DE2814988B2 - Vorrichtung zur Erfassung eines zwischen zwei Gegenstandes gewegbaren Maschinenteilen auftretenden, im wesentlichen axialen Kraft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer zwischen zwei gegeneinander bewegbaren Maschinenteilen auftretenden, im wesentlichen axialen Kraft, bei der eines dieser Maschinenteile über ein formschlüssig mit ihm verbundenes Zwischenteil formschlüssig an einem weiteren Maschinenteil befestigt ist, bei der das Zwischenteil zur Erfassung der Kraft ausgebildet ist und in einer Ausnehmung eines Maschinenteils angeordnet ist, insbesondere für die Verwendung im Rahmen der Überwachung von im wesentlichen umformenden und/oder zerspanenden, zyklisch wiederkehrenden Produktionsprozessen.

Durch die DE-AS 21 41 382 wurde eine Tablettenpresse mit einer Preßkraftüberwachungseinrichtung bekannt. Bei dieser Presse wird die gesamte Verformungskraft bis zur Erreichung des erforderlichen Enddruckes in jedem Fall über das Meßelement geleitet. Der Vorschlag nach der Druckschrift ist in der •3 gesamten Kraftmeßtechnik in allen Versuchsanordnungen üblich. Eine Übertragbarkeit auf Produktionsmaschinen ist jedoch für die Erfassung der im wesentlichen axialen Kraft bei zyklisch wiederkehrenden Produktionsprozessen, wie sie insbesondere auch bei umformenden und zerspanenden Maßnahmen in Maschinen entstehen, schon im Hinblick auf die Größe der auftretenden Kräfte, nicht geeignet.

Darüber hinaus beinhaltet diese Konzeption ein sich lang erstreckendes Meßelement und beansprucht dadurch eine erhebliche Bauhöhe.

Desweiteren wird auf eine, den Gegenstand der Erfindung nicht direkt betreffende Druckschrift, d. h. auf die IBM Techn. Discl, 17 (1975) 8, S. 2245, Stellung genommen. Sie behandelt eine Einstellhilfe für das Anziehen von Schrauben. Die Einstellhilfe wird praktisch als Unterlegscheibe zu einer Schraube benutzt und zeigt an, ob die Schraube angezogen ist oder nicht, also nur zwei Zustände.

Die Einstellhilfe beinhaltet eine Sicherung gegen

Überlastung des Gummis und zwar dadurch, daß der Verformungsweg des Gummis begrenzt wird. Jenseits des vorgegebenen maximalen Verformungsweges kann keine Anzeige mehr stattfinden und wird auch nicht gewünscht.

Das Hilfsmittel ist im wesentlichen für eine einmalige Benutzung vorgesehen, und eignet sich nicht für die Erfassung der Kraft bei einem zyklisch sich wiederholenden Vorgang.
Durch die einschlägige Literatur, beispielsweise LUEGER (Lexikon der Technik, rororo-Ausgabe, Rowohlt 1971) Band 5, Seite 305, werden mehrere Kraftmeßsysteme ausgewiesen, und unter anderem piezoelektrische Meßverfahren, bei denen die bei Druckbelastung von Quarzscheiben entstehenden Ladüngen auf der Quarzoberfläche direkt proportional dem Druckverlauf sind, und die Umwandlung der Kraft in Längen- oder Winkeländerungen über ein elastisches Zwischenglied durch Hilfe von Dehnungsmeßstreifen erfolgt, gennant.

Die bei Dehnungsmeßstreifen auftretende Längung oder Verkürzung der Drahtschleifen ergibt eine Widerstandsänderung, die ebenfalls proportional der Dehnung des Versuchsstückes ist, und die über einen Verstärker gemessen wird.

Die durch diese Meßverfahren darstellbaren Ergebnisse lassen sich in vielen Fällen, auf Grund der meist nur geringfügigen Änderungen und die damit verbundenen schwachen Signalgaben, nicht ohne weiteres für die Überwachung und Steuerung zyklisch wiederkehrenden Produktionsprozesse einsetzen. Die Verwendung der üblichen Verstärkungs- und Übersetzungsglieder ist meist mit erheblichen Risiken verbunden, da nicht nur mit schaltungs- und steuerungsbedingten Verzerrungen des Meßergebnisses, sondern darüber hinaus mit Störungen dieser Einrichtungen durch die durch den Produktionsablauf gegebenen Beanspruchungen, wie Stoßlastenschwingungen usw., zu rechnen ist.

