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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Längenänderung und/oder einer Deformation innerhalb eines Bauteils. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Längenänderung und/oder einer Deformation innerhalb eines Bauteils.
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Insbesondere bei hochpräzisen Bauteilen kann es erforderlich sein, das mechanische Spiel innerhalb derselben zu ermitteln. Die üblichen, aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Messverfahren sind hierfür jedoch meist ungeeignet, da mit denselben die erforderliche Genauigkeit häufig nicht erreicht werden kann.
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Stattdessen wird beispielsweise in der
US 4 781 073 A ein System zur Verringerung bzw. Vermeidung von Spiel innerhalb eines Getriebes vorgeschlagen.
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Aus der
US 4,885,950 A ist ein ähnliches spielfreies Getriebe bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung einer Längenänderung und/oder einer Deformation innerhalb eines Bauteils zu schaffen, mit denen auch sehr geringe Längenänderungen bzw. Deformationen mit einer hohen Genauigkeit festgestellt werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Lage, weitgehend automatisch eine Längenänderung und/oder eine Deformation innerhalb eines Bauteils und damit ein mechanisches Spiel innerhalb desselben zu bestimmen. Dabei kann mittels des Aktuators eine Kraft und/oder eine lineare Bewegung erzeugt werden, mit welcher eine mit dem Aktuator verbundene Federanordnung beaufschlagt wird.
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Das Bauteil, dessen Längenänderung bzw. Deformation ermittelt werden soll, kann dabei zwischen der in linearer Richtung beweglichen Messanordnung und einer starren Rahmenstruktur angebracht und über die Federanordnung mit der von dem Aktuator erzeugten Kraft und/oder linearen Bewegung beaufschlagt werden.
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Die mit der Messanordnung in Wirkverbindung stehende Messeinrichtung dient zum Aufnehmen einer Kraft und/oder einer Bewegung, aus der sie die Längenänderung bzw. die Deformation innerhalb des Bauteils ermittelt.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die durch den Aktuator erzeugte Kraft, die auch als Testkraft bezeichnet werden kann, über einen großen Bereich einstellbar ist.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Federanordnung zwei Federelemente und einen an der Rahmenstruktur beweglich gelagerten Federschlitten aufweist. Der vorzugsweise in der linearen Richtung, in der auch die Messanordnung beweglich ist, beweglich gelagerte Federschlitten kann durch den Aktuator mit Kraft beaufschlagt werden. Dabei dient der Federschlitten vorzugsweise zur Aufnahme der die beiden Federelemente aufweisenden Federanordnung.
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Wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die zwei Federelemente ein erstes Federelement zur Erzeugung einer Zugkraft und ein zweites Federelement zur Erzeugung einer Druckkraft umfassen, so kann die von dem Aktuator erzeugte Kraft je nach Erfordernis von dem ersten oder zweiten Federelement aufgenommen werden.
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Eine sehr zuverlässige und eine hohe Präzision gewährleistende Lagerung der Messanordnung ergibt sich, wenn die Rahmenstruktur wenigstens eine in Längsrichtung verlaufende Führungsschiene aufweist, auf der die Messanordnung beweglich gelagert ist.
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In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass der Federschlitten auf der wenigstens einen Führungsschiene beweglich gelagert ist.
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Dies gewährleistet analog zur Lagerung der Messanordnung eine präzise und reibungskraftarme Lagerung und Führung des Federschlittens.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Aktuator mit einem Kraftübertragungselement verbunden ist, das die Kraft und/oder die Bewegung auf die Federanordnung überträgt, wobei das Kraftübertragungselement einen sich zwischen den beiden Federelementen befindenden Absatz aufweist. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr einfache Übertragung der von dem Aktuator erzeugten Kraft auf die Federanordnung.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die beiden Federelemente in ihrem entspannten Zustand kürzer als ein Raum sind, in dem sie innerhalb des Federschlittens angeordnet sind. Auf diese Weise ergibt sich in einer mittleren Stellung der Federanordnung, d.h. wenn sich beide Federelemente in ihrem entspannten Zustand befinden, ein Bereich, in dem keine Kraft ausgeübt wird, also ein kraftfreier Bereich. Dadurch kann der Aktuator vor dem eigentlichen Beginn der Messung an eines der beiden Federelemente angelegt werden, ohne dass eine Kraft auf das Federelement wirkt, sodass der Beginn der eigentlichen Messung exakt definiert werden kann.
