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Verfahren und Vorrichtung zum Diagnostizieren fehler-
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hafter Arbeitsweise und/oder fehlerhafter Werkzeuge an einer Maschine
zum spanlosen Umformen von metallischen Rohlingen, insbesondere an einer Gewinde
ualzmaschine wal~zmaschine ~~~ Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diagnostizieren
fehlerhafter Arbeitsweise und/oder fehlerhafter Werkzeuge an einer Maschine zum
spanlosen Umformen von metallischen Rohlingen, insbesondere an einer Gewindewalzmaschine,
bei dem als Entscheidungskriterium für Fehler an einer ausgewählten Stelle der Maschine
auftretende Kräfte dienen zum Ermitteln einer Differenz zwischen einem vorgegebenen
Wert und dem jeweils gemessenen tatsächlichen Wert dieser Kraft.
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Im näheren technischen Umfeld der Erfindung liegt ein in der DE-OS
27 33 013 beschriebenes Verfahren zum Signalisieren und Sortieren von falsch gewalzten
Produkten auf Gewinde walzmaschinen. ßei diesem Verfahren wird der bis auf den Zeitpunkt
der Fertigstellung des betreffenden gewalzten Produktes entfallende Teil eines Arbeitstaktes
der Maschine gemessen. Außerhalb zweier Grenzwerte für diesen Anteil liegende Meßwerte
sollen nach diesem Verfahren als Kriterium für ein fehlerhaftes.Produkt gelten Nachteilig
bei diesem Verfahren ist, daß es - und dies nur bedingt -geeignet
ist,
eine Aussage über die Qualität des jeweils hergestellten Produktes zu liefern. Eine
Aussage über den Zustand der Walzwerkzeuge kann nicht vermittelt werden. Auch ist
es nicht möglich, eine Vorhersage über eine i Verlauf der Produktion zu erwartende
Veränderung an den Werkzeugen und/oder den Produkten zu treffen. Im übrigen ist
es auch durchaus denkbar, daß nach diesem Verfahren ein nicht mehr tolerierbar fehlerhaftes
Produkt dennoch als innerhalb der Toleranzgrenzen liegend signalisiert wird. Dies
z.B. dann, wenn infolge falsch eingestellter Walzwerkzeuge ein überwalztes oder
in ähnlicher Weise fehlerhaftes Gewinde auf dem Produkt entsteht, der Produktionsverlauf
jedoch innerhalb des vorgesehenen Drehwinkelbereiches der Hauptantriebswelle bzw.
des entsprechenden Anteils des Arbeitstaktes liegt.
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Ferner ist nach der DE-OS 26 34 385 ein System zur Überwachung von
Belastungszuständen bei einer Presse oder Stanze bekannt, bei dem ein im Verbindungsbereich
einer Presse angeordnetes Kraftmeßelement ein elektrisches Signal erzeugt, welches
beim Überschreiten eines vorgegebenen Wertes die Presse automatisch abschaltet.
In diesem Fall wird also al Entscheidungskriterium für den Betrieb der Presse lediglich
ein einziges fest vorgegebener Grenzwert überwacht.
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Ähnliches gilt auch im Fall der Tablettenpresse nach der DE-AS 21
41 382.
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Auch ist es nicht mehr neu, Kraftmeßelemente in besonderer Weise dem
jeweiligen Anwendungsfall anzupassen, z.B. in der Weise, daß auch schräg eingeleitete,
zu messende Kräfte dennoch zu einem praktisch stets proportionalen elektrischen
Signal führen. Ein lastempfindlicher Meßwertumwandler dieser Art ist in der DE-OS
17 73 870 angegeben.
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Ferner gehört auch ein Modell zur Überwachung von Maschinen, insbesondere
Werkzeugmaschinen, bereits zum Stand der Technik, wonach für den betreffenden Fall
wesentliche Maschinendaten zunächst gespeichert werden, diese Daten dann mit den
entsprechenden, jeweils gemessenen Istwerten der Maschine verglichen und entsprechend
den gesetzten Maßstäben für fehlerfreien oder fehlerhaften Zustand eines Produktes
bzw fehlerhaftes Verhalten der Maschine in einer Datenverarbeitungseinrichtung verarbeitet
werden.Ein derartiges Überwachungsmodell ist in der Zeitschrift "Werkstatt und Setrieb"71080Jahrgang,
1975, Heft 11, Seiten 747-751 beschieben Auch die DE-AS 26 43 759 beschreibt ein
Überwachungsmodell welches in seinen wesentlichen Merkmalen dem Überwachungsmodell
nach der vorgenannten Druckschrift entspricht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, im Fall
von Gewindewalzmaschinen und ähnlichen Maschinen zum spanlosen Umformenvon metallischen
Rohlingen, zOBo Pressen zum Herstellen von Bolzen aus Drahtabschnitten, nicht nur
eine Aussage über das jeweils hergestellte Produkt zu liefern, sondern außerdem
auch Aussagen insbesondere über die das Produkt bearbeitenden Werkzeuge zu liefern.
