DE3407619A1

DE3407619A1 - Vorrichtung zur erfassung einer zwischen zwei gegeneinander bewegbaren maschinenteilen auftretenden kraft

Info

Publication number: DE3407619A1
Application number: DE19843407619
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr.-Ing. 4006 Erkrath Brankamp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-03-01
Filing date: 1984-03-01
Publication date: 1985-09-12

Description

· PATENTANWÄLTE

λ / η «7 C 1 ^:(ä>lPL.-lNG. ALEX STENGER

Kaiser-Friedrich-Ring 70 ^ *f U / D ' ^_IPL.._ING. WOLFRAM VVATZKE

D-4000 DÜSSELDORF Il DIPL.-ING. H E I N Z J. RING

, EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Unser Zeidien: Datum: 28. Februar 1984

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Professor Dr.-Ing. Klaus Srankanp, Sperberwen 10, 4006 Erkrath

Vorrichtung zur Erfassung einer zwischen zwei gegeneinander bcwonbaren Maschinenteilen 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 in mindestens einem der Maschinenteile, wobei das KraftmeOelement in eine Aussparung eines mindestens eine Teilkraft übertragenden Maschinenelements eingesetzt ist.

Bei der Herstellung von Teilen ist es in der Mehrzahl der Fälle erforderlich, die endgültige Form der Teile dadurch zu erzeugen, daß Rohlingen oder Zwischenprodukten eine entsprechende Form popphoq ι-ίττ*. Rr=I einer dernrtxnnn Fornnebunf rur Herstellung

,·■'-.-· ·■■■■· ' ιν.-'ι-ίΊ^ίΡο cure;-, rriic \::",ftei.T.virsunf .".wischen einc~ Werkzeug und dem Werkstück abläuft. Die Formgebung kann hierbei

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Telefon (0211) 57 21 31 · Telex: 85 88 420 pale d · Telegrammadresse: Rheinpatent · Postscheckkonto Köln (BLZ 370 100 SO) 2276 10 - 50.1

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ontweder durch eins Umformung oder Aoformung des Werkstückes an der Werkzeugkontur erfolgen oder durch spanabhebende Prozesse, bei denen ausgehend von einem Rohteil das überflüssige Werkstoffvolumen mittels geeigneter Werkzeuge bis zur Fertigkontur abgetragen wird. In beiden Fällen treten zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück Prozeßkräfte auf, welche die Formgebung bewirken.

Für derartige Formgebunnsprozesse ist es kennzeichnend, daß zwischen den bei der Formgebung wirkenden Kräften und der erzeugten Formgestalt des Werkstückes Korrelationen bestehen, die es ermöglichen, aus dem Verhalten der Prozeßkräfte Rückschlüsse zu ziehen, insbesondere darauf, ob der Formgebungsvorgang ordnungsgemäß, d.h. in seiner Gesamtheit in der vorgesehenen Art und Weise abläuft.

::C; der deutschen Patentschrift 2 643 759 ist ein Verfahren zur Überwachung zyklisch wiederkehrender Produktionsprozesse bekannt, das mit Hilfe der Prozeßkräfte als Uberwachungsgrößen gestattet, Produktionsnaschinen automatisch zu überwachen. Dieses Verfahren hat sich zwischenzeitlich in der Praxis bewährt und breiten Eingang in der Industrie gefunden.

Für die Anwendung dieses Verfahrens ist.es Voraussetzunn, daß aus dom jeweiligen Produktionsprozeß für dos Prozeßverhalten signifikante Informationen gewonnen werden. Die 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, weil hier die eindeutigsten Korrelationen zwischen dem Verhalten der Kräfte und dem Aülauf des Formgebungsvorganges vorliegen.

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Um die bein Produktionsprozeß zwischen Werkzeug und Werkstück auftretenden Kräfte erfassen zu können, ist es bekannt, die zwischen zwei gegeneinander bewegbaren Maschinenteilen auftretenden Kräfte zu erfassen, indem die Auswirkung der jeweiligen Kraft auf ein zwischen den beiden Maschinenteilen 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 Quarzscheiben mit Druck belastet, wobei die bei der Druckbelastung der Quarzscheiben entstehenden Ladungen auf der Quarzoberfläche direkt proportional dem Kraftverlauf sind. Bei dem Umsetzungsverfahren unter Vcrv.'endunn von Dehnungsmeßstreifen worden diese Dehnungsmeßstreifen auf einem kraftbeaufschlagten Teil derart angebracht, daß sie die Dehnung oder Stauchung dieses Teils mitmachen. Die Dehnungen oder Stauchungen führen zu einer Widerstandsänderung der im Dehnungsmeßstreifen vorhandenen Drahtschleifen, wodurch kraftproportionale elektrische Signale gewonnen werden.