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Eine verfahrensgemäße Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 8 angegeben.
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Durch dieses Verfahren wird das Bauteil in eine definierte Position gebracht, sodass anschließend das Spiel bzw. die Verformung desselben auf vergleichsweise einfache Art und Weise gemessen werden kann.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Testkraft über einen weiten Bereich automatisch einstellbar ist.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in einem ersten Messchritt mittels des Aktuators eine Druck- oder Zugkraft auf das Bauteil ausgeübt wird und eine relative Position der Messanordnung zu der Rahmenstruktur als Druck- oder Zugkraftposition bestimmt wird; in einem zweiten Messchritt eine kraftfreie relative Position der Messanordnung zu der Rahmenstruktur als erste Neutralposition bestimmt wird; in einem dritten Messschritt mittels des Aktuators eine Zug- oder Druckkraft auf das Bauteil ausgeübt wird und eine relative Position der Messanordnung zu der Rahmenstruktur als Zug- oder Druckkraftposition bestimmt wird; in einem vierten Messchritt eine kraftfreie relative Position der Messanordnung zu der Rahmenstruktur als zweite Neutralposition bestimmt wird; in einem Verrechnungsschritt die Längenänderung und/oder Deformation durch Verrechnung der Neutralpositionen, der Zugkraftposition und/oder der Druckkraftposition ermittelt wird. Dies stellt eine sehr zuverlässige Möglichkeit zur Messung des mechanischen Spiels des Bauteils bzw. dessen Verformung unter Last dar, indem entlang einer vorgegebenen Richtung Druck- und Zugkräfte angewendet werden. Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, die elastische Deformation bei einer definierten Kraft oder auch den Elastizitätsmodul über einen bestimmten Kraftbereich des Bauteils zu bestimmen.
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Eine alternative Ausführungsform eines Verfahrens zur Ermittlung der Längenänderung und/oder der Deformation innerhalb des Bauteils ist in Anspruch 10 angegeben.
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Durch die Anwendung von Druck- und Zugkräften in einer vorgegebenen Richtung kann das mechanische Spiel des Bauteils oder dessen Verformung bzw. Elastizität unter Last gemessen werden.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Längenänderung und/oder einer Deformation innerhalb eines Bauteils;
- 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung aus 1;
- 3 eine Ansicht gemäß dem Pfeil III aus 2;
- 4 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung aus 1;
- 5 eine Draufsicht auf den Teil der Vorrichtung aus 4;
- 6 eine Ansicht gemäß dem Pfeil VI aus 5;
- 7 eine vergrößerte Darstellung aus 6; und
- 8 ein Diagramm, das den Ablauf eines Verfahrens zur Ermittlung der Längenänderung und/oder der Deformation innerhalb des Bauteils verdeutlicht.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Ermittlung einer Längenänderung und/oder einer Deformation innerhalb eines Bauteils 2. Bei dem insbesondere in den 2 und 3 zu erkennenden Bauteil 2 kann es sich beispielsweise um einen Linearaktuator zur Verstellung von Elementen eines Spiegelteleskops handeln. Die nachfolgend beschriebene Vorrichtung 1 ist jedoch auch zur Ermittlung von Längenänderungen und/oder Deformationen innerhalb anderer Bauteile 2 geeignet. Grundsätzlich spielt das Material, aus dem das Bauteil 2 besteht, dabei keine Rolle.
