DE102008004421B3

DE102008004421B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Verformungsverhaltens einer Feder

Info

Publication number: DE102008004421B3
Application number: DE200810004421
Authority: DE
Inventors: Uwe Baerenwaldt; Markus Haenle; Frank Kruchten; Gerd Zuckschwerdt
Original assignee: Hugo Kern und Liebers & Co KG Platinen- und Federnfabrik GmbH; Kern & Liebers; Robert Bosch GmbH
Current assignee: Hugo Kern und Liebers & Co KG Platinen- und Federnfabrik GmbH; Kern & Liebers; Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-01-14
Filing date: 2008-01-14
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2028-01-15

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Messen des Verformungsverhaltens einer als Druckfeder ausgebildeten Feder wird die Feder (20) durch eine einstellbare Kraft axial zusammengedrückt. Mittels eines optischen Systems (22, 24, 26) mit im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Feder (20) verlaufender optischer Achse wird die äußere Hüllkontur der Feder (20) auf eine Empfängerfläche (26) abgebildet. Der Hüllkreisdurchmesser der Projektion der Hüllkontur auf der Empfängerfläche (26) wird in Abhängigkeit von der auf die Feder (20) ausgeübten axialen Kraft ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Verformungsverhaltens einer als Druckfeder ausgebildeten Feder.
Hohlzylindrisch ausgebildete Druckfedern können axial wirkende Druckkräfte aufnehmen, wobei entsprechend der Federcharakteristik die Federkraft mit der axialen Kompression der Feder zunimmt, bis die Feder maximal zusammengedrückt ist und auf Block fährt. Solche Druckfedern sind insbesondere als Schraubendruckfedern oder Rohrfedern ausgebildet. Werden solche Druckfedern axial zusammengedrückt, so führt dies zu einer Verformung der Feder. Insbesondere führt das Zusammendrücken der Feder ab einem gewissen Hubweg zu einem Ausbauchen bzw. Ausbeulen der Feder, das heißt die äußere Hüllenkontur der Feder wölbt sich von der entspannten zylindrischen Form zu einer radial ballig ausgebauchten Form. Der Hüllkreisdurchmesser vergrößert sich somit in bestimmten axialen Bereichen der Feder.
In vielen Anwendungsfällen ist der Einbauraum für die Feder begrenzt, wobei die Tendenz verstärkt zu einer weiteren Einschränkung des Bauraumes führt. Ein Beispiel hierfür ist der Einbau einer Rohrfeder für den Aktor eines Brennstoffeinspritzventils wie dies die DE 103 44 621 A1 beispielhaft zeigt. Die Verformung der Feder und insbesondere die Vergrößerung des Hüllkreisdurchmessers kann bei einem eingeschränkten Bauraum zu einem Scheuern der Feder an der Wandung des Bauraumes und dadurch bedingt zu einem Verschleiß und einer Verringerung der Standzeit der Feder führen.
Aus der DE 10 2006 024 408 A1 ist es bekannt, geometrische Merkmale einer Schraubenfeder dadurch zu berechnen, dass die Feder mittels eines optischen Systems mit senkrecht zur Achse der Feder verlaufender optischer Achse abgebildet wird. Dabei wird die Feder um ihre Achse in verschiedene Winkelpositionen gedreht, um aus den Aufnahmen in diesen verschiedenen Winkelpositionen die geometrischen Merkmale zu berechnen. Aus der US 2006/0203254 A1 ist es bekannt, eine Schraubenfeder mittels eines optischen Systems mit senkrecht zur Achse der Feder verlaufender optischer Achse abzubilden, wobei die Feder um ihre Achse gedreht wird, um Abweichungen von der achszylindrischen Form des Feder zu ermitteln. Bei diesen bekannten Verfahren wird die Feder in unbelastetem Zustand abgebildet, so dass sich keine Anhaltspunkte für das Verformungsverhalten der Feder unter Belastung gewinnen lassen.
Aus der WO 02/50494 A1 ist es bekannt, eine Schraubenfeder mittels eines optischen Systems mit senkrecht zur Achse verlaufende optische Achse abzubilden, um die Länge der Feder zu bestimmen. Weiter ist ein Verfahren angegeben, die Querauslenkung einer Schraubenfeder bei axialer Druckbelastung dadurch zu ermitteln, dass eine durch die Querauslenkung der Feder verschobene Lochblende optisch abgebildet wird. Aus der DE 44 10 680 A1 ist es bekannt, zur Prüfung einer Schraubendruckfeder, diese axial mit einer Druckkraft zu beaufschlagen, wobei das eine Ende der Feder auf einer Wippe abgestützt ist. Eine außermittige Federkraft wird anhand