der Betriebsmittel der Maschine zu konfigurieren und/oder anzupassen, um das benötigte Bearbeiten an dem Stück gemäß dem identifizierten Material des Stücks und ebenso dessen Dicke durchzuführen.
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Deshalb ermöglicht die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung 1 es, Eigenschaften oder Charakteristiken eines metallenen Stücks 50 drahtlos zu charakterisieren, d.h. zu detektieren und zu messen.
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2 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 1, die sich von der oben beschriebenen Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass sie einen ersten elektromagnetisch-akustischen Sensor oder ersten EMAT 6 umfasst, der als ein elektromagnetisch-akustischer Umwandler fungiert und einen zweiten elektromagnetisch-akustischen Sensor oder zweiten EMAT 7 der als ein elektromagnetisch-akustischer Empfänger 7 fungiert, umfasst, wobei die elektromagnetisch-akustischen Sensoren 6, 7 in einem festgelegten Abstand d voneinander positioniert sind.
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Der erste EMAT 6 ist angeordnet, um erste Ultraschallwellen in dem Stück 50 entlang einer ersten Richtung L in der Ausdehnung des Stücks (erste Ultraschallwellen SW) und zweite Ultraschallwellen entlang einer zweiten Richtung M über die Dicke des Stücks (zweite Ultraschallwellen LW) zu erzeugen.
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Detaillierter erzeugt der erste EMAT 6, insbesondere in einem ersten Schritt eines Messvorgangs, erste Ultraschallwellen SW entlang der ersten Richtung L, insbesondere mit einem bekannten Ausbreitungsmodus und einem geringen Vibrationsmodus, der unerwünschte nachteilige Auswirkungen aufgrund von Dispersion minimiert.
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Die ersten Ultraschallwellen SW, die von dem Umwandler erzeugt werden, werden von dem zweiten EMAT 7 detektiert und eine Ausbreitungszeit der ersten Ultraschallwellen SW vom Umwandler zum Empfänger wird gemessen. Basierend auf der Ausbreitungszeit, unter Kenntnis des festgelegten Abstands d und des Ausbreitungsmodus der von dem ersten EMAT 6 erzeugten Ultraschallwellen, kann die effektive Wellenausbreitungsgeschwindigkeit oder eine Schallgeschwindigkeit des Materials des Objekts präzise berechnet werden. Wie bekannt hängt die Schallgeschwindigkeit eines Materials überwiegend von dem Elastizitätsmodul und intrinsischer mechanischer Belastung des Materials ab. Deshalb ist es durch das Messen der spezifischen Schallgeschwindigkeit des Materials mit den zwei EMAT 6, 7 möglich das Elastizitätsmodul und/oder eine mechanische Belastung des Materials und dadurch die Art des Materials indirekt zu messen.
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Der erste EMAT 6 erzeugt, insbesondere in einem zweiten Schritt eines Messvorgangs, auch zweite Ultraschallwellen LW entlang der zweiten Richtung M über die Dicke des Stücks 50 und misst eine Ausbreitungszeit, die für zweite Ultraschallwellen LW benötigt wird, um von einer Bodenoberfläche des Stücks 50 reflektiert zu werden (Echo-Effekt) und um von demselben ersten EMAT 6 empfangen zu werden. Die Bodenoberfläche ist die Oberfläche, die der (oberen) Oberfläche, die der Erfassungsvorrichtung 3 zugewandt ist, gegenüberliegt.
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Basierend auf der vorher berechneten Schallgeschwindigkeit und der Ausbreitungszeit der ersten Ultraschallwellen LW kann eine Dicke des Objekts durch die Auswertungseinheit 11 oder die Steuereinheit 4 berechnet werden.
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Der Betrieb dieser Variante der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung 1 ist, abseits des Detektierens der mechanischen Charakteristiken (Elastizitätsmodul und intrinsische mechanische Belastung) des Stücks Material und der Dicke des Stücks 50, das durch das oben beschriebene Paar von elektromagnetisch-akustisch Sensoren (EMAT) 6, 7 erfolgt, derselbe wie in der Ausführungsform von 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum drahtlosen Detektieren einer Mehrzahl von Charakteristiken, insbesondere physischen, chemischen, dimensionalen Charakteristiken, eines metallenen Stücks 50 umfasst die folgenden Schritte:
- - Detektieren von elektrischen und magnetischen Charakteristiken des Stücks 50 mittels zumindest eines Wirbelstromsensors 5;
- - Detektieren einer Dicke und mechanischer Charakteristiken des Stücks 50 mittels zumindest eines elektromagnetisch-akustischen Sensors 6, 7;
- - Detektieren von Oberflächencharakteristiken, insbesondere Texturen, einer Oberfläche 50a des Stücks 50 mittels zumindest eines optischen Sensors 8.
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Das Verfahren stellt weiter bereit ein Vergleichen der von den Sensoren 5, 6, 7, 8 detektierten Charakteristiken mit Charakteristiken, die in einer Datenbank enthalten sind, die Charakteristiken von einer Mehrzahl von Referenzmaterialien enthält, um ein Material des Stücks 50 zu identifizieren.
