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Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zur dosierten Abgabe eines Mediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur dosierten Abgabe eines Mediums gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Bei der dosierten Abgabe eines flüssigen oder flüssig gemachten Mediums wird dieses mit einer vorbestimmten Abgaberate bzw. Volumenstrom oder Taktung einem Dosierobjekt zugeführt. Bei dem zu dosierenden Medium kann es sich beispielsweise um ein Mittel zum Imprägnieren von Objekten handeln. So ist es beispielsweise bekannt, dass elektronische Bauteile bzw. Elektromotoren bei der Herstellung mit einem entsprechenden Medium, wie beispielsweise einem Harz, imprägniert werden. Dazu wird beispielsweise ein Motorstator auf einer Achse rotierend angeordnet und sukzessiv durch ein Dosiermittel der Dosiervorrichtung mit einem Harz zum Imprägnieren beaufschlagt. Durch die relative Rotation des Dosiermittels und des Stators lässt sich die Imprägnierung auf eine besonders einfache und effiziente Art und Weise durchführen. Neben diesem konkreten Beispiel sind jedoch auch andere Anwendungen für eine Dosiervorrichtung der hier beschriebenen Art denkbar.
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Bei der dosierten Abgabe eines Mediums auf einen sich relativ zu dem Dosiermittel bewegenden Dosierobjekt kommt es aufgrund unterschiedlicher Fehlerquellen zu Kollisionen zwischen dem Dosiermittel und dem Dosierobjekt oder anderen Elementen, wie beispielsweise überstehenden Kabeln dieses Dosierobjektes oder einem Maschinengestell etc. Durch eine derartige Kollision des Dosiermittels, bei dem es sich üblicherweise um eine Dosiernadel oder ein Dosierrohr handelt, erfolgt die dosierte Abgabe des Mediums fehlerhaft, wodurch das Dosierobjekt in den meisten Fällen unbrauchbar wird. Da insbesondere bei einer industriellen Anwendung derartiger Dosiervorrichtungen der Dosierprozess nicht im Einzelnen überwacht wird, bleiben derartige Kollisionen unbemerkt. Erst am Ende des Prozesses kann es auffallen, dass es zu einer Kollision zwischen dem Dosiermittel und dem Dosierobjekt gekommen ist und dadurch das Medium in einer unkontrollierten Art und Weise aufgetragen wurde. Das hat zur Folge, dass die Vorrichtung zu reinigen sowie neu einzustellen ist und gegebenenfalls eine größere Anzahl von Dosierobjekten fehlerhaft angefertigt wurden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dosiervorrichtung sowie ein Verfahren zur dosierten Abgabe eines Mediums zu schaffen, mit dem die dosierte Abgabe eines Mediums überwachbar ist.
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Eine Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 beschrieben. Demnach ist es vorgesehen, dass das Dosiermittel mit mindestens einem Sensor gekoppelt ist, durch den eine Kollision zwischen dem Dosiermittel und dem Dosierobjekt feststellbar ist. Sobald demnach eine Kollision zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Gegenständen festgestellt wurde, können entsprechende Gegenmaßnahmen initiiert werden, sodass der betriebswirtschaftliche Schaden gering gehalten werden kann. Sofern während des Dosiervorgangs keine Kollision festgestellt wird, ist davon auszugehen, dass die dosierte Abgabe des Mediums fehlerfrei vonstattengegangen ist.
