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Vorrichtung zur Erfassung einer zwischen zwei gegeneinander
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bewegbaren Iblaschinenteilen auftretenden kraft Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Erfassung einer vorzugsweise zwischen zwei gegeneinander bewegbaren
Maschinenteilen auftretenden Kraft für die Überwachung insbesondere zyklisch wiederkehrender
Produktionsprozesse, beispielsweise durch Umformung oder Zerspanung, mit mindestens
einem Kraftmeßelement zur Erfassung einer signifikanten Teilkraft, vorzugsweise
in Form von tlaterialspannungen, in mindestens einer der tlaschinenteile, wobei
das IEraftmeclement in eine Aussparung eines mindestens eine Teilkraft übertragenden
Maschinenelements eingesetzt und spielfrei festgelegt ist.
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Bei der Herstellung von Teilen ist es in der Mehrzahl der Fälle erforderlich,
die endgültige -crm der Teile dadurch zu erzougen, daß Rohlingen oder Zt'jischenprodukten
eine entsprechende Forti gegeben wird. Bei einer derartigen Formgebung zur Herstellung
von Teilen finden überwiegend solche Prozesse Anwendung, bei denen die Formgabung
durch eine Krafteinwirkung zwischen einen Werkzeug und dem Werkstück abläuft. Die
Formgebung kann hierbei
entweder durch eine Umformung oder /lDformung
des Werkstückes an der Werkzeugkontur erfolgen oder durch spanabhebende Prozesse,
bei denen ausgehend von einem Rohteil das überflüssige Werkstoffvolumen mittels
geeigneter t1erkzeuge bis zur Fertigkontur abgetragen wird. In beiden Fällen treten
zwischen dem werkzeug und dem Werkstück Prozeßkräfte auf, welche die Formgebung
bewirken.
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Für derartige Formgebungsprozesse ist es kennzeichnend, daß zwischen
den bei der Formgebung wirkenden kräften und der erzeuten Formgestalt des Werkstückes
Korrelationen bestehen, die cs ermöglichen, aus dem Verhalten der Prozeßkräfte Rückschlüsse
zu ziehen, insbesondere darauf, ob der Formgebungsvorn ans ordnungsgemäß, d.h. in
seiner Gesamtheit in der vorgesehenen Art und leise abläuft.
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Aus der deutschen Patentschrift 2 643 759 ist ein Verfahren zur Üborwachung
zyklisch wiederkehrender Produktionsprozesse bekannt, das mit Hilfe der Prozeßkräfte
als Überwachungsgrößen gestattet, Produktionsmaschinen automatisch zu überwachen.
Dieses Verfahren hat sich zwischenzeitlich in der Praxis bewährt und breiten Eingang
in der Industrie gefunden.
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ür die Anwendung dieses Verfahrens ist es Voraussetzung, daß aus dem
jeweiligen Produktionsprozeß für das Prozeßverhalten signifikante Informationen
gewonnen werden. Dic Qualität der Produktionsüberwachung ist hierbei umso besser,
je signifikanter die Informationen sind. Durch eine Reihe von Untersuchungen konnte
zwischenzeitlich bestätigt werden, daß die signifikantesten Informationen für die
Produktionsüberwachung aus den voranstehend genannten Prozeßkräften gewonnen werden
können, usil 1 hicr die eindeutigsten Korrelationen zwischen dem Verhal-Len der
rfte und dem Ablauf des Formgebungsvorganges vorliegen.
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Um die beim Produktionsprozeß zwischen 1lerkzeun und lJerkstüc! auftretenden
Kräfte erfassen zu können, ist es bekannt, die zwischen zwei gegeneinander bewegbaren
t4aschinenteilen auftretenden Kräfte zu erfassen, indem die Auswirkung der Jeweiligen
Kraft auf ein zwischen den beiden Haschinenteilen befindliches Zwischenteil ermittelt
wird. Die Krafteinwirkungen auf dieses Zwischenteil werden in elektrische Signale
umgesetzt, so daß ausschließlich derartige elektrische Signale ausgewertet werden
müssen. Die Umsetzung der Krafteinwirkungen in elektrische Signale ist entweder
nach dem piezo-elektrischen Meßverfahren oder unter Anwendung von Dehnungsmeßstreifen
möglich. Beim piezoelektrischen Meßverfahren werden tluarzscheiben mit Druck belastet,
wobei die bei der Druckbelastung der Quarzscheiben entstehenden Ladungen auf der
Quarzoberfläche direkt proportional dem Kraftverlauf sind. Bei dem Umsetzungsverfahren
unter Verb!endung von Dehnungsmeßstreifen werden diese Dehnungsmeßstreifen auf einem
kraftbeaufschlagten Teil derart angebracht, daß sie die Dehnung oder Stauchung dieses
Teils mitmachen. Die Dehnunnen oder Stauchungen führen zu einer Widerstandsänderung
der im Dehnungsmeßstreifen vorhandenen Drahtschleifen, wodurch kraftproportionale
elektrische Signale gewonnen werden.