Die erhaltenen Aussagen sollen dabei geeignet sein, insbesondere auch eine Vorhersage
weiterer sich im Verlauf der Produktion einsteUender Fehler oder Mängel an den Produkten
und/oder den Werkzeugen zu liefern, damit größere Schäden rechtzeitig vermieten
werden kennen, Zur Lösung der vorstehend umrissenen Aufgabe wird ein Verfahren der
eingangs genannten Gattung vorgeschlagen, daß erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet
ist, daß die an
wenigstens einem der Umformwerkzeuge (Walzwerkzeuge
der Gewindewalzmaschine) während eines Arbeitstaktes auftretende Kraft über einen
vorgegebenen, wenigstens den größten Teil des Umformvorganges erfassenden Zeitbereich
eines Arbeitstaktes der Maschine hinweg kontinuierlich überwacht und mit einem für
diesen Zeitbereich vorgegebenen kontinuierlichen Kraftverlauf verglichen wird.
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Bei verschiedenen Versuchen an Gewindewalzmaschinen im Sinne der Lösung
der hier zur Rede stehenden Probleme ist überraschenderweise gefunden worden, daß
an den Walzwerkzeugen während eines Walzvorganges Belastungen auftreten, die bezogen
auf einen vorbestimmten Ort am Walzwerkzeug einen zeitlich diskreten, sehr ausgeprägten
Verlauf aufweisen.
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Diese Belastungen an einem oder auch mehreren ausgewählten Orten im
Bereich des oder der Walzwerkzeuge bzw. der Widerlager dieser Walzwerkzeuge wiederholen
sich trotz des sehr differenzierten ßelastungsverlaufs für jeden Bearbeitungsvorgang
mit erstaunlich großer Genauigkeit für den Fall, daß die hergestellten Produkte
gleichartig und praktisch fehlerfrei sind.
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Sobald jedoch im Verlauf der Fertigung irgendwelche Fehler auftreten,
die beispielsweise auf nicht oder nicht mehr richtige Zuordnung der beiden Walzwerkzeuge
zueinander zurückzuführen sind oder beispielsweise auch auf eine gewisse Schrägstellung
der Achse des zu bearbeitenden metallischen Rohlings zur Bearbeitungsrichtung, oder
auch auf ein zu spät beginendes Walzen (Verpassen des sogenannten matching point"),
wird sich der Belastungsverlauf am ausgewählten Ort des betreffenden Walzwerkzeuges
mehr oder weniger deutlich ausgeprägt von demjenigen Belastungsverlauf unterscheiden,
den man im Fall eines fehlerfreien Produktes erhielte.
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Ähnliche Verhältnisse gelten auch beim Herstellen von Bolzen aus Drahtabschnitten
auf den oben erwähnten Pressen Der im Fall einer Gewindewalzmaschine auf falsche
Zuordnung der Walzwerk zeuge zueinander zurückzuführende Fehler eines sogenannten
überwalzten Gewindes läßt sich während des Bearbeitungsvorganges auf die erfindungsgemäße
Weise allein schon an dem-Verlauf des absoluten Druckes bzw. der absoluten Kraft
am ausgewählten Ort im Bereich des betreffenden Walzwerkzeuges erkennen. Damit wird
unter anderem auch exaktes Einstellen der Walzwerkzeuge zueinander erheblich vereinfacht
durch möglichen Vergleich mit einem bereits vorliegenden Sollverlauf für die Belastung.
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Es ist ferner möglich, außer dem absoluten Wert der Belastung zusätzlich
noch unter Anwendung weiterer Meßwertgeber auch die Richtung bzw. die Änderung der
Richtung der Belastung auf das betreffende Walzwerkzeug zu ermitteln und mit dem
normalen Belastungsverlauf auf diese beiden Kriterien (absoluter Wert und Richtung)
zu vergleichen. Eine derartige, auf den Vektor der Belastung abgestellte Überwachung
würde zweifellos die besten weil aussagekräftigsten Ergebnisse liefern. Versuche
haben jedoch gezeigt, daß gerade für den besonders interessierenden Fall überwalzten
Gewindes die Ermittlung des absoluten Wertes der jeweiligen Kraft bzw.