Zur Erfassung einer zwischen zwei gegeneinander bewegbaren Maschinenteilen auftretenden Kraft für die Überwachung von,Produktionsprozessen war es bisher üblich, ein spezielles Zwischenteil zu schaffen, welches in den Kraftfluß zwischen den zwei gegeneinander bewegbaren Maschinenteilen eingeschaltet wurde und die gesamten Kräfte zwischen den beiden Maschinenteilen übertrug. Aus der deutschen Patentschrift 2 814 908 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 Uberbelastunn in einer für das Zwischenteil geschaffenen Trennebene des Maschinen-

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teils unter 3ildunn eines Spaltes derart angeordnet wird, daß der Spalt bei Erreichen einer vorgegebenen Kraft geschlossen wird. Das mit Kraftmeßelementen, beispielsweise Dehnmeßstreifen, versehene Zwischenteil wird auf diese Weise gegen Überlastung geschützt.

Dei den bekannten Vorrichtungen war es deshalb erforderlich, die Konzeption der jeweils zu überwachenden Maschine zu ändern, um ein mit Meßelenenten versehenes Zwischenteil in den Kraftfluß der Maschine einzuschalten. Durch diese Zwischenteile mußten die vollen Prozeßkräfte für den Formgebungsvorgang übertragen werden, solange ein vorgegebener Wert nicht überschritten wird.

Diese bekannten Maßnahnen zur Durchführung des Überwachungsverfahrens sind umständlich und aufwendig, weil in vielen Maschinen kein Platz zur nachträglichen Unterbringung von mit Kraftmcnelementen versehenen Zwischenteilen zur Verfugung steht und oftmals eine Änderung der Maschinenkonstruktion zwecks Einbringung von Zwischenteilen zu aufwendig ist. Außerdem wird häufig der Arbeitsbereich der Maschine durch derartige Zwischenteile eingeschränkt, beispielsweise durch eine Verkürzung der Hubhöhe bei Pressen. Aus diesem Grunde wurde bereits vorneschlagen, als Soll- und Istwerte der zu überwachenden Kraft signifikante Teilkräftc in Form von Materialspannungen in mindestens einem der Maschinenteile zu erfassen. Auch in diesem Fall war es jedoch erforderlich, vorhandene Maschinenelemente zwecks Einbringung . von Kraftmeßelenenten umzubauen oder durch Spezialanfertigungen zu ersetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zur Krafterfassung zu schaffen, die ohne Eingriff in die Konzeption der jeweiligen Maschine eine Anordnung des KraftmeRelements in einem Maschinenelement ge-

stattet, welches nicht mit einem der hinsichtlich der Kraftübertragung zu überwachenden Maschinenteile identisch ist, so daß ein für die Unterbringung des KraftmeGelements geeignetes Maschinenelement ausgewählt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftmeßelement in einem Sensornehäuse angeordnet ist, das in eine Bohrung eines das eine der gegeneinander beweglichen Maschinenteile traqenden Maschinenelements eingesetzt ist, dessen Sensorkopf unmittelbar an diesem Maschinenteil anliegt und das gegen dieses Maschinenteil mittels eines Keiles verspannbar ist, der in einer Querbohrung des Maschinenelements angeordnet und durch einen außerhalb liegenden Antrieb verstellbar ist.

Mit diesem erfindungsgemäßen Vorschlag wird die Möglichkeit geschaffen, die zwischen zwei gegeneinander bewegbaren Maschinenteilen auftretende Kraft durch ein Kraftmeßelement zu erfassen, das nicht in einem dieser beiden Maschinenteile, sondern in einem benachbarten Maschinenelement angeordnet ist, so daß eine günstige räumliche Unterbringung des Kraftmeßelements möglich ist. Da der Sensorkopf des das Kraftmeßelement aufnehmenden Sensorgehäuses unmittelbar am zu überwachenden Maschinenteil anliegt, haben auch unzureichend bearbeitete Fügeflächen zwischen dem zu überwachenden Maschinenteil und dem tragenden Maschinenelement keinen negativen Einfluß auf die Krafterfassung, weil der Sensorkopf'gegen das zu überwachende Maschinenteil mittels des Keiles verspannt wird. Der in einer Ouerbohrung zu der das Sensorgehäuse aufnehmenden Bohrung angeordnete Keil ist durch einen außerhalb des Maschinenelements liegenden Antrieb verstellbar, so daß zur Unterbringung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung lediglich zwei im Winkel zueinander verlaufende Bohrungen im Maschinenelement ausgeführt werden müssen. Der Eingriff in die Maschine ist somit auf ein Minimum beschränkt, zumal nach dem Einsetzen des Sensorgehäuses und des Keiles die Verspannunq des KrafLmeßelements gegen das zu überwachende Maschinenteil

