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Die Erfindung betrifft eine Markiervorrichtung zum
Codieren metallischer Werkstücke
mit zweidimensionalen Matrix-Codes, bei denen die Information als
vertieft geprägte
Punkte in einer quadratischen oder rechteckigen Anordnung vorliegt.
Das Vorhandensein oder Fehlen dieser geprägten Punkte an den jeweiligen
Rasterstellen stellt die binär
verschlüsselte Information
dar.
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Um die Information wieder fehlerfrei
rücklesen
zu können,
kommt der Präzision
bei der Anbringung der geprägten
Punkte eine hohe Bedeutung zu. Dabei sind die exakte Form, Größe und Tiefe
der Punkte wichtige Qualitätsmerkmale.
Dies hängt
unmittelbar mit der Art der Lesetechnik solcher eingeprägter bzw.
eingeschlagener Codierungen mittels CCD-Kameras zusammen. Eine Beleuchtung
von oben oder der Seite muss aus der jeweiligen Vertiefung über entsprechende
Reflexionen einen Hell-Dunkel-Kontrast erzeugen, was sehr viel schwieriger
ist als bei in einer Ebene befindlichen gedruckten Schwarz-weiß-Flächen, für die der
Code ursprünglich
entwickelt wurde. Eine abweichende Form oder Größe der einzelnen Vertiefungen
kann dabei leicht eine Reflexion erzeugen oder eben auch in unerwünschter
Weise nicht erzeugen, was zu einer unerwünschten Informations-Verfälschung
führen
kann. In der Luft- und Raum fahrtindustrie kommen bei kritischen,
hochbelasteten Bauteilen noch verschärfte Anforderungen hinzu, die
auf eine Vermeidung der Verringerung der mechanischen Festigkeit
durch Kerbwirkung abzielen.
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Um die geforderte Präzision zu
erreichen, muss das üblicherweise
als Hartmetallnadel ausgebildete Schlagwerkzeug einerseits sehr
schnell, jedoch andererseits mit genau definierter und reproduzierbarer
Energie auf das metallische Werkstück aufschlagen. Als der gewünschten
Präzision
entgegenstehend sind viele Bedingungen zu berücksichtigen. Zum Beispiel bei
elektrischem Antrieb kann sich die Temperatur der Kupferwicklung
der Elektromagnetanordnung im Betrieb erhöhen, wodurch der Stromfluss
und damit die Energieaufnahme des Elektromagneten verringert wird.
Bei längerer
Stillstandszeit der Markiervorrichtung klebt das als Magnetanker ausgebildete
oder mit einem Magnetanker verbundene oder in Wirkverbindung stehende
Schlagwerkzeug, sodass sich die Schlagenergie beim ersten Punkt
reduzieren kann. Prinzipiell bewirkt eine zu langsame Schlagbewegung
eine ovale Verformung der Vertiefung, wenn sich die Schlageinheit
während der
Kodierung weiterbewegt. Andererseits verursacht eine zu schnelle
Schlaggeschwindigkeit eine große
Streuung der Schlagtiefe, da bereits ganz geringe Unterschiede,
zum Beispiel durch überlagerte mechanische
Schwingungen im Schlagwerk, zu geringfügig unterschiedlicher Energieabgabe
des Schlagsystems beim Bilden der Vertiefung führen. Weiterhin beeinflussen
auch die Materialeigenschaften des Werkstücks die Bildung der Vertiefung. Schließlich führen noch
mechanische Toleranzen zu Fehlern, wenn dadurch die Bewegung des
Magnetankers den magnetisch im Wesentlichen linearen Bereich überschreitet.
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Bei bekannten Anordnungen ist lediglich
das Ein- und Ausschalten des Stroms für die Elektromagnetanordnung
vorgesehen. Dabei dienen Freilauf-Dioden oder andere Überspannungsschutzeinrichtungen
zum Schutz gegen Überspannung
beim Ausschalten der Elektromagnetanordnung als induktiver Last.
Bekannt sind auch Vorwiderstände
vor der Elektromagnetanordnung, um über die Erhöhung der Zeitkonstante einen
schnelleren Stromanstieg oder -abfall in der Magnetspule zu erzeugen.
Bei diesen Einfachsystemen kann außer der einmaligen Dimensionierung
nach dem Einschalten des Stroms nur noch der Abschaltzeitpunkt variiert
werden, während sich
der gesamte zeitliche Verlauf der Arbeitsbewegung ausschließlich aus
der Dimensionierung und den augenblicklichen Randbedingungen ergibt.