Eine weitere Schwierigkeit ist in der Tatsache zu sehen, daß zumindest unmittelbare Einrichtungen zum Abgriff der Kraftänderungen in vielen Fällen erst nachträglich in vorhandene Maschinenteile eingebaut werden müssen, so daß oft wesentliche Beschränkungen bei deren Auswahl gegeben sind.

Solche Dehnungsmeßstreifen werden beispielsweise im Rahmen der Ausbildung eines durch die DE-OS 17 73 870 beschriebenen lastempfindlichen Meßwertumwandlers zur Verwendung vorgeschlagen..

Diese Meßwertumwandler werden zum Beispiel in Versuchsanwendungen eingesetzt.

Hierbei ist es notwendig, daß sie zusätzlich in den Kraftfluß eingebracht werden, wobei diese Notwendigkeit beinhaltet, daß in der Meßanordnung in Krafterstreckungsrichtung zusätzlicher Platz für die räumliche Unterbringung des Meßwertgebers vorhanden ist

Die vorgesehene Einleitung der Last über ein elastisches Element — das nach den Ausführungen dieser Schrift in aller Regel Gummi ist — in dem mit Dehnungsmeßstreifen ausgerüsteten Körper genügt nicht den Präzisionsansprüchen zur Erfassung einer im wesentlichen axialen Kraft, wie sie in zyklischer Wiederholung bei den eingangs genannten Anwendungsfällen auftreten.

Des weiteren wird durch die DE-OS 26 34 385 ein System zur Überwachung von Belastungszuständen bei einer Presse oder Stanze beschrieben.

Gemäß den Ausführungen dieser Schrift ist es vorgesehen, daß das Meßelement am Pressengestell im Wirkungsbereich der Umformung an der Presse in Kraftwirkungsrichtung angebracht ist. Das Pressengestell erfährt aber unter der Kraftwirkung an den verschiedensten Stellen Dehnung, wobei die Dehnungsverteilung meist unbekannt ist. Das Meßelement soll zwar an einer Stelle angebracht werden, wo die Dehnungen vermutet werden, hierbei kann aber nur ein Teil dieser Dehnungen sich auf das Meßelement auswirken und zur Anzeige gebracht werden.

Als Meßfehler können hierbei auftreten, daß, je nach Belastungszustand der Presse, an der Meßstelle völlig unterschiedliche Dehnungen auftreten und unlineare Kennlinien und sogar Inversionen möglich sind. Damit kann das Kraftsignal bei steigender Pressenlast sogar seine Vorzeichen wechseln, da hierbei, je nach Belastungszustand, einmal Druck und einmal Zug vorliegen können.

Eine echte Erfassung der axialen Kraft zwischen zwei gegeneinander bewegbaren Maschinenteilen, ist mit außerhalb des Kraftflusses liegenden Meßelementen nicht möglich.

Unabhängig von der durch den Stand der Technik ausgewiesenen Situation, muß auch darauf verwiesen werden, daß das Problem der Überlastsicherung für die vorgesehenen Anwendungsbereiche der Vorrichtung, als nicht konsenuent gelöst bezeichnet werden muß.

Überlastsicherungen auf Basis komplizierter Steuerungen sind, sofern sie die Abdeckung von Sicherheitsrisiken beinhalten sollen, so zurückhaltend als möglich vorzuschlagen, während »Sollbruchlösungen« im Rahmen zyklisch wiederkehrender Produktionsprozesse absolut störend sind.

Der Ersatz solcher Sollbruchkörper bedingt meist einen erheblichen Zeitaufwand, der zusätzlich zur Beseitigung der eigentlichen Ursache entsteht.

Ausgehend von einer solchen Sachlage stellt sich als Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung nach der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der die gegen eine Teilekombination gerichtete Kraft so transformiert wird, daß die belastungsabhängige Änderung im Zwischenteil die Darstellung einer unmittelbaren Vervielfachung des Abgriffswertes innerhalb eines vorgesehenen Meßbereiches zuläßt, wobei bei Erreichen einer vorbestimmten Kraft im Zwischenteil diese durch Auslösung eines Überlastschutzes begrenzt wird; dabei sind die Abmessungen der Teilekombination so zu konzipieren, daß sie ohne wesentliche Umbauarbeiten in die Mehrzahl der vorhandenen Maschinen eingebracht werden kann.