durch einen außerhalb des Maschinenelements an einer gut zugänglichen Stelle liegenden Antrieb erfolgt. Da die Abnessungen sowohl des Sensorgehäuses als auch des Keiles miniaturisiert werden können, ist es möglich, die beiden Bohrungen mit einem sehr geringen Durchmesser auszuführen. Es besteht somit die Möglichkeit, das Sensorgehäuse und den zugehörigen Keilantrieb an beliebiger Stelle im Inneren eines Maschinenelements ohne Beeinträchtigung seiner Festigkeit unterzubringen, so daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung signifikante Teilkräfte von zu überwachenden Produktionsprozessen mit einfachen Mitteln zuverlässig überwacht werden können, wobei die Krafterfassung über eine Fügestelle hinweg erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit zur Aufbringung einer gewünschten Vorspannkraft ist es schliei31ich möglich, mit der Höhe der Vorspannung den Anteil der Prozeßkräfte festzulegen, der über das Kraftmeßelement geleitet wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet somit trotz ihrer einfachen Konstruktion vielfältige Möglichkeiten, die Lage und die Wirkung des Kraftmeßelements exakt auf den jeweiligen Einzelfall der Krafterfassung abzustellen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Antrieb für den Keil durch einen am Keil ausgebildeten Gewindeschaft mit einer sich am Maschinenelement abstützenden Mutter gebildet. Obwohl auch motorische Betätigungen für .den Keil denkbar sind, ernibt diese erfindungsgemäße Weiterbildung eine besonders einfascho und zuverlässige Möglichkeit für die Aufbringung der gewünschten Vorspannkraft mittels des Keiles.

Das Kraftmeßelement ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen dem rohrförmigen Sensorgehäuse und dem Sensorkopf mittels einer in beide Teile eingreifenden Gewindehülse auswechselbar eingespannt. Dieser Vorschlag der Erfindung schafft nicht nur die Möglichkeit einer zuverlässigen Einspannung des Kraftmeßelements zwischen Sensorgehäuse und Sensorkopf,

sondern die Möglichkeit, auf einfache Weise Kraftneßelemente auszuwechseln.

Eine besonders einfache Ausgestaltung des Keilgetriebes ergibt sich, wenn erfindungsgemäß der Keil in Längsrichtung geschlitzt ist und das rohrförmige Sensorgehäuse mittels zweier in diesen Schlitz hineinragender Verlängerungen unverdrenbar gegenüber den Keil gehalten ist. Dei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung wird zugleich der Vorteil erreicht, daß die zum Kraftneßelement führenden Signalleitungen im Inneren des rohrförmigen Sensorgehäuses und durch den Schlitz des Keiles hindurch aus derr. Maschinenelement herausgeführt werden können.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindunnsgemäßen Vorrichtung bei deren Einsatz in einer Gewindewalzmaschine dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch die

Ualzbacken und den Walzbackenkorb einer Gewindewalzmaschine und

Fig. 2 einen Teilschnitt gemäß der Schnittlinie II-II

in Fig. 1, der die Verbindung zwischen Sensorgehäuse und Keil zeigt.

In Fig. 1 ist eine feststehende Walzbacke 1 zu erkennen, mit der eine oszillierende Walzbacke 2 zusammenwirkt, um ein Gewinde an Rohling 3 zu erzeugen. Die oszillierende Bewegung der Walzbacke 2 ist durch einen Doppelpfeil angedeutet.

Die feststehende Walzbacke 1 wird von einen als Walzbackenkorb bezeichneten Maschinenelement 4 getragen, das wiederum einstellbar an einem sogenannten Korbhalter 5 abgestützt ist. Zur Überwachung des zyklisch wiederholten Produktionsprozesses soll

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die Kraft zwischen den gegeneinander bewegbaren Maschinenteilen (Walzbacke 1 und Walzbacke 2) erfaßt werden.

Zu diesem Zweck ist im Maschinenelement 4 eine Bohrung 4a ausgebildet, in die mittels eines Sensorgehäuses 6 ein Kraftmeßelement 7 eingesetzt ist. Dieses Kraftmeßelement 7 ist soielfrei und gegebenenfalls unter Vorspannung in einem Sensorkopf 6a gehalten, der mittels einer Gewindehülse 8 auf das Sensorgehäuse 6 aufgesetzt ist. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt, wie die Gewindehülse 8 sowohl in das rohrförmige Sensorgehäuse 6 als auch in den Sensorkopf 6a eingeschraubt ist, so daß das Kraftmeßelement 7 zwischen einer Stirnfläche der Gewindehülse S und dem Sensorkopf 6a eingespannt wird.