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Weiter kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Sensor als Dehnungsmessstreifen, als Piezoelement, als Antenne, als kapazitives, induktives oder galvanisches Kontaktelement, als optischer Sensor, als opto-elektrischer Sensor, als mechanischer Tastsensor oder dergleichen ausgebildet ist. Dabei ist es denkbar, dass der mindestens eine Sensor entweder direkt oder indirekt mit dem Dosiermittel, vorzugsweise einer Dosiernadel oder einem Dosierrohr, einem Halter des Dosiermittels oder in einem Gehäuse an dem Dosiermittel verbunden, insbesondere gekoppelt, ist. So lässt sich beispielsweise durch die Verwendung eines Piezoelementes als Sensor Stöße bzw. Vibrationen zwischen dem Dosiernadelhalter und einem Trägerelement detektieren. Im Falle einer Kollision kann durch die Krafteinwirkung auf die Nadel die Kraft auf das Piezoelement übertragen werden und damit eine messbare Spannung erzeugen, die sodann durch eine Steuereinheit bzw. eine Messeinrichtung auswertbar ist. Zur Aufzeichnung derartiger Stöße bzw. Vibrationen bietet sich außerdem an, einen Dehnungsmessstreifen entlang der Dosiernadel zu installieren. Bei einer Kollision zwischen der Nadel und dem Dosierobjekt verformen sich die Dosiernadel und der Dehnungsmessstreifen, so dass entlang des Messstreifens ein sich ändernder elektrischer Widerstand messbar ist. Über die Art bzw. die Größe des sich ändernden Widerstandes lässt sich außerdem eine Aussage über die Art und Stärke der Kollision ermitteln. Außerdem kann die Dosiernadel als Antenne ausgebildet sein, die mit einem einfachen elektrischen Schwingkreis koppelbar ist. Bei einer Annäherung des Dosierobjektes bzw. des Kollisionsobjektes kommt es zu einer Veränderung der Impedanz sowie der Eigenfrequenz des Schwingkreises. Durch eine derartige Änderung der Antenneneigenschaft lässt sich ebenfalls eine Kollision erfassen bzw. vorhersehen. Gleichermaßen lassen sich optische Sensoren oder mechanische Tastsensoren mit der Dosiernadel verbinden, um Kollisionen festzustellen.
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Bevorzugt ist es außerdem vorgesehen, dass der mindestens eine Sensor mit einer Messeinrichtung verbunden ist, mit der spezifische Sensorsignale erkennbar bzw. ausblendbar sind, wobei anhand des aufgenommenen Sensorsignals eine Kollision zwischen dem Dosiermittel und dem Dosierobjekt erkennbar bzw. vorhersehbar ist. Im Falle einer Kollision oder im Falle einer bevorstehenden Kollision kann die Messeinrichtung bzw. die Steuereinheit eine Fehlermeldung ausgeben, die zu einer Unterbrechung der Produktion bzw. des Dosierprozesses führt. Durch die Auswertung der aufgenommenen Sensorsignale lassen sich beispielsweise verschiedene Kollisionen kategorisieren. So kann beispielsweise die Kollision mit einem Maschinengestell oder mit einem Kabel eine andere Signalsignatur aufweisen als eine Kollision mit dem Dosierobjekt. Es ist denkbar, dass für eine derartige Analyse bzw. Auswertung der Signale in der Messeinrichtung bzw. Steuereinheit verschiedene Signalverarbeitungsalgorithmen, vorzugsweise auch Frequenzfilter, hinterlegt sind.
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Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es vorsehen, dass zur Detektion eines Körperschalls, der bei der Kollision zwischen dem Dosiermittel und dem Dosierobjekt auftritt, der Sensor als Mikrofon ausgebildet ist. Sobald durch das Mikrofon ein Körperschall mit einer entsprechenden auszuwertenden Signalstruktur ermittelt wird, kann eine entsprechende Fehlermeldung oder ein Warnsignal an die Steuereinheit ausgegeben werden, um beispielsweise den Dosierprozess zu unterbrechen.
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Insbesondere ist es weiter denkbar, dass dem Mikrofon mindestens ein Passfilter, vorzugsweise ein Hochpassfilter, zugeordnet ist, zur Analyse der Kollision bzw. Filterung von Frequenzen, die bei einer Kollision erzeugt werden. Es hat sich herausgestellt, dass der Körperschall bei einer Kollision zwischen der Dosiernadel und dem Dosierobjekt bzw. einem Motorstator eine ganz bestimmte Frequenzsignatur aufweist. Sobald eine derartige spezifische Signalsignatur gemessen wird, können Gegenmaßnahmen initiiert werden. Dadurch lässt sich eine Fehlproduktion der Dosierobjekte bzw. der Motorstatoren frühzeitig erkennen und vermeiden.