Dh erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß die beiden durch das Zwischenteil verbundenen Maschinenteile aus einem der zwei gegeneinander bewegbaren Maschinenteile durch Teilung desselben

ίο senkrecht zur Hauptkraftrichtung und durch eventuelle Bildung einer Ausnehmung für das Zwischenteil gebildet sind, daß beide Teile in unbelastetem Zustand unter Bildung eines Spalts mit vorbestimmter Größe über das Zwischenteil verbunden sind, daß der Querschnitt des Zwischenteils geringer ist als der der beiden Teile und daß der Spalt so gestaltet ist, daß er bei Erreichen einer bestimmten Kraft geschlossen wird, so daß er als Überlastschutz dienen kann und eine noch größere Kraft durch den zusätzlichen Querschnitt des geteilten Maschinenteils plus dem Querschnitt des Zwischenteils aufgenommen wird.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die gesamte Verformungskraft über zumindest ein ein definiertes Verhalten aufweisendes Meßelement mit gegenüber dem geteilten Maschinenteil wesentlich verkleinertem Querschnitt geleitet und der Abgriffswert entsprechend vergrößert wird, so daß über diesen Bereich sichere Meßwerte und/oder Signale erfaßbar sind.

Beim Umbau des zum Meßgeber bestimmten Maschinenteils bleibt dessen äußere Gestalt sowie dessen Funktion voll erhalten. Dieser Umbau erfordert nur einen begrenzten Eingriff in die vorhandene Maschine, so daß der Aufwand für die Erzeugung von Meßsignalen niedrig gehalten werden kann. Die Schaltung der zum Kraftabgriff erforderlichen, üblicherweise verwendeten elektrischen Geberelemente erfolgt nach bekannter Technologie.
Der zwischen den beiden Teilen des geteilten Maschinenelementes bestehende Spalt ist im Hinblick auf einen Überlastschutz so dimensioniert, daß bei Überbeanspruchung die Meßelemente gerade um ein Maß zusammengedrückt werden, das dem Spaltmaß entspricht.

In dieser Situation kommen die beiden getrennten Maschinenteile wieder voll zur Anlage, so daß die wirkenden Kräfte nicht mehr allein von den Meßelementcn aufgenommen werden müssen, sondern nunmehr vom gesamten Querschnitt übertragen werden.

Durch diese Anordnung wird nicht nur ein sicherer Grenzwert für die Einsteilung einer Überlastsicherung erreicht, sondern darüber hinaus ein Schutz für das Meßelement gegen Zerstörung bei gegebener Überbeanspruchung.

Ein weiterer vorteilhafter Aspekt dieses Verfahrens liegt darin, daß kein unmittelbarer Kontakt zwischen Meßelement und Maschinengestell sein muß, da das in zwei Teile getrennte, das Meßelement aufnehmende Maschinenteil als eine Montageeinheit ausbildbar ist, die bei Verschleiß der Auflageflächen für das Element separat auswechselbar ist

Für den Fall, daß das Zentrum der Kraftwirkungsrichtung zur Aufnahme von Werkzeugen oder dgl. frei gehalten werden muß, ist vorgesehen, daß um das Zentrum des geteilten Maschinenteils mehrere als Meßelemente ausgebildete Zwischenteile ringförmig und abstandsgleich zueinander angeordnet sind.
Die Änderung der Kraft wird in aller Regel dadurch

erfaßt, daß am Zwischenteil Dehnungsmeßstreifen zur Erfassung seiner Verformung angebracht sind.

Desweiteren ist vorgesehen, daß die Temperaturabhängigkeit des Meßergebnisses durch eine geeignete Schaltung der Dehnungsmeßstreifen kompensiert ist.

F.benso kann vorgesehen werden, daß die Änderung der mechanischen Spannung um das Zwischenteil durch piezoelektrische Meßgeber erfaßt wird.