der Kippbewegung der Wippe ermittelt. Die Kippbewegung kann optisch erfasst werden. Bei diesen Verfahren wird die Abhängigkeit der Federkraft von einer Druckbelastung gemessen. Die Verformung der Feder unter Einfluss der Druckbelastung wird nicht erfasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Verformungsverhalten einer als Druckfeder ausgebildeten Feder bei axialer Belastung reproduzierbar und prozesssicher zu erfassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, bereits bei der Herstellung einer als Druckfeder ausgebildeten Feder das Verformungsverhalten dieser Feder unter den Einsatzbedingungen zu messen und zu prüfen, für welche diese Feder bestimmt ist. Dadurch kann die Prozesssicherheit für die Verwendung und den Einbau der Feder wesentlich erhöht werden. Die exakte Erfassung des Verformungsverhaltens macht es darüber hinaus möglich, den Einbauraum für die Feder zu minimieren, ohne die Betriebssicherheit und die Standzeit der Feder zu verschlechtern.
Erfindungsgemäß wird die Feder unter axialer Kraftbeaufschlagung optisch vermessen. Dabei wird mittels eines optischen Systems die äußere Hüllkontur der Feder in Abhängigkeit von der ausgeübten axialen Kraft ermittelt. Das optische System bildet die Hüllkontur der Feder auf einer Empfängerfläche ab, die eine elektronische Auswertung des Projektionsbildes erlaubt, sodass insbesondere der Hüllkreisdurchmesser softwaremäßig erfasst werden kann.
Solche optischen Systeme, die an sich bekannt sind (z. B. DE 101 53 581 A1 , US 6 606 403 B2 ) bestehen aus einer Beleuchtung, die die Hüllkontur der Feder auf die Empfängerfläche ab bildet, wobei die optische Achse des Systems die Achse der Feder im wesentlichen senkrecht schneidet. Vorzugsweise wird ein telezentrisches System benutzt, welches den Vorteil hat, dass die Abmessungen der Abbildung auf der Empfängerfläche von geringen Positionsschwankungen der Feder unabhängig sind. Vorzugsweise besteht das optische System aus einer Beleuchtung, die mittels eines Kollimators einen parallelen Beleuchtungslichtstrahl erzeugt. Als Empfängerfläche dient vorzugsweise eine Kamera mit einem objektseitig telezentrischen Objektiv und einem insbesonderen zweidimensionalen CCD-Sensor.
Die Messung des Hüllkreisdurchmessers der Feder kann im einfachsten Falle bei nur einer vorgegebenen definierten axialen Kompressionskraft gemessen werden, die insbesondere der maximalen axialen Kraft entspricht, welche auf die Feder in deren vorgesehenem Anwendungsfall ausgeübt wird, oder um einen Sicherheitsabstand höher als diese Kraft ist. Ein aussagekräftigeres Ergebnis wird erhalten, wenn die Verformung der Feder über einen größeren Hubweg der axialen Kompression in mehreren definierten diskreten Schritten gemessen wird. Es ist auch eine kontinuierliche Messung über den gesamten Hubweg bzw. die gesamte Kennlinie der Feder möglich.
Da die radiale Ausbauung der Feder nicht in jedem Falle exakt rotationssymmetrisch zur Federachse sein muss, kann die Feder bei der Messung um ihre Achse gedreht werden. Dadurch kann auch bei unrunden Verformungen der maximale Hüllkreisdurchmesser ermittelt werden. Ein entsprechendes Ergebnis kann ohne eine Rotation der Feder dadurch erhalten werden, dass das optische System die Feder unter verschiedenen Azimutwinkeln abtastet. Hierzu ist jedem Azimut eine optische Achse zugeordnet, d. h. ein Beleuchtungsstrahl und eine zugeordnete Empfängerfläche, d. h. zum Beispiel eine CCD-Kamera. In der Regel sind hierbei zwei im Azimut um etwa 90 Grad umeinander versetzte optische Abtastungen ausreichend.
Die Erfindung liefert ein optisches Messverfahren mit software-basierter Auswertung zur Ermittlung des Hüllkreises einer Druckfeder. Dabei kann der Hüllkreis schnell und präzise gemessen werden, sodass sich das System in der Serienproduktion für eine Stichproben-Prüfung, aber auch für eine automatisierte 100%-Prüfung eignet. Der Hüllkreis kann über den gesamten Hubweg der Feder erfasst werden, sodass eine Optimierung der Feder im gesamten Arbeitsbereich möglich ist, was von Vorteil ist, da das Maximum des Hüllkreisdurchmessers nicht immer im selben Axialbereich der Feder und auch nicht zwangsweise beim größten Kompressionshub auftritt. Das Verfahren ist auch bei der Auslegung der Feder in der Konstruktion hilfreich, da der Hüllkreisdurchmesser exakt gemessen werden kann und die Feder damit in Bezug auf die Einbaubedingungen und die Dauerstandzeit optimiert werden kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Messen des Verformungsverhaltens einer Feder.