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Die Vorrichtung 1 weist eine Rahmenstruktur 3 auf, die ein Grundgerüst der Vorrichtung 1 bildet und derselben Stabilität verleiht. Die Rahmenstruktur 3 weist im vorliegenden Fall eine Grundplatte 3a, mehrere in einer mit „x“ bezeichneten Längsrichtung verlaufende Längselemente 3b, mehrere die Längselemente 3b miteinander verbindende und in einer mit „y“ bezeichneten, senkrecht zu der Längsrichtung x angeordneten Querrichtung y verlaufende Querelemente 3c und mehrere die Längselemente 3b und/oder die Querelemente 3c miteinander verbindende und in einer mit „z“ bezeichneten vertikalen Richtung verlaufende Vertikalelemente 3d auf. Durch diesen Aufbau der Rahmenstruktur 3 ergibt sich eine sehr hohe Steifigkeit derselben, sodass eventuelle Bewegungen bzw. Verformungen, die innerhalb der Rahmenstruktur 3 auftreten, keinerlei bzw. einen für die Messaufgabe unbedeutenden Einfluss auf das mittels der Vorrichtung 1 und des damit durchgeführten Verfahrens ermittelten Ergebnisses haben. Grundsätzlich könnte die Rahmenstruktur 3 jedoch auch auf andere Weise als in den 1, 2 und 3 dargestellt ausgeführt sein, um die für den jeweiligen Zweck erforderliche Steifigkeit derselben zu erreichen.
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Die stabile Rahmenstruktur 3 ermöglicht eine isolierte Messung des Spiels des Bauteils 2 mit einer Präzision im Bereich von 1/1000 mm, wobei auf eine aufwändige Kalibrierung verzichtet werden kann und kein Offset oder dergleichen abgezogen werden muss.
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Des Weiteren weist die Vorrichtung 1 einen Aktuator 4 auf, der zur Erzeugung einer Kraft und/oder einer linearen Bewegung dient. Die Kraft bzw. die lineare Bewegung, die durch den Aktuator 4 erzeugt wird, verläuft in der Längsrichtung x. Der Aktuator 4 weist im vorliegenden Fall einen Elektromotor und eine von dem Elektromotor antreibbare SpindelMutter-Anordnung auf, welche die Rotationsbewegung des Elektromotors in eine lineare Bewegung umwandelt. Der Aktuator 4 muss nicht spielfrei sein.
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Mit dem Aktuator 4 ist eine Federanordnung 5 verbunden, deren Aufbau und Funktion zu einem späteren Zeitpunkt näher beschrieben werden. Die Verbindung des Aktuators 4 mit der Federanordnung 5 ist derart, dass die Federanordnung 5 von dem Aktuator 4 mit der Kraft und/oder der linearen Bewegung beaufschlagt werden kann.
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Zu diesem Zweck ist zwischen dem Aktuator 4 und der Federanordnung 5 ein Kraftübertragungselement 6 angeordnet, das in der Lage ist, die Kraft und/oder die Bewegung des Aktuators 4 auf die Federanordnung 5 zu übertragen. Auch die Funktionsweise des Kraftübertragungselements 6 und insbesondere dessen Zusammenspiel mit der Federanordnung 5 wird zu einem späteren Zeitpunkt beschrieben.
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Die Vorrichtung 1 weist des Weiteren eine in linearer Richtung, im vorliegenden Fall in der Längsrichtung x bewegliche Messanordnung 7 auf, die eine erste Aufnahme 7a zur Anbringung des Bauteils 2 an einem ersten Bereich 2a des Bauteils 2 aufweist. Die Rahmenstruktur 3 weist eine von der ersten Aufnahme 7a der Messanordnung 7 beabstandete zweite Aufnahme 3e auf, die zur Anbringung des Bauteils 2 an einem zweiten Bereich 2b desselben dient.