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Bevorzugt kann es die Erfindung weiter vorsehen, dass durch eine Steuereinheit bei einer festgestellten Kollision zwischen der Dosiereinheit und dem Dosierobjekt die Relativbewegung zwischen der Dosiereinheit und dem Dosierobjekt unterbrochen wird. Bei der industriellen Anwendung derartiger Dosiervorrichtungen laufen mehrere Prozesse parallel bzw. gleichzeitig ab. Das heißt, dass nicht der gesamte Dosierprozess einer Vielzahl von Dosierobjekten unterbrochen werden muss, sondern nur der Dosierprozess, bei dem eine Kollision festgestellt wurde. Sobald die Fehlermeldung bzw. der Fehler erkannt und behoben wurde, kann der Dosierprozess fortgesetzt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann es vorsehen, dass mehrere Dosiermittel mindestens jeweils einen Sensor aufweisen, die parallel auslesbar sind und deren Messwerte parallel analysiert sowie vergleichbar sind. Dadurch lassen sich beispielsweise Fehlsignale eliminieren. Sollte es z. B. zu einer Erschütterung auf allen Sensoren gleichzeitig kommen, ist davon auszugehen, dass es sich nicht um eine Kollision aller Dosiernadeln handelt, sondern wahrscheinlich um einen Stoß gegen das gesamte Maschinengestell.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung kann es vorsehen, dass die Messeinrichtung und/oder die Steuereinheit mit einem künstlichen neuronalen Netzwerk (KNN) verbunden, vorzugsweise ausgestattet ist, um anhand der erfassten Sensorsignale die Art der Kollision zu erkennen, wobei das KNN insbesondere durch die erfassten Sensorsignale anlernbar ist, um verschiedene Kollisionen vorauszusehen, zu erkennen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Es ist dabei denkbar, dass das KNN bzw. ein System künstlicher Intelligenz (Kl-System) bestimmte Muster in den Sensorsignalen bzw. den Signalsignaturen erkennt und anhand dieser Muster die Art der Kollision erkennt. Dabei kann das KNN bzw. das KI-System vorab anhand von Musterdaten, die entsprechend der Anwendung zu labeln sind, oder während des Betriebs der Vorrichtung angelernt bzw. verbessert wird. Beim Labeln der Daten können bspw. „schlechte“ von „guten“ Signalsignaturen, d.h. besteht die Gefahr einer Kollision oder nicht, unterschieden werden und später von der KI auch so erkannt werden. Durch dieses maschinelle Lernen der Vorrichtung lässt sich der Prozess noch effizienter und autonom überwachen.
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Ein Verfahren zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Anspruchs 10 beschrieben. Demnach ist es vorgesehen, dass durch mindestens einen Sensor gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 eine Kollision zwischen dem Dosiermittel und dem Dosierobjekt festgestellt wird. Durch die frühzeitige Erkennung einer Kollision oder einer bevorstehenden Kollision kann der Dosierprozess abgebrochen werden und die Fehlproduktion der Dosierobjekte vermieden werden.
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Weiter kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass durch ein Mikrofon, welches an einem Dosiermittel angeordnet ist, der bei einer Kollision auftretende Körperschall aufgenommen und analysiert wird. In Abhängigkeit von dem Körperschall werden durch eine Steuereinheit oder eine Messeinrichtung entsprechende Maßnahmen initiiert, wie beispielsweise einen Stopp der Dosierung bzw. des Dosiervorgangs oder eine Regelung eines Dosierstroms.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann es außerdem vorsehen, dass durch das Mikrofon, insbesondere durch einen anderen weiteren Sensor, der Dosierstrom des Dosiermittels kontrolliert und über eine Steuereinheit gegebenenfalls geregelt wird. Dadurch lässt sich eine größere Prozesssicherheit erzielen. Sollte es beispielsweise zu einem Ausfall des Materialflusses kommen, z. B. durch eine defekte Pumpe oder einen defekten Schlauch, gibt die Steuerung eine Fehlermeldung aus und stoppt die Produktion. Idealerweise wird nicht nur der Durchfluss auf Vorhandensein eines Dosierstroms hin kontrolliert, sondern auch der Strom in seinem Volumen pro Zeiteinheit gemessen. Zur Umsetzung kann es möglich sein, den Materialfluss zu manipulieren, z. B. durch Einbringen von Blenden oder Prellblechen, um der laminaren Strömung einen turbulenten Anteil, welcher beispielsweise mit einem Mikrofon detektierbar wäre, hinzuzufügen.