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des jeweiligen Druckes für die Lösung der Überwachungsaufgabe völlig
ausreichend ist.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß anhand der Belastung eines Walzwerkzeuges bereits während eines Bearbeitungsvorganges
auch festgestellt werden kann, ob der jeweilige Rohling möglicherweise einen Durchmesser
aufweist, der außerhalb derjenigen Toleranzen liegt, die zum Erzielen eines einwandfreien
Produktes eingehalten werden müssen.
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Weiterhin gibt die erfindungsgemäß überwachte Belastung Aufschluß
über eventuellen Verschleiß der Werkzeuge und auch über abrupt auftretende Mängel
an diesen, wozu insbesondere sogenannte Ausbrüche aus der Arbeitsfläche der Walzwerkzeuge
gehören. - Es ist klar, daß zum Zweck der Überwachung der Fertigung im Hinblick
auf die umrissenen Fehlerquellen lediglich die Belastung eines der beiden Walzwerkzeuge
überwacht zu werden braucht. Ähnliches gilt für die Werkzeuge bei den erwähnten
Pressen.
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Die erwähnten Vorteile gelten selbstverständlich für Gewindewalzmaschinen
unterschiedlicher Bauart, außer für solche mit einem feststehenden und einem hin-
und hergehenden Walzwerkzeug demnach auch für solche mit einem feststehenden Walzsigment
und einer rotierenden Walzrolle.
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In bevorzugter weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird nach Anspruch 2 vorgeschlagen, daß der Kraftverlauf nach der Zeit bzw. dem
Drehwinkel der Hauptantriebswelle der Maschine differenziert wird. Auf diese Weise
können gegebenenfalls noch bessere Aussagen und/oder Vorhersagen über mögliche Fehler
gemacht werden.
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Weiterhin kann es nach Anspruch 3 vorteilhaft sein, daß der Kraftverlauf
über die Zeit bzw. über den Drehwinkel der Hauptantriebswelle der Maschine integriert
wird. Das erhaltene Integral stellt ein Maß für die geleistet Umformarbeit dar,
so daß durch Vergleich der jeweils nach Messung ermittelten Integrale mit einem
fest vorgegebenen Soll-Integral ebenfalls auf Fehler oder bevorstehender Veränderungen
in der Produktion geschlossen werden kann.
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Schließlich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens an einer Gewindewalzmaschine mit einem bewegbaren
und einem ortsfesten Walzwerkzeug, welche Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet
ist, daß zwischen dem ortsfesten Walzwerkzeug und dem Aufnahmelager für dieses Walzwerkzeug
auf der der Arbeitsfläche des Walzwerkzeuges gegenüberliegenden Seite wenigstens
ein Kraftmeßelement angeordnet ist. Eine derartige Vorrichtung ist bereits sehr
gut zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Allerdings kann es
in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft sein, auch noch im Bereich der anderen,
sich am Widerlager abstützenden Flächen des Walzwerkzeuges Kraftmeßelemente vorzusehen.
Auf diese Weise könnten gewisse, insbesondere im Fall der Herstellung von überwalztem
Gewinde auftretende Querkräfte leicht erkannt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch 4 besteht
gemäß dem Vorschlag nach Anspruch 5 darin, daß zwei Kraftmeßelemente in Walzrichtung
gesehen mit vorbestimmtem Abstand hintereinander vorgesehen sind. Die elektrischen
Meßwert können dann zu einem einzigen Signal zusammengeführt werden wodurch sich
über einen Arbeitstakt der Maschine gesehen dann ein Belastungsverlauf ergibt, der
noch aussagekräftiger ist als im Fall der Anwendung in Walzrichtung gesehen nur
eines einzigen Kraftmeßelementes.
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Anhand der Figuren 1 bis 3 werden daß erfindungsgemäße Verfahren und
eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens im Folgenden noch näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 von einer Gewindewalzmaschine mit einem feststehenden
und einem hin- und hergehenden Ualzwerkzeug diese Walzwerkzeuge und deren Lager
zusammen mit erfindungsgemäß angeordneten Kraftmeßelementen in der Aufsicht und
in schematischer Darstellung, Fig. 2 den Verlauf der Belastung am feststehenden
Walzwerkzeug nach Fig. 1 an einem vorgegebenen Ort während eines Bearbeitungsvorganges
in Abhängigkeit vom Drehwinkel der - nicht dargestellten - Kurbelwelle für den Antrieb
des hin- und hergehenden Walzwerkzeuges bzw. in Abhängigkeit von der Zeit und Fig.