Ui.i das im Sensorkopf 6a angeordnete Kraftmeßelement 7 durch die Fügeflächf? zwischen dem Maschinenelement 4 und der feststehenden Walzbacke 1 hindurch zuverlässio zur Anlage an der Walzbacke 1 zu bringen, ist ein Keil 9 vorgesehen, der in einer Querbohrung 4b des Maschinenelements 4 verstellbar ist und auf das Sensorgehäuse 6 einwirkt. Beim Ausführungsbeispiel ist der Keil mit einem Gewindeschaft 9a versehen, auf den zwei Muttern 9b und 9c aufgeschraubt sind. Durch Verdrehen der Mutter 9b erfolgt eine axiale Verlagerung des Keiles in der Querbohrunn 4b. Die Mutter 9c dient als Kontermutter zur Festlegung der jeweils erzielten Stellung des Keiles 9. Um das Eintreten von Verunreinigungen in die Bohrungen 4a und 4b zu verhindern, ist der Keil 9 mit einen Dichtrinn 9e versehen.

Hei den auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist der in seiner Grundform wegen seines Einsatzes in der Querbohruna 4b zylindrische Keil 9 in Längsrichtung geschlitzt, wie aus den Figuren 1 und 2 hervorgeht. In diesen Schlitz ragen zwei Verlängerungen 6b des Sensorgehäuses 6 hinein, so daß das Sensorgehäuse 6 zugleich unverdrehbar gegenüber dem Keil 9 gehalten ist. Durch ein Anstellen des Sensorkopfes 6a gegen die

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Walzbacke 1 wird das Kräftrneßelement 7 nicht nur spielfrei an
das zu überwachende Maschinenteil angelegt, sondern es besteht
die Möglichkeit, über die Mutter 9b den Sensorkoof 6a so einzustellen, daß ein beliebiger Anteil der zu überwachenden ProzeC-kräfte über das Sensorgehäuse 6 und damit über das Kraftraeßelement 7 auf das Maschinenelement 4 übertragen wird. Wird mit
Hilfe des Keilantriebes beispielsweise der Sensorkopf 6a voll
aus dem Maschinenelement 4 herausgefahren, stützt sich die Walzbacke 1 zu nahezu 100 % auf dem Sensor ab. Je weiter der Sensorkopf 6a eingefahren wird, umso geringer wird der über das Kraftmeßelement 7 übertragene Anteil der Prozeßkräfte. Die vom Kraftmeßelenent 7 aufgenommenen Kräfte des zu überwachenden Prozesses werden über Signalleitungcn 10 einer Aushebevorrichtung zuocführt. Trotz der schematischen und zwecks Klarheit stark vergrößerten Darstellung des Sensors und seines Keilantriebes ist
zu erkennen, daß die voranstehend beschriebene Vorrichtung stark miniaturisiert werden kann, so daß auch mehrere KraftmeQelemente 7 innerhalb des Maschinenelements 4 untergebracht werden können, und zwar in beliebiger Tiefe.

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ßezugszif Fernliste

1	Walzbacke, feststehende
2	Walzbacke, oszillierende
3	Rohling
4	Maschinenelement (Walzbackenkorb)
4 a	Gohrunc
4 b	Querbohrunn
C -J	Korbhalter
6	Sensorgehäuse
6a	Sensorkopf
6b	Verlängerung
7	Kraftneßelernent
8	Gewindehülse
9	Keil '
9 a	Gewindeschaft
9b	Mutter
9 c	Mutter
9e	Dichtrinn
10	Signalleituno

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Claims

Patentansprüche

l.y 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 in mindestens einem der Maschinenteile, wobei das Kraftmeßelement in eine Aussparung eines mindestens eine Teilkraft übertragenden Maschinenelements eingesetzt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftmeßelement (V) in einem Sensorgehäuse (6) angeornet ist, das in eine Bohrung (4a) eines das eine der gegeneinander beweglichen Maschinenteile (1) tragenden Maschinenelements (4) eingesetzt ist, dessen Sensorkopf (6a) unmittelbar an diesem Maschinenteil (1) anliegt und das gegen dieses Maschinenteil (1) mittels eines Keiles (9) verspannbar ist, der in einer Querbohrung (4b) des Maschinenelements (4) angeordnet und durch einen außerhalb liegenden Antrieb verstellbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb durch einen am Keil (9) ausgebildeten Gewindeschaft (9a) mit einer sich am Maschinenelement (4) abstützenden Mutter (9b) gebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftmeßelement (/) zwischen dem rohrförmigen Sensorgehäuse (6) und dem Sensorkopf (6a) mittels einer in beide Teile eingreifenden Gewindehülse (ü) auswechselbar eingespannt ist.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil (9) in Längsrichtung geschlitzt ist und das rohrförmige Sensorgehäuse (6) mittels zweier in diesen Schlitz hineinragender Verlängerungen (6b) undverdrehbar gegenüber dem Keil (9) gehalten ist.