Mit derartigen Systemen ist die geforderte Präzision nicht erreichbar.
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Bei der Steuerung von Magnetventilen
ist es zwar bekannt, nach dem zunächst für eine schnelle Bewegung erforderlichen
hohen Einschaltstrom auf einen niedrigeren Haltestrom zurückzuschalten.
Diese Umschaltung erfolgt jedoch erst nach dem Schalten des Ventils,
also nach der Bewegung des Ventilglieds, und dient dazu, einerseits
Energie zu sparen und zum anderen die Erwärmung des Magnetventils zu
reduzieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Bewegung eines von einer Elektromagnetanordnung angetriebenen Schlagwerkzeugs
so zu verbessern, dass als Vertiefungen ausgebildete Markierungen
mit wesentlich höherer
Präzision
gebildet werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Markiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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In vorteilhafter Weise kann erfindungsgemäß der Stromfluss
durch die Elektromagnetanordnung für die Beschleunigungsphase
und die anschließende
Bewegungsphase des Schlagwerkzeugs verschieden eingestellt werden.
Dies führt
einerseits zu einer schnellen Beschleunigung, wobei nach der Umschaltung
auf den niedrigeren Strom der Bewegungsphase das Schlagwerkzeug
definiert gegen das Werkstück
bewegt wird. Dies führt
zu einer großen
Gleichmäßigkeit
und Reproduzierbarkeit der gebildeten Vertiefung. Aufgrund der durch
den niedrigeren Strom während
der Bewegungsphase im Wesentlichen gleichförmigen Bewegung ist eine größere Toleranz
für den
Abstand der Markiervorrichtung zum Werkstück zulässig. Bei den bekannten Vorrichtungen
führt ein
größer werdender
Abstand infolge der längeren
Beschleunigungsphase zu einer stärker ausgeprägten Vertiefung.
Durch den niedrigeren Strom während
der Bewegungsphase wird auch eine unkontrollierbare, rein ballistische "Freiflug-Phase" des Schlagwerkzeugs
bis zum Auftreffen auf der Werkstück-Oberfläche vermieden, die auftreten
würde,
wenn man den Strom vor dem Auftreffen auf das Werkstück abschaltet,
was wiederum mit größeren Toleranzen
der Markierungen verbunden wäre.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen Markiervorrichtung möglich.
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Die Umsteuerung des Stroms vom höheren zum
niedrigeren Wert in einer oder mehreren Stufen oder kontinuierlich
erfolgt in einer einfachen Ausführung
durch eine Zeitsteuerung. Alternativ kann diese Umsteuerung auch
positionsabhängig
erfolgen, wozu eine Positionsmessvorrichtung zur Steuerung der Umschaltung
in wenigstens einer vorgebbaren Position vorgesehen ist. Diese Positionsmessvorrichtung
kann im einfachsten Fall ein einfacher Positionssensor in einer
bestimmten Position sein oder aber ein Endlagensensor, der nach
einer bestimmten zurückgelegten
Wegstrecke bei der Schlagbewegung anspricht.
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Die Positionsmessung kann in vorteilhafter Weise
auch zur Erfassung der Länge
der gesamten Bewegungsstrecke des Schlagwerkzeugs, also zur Messung
des Abstands zum Werkstück
hin, eingesetzt werden. Der entsprechende Messwert kann dann als
Arbeitsparameter zur Festlegung der Stromstärken und Zeiten bzw. Positionen
miteingesetzt werden.
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Um den Strom exakt nach dem Auftreffen des
Schlagwerkzeugs auf dem Werkstück
abschalten zu können,
sind vorzugsweise Mittel zur Ausschaltung des Stroms bei Erreichen
der Aufschlagposition vorgesehen. In besonders einfacher Weise kann
hierzu der Stromanstieg des Versorgungsstroms für die Elektromagnetanordnung
mit einem Stromsensor erfasst werden, wobei dieser Stromanstieg
entsteht, wenn die Bewegung des Magnetankers, also des Schlagwerkzeugs,
gestoppt ist und keine Induk tivitätsänderung in der Spule der Elektromagnetanordnung
mehr stattfindet.
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Nach dem Aufschlagen des Schlagwerkzeugs
auf dem Werkstück
wird der Strom abgeschaltet, sodass das Schlagwerkzeug durch die
Kraft der Rückstelleinrichtung,
beispielsweise einer Feder, wieder in die Ruhelage zurückgeführt wird.