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Sowohl die erste Aufnahme 7a der Messanordnung 7 als auch die zweite Aufnahme 3e der Rahmenstruktur 3 sind im vorliegenden Fall auf das zu messende bzw. zu prüfende Bauteil 2 abgestimmt bzw. angepasst, so dass das Bauteil 2 vorzugsweise nicht geändert werden muss. Dementsprechend können die beiden Aufnahmen 7a und 3e auch anders als in den Figuren dargestellt ausgeführt sein. Beispielsweise können die beiden Aufnahmen 7a und 3e als Klemmung oder Verschraubung ausgeführt sein.
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Schließlich weist die Vorrichtung 1 noch eine Messeinrichtung 8 auf, die eine Kraft und/oder einen Weg der Messanordnung 7 aufnimmt und bestimmt. Die Messeinrichtung 8 weist im vorliegenden Fall eine Messuhr 8a, die einen Längenwert anzeigen kann, sowie einen Kraftsensor 8b auf, dessen Funktion zu einem späteren Zeitpunkt erläutert wird. Der Kraftsensor 8b, der in an sich bekannter Weise ausgeführt sein und beispielsweise einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen aufweisen kann, ist zwischen der Federanordnung 5 und der Messanordnung 7 angeordnet und sowohl mit der Federanordnung 5 als auch mit der Messanordnung 7 fest verbunden. In nicht dargestellter Weise ist der Kraftsensor 8b mit einer ebenfalls nicht dargestellten Steuereinrichtung des Aktuators 4 verbunden, vorzugsweise in Form einer Regelschleife.
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Um die oben beschriebene Beweglichkeit der Messanordnung 7 in Längsrichtung x der Vorrichtung 1 zu ermöglichen, weist die Rahmenstruktur 3 eine in Längsrichtung x verlaufende Führungsschiene 9 auf, auf der die Messanordnung 7 beweglich gelagert ist. Die Messanordnung kann daher auch als Messschlitten bezeichnet werden. In 3 ist zu erkennen, dass die Messanordnung 7 im vorliegenden Fall mittels zweier Lageranordnungen 10 auf der Führungsschiene 9 gelagert ist.
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Die Federanordnung 5 weist einen ebenfalls auf der Führungsschiene 9 beweglich gelagerten Federschlitten 11 auf, dessen Lagerung auf der Führungsschiene 9 mittels einer Lageranordnung 12 erfolgt.
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Bei den Lageranordnungen 10 und 12 handelt es sich vorzugsweise um vorgespannte Wälzlager, beispielsweise Kugellager, Rollenlager oder dergleichen. Durch die Vorspannung der Lageranordnungen 10 bzw. 12 werden Rotationsbewegungen der Messanordnung 7 bzw. des Federschlittens 11 verhindert, so dass eine auf die Messanordnung 7 bzw. den Federschlitten 11 wirkende Kraft nur entlang der Richtung der Führungsschiene 9, d.h. der Längsrichtung x, auf das Bauteil 2 einwirken können.
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In 7 ist die Federanordnung 5 nochmals detaillierter dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass die Federanordnung 5 zwei Federelemente, nämlich ein erstes Federelement 5a und ein zweites Federelement 5b, aufweist. Das erste Federelement 5a dient dabei zur Erzeugung einer Zugkraft und das zweite Federelement 5b dient zur Erzeugung einer Druckkraft.
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Des Weiteren ist in 7 zu erkennen, dass sich das Kraftübertragungselement 6 des Aktuators 4 in den Federschlitten 11, in dem die beiden Federelemente 5a und 5b angeordnet sind, hinein und durch das erste Federelement 5a hindurch erstreckt. An seinem Ende weist das Kraftübertragungselement 6 einen Absatz 6a auf, der zwischen den beiden Federelementen 5a und 5b angeordnet ist.
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Dabei wird je nach Bewegungsrichtung des Aktuators 4 eines der Federelemente 5a bzw. 5b komprimiert, wodurch entweder eine Zug- oder eine Druckkraft auf den Federschlitten 11 ausgeübt wird.