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Außerdem ist es denkbar, dass die erfassten Sensorsignale durch ein künstliches neuronales Netzwerk (KNN) verarbeitet werden, um anhand der erfassten Sensorsignale die Art der Kollision zu erkennen, wobei das KNN insbesondere durch die erfassten Sensorsignale angelernt wird, um verschiedene Kollisionen vorherzusehen, zu erkennen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Dabei kann es möglich sein, dass ein System künstlicher Intelligenz (Kl-System) bzw. das KNN bestimmte Signalmuster in den Sensorsignalen bzw. den Signalsignaturen erkennt und anhand dieser Muster die Art der Kollision erkannt wird. Das KNN bzw. das KI-System ist dafür vorab anhand von Musterdaten, die entsprechend der Anwendung zu labeln sind, oder während des Betriebs der Vorrichtung anzulernen. Außerdem kann dadurch das System permanent verbessert werden. Beim Labeln der Daten werden bspw. „schlechte“ von „guten“ Signalsignaturen unterschieden und später von der KI auch so erkannt. Durch dieses maschinelle Lernen der Vorrichtung lässt sich der Prozess noch effizienter und autonom überwachen. Für eine genauere Beschreibung eines KNN bzw. eines KI-Systems wird auf die einschlägige Literatur verwiesen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher beschrieben.
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In der Figur ist stark schematisiert ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung 10 dargestellt. Die in der Figur dargestellte Dosiervorrichtung 10 weist ein Dosiermittel 11 auf zur dosierten Abgabe eines Mediums 12. Außerdem kann die Dosiervorrichtung 10 eine Halterung 13 bzw. einen Aktuator zur gezielten Bewegung des Dosiermittels 11, eine Anlagensteuerung 14 sowie eine Mess- bzw. Auswerteeinheit 15 aufweisen. Darüber hinaus kann die hier stark schematisierte Dosiervorrichtung 10 auch weniger bzw. weitere Komponenten aufweisen bzw. mit weiteren Komponenten, die für einen Betrieb des Dosiermittels 11 notwendig sind, verbunden sein. Weiter kann es vorgesehen sein, dass bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Vielzahl derartiger Dosiermittel 11 parallel betreibbar bzw. steuerbar ist.
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Das in der Figur dargestellte Dosiermittel 11 ist beispielhaft als Dosiernadel bzw. Dosierrohr ausgebildet. Darüber hinaus sind weitere Formen bzw. Ausführungsformen des Dosiermittels 11 denkbar. Das rohrartige Dosiermittel 11 dient dazu ein Dosierobjekt 16 mit dem Medium 12 zu beaufschlagen. Um eine vorbestimmte Fläche des Dosierobjektes 16 mit diesem Medium 12 zu beaufschlagen, bewegt sich das Dosierobjektes 16 relativ zu dem Dosiermittel 11. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel dreht sich das Dosierobjekt 16 in einer Relativbewegung 17 zu dem Dosiermittel 11 um eine konzentrische Achse. Bei dem Dosierobjekt 16 kann es sich beispielsweise um einen Stator eines Motors handeln, der an einer Innenseite mit einem Imprägniermittel, wie beispielsweise einem Harz, zu imprägnieren ist. Um die gesamte Innenfläche des Stators bzw. des Dosierobjektes 16 mit dem Medium 12 bzw. dem Harz zu beaufschlagen, kann sich der Stator der Relativbewegung 17 entsprechend relativ zu dem Dosiermittel 11 parallel zu einer Rotationsachse des Dosierobjektes 16 bewegen.