Auf einem Bett 10 ist um eine vertikale Achse drehbar ein Stativ 12 angeordnet. Das Stativ 12 kann gesteuert motorisch vorzugsweise um 180° um die vertikale Achse gedreht werden. In dem Stativ 12 ist eine Aufnahme angeordnet, die aus einer oberen Platte und einer unteren Platte 16 besteht. Die Platten 14 und 16 sind in vertikaler Richtung gegeneinander beabstandet und konzentrisch zu der Rotationsachse des Stativs 12 angeordnet. Die untere Platte 16 sitzt fest auf dem Stativ 12, während die obere Platte 14 mittels eines motorischen Antriebs 18 gesteuert vertikal in der Rotationsachse des Stativs 12 bewegbar ist. Zwischen die obere Platte 14 und die untere Platte 16 kann eine zu prüfende Druckfeder 20 eingesetzt werden, z. B. eine Schraubenfeder oder eine Rohrfeder. Die Feder 20 kann mittels des motorischen Antriebs 18 NC-gesteuert axial zusammengedrückt werden.
Die Hüllkontur der Feder 20 wird durch ein optisches System erfasst. Das optische System ist insbesondere als telezentrisches System ausgebildet. Das optische System weist eine Beleuchtung 22 auf, die eine Lichtquelle und einen Kollimator enthält, sodass von der Beleuchtung 22 ein parallel gebündelter Lichtstrahl 24 ausgesandt wird. Der Lichtstrahl 24 schneidet die Achse der Feder 20 senkrecht. Der Durchmesser des Lichtstrahls 24 wird vorzugsweise mindestens so groß wie die axiale Länge der Feder 20 gewählt, sodass sich die gesamte Feder 20 in dem Querschnitt des Lichtstrahls 24 befindet.
In Bezug auf die vertikale Drehsachse des Stativs 12 und die mit dieser zusammenfallende vertikale Achse der Feder 20 diametral zu der Beleuchtung 22 ist eine digitale Kamera 26 angeordnet. Die Kamera 26 weist ein telezentrisches Objektiv mit einem vorzugsweise in einer zweidimensionalen Matrix ausgebildeten CCD-Sensor auf. Der Lichtstrahl 24 trifft auf die Kamera 26 und wird durch deren Objektiv auf der Empfangsfläche des CCD-Sensors abgebildet. Die telezentrische Ausbildung des optischen Systems gewährleistet dabei, dass die Abmessungen der Abbildung der Feder 20 auf der Empfängerfläche der Kamera 26 von der Position der Feder 20 in der Achsrichtung des Lichtstrahls 24 in einem ausreichenden Toleranzbereich unabhängig sind.
Das optische System bildet die äußere Hüllkontur der Feder 20 auf der Empfängerfläche der Kamera 26 ab. In einer der Kamera 26 nachgeschalteten Auswerteelektronik kann der Hüllkreisdurchmesser ermittelt werden, wobei bei Drehung der Feder 20 um 180° um ihre vertikale Achse auch die Erfassung des maximalen Hüllkreisdurchmessers bei einer unrunden Verformung der Feder 20 möglich ist. Die Erfassung der Hüllkontur und die Messung des Hüllkreisdurchmessers kann bei einer vorgegebenen axialen Kompression der Feder 20 durch den motorischen Antrieb 18 erfolgen. Ebenso kann der motorische Antrieb 18 die Feder 20 in mehreren definierten diskreten Messschritten komprimieren. Schließlich kann die Feder 20 auch kontinuierlich über ihren Hubweg zusammengedrückt werden. Die software-basierte Steuerung und Auswertung korreliert die gemessenen Hüllkreisdurchmesser mit dem jeweiligen axialen Kompressionshub der Feder 20 durch den Antrieb 18.
Anstelle des im Ausführungsbeispiel gezeigten optischen Systems mit einer Beleuchtung 22, einem Lichtstrahl 24 und einer Kamera 26 kann das optische System auch zwei oder mehr Beleuchtungen 22, Lichtstrahlen 24 und Kameras 26 aufweisen, wobei deren Lichtstrahlen 24 jeweils in der zur Achse der Feder 20 senkrechten Ebene im Azimut gegeneinander versetzt die Achse der Feder 20 schneiden. Bei zwei Lichtstrahlen 24 schneiden sich deren optische Achsen vorzugsweise unter einem Azimutwinkel von 90°.
Weist das optische System zwei oder mehr Abbildungslichtstrahle auf, die im Winkel gegeneinander versetzt sind, so kann durch diese verschiedenen Abbildungen auch eine unrunde Verformung der Feder 20 festgestellt werden, ohne das das Stativ 12 und damit die Feder 20 um die vertikale Achse gedreht wer den müssen.

