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Anordnung zur Messung der Kontaktkraft von Kontaktfedern
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Kontaktkraft
von Kontaktfedern beim Öffnen und/oder Schließen von elektrischen Kontakten, bei
der die zu prüfende Kontaktfeder von einem elektrisch gesteuerten Meßkraftgeber
von ihrer Gegenlage abgehoben bzw. an ihre Gegenlage gebracht wird.
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Die Prüfung der Kontaktkräfte von Kontaktfedern im Zeitpunkt der Öffnung
bzw. Schließung des Kontaktes ist ein ständiges Anliegen der Fertigungstechnik,
insbesondere der dutomatisierungstechnik, da sie der rechtzeitigen Feststellung
von fehlerhaften Einstellungen vorhergehender Fertigungsschritte und der Uberwachung
der Materialtoleranzen dient und mit der rückwirkenden 3erichtigung oder der vorauszielenden
Beeinflussung anderer Fertigungsschritte Einfluß auf die Erzielung eines möglichst
guten Endergebnisses nimmt. Es müssen also die mechanischen, elastischen, magnetischen
und elektrischen Kennwerte der Ausgangsmaterialien erfaßt werden und bei verschiedenen
Fertigungsschritten an teilweise fertigen Teilen überwacht und schließlich am Endprodukt
kontrolliert werden. Abweichungen von geforderten Toleranzen sollen möglichst früh
festgestellt und durch noch mögliche Korrekturen kompensiert werden. Dabei ergibt
sich gerade bei Kontaktfedern, die im Rahmen einer Bandfertigung hergestellt werden,
die Schwierigkeit, den tatsächlichen Zeitpunkt ihres Öffnens bzw.
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die tatsächliche Kraft, die in diesem Zeitpunkt von der Kontaktfeder
aufgebracht wird, zu messen, solange noch keine galvanische Trennung der Kontaktfedern
möglich ist, da ihr materialmäßiger Zusammenhalt für den weiteren Transport im Fertigungsband
erforderlich ist. Die an sich nächstliegende Maßnahme, unter gleichzeitiger
Kraftmessung
das Abheben der Kontaktfeder von ihrer Gegenlage durch einen die elektrische Verbindung
überwachenden Stromlauf zu kontrollieren, ist wegen des galvanischen Zusammenhanges
der Teile nicht möglich. Bekannte optische Uberwachungseinrichtungen erlauben keine
von subjektiven Einflüssen freie präzise Feststellung des Abhebezeitpunktes unter
gleichzeitigem Einfluß auf die Meßvorrichtung.
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Zweck der Erfindung ist es, den Zeitpunkt des Abhebens der Kontaktfeder
von der Gegenlage mit Hilfe von physikalischen Maßnahmen festzustellen, die einerseits
unabhängig von einer galvanischen Trennung der Kontaktfedern, andererseits aber
abhängig von der körperlichen Trennung der Kontaktfedern sind.
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Erreicht wird dieser Zweck dadurch, daß die Kontaktfeder von einem
mechanische Schwingungen kleiner Amplituden erzeugenden Körperschallsender erregt
wird, dessen Signale von einem der Gegenlage zugeordneten Körperschallempfänger
registriert werden.
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Erfindungsgemäß wird die Tatsache ausgenutzt, daß bei Kontaktfedersätzen
die galvanische Trennung und die mechanische Trennung zum gleichen Zeitpunkt erfolgen.
Während aber eine galvanische Trennung nur dann erkennbar wird, wenn sich der Umweg
von dem aufgetrennten Kurzschluß durch ein anderes Kriterium der elektrischen Einheiten,
beispielsweise einen sehr stark erhöhten Widerstand unterscheidet, ergibt die körperliche
Trennung bei der Ausnutzung des Körperschalles trotz vorhandener Umwege, über den
der Körperschall zur Gegenlage laufen kann, einen so deutlichen Signalunterschied,
daß der Zeitpunkt des Öffnens oder Schließens der Kontakte eindeutig festgestellt
werden kann. Außerdem wäre es möglich, im Gegensatz zu einer elektrischen Anordnung,
auf einfache Weise den Körperschall in den Umwegleitungen über Einspannmaßnahmen
zu dämpfen, so daß der Signalunterschied ausreicht.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung können die Signale
der
Körperschallsender von dem Meßkraftgeber erzeugt werden.