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Zur Verfassung einer zwischen zwei gegeneinander bewegbaren tiaschinenteilen
auftretenden Kraft für die Überwachung von Produktionsprozessen war es bisher üblich,
ein spezielles Zwischenteil zu schaffen, welches in den Kraftfluß zwischen den zwei
negeneinander bewegbaren Maschinenteilen eingeschaltet wurde und die gesanten Kräfte
zwischen den beiden Maschinenteilen übertrag.
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Aus der deutschen Patentschrift 2 814 988 ist beispielsweise eine
Vorrichtung zur Erfassung einer zwischen zwei gegeneinander bewegbaren Maschinenteilen
auftretenden Kraft bekannt, bei der das Zwischenteil mit den in einem Maschinenteil
auftretenden Gesamtkräften belastet wird und zur Vermeidung einer Überbelastung
in einer ftjr das Zwischenteil geschaffenen Trennebene des Maschinenteils
unter
Bildung cines SI,X4ns derart angeordnet wird, daß der Spalt bei Erreichen einer
vorgegebenen Kraft geschlossen wird. Das mit Kraftemßalementen, beispielsweise Dehnmeßstreifen,
versehene Zwischenteil wird auf diese Weise gegen Überrastung geschützt.
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Bei den bekannten Vorrichtungen war es deshalb erforderlich, die Konzeption
der Jeweils zu überwachenden maschine zu andern, um ein mit Meßelementen versehenes
Zwischenteil in den Kraftfluß der Maschine einzuschalten. Durch diese Zwischenteile
mußen die vollen Prozeßkröfte für den Formgebungsvorgang übertragen werden, solange
ein vorgenebener Wert nicht überschritten wird.
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Diese bekannten maßnahmen zur Durchführung des Überwachungsverfahrens
sind umständlich und aufwendig, weil in vielen Maschinen kein Platz zur nachträglichen
Unterbringung von mit raftmeßelementen versehenen Zwischenteilen zur Verfügung steht
und oftmals eine Anderung der Maschinenkonstruktion zwecks Einbrin-Jung von Zwischenteilen
zu aufwendig ist. Außerdem wird häufig der Arbeitsbereich der Maschine durch derartige
Zwischenteile eingeschränkt, beispielsweise durch eine Verkürzung der lubhöhe bei
Pressen. Aus diesem Grunde wurde bereits vorgeschlagen, als Soll- und Istwerte der
zu überwachenden Kraft signifikante Teilkräfte in Form von Materialspannungen in
mindestens einem der maschinenteile zu erfassen. Auch in diesem Fall war es jedoch
erforderlich, vorhandene Maschinenelemente zwecks Einbringung von Kraftmeßelementen
umzubauen oder durch Spezielanfertigungen zu ersetzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zuarunde, eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, die es ohne Eingriff in die Konzeption der jeweiligen
maschine gestattet, die Kraftverhältnisse in mehreren Schnittebenen eines Maschinenelements
mit
geringstmöglichen Aufwand zu orfassen.
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Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, dar in eine Bohrung des Haschinenelenants mchrere Kraftneßelemente
in axislen Anstand von einander cienssetzt sind. hierdurch ist es möglich, nach
Einbringen nur siner Bohrung mchrere unterschiedliche Kräfte innerhalb eines Maschlnenslaments
getrennt zu erfassen, wodurch sich der Vorteil ergibt, den Prozeßvorlauf an unterschiedlichen
Stellen und damit mit unterschiodlichen Informationsinhalt zu öberwachen, ohne daß
der hierfür erforderliche konstruktive Aufwond gegenüber dem Einbringen eines cinzigen
Kraftnoßelenents wesentlich erhäßt wird.