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Erfindungsgemäß ist das dargestellte Dosiermittel 11 mit einem Sensor 18 verbunden. Bei diesem Sensor kann es sich beispielsweise um einen Dehnungsmessstreifen, ein Piezoelement, eine Antenne, ein kapazitives, bzw. induktives oder galvanisches Kontaktelement, einen optischen Sensor, einen opto-elektrischen Sensor, einen mechanischen Tastsensor oder einen akustischen Sensor bzw. ein Mikrofon handeln. Der speziellen Funktionsweise des Sensors 18 entsprechend, kann dieser mit dem Dosiermittel 11 verbunden werden. So ist es beispielsweise vorgesehen, dass ein Dehnungsmessstreifen entlang des schaftartigen Dosiermittels 11 befestigbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass das gesamte Dosiermittel 11, welches metallisch ausgebildet sein kann, als Antenne für einen Schwingkreis ausgebildet ist. Für den Fall, dass es sich bei dem Sensor 18 um ein Mikrofon handelt, ist es vorgesehen, dass die sensitive Seite des Mikrofons direkt an dem Dosiermittel 11 angeordnet ist. Für das Ausführungsbeispiel, bei dem der Sensor 18 als optischer Sensor ausgebildet ist, ist es denkbar, dass zusätzlich an dem Dosiermittel 11 ein reflektierendes Element anordbar ist.
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Sobald während des Betriebs der Dosiervorrichtung 10 durch den Sensor 18 eine Bewegung des Dosiermittels 11 festgestellt wird, kann dies auf eine ungewollte bzw. zu vermeidende Kollision zwischen dem Dosiermittel 11 und dem Dosierobjekt 16 hinweisen. Sobald die den Sensor 18 auslesende Anlagensteuerung 14 bzw. Auswerteeinheit 15 ein entsprechendes spezifisches Sensorsignal empfängt, kann ein Warnsignal erzeugt werden oder eine entsprechende Gegenmaßnahme initiiert werden, wie beispielsweise ein Aussetzen des Dosierprozesses. Durch die Auswerteeinheit 15 wird nicht nur festgestellt, dass der Sensor 18 eine Kollision zwischen dem Dosiermittel 11 und dem Dosierobjekt 16 festgestellt hat, sondern es wird vielmehr auch das genaue Messsignal analysiert. So können bestimmte Signalstrukturen bzw. -signaturen auf bestimmte Ereignisse hinweisen. Beispielsweise kann das Signal, welches durch die Kollision des Dosiermittels mit dem Dosierobjekt 16 hervorgerufen wird, eine andere Struktur aufweisen, wie beispielsweise eine Kollision des Dosiermittels 11 mit einem Maschinengestell oder einem Kabel des Dosierobjektes 16. Insbesondere ein Körperschall, der bei derartigen Kollisionen entsteht, weist objekt- bzw. kollisionsabhängig verschiedene Frequenzstrukturen auf. Dieser Körperschall wird von dem Mikrofon aufgenommen und von der Auswerteeinheit 15 entsprechend analysiert. Dazu ist es denkbar, dass der Auswerteeinheit 15 verschiedene Passfilter zugeordnet sind. In der Anlagensteuerung 14 bzw. der Auswerteeinheit 15 können für verschiedene Sensoren 18 sensorspezifische Signalstrukturen hinterlegt sein, die vorab für verschiedene Kollisionsereignisse musterartig aufgenommen und hinterlegt wurden.
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Über den Sensor 18, insbesondere durch das Mikrofon, lässt sich der Dosierprozess nicht nur bezüglich einer eventuellen Kollision hin überwachen sondern vielmehr auch der Durchfluss des Mediums 12 des Dosiermittels 11 selbst kontrollieren. Der Durchfluss des Mediums 12 durch das Dosiermittel 11 erzeugt eine spezifische Frequenzsignatur, die durch das Mikrofon messbar ist. Sobald sich diese Signatur ändert, kann das als Indikator dafür verwendet werden, dass der Durchfluss des Mediums 12 und somit der Dosierprozess fehlerhaft erfolgt. Bei der Feststellung eines derartigen Prozessfehlers können durch die Anlagensteuerung 14 wiederum entsprechende Gegenmaßnahmen initiiert werden.
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Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene Erfindung nicht auf das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel eingeschränkt sein soll, sondern vielmehr auch in anderen Bereichen gleichermaßen einsetzbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Dosiervorrichtung
- 11
- Dosiermittel
- 12
- Medium
- 13
- Halterung
- 14
- Anlagensteuerung
- 15
- Auswerteeinheit
- 16
- Dosierobjekt
- 17
- Relativbewegung
- 18
- Sensor