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Zweckmäßigerweise wird die Meßkraft von einem Magnetsystem erzeugt
werden, dessen Kraft proportional dem eingegebenen Strom steigt. Beispielsweise
kann es sich also um einen Sägezahngenerator handeln, der ein Drehspulsystem beeinflußt,
an dessen Achse ein mit der Drehspule starr verbundener Arm angebracht ist, der
mit seinem freien Ende die Kontaktfeder betätigt. Die Federkraft der Kontaktfeder
ist dabei aus dem eingegebenen Strom erkennbar und die Winkellage zeigt den Weg
der Kontaktfeder an.
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Eine Uberlagerung des Stromes des Sägezahngenerators mit einem Wechselstrom
von kleiner Amplitude macht aus dem Fühler des Meßkraftgebers gleichzeitig einen
Körperschallsender und vermeidet damit in vorteilhafter Weise einen Meßfehler, der
etwa durch die Auflagekraft des Körperschallsenders auf der Feder entstehen könnte.
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Vorteilhaft kann der Körperschallempfänger die mechanischen Signale
des Körperschallsenders in elektrische Signale umwandeln.
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Hierfür sind besonders Tonabnehmersysteme geeignet, deren mechanische
Bewegung unmittelbar in die meßbare Änderung elektrischer Größen umgesetzt wird.
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Es erscheint zweckmäßig, den Körperschallempfänger an einer der Stirnflächen
der Gegenlage anliegen zu lassen. Auf diese Weise wird vermieden, daß die für eine
auswertbare Ankoppelung erforderliche Anlagekraft von 0,5 bis 1 p an die Kontaktfedern
einen Fehler erzeugt, der eine falsche Meßgröße für die tatsächliche Kraft im Zeitpunkt
des Abhebens ergibt.
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Zur Erzielung guter, verwertbarer elektrischer Signale erscheint es
zweckmäßig, dem Körperschallempfänger einen Resonanzverstärker und/oder einen Schaltverstärker
zuzuordnen. Der dem Betätigungsstrom des Körperschallsenders überlagerte Wechselstrom
kleiner Amplitude wird bei Aufsetzen des Meßstiftes über die Feder zum Körperschallempfänger
übertragen. Die Übertragung endet mit Abheben der Kontaktfeder von ihrer Gegenlage.
Bei Ruhekontakten beginnt die Übertragung beim Berühren der Gegenlage. Mit Hilfe
des
Resonanzverstärkers kann an dieser Stelle ein deutlicher Signalunterschied und mit
Hilfe des Schaltverstärkers ein ausreichendes weiterverarbeitbares Signal erzeugt
werden. Dieses kann vorteilhaft beispielsweise den Meßkraftgeber so beeinflussen,
daß seine Bewegung im Moment des Abhebens der Feder von der Gegenlage abgebrochen
wird, wobei gleichzeitig die zu diesem Zeitpunkt erforderliche Stromstärke, die
ein genaues Maß für die Gegenkraft der Feder ist, registriert wird.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung können die kombinierten
Signale des Körperschallempfängers und des Meßkraftgebers weitere Fertigungsschritte
beeinflussen. Da die Messung der Federkraft ein Ergebnis der vorhergehenden Fertigungsschritte
zeigt, das unter Umständen korrigiert werden muß, ist es vorteilhaft, wenn die kombinierten
Signale von Meßkraftgeber und Körperschallempfänger unmittelbar auf bestimmte Fertigungsschritte
einwirken, die eine Korrektur vornehmen können. Dabei ist es zweckmäßig, wenn der
Anordnung ein Korrekturwerkzeug nachgeschaltet wird, das evtl. festgestellte Fehler
berichtigen kann. Auf der anderen Seite sollten aber Fehler, die regelmäßig auftreten
und die beispielsweise auf Materialänderungen oder auf Werkzeugabnutzungen zurückgehen,
schon im vorhergehenden Fertigungsverlauf kompensiert werden. So ist es also auch
zweckmäßig, wenn die kombinierten Signale nach Auswertung auf vorhergehende Fertigungsschritte
zurückwirken und dort beispielsweise eine andere Vorbiegung der Kontaktfeder bewirken.
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Die im folgenden beschriebenen Figuren zeigen das Prinzip der Meßanordnung
und ein Schema ihrer Einordnung in einen Fertigungsablauf.