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In 7 befinden sich die beiden Federelemente 5a und 5b in ihrem entspannten Zustand. Dabei ist zu erkennen, dass die beiden Federelemente 5a und 5b in ihrem entspannten Zustand kürzer sind als ein Raum 11a, in dem sie innerhalb des Federschlittens 11 angeordnet sind. Die Länge der beiden Federelemente 5a und 5b ist derart, dass sich auch gegenüber dem zwischen denselben angeordneten Absatz 6a des Kraftübertragungselements 6 auf beiden Seiten des Absatzes 6a ein Abstand zu dem jeweiligen Federelement 5a bzw. 5b gegeben ist. Dadurch ergibt sich ein kraftfreier Bereich für die Federelemente 5a und 5b innerhalb des Federschlittens 11 der Federanordnung 5. Wenn von dem Kraftsensor 8b eine Kraft gemessen wird, bedeutet dies, dass eine Kraft auf eines der Federelemente 5a und 5b wirkt und der kraftfreie Bereich verlassen wurde.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zur Ermittlung der Längenänderung und/oder der Deformation innerhalb des Bauteils 2 beschrieben:
- Bei diesem Verfahren wird die erste Aufnahme 7a der in Linearrichtung x beweglichen Messanordnung an einem ersten Bereich 2a des Bauteils 2 formschlüssig und/oder kraftschlüssig angelegt. Die zweite Aufnahme 3e der Rahmenstruktur 3 wird an dem zweiten Bereich 2b des Bauteils 2 formschlüssig und/oder kraftschlüssig angelegt. Von der Angabe „anlegen der Aufnahme an dem Bauteil“ ist selbstverständlich auch ein Anlegen des Bauteils an der Aufnahme umfasst. Die Reihenfolge des Anlegens der Aufnahmen 7a und 3e an den Bereichen 2a und 2b des Bauteils 2 kann selbstverständlich auch umgekehrt erfolgen, d.h. es ist möglich, das Bauteil 2 zunächst mit der zweiten Aufnahme 3e der Rahmenstruktur 3 zu verbinden.
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Anschließend wird die Messanordnung 7, vermittelt durch die Federanordnung 5, von dem Aktuator 4 mit einer Kraft und/oder einer linearen Bewegung beaufschlagt. Anschließend bzw. während dieser Beaufschlagung der Messanordnung 7 wird eine Bewegung der Messanordnung 7 und/oder eine auf dieselbe wirkende Kraft von der Messeinrichtung 8, insbesondere von der Messuhr 8a, aufgenommen und bestimmt. Die Messuhr 8a ist fest mit einem horizontal angeordneten, dachartigen Element 3f der Rahmenstruktur 3 verbunden und misst die relative Position der Messanordnung 7, d.h. des Messschlittens.
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Für die Bestimmung der Kraft und/oder Bewegung der Messanordnung 7 wird folgende Vorgehensweise bevorzugt: In einem ersten Messschritt wird mittels des Aktuators 4 eine Druck- oder Zugkraft auf das Bauteil 2 ausgeübt und es wird eine relative Position der Messanordnung 7 zu der den Aktuator 4 und die Messanordnung 7 aufnehmenden Rahmenstruktur 3 als Druck- oder Zugkraftposition bestimmt. In einem zweiten Messschritt wird eine kraftfreie relative Position der Messanordnung 7 zu der Rahmenstruktur 3 als erste Neutralposition bestimmt. In einem dritten Messchritt wird mittels des Aktuators 4 eine Zug- oder Druckkraft auf das Bauteil 2 ausgeübt und es wird eine relative Position der Messanordnung 7 zu der Rahmenstruktur 3 als Zug- oder Druckkraftposition bestimmt. In einem vierten Messschritt wird eine kraftfreie relative Position der Messanordnung 7 zu der Rahmenstruktur 3 als zweite Neutralposition bestimmt. In einem Verrechnungsschritt wird die Länge der Änderung und/oder Deformation durch Verrechnen der Neutralpositionen, der Zugkraftposition und/oder der Druckkraftposition ermittelt.