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Bei ciner bevorzugten Ausführungsforn der Erfindung ist jedes Kraftaeßelament
in ciner seitlichen aussparung einer zylindrischen Meßsonde angcordnet und Gurch
zzwei in axialer Richtenn der Meßsonde gegeneinander verstellbare Keilelemente spiclfrei
In der Bohrung eingespannt. Diese erfindungsgenäße Ausbildung ergibt unter Verwendung
einfacher und preiswert herstellbarer Bauteile die Möglichkeit, jedes einzelne Kraftmeßelement
zuverlässin in der Bohrung zu verspannen,wobei die Aomessungen der Meßsonde wegen
deren einfachen Aufbaus miniaturisiert werden können.
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Bei einer Weiterbildung der Erfinding ist jedes Kraftmeßelenent zwIschen
der Wandung der Meßsonde und einem in axialer Richtung in der Aussparung festgelegten
Keilelement durch das zweite Keilclement eingespannt, das innerhalb der Aussparung
in axialer Richtung relativ zur meßsonde verstellbar ist. Für den Antrieb der in
axialer Richtung verstallbaren Keilelemente gibt es mehrere Möglichkeiten.
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Bei der einen Ausführungsform der Erfindung ist jcdes in axialer Richtung
verstellbare Keilolement durch eine madenschraube
antrci.bbar,die
in einer axialen Gewindebchrung der meßsonde angeordnet ist. Diese Ausgestaltung
schafft die Wöglichkeit, die Kraftmeßelemente einzeln festzulegen und ihnen gegebenenfalls
eine unterschiedliche Vorspannung zu erteilen.
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Dnuohl die Möglichkeit hcsteht, die Meßsonde mit mehreren in Umfangsrichtung
der Beßsonde zueinander versetzten Gewindehohrungen zu versehen, ergibt sich eine
besonders einfache Ausgespaltung für die meßsonde, wenn gemäß einen weiteren tierkmal
der Erfindung die Madenschraoben säntlichor Kraftmeßelemente in einer gemeinsamen
Gewindebohrung angeordnet und jeweils mit einem durchgehenden Innensechskant ausgebildet
sind. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, jede einzelne Madenschraube individuell
zu verstellen, enn ein mit einem Sechskantkopf versehener Schlüssel verwendet ird,
der einen zylindrischen Schaft mit einem Durchmesser besitzt, der kleiner als der
eingeschriebene lXreis der lnnensechskante in den t1adenschrauben ist. Ein derartiger
Schlüssel kann mit seinem Sechskantkopf in den Innensechskant wieder der in axialem
Abstand voneinander in der Meßsonde angeordneten Madenschrauben eingeschoben und
gedreht werden, da der zylindrische Schaft des Schlüssels durch die e in geringerer
Tiefe der Bohrung liegenden liadensehrauben hindurchragüund eine Verdrehung des
Schlüssels nicht behindert.
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Bei der alternativen Ausführungsform des Antriebs für die Keilelemente,
ist jedes in axialer Richtung verstellbare theilelement durch eine Feder belastet,
die auf einer allen Kraftmeßelementen zugeordneten Schubstange angeordnet ist, welche
in einer durchgehenden Axialbohrung in der Meßsonde axial verstellbar angeordnct
und mit Anschlagringen für die Federn ausgestattet is.
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Bei dieser Ausführungsform stützen sich die einzelnen Federn zwischen
dem vjeweil gen Anschlagring auf der Schubstange und dem zugchörigen Kailelement
ab, so daß die in axialer Richtung verstellbaren Keilelemente durch die Fcdern in
axialer Richtung belastet werden und über ihre Keilfläche eine radiale Verspannung
der Kraftmeßelemente bewirken. Die Größe der Einspannkraft
und
gegebenenfalls der zu erzeugenden Vorspannung hängt von der aialen Stellung der
teilt den Anschlagringen versehenen Schubstange ab. Sofern unterschi.edlichc Federn
undsoder Keilwinkel für die einzelnen Kraftmeßelemente verwendet werden, ist trotz
der Verwendung einer allen Kraftmeßelementen gemeinsamen Schubstange die Erzeugung
unterschiedlicher Vorspannkräfte möglich.
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Gemäß einen weiteren Merkmal der Erfindung sind die verstellbaren
Keilelemente mit t einer Durchgangsbohrung für die Schubstange versehen, deren Durchmesser
größer als der der Schubstange und kleiner als der Außendurchmesser der Anschlagringe
ist.
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Durch diese Ausbildung dienen die Anschlagringe bei einer Auszugbawegung
der Schubstange zugleich als Löseglieder für die Keilelemente, so daß nicht nur
die Erzeugung sondern auch die Aufhebung der Verspannung Jedes Kraftmeßelements
gemeinsam durch die Schubstange erfolgen.