3 ebenfalls den Verlauf der Belastung an dem einen Walzwerkzeug in Abhängigkeit
vom zurückgelegten Drehwinkel der Kurbelwelle bzw. von der Zeit, jedoch unter Berücksichtigung
der aufgenommenen Werte zweier Meßwertgeber.
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Fig. 1 zeigt ein ortsfestes Lager 1 für eine Walzwerkzeug 2.
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Das Walzewrkzeug 2 ist innerhalb des von einer Ausnehmung 3 im Lager
1 gebildeten Raumes mittels an sich bekannter nicht näher dargestellter Befestigungseinrichtungen,
z.B. mittels Klemmstücken, fest gegenüber dem Lager 1 gehalten.
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Dem Walzwerkzeug 2 ist ein Walzwerkzeug 4 zugeordnet, das in einer
entsprechend gestalteten Ausnehmung 5 eines hin- und hergehenden Schlittens 6 mittels
nicht näher bezeichneter Klemmstücke oder dgl gehalten ist. Der Schlitten 6 wird
in bekannter Weise über eine nicht dargestellte Kurbelwelle der Gewindewalzmaschine
und eine Kurbelstange linear hin-und hergehend angetrieben. Der Schlitten 6 ist
dabei in einer nicht dargestellten Führung der Gewindewalzmaschine längsbeweglich
in Pfeilrichtung 7 geführt.
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Über eine nicht dargestellte, an sich bekannte Zuführrinne oder dgl.
wird den Walzwerkzeugen 2 und 4 in an sich bekannter Weise im jeweils richtigen
Moment('katching point") ein Rohling (Bolzen) zugeführt. Der bezogen auf die relative
Bewegung der Walzwerk zeuge 2 und 4 zueinander exakte Beginn und auch eyakte Ablauf
des Walzvorganges des mit 9 bezeichneten Rohlings bzw. Werkstückes bestimmt unter
anderem die Güte des hergestellten Gewindes. Zu später Beginn des Walzvorganges
- aus welchen Gründen auch immer - führt zu bekannten, mehr oder weniger "überwalztem"
Gewinde. Durch Verpassen des richtigen Momentes für den Beginn des Bearbeitungsvorganges
bzw. des Walzvorganges des Rohlings zwischen den Walzwerkzeugen können noch weitere
erhebliche Mängel entstehen, die dem Fachmann bekannt sind und auf die hier nicht
mehr näher eingegangen zu werden braucht.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird nun zum Überwachen der Bearbeitungsvorgänge
bzw. Walzvorgänge auf derartigen Gewindewalzmaschinen die Belastung (Kraft bzw.
Druck) eines der beiden Walzuerkzeuge 2 und 4 oder auch beiden Walzwerkzeuge 2 und
4 überwacht. Hierzu kann eine Ausführungsform gewählt werden, wie sie in Fig. 1
schematisch
angedeutet ist. Zum Zweck der Überwachung der Belastung
sind zwischen dem feststehenden Walzwerkzeug 2 und dem Lager 1 Meßwertgeber 10 und
11 für Kraft bzw. Druck angeordnet.
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Diese Meßwertgeber können z.B. mit den bekannten elektrischen Dehnungsmeßstreifen
arbeiten oder z.B. auch mit ebenfalls bekannten piezo elektrischer Signalquelle.
Über Leitungen 12 und 13 können die erhaltenen Meßwerte mittels einer geeigneten
elektrischen Schaltung aufgenommen und in Abhängigkeit von der Zeit bzw. vom zurückgelegten
Drehwinkel der Kurbelwelle ausgewertet werden.
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Fig. 2 zeigt nun einen möglichen Verlauf der Belastung am Walzwerkzeug
2 während eines Bearbeitungsvorganges. Der Selastungsverlauf nach Fig. 2 ist idealisiert
dargestellt und bezieht sich nur auf die Meßwerte, die lediglich von dem einen der
beiden Meßwertgeber, nämlich vom Meßwertgeber 10 erhalten werden.
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Anhand der Darstellung in Fig. 2 ist erkennbar, daß zu Beginn eines
Walzvorganges - Stelle 14 auf der Abszisse -die Belastung des Walzwerkzeuges 2 (in
diesem Fall normal zur Arbeitsfläche 15 des Walzwerkzeuges 2) bezogen auf den zurückgelegten
Drehwinkel 9 der Kurbelwelle bzw. auf die Zeit t relativ schnell auf einen bestimmten
Wert ansteigt bis zu einem Maximum an der Stelle 16. Danach nimmt die vom Meßwertgeber
10 ermittelte Belastung verhältnisnäßig langsam ab und erreicht etwa an der Stelle
17 einen Wert von annähernd 0.