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Bei diesem Verfahren wird demnach durch die Anwendung von Druck- und Zugkräften entlang einer vorgegebenen Richtung, nämlich der Längsrichtung x, das mechanische Spiel des Bauteils 2 bzw. dessen Verformung unter Last gemessen. Das Spiel innerhalb des Bauteils 2 ergibt sich dabei als der Unterschied der Position der Messanordnung 7 zwischen der Druckbelastung und der Zugbelastung. Die Messanordnung 7 bzw. der Messschlitten legt bei der Messung genau die Bewegung zurück, die sich innerhalb des Bauteils 2 abspielt, d.h. das in dem Bauteil 2 vorhandene Spiel bzw. die Elastizität desselben. Demnach ist es mit dem beschriebenen Verfahren möglich, die elastische Deformation bei einer definierten Kraft oder auch das Elastizitätsmodul über einen bestimmten Kraftbereich des Bauteils 2 zu bestimmen.
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Die Schritte 2 bis 5 können mehrmals wiederholt werden, um eine gewisse Statistik der Werte an den einzelnen Messpunkten und damit eine höhere Genauigkeit zu erreichen.
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Dabei kann über die Steuereinrichtung des Aktuators 4 eine bestimmte Kraft vorgegeben werden, so dass sich der Aktuator 4 so lange bewegt, bis diese vorgegebene Kraft durch Komprimierung des entsprechenden Federelements 5a bzw. 5b erreicht ist. Diese Kraft wird von dem Kraftsensor 8b ermittelt bzw. kann, wie oben erwähnt, über die Steuereinrichtung des Aktuators 4 eingestellt werden. Diese an dem Kraftsensor 8b einstellbare vorgegebene Kraft ergibt sich beispielsweise aus Bedingungen, denen das Bauteil 2 bei seiner späteren Verwendung ausgesetzt ist. Durch den maximalen Hub des Aktuators 4 sowie die Federkonstanten der Federelemente 5a und 5b ist der Kraftbereich definiert.
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Die beschriebene Vorgehensweise zur Bestimmung der Kraft und/oder der Bewegung der Messanordnung 7 ist in 8 als beispielhafter Verlauf einer Kraft-Weg-Kennlinie bei der Messung eines beispielhaften Bauteils 2 dargestellt. Die einzelnen, jeweils mittels Kreisen angedeuteten Messpunkte sind zur besseren Kenntlichmachung mittels jeweiliger Linien miteinander verbunden.
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Dabei ist mit einem Pfeil „A“ eine Erhöhung der Druckkraft, mit einem Pfeil „B“ eine Verringerung der Druckkraft, mit einem Pfeil „C“ eine Erhöhung der Zugkraft und mit einem Pfeil „D“ eine Verringerung der Zugkraft gekennzeichnet. Hierbei ist in der Kraft-Weg-Kennlinie ein Hystereseeffekt zu erkennen. Der Hystereseeffekt tritt nur dann auf, wenn entweder eine im Vergleich zu der Dauer der Messung lange Relaxationszeit der elastischen Deformation oder eine inelastische Deformation vorliegt.
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Das durch das Verfahren wie oben beschrieben gemessene Spiel innerhalb des Bauteils 2 ist in 8 durch die Pfeile „E“ und „G“ angedeutet.
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Es ist grundsätzlich möglich, in einem dem ersten Messschritt vorgeschalteten Schritt einen in einem Bereich liegende kraftfreie relative Position der Messanordnung 7 zu der Rahmenstruktur 3 als Beginn eines neutralen Bereichs zu bestimmen. Dabei sollte jedoch das Spiel der Federelemente 5a und 5b berücksichtigt werden.
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Wenn in einer nicht dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 1 und des Verfahrens die Position der Messuhr 8a automatisch angepasst werden könnte, könnte ein noch höherer Automatisierungsgrad erreicht werden, da bei verschiedenen Stelllungen des Aktuators kein manuelles Nachstellen erforderlich wäre.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4781073 A [0003]
- US 4885950 A [0004]
- US 6415674 B1 [0005]