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Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, die Meßsonde in
der Bohrung des hA.aschinenelements durch zwei erlrinnc festzulepen, die in einem
erweiterten Teil der Bohrung angeordnet und In axialer Richtung der Meßsonde relativ
zueinander verstellbar sind. Durch diese Art der festlegung der i-1cßsonde am 'laschinenelement
entfällt die notwendigkeit komplizierter Befestigungsvorrichtungen, da es ausreicht,
die für die Kraftmeßelemente eingebrachte Bchrung auf einem kurzen Stück für die
Keilringe zu erweitern, so daß insbesondere unerwünschte Schwächungen des haschinanelements
zwecks Festlegung der Meßsonde entdrallen.
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Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigen: rig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste
Ausführungsform, Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie II-II in FIg.i,
Fig.3
einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform und Fig einen Querschnitt gemaß
der Schnittlinie IV-IV in Fig.3.
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In beiden Ausführungsbeispielen ist in ein hinsichtlich seines Spannungsverhaltens
zu Überwachendes Maschinenelement 1 eine Bohrung la eingebracht,die im Anfang einen
erweiterten Teil Lb aufweist. In diese Bohrung la ist eine zylindrische meßsonde
2 eingebracht, die bei den Ausführungsbeispielen einen außerhalb des Maschinenclements
1 liegenden Sondenkopf 2a aufweist, bei alternativen Ausführungen jedoch auch ohne
einen derartigen sondenkopf 2a ausgeführt sein kann.
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Die Festlegung der Meßsonde 2 in der Bohrung is erfolgt durch zwei
keilringe 3 und 4, die innerhalb des erweiterten Teils 1b der Bohrung la angeordnet
sind. Während sich der Reilring 3 mit seiner zylindrischen Außençläche an der innenwandung
des erweiterten Teils lb der Bohrung la abstützt, liegt der l'eilrin 4 mit seiner
zylindrischen Innenfläche an der tlantelfläche der Meßsonde 2 an. Die sich mit ihren
keilflächen berührenden Keilringe 3 und 4 werden relativ zueinander durch Spannschrauben
5 verstellt, die bei den Ausführungsbeispielen mit ihrem Kopf am Sondenkopf 2a abgestützt
sind und in Axialbohrungen des Keilringes 4 eingreifen. Ein Anziehen dieser Spannschrauben
5 bewirkt eine radiale Verspannung der Keikringe 3 und 4 gegeneinander und damit
eine Festlegung der meßsonde 2 in der Bohrung la.
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Un die Bohrung la gegen das Eindringen von Staub und Flüssigkeiten
abzudichten, ist bei beiden Ausführunnsbeispielen der Keilring 4 mit zwei Dichtringen
6 versehen.
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Die Ließsonde 2 ist mit mehreren seitlichen Aussparungen 2b versehen,von
denen in den Fig.1 und 3 jeweils nur zwei Aussparungen 2b dargestellt sind, weil
die Meßsonde 2 ebenso wie die Bohrung la verkürzt dargestellt ist. In jeder Aussparung
2b
befindet sich ein Kraftmeßelement 7, das beispielsweise als piezo-elektrischer Aufnehmer
ausgebildet ist. Um diese Kraftmeßelemente 7 nach dem Einschieben der Meßsonde 2
in die Bohrung la spielfrei festlegen und verspannen zu können, sind Je Kraftmeßelement
7 zwei in axialer Richtung der Meßsonde 2 gegegeneinander verstellbare Keilelemente
8 und 9 vorgesehen, die sich ebenfalls innerhalb der Aussparung 2b in der Meßsonde
2 befinden.
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Während die Keilelemente 8 in axialer Richtung unverschiebbar innerhalb
der Aussparung 2b in der Meßsonde 2 angeordnet sind und mit ihrer Außenfläche am
jeweiligen Kraftmeßelement 7 anliegen, sind die Keilelemente 9 in axialer Richtung
der Meßsonde 2 verstellbar. Hinsichtlich der Art des Antriebes für die Verstellung
der Keilelemente 9 unterscheiden sich die beiden Ausführungsbeispiele.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist jedem Keilelement
9 eine Madenschraube 10 zugeordnet, die mit ihrer vorderen Stirnfläche an dem verstellbaren
Keilelement 9 anlieat.