Um nun zu verhindern, dass die kinetische Energie des Schlagwerkzeugs
beim Auftreffen in die Ruhelage nicht vollständig durch Dämpfung und/oder
Prellen abgebaut werden muss, sind in vorteilhafter Weise Mittel
zur Erzeugung eines Bremsstroms vor dem Erreichen der Ruheposition
bei der Rückbewegung
des Schlagwerkzeugs vorgesehen. Diese Mittel können zeit- und/oder positionsgesteuert
sein, und der Stromwert wird so gewählt, dass das Schlagwerkzeug
möglichst
bis zur Ruheposition auf die Geschwindigkeit null abgebremst wird.
Hierdurch wird ein sehr schneller Arbeitszyklus gewährleistet.
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Die Steuereinrichtung enthält in vorteilhafter Weise
einen Mikrorechner mit einer Speichereinrichtung, in dem die Arbeitsparameter
gespeichert sind, insbesondere Stromstärken, Zeiten, Wegparameter, Werkstückeigenschaften,
Temperaturen und dergleichen. Die Arbeitsparameter sind zweckmäßigerweise
als Tabellen enthalten und sind in Abhängigkeit des jeweiligen Markiervorgangs
auswählbar und/oder
auch veränderbar.
Während
einige Parameter eingegeben werden müssen, die zum Beispiel die
Werkstückeigenschaften
des zu markierenden Werkstücks
berücksichtigen,
können
andere Parameter durch Sensoren erfasst werden, wie die Temperatur,
und wieder andere werden in der bereits angegebenen Weise gemessen,
beispiels weise die Position des Schlagwerkzeugs entlang der gesamten Bewegungsstrecke.
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In vorteilhafter Weise ist die Steuereinrichtung
zwischen einem Hauptcontroller für
die Markiervorrichtung und der Elektromagnetanordnung geschaltet
und vorzugsweise als separates Modul ausgebildet, das beispielsweise
auch noch nachträglich nachgerüstet werden
kann.
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Die verschiedenen Stromwerte können positionsabhängig oder
zeitabhängig
während
der gesamten Bewegungsstrecke gesteuert oder auch geregelt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Markiervorrichtung zum Codieren metallischer
Werkstücke
mit zweidimensionalen Matrix-Codes,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
mit einer positionsabhängigen
Steuerung für
die Antriebsbewegung des Schlagwerkzeugs und
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
mit einer zeitabhängigen
Steuerung für
die Antriebsbewegung des Schlagwerkzeugs.
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Der in 1 in
einer Prinzipdarstellung schematisch dargestellte Markierkopf 10 weist
eine Elektromagnetspule 11 auf, die zur Erzeugung der Schlagbewegung
eines beispielsweise als Hartmetallnadel ausgebildeten Schlagwerkzeugs 12 ausgebildet
ist. Das Schlagwerkzeug 12 ist mit einem Magnetanker 9 verbunden,
der gegen die Kraft einer Rückstellfeder 13 zu
einem Werkstück 14 hin
bewegbar ist. Selbstverständlich
kann auch eine andere bekannte Rückstellvorrichtung
vorgesehen sein, beispielsweise eine pneumatisch, hydraulisch oder
elektromagnetisch wirkende Rückstellvorrichtung.
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Der Markierkopf 10 ist mittels
einer nicht dargestellten Stelleinrichtung in der x- und y-Richtung
einer Ebene verfahrbar, die parallel zur Ebene des Werkstücks 14 angeordnet
ist. Hierdurch kann der Markierkopf 10 jede Position des
Werkstücks 14 anfahren.
Der Markierkopf 10 dient zum Einbringen von als Vertiefungen
ausgebildeten Codierpunkten im metallischen Werkstück 14.
Diese Codierpunkte bilden einen zweidimensionalen Matrix-Code, der
eine binär
verschlüsselte
Information darstellt. Nach dem Anfahren des gewünschten Rasterpunkts wird durch Betätigung der
Elektromagnetspule 11 das Schlagwerkzeug 12 gegen
das Werkstück 14 bewegt,
um die gewünschte
Code-Vertiefung zu erzeugen.
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Die Grundsteuerung des Markierkopfs 10 erfolgt
durch einen Hauptcontroller 15, durch den die Position
des Markierkopfs 10 mittels der nicht dargestellten Stelleinrichtung
und die Auslösung
der Bewegung des Schlagwerkzeugs 12 steuerbar sind.