Die Vorrichtung kann sowohl zur Überwachung und/oder Steuerung von umformenden Maschinen als auch zur Überwachung und/oder Steuerung von verspanenden Maschinen verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in Anwendung zur Überwachung und/oder Steuerung einer verformenden Maschine — es handelt sich um eine Schraubenpresse — durch schematische Darstellung beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Schraubenpresse mit einem Werkzeugschlitten als druckerzeugendes Element, einer Amboßplatte als feststehendes Element, die Anordnung der Werkzeuge und die Lage des Werkstückes;

F i g. 2 einen Schnitt durch eine senkrecht zur Kraftrichtung geteilte, durch ein Zwischenteil formschlüssig miteinander verbundene Amboßplatte, deren Unterseite mit dem Gestell der Presse verbunden ist.

Die Schraubenpresse besteht aus dem Maschinengestell 1, dem Pressenantrieb 2, dem Werkzeugschlitten 3 mit Werkzeug 4, dem das durch die Amboßplatte 7 getragene Werkzeug 5 entgegengerichtet ist.
Das Werkstück 6 wird zwischen die Werkzeuge 4 und 5 eingebracht.

Die Amboßplatte 7 ist mit ihrem Unterteil fest mit dem Maschinengestell 1 verbunden und Träger des als Meßelement wirksamen Zwischenteils 9, dem das

ίο Oberteil 10 abstandsbildend und zu dem Unterteil 8 in Druckrichtung, d.h. in Kraftwirkungsrichtung 13, formschlüssig zugeordnet ist, wobei das Zwischenteil 9 mit temperaturkompensierenden Dehnungsmeßstreifen 12 ausgerüstet ist.

!5 Die für die Fertigungsüberwachung und/oder Steuerung zu erwartenden Signalgaben erfolgen innerhalb des durch die Spaltbreite definierten Bereiches entsprechend den Voreinstellungen.

Der durch den Aufbau der Amboßplatte 7 entstehende Spalt 11 ist dabei so dimensioniert, daß sich dieser bei Erreichung eines noch maximal zulässigen Druckes schließt und damit den Kraftfluß über den gesamten Querschnitt der Amboßplatte in das sie tragende Maschinengestell 1 eingeleitet wird.

Die Erreichung dieses Zustandes ist üblicherweise mit einer Endsignalgabe zur Überlastsicherung verbunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erfassung einer zwischen zwei gegeneinander bewegbaren Maschinenteilen auftretenden, im wesentlichen axialen Kraft, bei der eines dieser Maschinenteile über ein formschlüssig mit ihm verbundenes Zwischenteil formschlüssig an einem weiteren Maschinenteil befestigt ist, bei der das Zwischenteil zur Erfassung der Kraft ausgebildet ist und in einer Ausnehmung eines Maschinenteils angeordnet ist, insbesondere für die Verwendung im Rahmen der Überwachung von im wesentlichen umformenden und/oder zerspanenden, zyklisch wiederkehrenden Produktionsprozessen, d a durch gekennzeichnet,

daß die beiden durch das Zwischenteil (9) verbundenen Maschinenteile (8, 10) aus einem der zwei gegeneinander bewegbaren Marchinenteile (3, 7) durch Teilung desselben senkrecht zur Hauptkraftrichtung (13) und durch eventuelle Bildung einer Ausnehmung für das Zwischenteil (9) gebildet sind,
daß beide Teile (8,10) in unbelastetem Zustand unter Bildung eines Spalts mit vorbestimmter Größe über das Zwischenteil (9) verbunden sind,
daß der Querschnitt des Zwischenteils (9) geringer ist als der der beiden Teile (8,10) und
daß der Spalt (U) so gestaltet ist, daß er bei Erreichen einer bestimmten Kraft geschlossen wird, so daß er als Überlastschutz dienen kann und eine noch größere Kraft durch den zusätzlichen Querschnitt des geteilten Maschinenteils (8,10) plus dem Querschnitt des Zwischenteils (9) aufgenommen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um das Zentrum des geteilten Maschinenteils (8, 10) mehrere als Meßelemente ausgebildete Zwischenteile (9) ringförmig und abstandsgleich zueinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Zwischenteil (9) Dehnungsmeßstreifen (12) zur Erfassung seiner Verformung angebracht sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabhängigkeit des Meßergebnisses durch eine geeignete Schaltung der Dehnungsmeßstreifen (12) kompensiert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der mechanischen Spannung im Zwischenteil (9) durch piezoelektrische Meßgeber erfaßt wird.