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Gemäß dem Verfahren umfasst das Detektieren der elektrischen und magnetischen Charakteristiken des Stücks 50 ein Erzeugen eines primären Wechselerregungsmagnetfelds MF1 mittels des Wirbelstromsensors 5, das Wirbelströme EC in dem Bereich des Stücks 50, der der Erfassungsvorrichtung 3 zugewandt ist, erzeugt; wobei die Wirbelströme EC wiederum ein sekundäres Magnetfeld MF2 erzeugen, das eine Rückkopplung an den Wirbelstromsensor 5 bereitstellt, um eine elektrische Leitfähigkeit und eine magnetische Durchlässigkeit des Stücks 50 zu messen.
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Gemäß dem Verfahren umfasst das Detektieren der Dicke des Stücks 50 ein Erzeugen und Empfangen von Ultraschallwellen in dem Stück 50 mittels des ersten elektromagnetisch-akustischen Sensors, wobei sich die Ultraschallwellen entlang einer Dicke des Stücks 50 ausbreiten und reflektiert werden und von demselben elektromagnetisch-akustischen Sensor 6 empfangen werden, um eine Dicke des Stücks 50 durch Kenntnis der Schallgeschwindigkeit für das spezifische Material des Stücks 50 zu berechnen.
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Alternativ stellt das erfindungsgemäße Verfahren ein Detektieren einer Dicke und mechanischer Charakteristiken des Stücks 50 bereit durch:
- - Erzeugen von ersten Ultraschallwellen SW entlang einer ersten Richtung L, parallel zu einer Längsausdehnung des Stücks 50, im Inneren des Stücks 50 mittels eines ersten elektromagnetisch-akustischen Sensors 6, der als ein elektromagnetisch-akustischer Umwandler 6 fungiert;
- - Empfangen der ersten Ultraschallwellen SW mittels eines zweiten elektromagnetisch-akustischen Sensors 7, der als ein elektromagnetisch-akustischer Empfänger 7 fungiert und in einem festgelegten Abstand d von dem ersten elektromagnetisch-akustischen Sensor 6 positioniert ist;
- - Berechnen an effektive Schallgeschwindigkeit in dem Stück 50 auf der Basis einer Ausbreitungszeit der erste Ultraschallwellen SW von dem ersten elektromagnetisch-akustischen Sensor 6 zu dem zweiten elektromagnetisch-akustischen Sensor 7 in dem festgelegten Abstand d;
- - Erzeugen von zweiten Ultraschallwellen LW mittels des ersten elektromagnetisch-akustischen Sensors 6 entlang einer zweiten Richtung M, die orthogonal zu der ersten Richtung L und zu der Oberfläche 50a des Stücks 50 ist, die von demselben ersten elektromagnetisch-akustischen Sensor 6 reflektiert und empfangen werden, um die Dicke des Stücks 50 auf der Basis der effektiven Schallgeschwindigkeit und einer Ausbreitungszeit der zweiten Ultraschallwellen LW zu berechnen.
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Das Verfahren umfasst weiter ein Detektieren einer Temperatur des Stücks 50 mittels eines Temperatursensors 10 und ein Berechnen von entsprechenden Kompensationsparametern für die Mehrzahl von Charakteristiken, die von dem Wirbelstromsensor 5, den elektromagnetisch-akustischen Sensoren 6, 7 und dem optischen Sensor 8 detektiert werden, auf der Basis der detektierten Temperatur.
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Deshalb ist es dank der Erfassungsvorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung möglich, ein metallenes Stück oder Teil präzise und schnell zu detektieren, insbesondere drahtlos Charakteristiken davon zu detektieren, so wie Materialtyp, -zusammensetzung, -dicke, Oberflächenbearbeitung und -behandlung, ohne das Stück oder Teil zu beschädigen oder zu zerstören.
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Die Erfassungsvorrichtung und ein Verfahren gemäß der Erfindung ermöglichen es weiter, einer Verarbeitungsmaschine und/oder an automatisierte Fertigungslinie Daten betreffend die Charakteristiken eines zu bearbeitenden/verarbeitenden Stücks bereitzustellen, um einer Steuereinheit der Verarbeitungsmaschine und/oder automatisierten Fertigungslinie zu ermöglichen, automatisch die optimalen Verarbeitungsparameters für das gemessene Stück einzustellen. Dadurch ist es möglich, Einstellungsfehler der Verarbeitungsparameter zum Steuern von Bedienmitteln der Verarbeitungsmaschine aufgrund von menschlichem Fehler und/oder beschränkter Kenntnis des Bedieners bei der Programmierung der Maschine und/oder Fehler und/oder Fehlfunktionen eines automatischen Versorgungssystems der Verarbeitungsmaschine, die ein Beladen eines Stücks, das für den beabsichtigten Bearbeitungsprozess ungeeignet ist, bewirken kann, wenn die Maschine in eine Automatisierte Produktionslinie integriert ist, zu vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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