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Für den Fall, daß ein fehlerhaftes Gewinde auf dem Werkstück 9 hergestellt
wird, z.B. ein sogenanntes überwalztes Gewinde, wird sich die Belastung an der Stelle
des Meßwertgebers 10
bezogen auf den zurückgelegten Drehwinkel
t der Kurbelwelle bzw bezogen auf die Zeit t wesentlich ändern. Dieser andere Verlauf
der Belastung ist in Fig. 2 gestrichelt und ebenfalls vereinfacht dargestellt Es
ist erkennbar, daß die bei Beginn des Walzens entstehende hohe Belastung längere
Zeit, nämlich bis zu Stelle 18 bestehen bleibt, während sie erst dann langsam abnimmt
und etwa an der Stelle 17 ebenfalls den Wert Null erreicht Der gestrichelt dargestellte
Kurvenverlauf 19 unterscheidet sich von dem Verlauf der Kurve 20 innerhalb eines
gewissen Drehwinkelbereiches der Kurbelwelle in einem solchen Ausmaß, daß für eine
Überwachung im Sinn der vorliegenden Erfindung in manchen Fällen bereits eine Überwachung
bzw Meßung der Belastung des Walzwrkzeuges 2 lediglich z.B. an der Stelle 18 des
Drehwinkelbereiches bzw der Zeitachse ausreichen würde Selbstverständlich können
aber durch Auswahl mehrerer solcher Meßpunkte und vorzugsweise durch eine kontinuierliche
Überwachung der ermittelten Kurvenverläufe und Vergleich mit einer fest vorgegebenen
kontinuierlichen Kurvenform aussagekräftigere Informationen über mögliche Fehler
oder eine Fehlervorhersage sowohl bezüglich der hergestellten Produkte als auch
der Werkzeuge der Maschine gewonnen werden.
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In Fig. 3 ist ein Kurvenverlauf 21 dargestellt, der ebenso wie im
Fall der Fig 2 den Verlauf der Kraft bzw. des Druckes auf das Walzwerkzeug 2 zeigt
in Abhängigkeit vom zurückgelegten Drehwinkel der Kurbelwelle bzw. in Abhängigkeit
von der Zeit. Die Kurve 21 ist ebenso wie die Kurve 20 in Fig. 2 vereinfacht dargestellt
und zeigt die Summe der Meßwerte, die von den Meßwertgebern 10 und 11 jeweils während
eines Bearbeitungsvorganges erhalten werden. Dabei gilt die Kurve 21 für einen fehlerfreien
Bearbeitungsvorgang.
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Mit der gestrichelt dar5estellten Kurve 22 ist etwa der Belastungsverlauf
für den Fall einer fehlerhaften Bearbeitung dargestellt, beispielsweise für den
verhältnismäßig oft vorkommenden Fall des erwähnten überwalzten Gewindes. Die Kurve
22 gibt wie die Kurve 21 die Summe der Meßwerte wieder, die von den beiden Meßewrtgebern
10 und 11 erhalten werden.
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Für einen Fachmann ist ohne weiteres erkennbar, daß sich hier verschiedene
Möglichkeiten einer Überwachung der Bearbeitungsvorgänge eröffen. Abgesehen von
einer nur punktuellen Überprüfung der Belastung an dem betreffenden Walzwerkzeug
wäre es z.B. auch möglich, durch Integrieren mittels entsprechender elektronischer
Einrichtungen die Differenz der von den beiden Kurven 19 und 20 bzw. 22 und 21 eingeschlossenen
Flächen zu ermitteln, welceh Flächen ein Maß für diejenige zusätzliche Arbeit darstellen,
die von der Gewindewalzmaschine im Fall des Walzens eines fehlerhaften Gewindes
geleistet worden ist.
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Elektronische Schaltungsanordnungen zum Verarbeiten der von den Meßwertgebern
10 und 11 erhaltenen Meßwerte im Sinn der vorgeschlagenen Erfindung stehen dem hier
angesprochenen Fachmann zur Auswahl offen und gehören nicht in den Rahmen der vorliegenden
Erfindung.
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Im Einzelfall kann es allerdings sinnvoll sein, in Walzrichtung gesehen
nicht nur zwei Meßwertgeber zu verwenden, sondern deren mehrere. Hierdurch können
weitere nützliche Informationen gewonnen werden, z.B. die Belastung des betreffenden
Walzwerkzeuges über seine in Walzrichtung gesehene Länge hinweg zu jeweils einem
bestimmten Zeitpunkt.