10: Bett
12: Stativ
14: obere Platte
16: untere Platte
18: motorischer Antrieb
20: Feder
22: Beleuchtung
24: Lichtstrahl
26: Kamera

Claims

Verfahren zum Messen des Verformungsverhaltens einer als Druckfeder ausgebildeten Feder, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder durch eine Kraft axial zusammengedrückt wird, dass mittels eines optischen Systems mit senkrecht zur Achse der Feder verlaufender optischer Achse die äußere Hüllkontur der Feder auf einer Empfängerfläche abgebildet wird und dass der Hüllkreisdurchmesser mittels der Abbildung der Hüllkontur auf der Empfängerfläche in Abhängigkeit von der auf die Feder ausgeübten axialen Kraft ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System die Hüllkontur telezentrisch auf der Empfängerfläche abbildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hüllkreisdurchmesser bei einem oder mehreren definierten diskreten Werten der axialen Kraft ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hüllkreisdurchmesser bei sich kontinuierlich ändernder axialer Kraft ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder während der Messung um ihre Achse gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System wenigstens eine weitere Abbildung der Hüllkontur mit im Azimut winkelversetzt zur ersten optischen Achse erzeugt.
Vorrichtung zum Messen des Verformungsverhaltens einer als Druckfeder ausgebildeten Feder, gekennzeichnet durch eine Aufnahme (14, 16), in welche die Feder (20) einsetzbar ist, durch eine Druckeinrichtung (18), welche auf die in der Aufnahme (14, 16) eingesetzte Feder (20) eine diese zusammendrückende, einstellbare axiale Kraft ausübt, durch ein optisches System (22, 24, 26), dessen optische Achse die Achse der Feder (20) senkrecht schneidet, durch eine Empfangsfläche (26), auf welche das optische System die Hüllkontur der Feder (20) abbildet und durch eine Auswertung, die den Hüllkreisdurchmesser mittels der auf der Empfangsfläche (26) abgebildeten Hüllkontur der Feder (20) in Abhängigkeit von der ausgeübten Kraft ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System ein telezentrisches System ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System eine telezentrische Beleuchtung (22) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System eine digitale Kamera (26) als Empfängerfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (26) einen CCD-Sensor aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (14, 16) mit der Feder (20) um die Achse der Feder (20), drehbar ist und das optische System eine optische Achse mit Beleuchtung (22) und Empfängerfläche (26) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System wenigstens eine weitere optische Achse mit Beleuchtung (22) und Empfängerfläche (26) aufweist, wobei die weitere optische Achse im Azimut winkelversetzt zur ersten die Achse der Feder (20) schneidet.