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Zwischen den Hauptcontroller 15 und
die Elektromagnetspule 11 ist eine Steuereinrichtung 16 geschaltet,
durch die die exakte Bewegung des Schlagwerkzeugs 12 gesteuert
wird. Ein erstes Ausführungsbeispiel
dieser Steuereinrichtung 16 ist in
2 und ein zweites Ausführungsbeispiel
in 3 dargestellt. Bei
dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
steuert eine vom Hauptcontroller 15 aus triggerbare Stromsteuerstufe 17 über eine
Verstärkereinrichtung 18 die
Elektromagnetspule 11 des Markierkopfs 10. Einer
Positionsvorgabestufe 19 wird das Positionssignal S einer
Positionsmessvorrichtung 20 zugeführt zur Erfassung der jeweiligen Position
des Schlagwerkzeugs 12. Bei dieser Positionsmessvorrichtung
handelt es sich beispielsweise um ein induktives Wegmesssystem,
das in 1 außerhalb
der Elektromagnetspule 11 angeordnet ist, jedoch auch im
Magnetantrieb integriert sein kann. In der Positionsvorgabestufe 19 wird
dieses Wegmesssignal S bei der Schlagbewegung mit einem gespeicherten
Umschaltwert S0 verglichen, und bei Erreichen
desselben erfolgt ein Umschaltung von einem zunächst hohen Stromwert I1 auf einen kleineren Stromwert I2. Der anfänglich hohe Stromwert I1 dient der schnellen Beschleunigung des
Schlagwerkzeugs 12 während
einer Beschleunigungsphase, wobei der kleinere Stromwert I2 so gewählt
ist, dass das Schlagwerkzeug nach dieser Beschleunigungsphase mit möglichst
gleichmäßiger Geschwindigkeit
zum Werkstück
geführt
wird. Die Rückführung auf
den niedrigeren Stromwert I2 kann selbstverständlich auch
in mehreren Stufen erfolgen. Beim Auftreffen des Schlagwerkzeugs 12 auf
dem Werkstück 14 erfolgt ein
Stromanstieg des Versorgungsstroms für die Elektromagnetspule 11,
da bei Beendigung der Bewegung des Magnetankers 9 keine
Induktivitätsänderung
der Elektromagnetspule 11 mehr stattfindet. Dieser Stromanstieg
wird durch einen Stromsensor 21 erfasst und einer Auswertestufe 22 für den Stromanstieg
zugeführt,
die beispielsweise eine Differenzierstufe enthalten kann. Wird dieser
Stromanstieg erkannt, so erfolgt durch ein Rücksetzsignal R eine Abschaltung
des Stroms für
die Elektromagnetspule 11.
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Nach dem Abschalten des Stroms erfolgt eine
Rückbewegung
des Schlagwerkzeugs 12 bzw. des Magnetankers 9 durch
die Kraft der Rückstellfeder 13 in
die in 1 dargestellte
Ruheposition. Wird bei der Rückbewegung
eine Position S1 vor Erreichen der Ruheposition
erkannt, so wird der Strom mittels der Stromsteuerstufe 17 wieder
eingeschaltet, der dann als Bremsstrom dient. Die Position S1 und die Stromstärke werden dabei so gewählt, dass
das Schlagwerkzeug 12 bei Erreichen der Ruheposition möglichst
genau auf die Geschwindigkeit null abgebremst ist. Hierzu kann entweder
einer der Ströme
I1 oder I2 oder
ein anderer Stromwert vorgegeben werden.
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In einer Speichereinrichtung 23 sind
die Arbeitsparameter für
die Einstellung der Positionen und Ströme gespeichert. Solche Arbeitsparameter
sind beispielsweise Stromstärken,
Zeiten, Wegparameter, Werkstückeigenschaften,
Temperaturen und dergleichen, die als Tabellen gespeichert sind.
Anhand dieser Tabellen werden dann die Stromstärken I1 und
I2 sowie die Positionen S0 und
S1 vorgegeben, beispielsweise berechnet.
Es handelt sich dabei um Parameter, die die Bewegung des Schlagwerkzeugs 12 beeinflussen.
Dabei kann die Temperatur des Markierkopfes 10 bzw. der
Elektromagnetspule 11 beispielsweise in nicht näher dargestellter
Weise gemessen werden. Andere Arbeitsparameter, wie die Materialeigenschaften
des Werkstücks 14,
können mittels
einer nicht dargestellten Eingabevorrichtung eingespeichert werden.
Ein wichtiger Parameter ist noch der Arbeitshub, also die Länge der
Arbeitsbewegung bis zum Auftreffen auf das Werkstück 14. Durch
einen vor dem eigentlichen Markierprozess stattfindende Messbewegung
des Schlagwerkzeugs 12 kann der Abstand mittels der Positionsmessvorrichtung 20 erfasst
werden. Die Messung erfolgt bis zum Auftreffen auf dem Werkstück 14,
was durch die Auswertestufe 22 signalisiert wird.