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In Fig. 1 ist mit 1 der Fühlstift eines Meßkraftgebers dargestellt,
Er drückt entsprechend der von oben nach unten aufgebrachten Kraft gegen eine fest
eingespannte Kontaktfeder 2, die vor Beginn des Meßvorganges an einer Gegenlage
3, die beispielsweise ebenfalls eine Kontaktfeder ist und die ebenfalls fest eingespannt
ist, anliegt. Ein Körperschallsender 4 liegt z.B.
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mit einem Druck von 0,5 bis 1 p auf der Kontaktfeder 2 auf und erzeugt
eine Frequenz von beispielsweise 1 kHz. Durch die BerWhrung der beiden Kontaktfedern
2 und 3 wird die gleiche Frequenz auch in der Kontaktfeder 3 erzeugt. Ein Körperschallempfänger,
der auf der Kontaktfeder 3 ebenfalls mit einem Druck von 0,5 bis 1 p aufliegt, wird
also mit der vom Körperschallsender erzeugten Frequenz erregt. Die Erregung wird
sofort unterbrochen, wenn der Fühler 1 durch Druck nach unten die Kontaktfeder 2
von der Kontaktfeder 3 abgehoben hat, da dann keine Übertragung der Frequenz mehr
stattfinden kann. Sowohl der bis dorthin zurückgelegte Weg der Kontaktfeder 2 als
auch die dafür erforderliche Kraft des Fühlstiftes 1 können mit bekannten Mitteln
registriert und ausgewertet werden.
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Fig. 2 zeigt die Einordnung einer solchen Anordnung in den Fertigungstakt.
Ein Metallband 6, aus dem in einer Folge verschiedener Fertigungsschritte Kontaktfedern
7 und 8 ausgestanzt wurden, wird bei einem seiner Schritte von einer Meßanordnung,
die aus Meßkraftgeber 9 und Körperschallempfänger 10 besteht, überprüft. Der Meßkraftgeber
9 i zu e ein nach dem Prinzip des Drehspulinstrumentes arbeitendes Gerät, bei dem
die Winkellage des Armes 11 und der zur Erzielung dieser Winkellage erforderliche
Strom registriert werden. Da der erforderliche Strom unmittelbar von der Gegenkraft
der Feder 7 abhängt, kann daraus die Federkraft direkt abgelesen werden. Ein Arbeitstaktgeber
12, der mit den übrigen Fertigungsschritten und dem Transportantrieb zusammenhängt,
schaltet einen Sägezahngenerator 13 ein, der den Meßkraftgeber 9 betreibt. Der Sägezahnspannung
wird eine Wechselspannung von einem Sinusgenerator 14 überlagert, so daß der Arm
11 des Meßkraftgebers 9 gleichzeitig als Körperschallsender wirkt. Durch das Aufeinanderliegen
der Kontaktfedern 7 und 8 besteht eine Körperschalleitung zwischen diesen beiden
Körpern, so daß die Frequenz, die der Arm 11 über einen nur angedeuteten Fühler
15 auf die Feder 7 aufbringt, auch von dem ebenfalls nur angedeuteten Fühler 16
erfaßt und auf den Körperschallempfänger 10 weitergeleitet wird. Dieser wandelt
die mechanischen Signale in elektrische Signale um und leitet sie über einen Resonanzverstärker
17 und einen Schaltverstärker 18
in einen Korrektursignalerzeuger
19 weiter. Dieser wertet im wesentlichen das Signalende aus, d.h. er registriert
das Abheben der Kontaktfeder 7 von ihrer Gegenlage, der Kontaktfeder 8. Gleichzeitig
erhält er vom Sägezahngenerator 13 ein Signal, aus dem der in diesem Moment zum
Betrieb des Meßkraftgebers erforderliche Strom erkennbar ist. Damit ist die Federkraft
der Kontaktfeder 7 erkannt und, soweit sie korrekturbedürftig ist, kann der Korrektursignalerzeuger
auf das nachgeschaltete Korrekturwerkzeug 20 einwirken. Bei diesem sind zwei Fühler
auf beide Federn angedeutet, da es möglich ist, mit dieser Meßanordnung auch Wegauswertungen
zu machen, wobei es notwendig sein kann, auch die Kcntaktfeder 8 in ihrer Lage zu
korrigieren. Ebenso verhält es sich mit dem Biegewerkzeug 21, auf das der Korrektursignalerzeuger
selbstverständlich auch einwirken kann, da bestimmte häufige Fehler im Fertigungstakt
schon vorbeugend berichtigt werden sollten.
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7 Patentansprüche 2 Figuren