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Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 befinden sich sämtliche
Madenschrauben 10 in einer gemeinsamen Gewindebohrung 2c in der Meßsonde 2. Um die
Madenschrauben 10 einzeln verstellen zu können, besitzen sie eine durchgehende Ausnehmung
in der Art eines Innensechskants iDe.
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Durch einen mit einem Sechskantkopf versehenen Schlüssel können die
mit der Meßsonde 2 in die Bohrung la eingebrachten Madenschrauben 10 einzeln verstellt
werden, um die Kraftmeßelemente 7 in radialer Richtung mit Hilfe der Keilelemente
8 und 9 zu verspannen. Der Schlüssel ist mit einem zylindrischen Schaft versehen,
dessen Schaftdurchmesser kleiner als der eingeschriebene Kreis des Innensechskants
lOa und damit des Schlüsselkopfes ist. Auf diese Weise kann der Schlüsselkopf in
den Innensechskant iOa jeder beliebigen Madenschraube 10 eingeführt und ohne Behinderung
der weniger tief in der Bohrung la liegenden Madenschrauben 10 gedreht werden, so
daß eine voneinander
unabhängige Festlegung der Kraftmeßelemente
7 in der Bohrung la möglich ist.
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Bei der zweiten Ausführungsform nach den Fig.3 und 4 ist jedes in
axialer Richtung verstellbare Keilelement 9 9 durch eine Feder 11 belastet die als
ilendelfeder ausgebildet und auf einer Schubstange 12 angeordnet ist. Diese Schubstange
12 befindet sich in einer durchgehenden Axialbohrung 2d der meßsonde 2 und trägt
die Federn 11 sämtlicher Kraftmeßelemente 7.
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Jede Feder 11 liegt: mit einem Ende an einem Keilelement 9 und mit
dem anderen Ende an einem Anschlagring 12a an, der auf der Schubstange 12 befestigt
ist. Auf diese Weise ist es möglich, über die Keilelemente 9 sämtliche Kraftmeßelemente
7 durch eine Axialbe.Jegunn der Schubstange 12 gleichzeitig in radialer Richtung
in der Bohrung la zu verspannen, wobei es durch die Wahl unter schiedlicher Federn
11 und/oder unterschiedlicher Keilwinkel zwischen den Keilelementen 8 und 9 möglich
ist, trotz der gemeinsamen Verspannung durch die Schubstange 12 unterschiedliche
Vorspannungen auf die Kraftmeßelemente 7 aufzubringen.
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Um die verspannten Keilelemente 8 und 9 zwecks Herausmehmen der Meßsonde
2 zu lösen, ist der Durchmesser der in den eilelementen 9 vorgesehenen Durchgangsbohrungen
9a zwar größer als der Außendurchmesser der Schubstange 12, jedoch kleiner als der
Außendurchmesser der Anschlagringe 12a. Hierdurch ist es möglich, bei einer Auszugbewegung
der Schubstange 12 über deren Anschlagringe 12a die verspannten Reilelemente 8 und
9 zu lösen, so daß anschließend die Meßsonde 2 aus der Bohrung la herausgenommen
werded'ann. Zu diesem Zweck ist die Schubstange 12 auch an ihrem innenliegenden
Ende mit einem Anschlagring 12a versehen.
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it den in axialen ADstand voneinander angeordneten Kraftemßelementen
7 ist es möglich, die Spannungsverhältnisse in Flaschinenelement
1
in unterschiedlichen Tiefen festzustellen,so daß sehr detaillierte Informationen
gewonnen werden können. Die von den Kraftmeßelementen 7 aufgenommenen Werte werden
durch Signalleitungen 13, die in geeigneten Kanten in der Meßsonde 2 verlegt sind,
nach außen weitergeleitet. Zur Abnahme dieser Signale ist bei beiden Ausführungsbeispielen
der Sondenkopf 2a mit einer seitlichen Gewindebohrung 2e für einen auf der Zeichnung
nicht dargestellten Buchsenanschluß versehen.
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Bezugeziffermliste: 1 Maschinenelement la Bohrung 1b Erweiterter
Teil 2 Meßsonde 2a Sondenkopf 2b Aussparung 2c Gewindobohrung 2d Axialbohrung 2e
Gewindebohrung 3 Keilring 4 Keilring 5 Spannschraube 6 Dicht ring 7 Kraftemßelement
8 Keilelement 9 Keilelement 9a Durchgangsbohrung 10 Madenschraube 10a Innensechskant
11 Fader 12 Schubstange 12a Anschlagring 13 Signalleitung
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