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Auf Grund dieses Messwertes werden
dann die aktuell zu benutzenden Steuer-Parameter für das betreffende
Werkstück 14 individuell
so verändert, dass
die zur Markierung wirksame Schlagenergie wieder dem gewünschten
Wert entspricht.
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In einer anderen Ausführung kann
diese Abstandsmessung auf die Lage der zu markierenden Werkstückoberfläche bezogen
auf die Montage-Höhe
des Markierkopfs 10 angewandt werden. Hierzu wird der mit
einer dritten NC-Achse die Höhe
des Markierkopfs 10 verstellbar ausgeführt. Jetzt wird das Schlagwerkzeug 12 mit
einem zur Überwindung der
Rückstellkraft
ausreichenden, von der Stromsteuerstufe 17 eingestellten
Strom vollständig
ausgefahren und dann der Markierkopf 10 von einer bekannten,
höheren
Position gegen die Werkstückoberfläche gefahren.
Sobald das Schlagwerkzeug 12 auf die Oberfläche auftritt,
wird sie eingefahren bis der ohnehin vorhandene Abstandssensor 20
im Markierkopf 10 ein Signal abgibt. Da der Weg von ganz
ausgefahrenem Schlagwerkzeug 12 bis zum Schaltpunkt des
Sensors bekannt ist, kann aus dem gesamten Fahrweg die Lage der
Werkstückoberfläche genau ermittelt
und zur präzisen
Einstellung des gewünschten
Abstandes des Schlagwerkzeuges 12 vom Werkstück 14 benutzt
werden. Auch durch dieses Verfahren werden sich negativ auswirkende
Werkstücktoleranzen
eliminiert.
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Nach einer gewissen Stillstandszeit
tritt der Effekt auf, dass der Magnetanker 9 in seiner
Ruheposition stärker
haftet (klebt) als während
der Hubbewegungen beim Markiervorgang. Die Steuereinrichtung kann
daher den Beschleunigungsstrom I1 für die erste
Hubbewegung anheben. Auch diese Anhebung kann über gespeicherte Tabellen eingestellt
werden.
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Die Stromsteuerstufe 17 kann
die Stromwerte I1 und I2 oder
weitere Stromwerte lediglich steuern, oder sie kann als Stromregelstufe
ausgebildet sein.
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In Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels
kann anstelle der Positionsmessvorrichtung 20 auch ein
einfacher Positionssensor vorgesehen sein, der lediglich ein Umschaltsignal
bei einer fest vorgegebenen Position S0 bzw.
S1 vorgibt. Dabei kann es sich beispielsweise
um einen Endlagensensor handeln, der ein Signal abgibt, wenn die Ruhestellung
um eine bestimmte Strecke S0 verlassen worden
ist oder wenn sich der Magnetanker 9 bei Rückbewegung
um eine bestimmte Strecke S1 angenähert hat.
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Die in 2 dargestellte
Steuereinrichtung 16 ist beispielsweise als Mikrorechner
bzw. Mikrocontroller realisiert. Bei der Speichereinrichtung 23 handelt
es sich dann um einen nichtflüchtigen
Arbeitsspeicher des Mikrocontrollers.
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In 3 ist
eine modifizierte Steuereinrichtung 16a dargestellt. Gleiche
oder gleichwirkende Baugruppen oder Elemente sind mit denselben
Bezugszeichen versehen und nicht nochmals detailliert beschrieben.
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Anstelle der Positionsvorgabestufe 19 tritt beim
zweiten Ausführungsbeispiel
eine Zeitvorgabestufe 24. Diese wird durch ein Signal des
Hauptcontrollers 15 getriggert. Nach Ablauf einer Zeit
t0 erfolgt die Umschaltung vom höheren Stromwert
I1 für
die Beschleunigungsphase zum niedrigeren Stromwert I2 für die Bewegungsphase.
Entsprechend wird der Bremsstrom bei der Rückbewegung des Schlagwerkzeugs 12 nach
einer Zeit t1 eingeschaltet. Die Speichereinrichtung 23 enthält die gespeicherten
Werte t0 und t1,
die entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel
anhand der Arbeitsparameter-Tabellen vorgegeben sind.
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Zur Stromsteuerung und/oder -regelung
können
auch Kombinationen der beiden Ausführungsbeispiele realisiert
sein, das heißt,
die Einstellung bzw. Regelung der Ströme erfolgt zum Teil zeitabhängig und
zum Teil positionsabhängig.