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Dokumentenidentifikation DE10104659C2 19.12.2002
Titel Mess-Vorrichtung für Werkzeugmaschinen
Anmelder Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, 80997 München, DE;
Siemens AG, 91052 Erlangen, DE
Erfinder Beer, Michael, 81375 München, DE;
Rausch, Wolfgang, 85221 Dachau, DE;
Decker, Robert, 81247 München, DE;
Maier, Reinhard, 91074 Herzogenaurach, DE;
Manzl, Bernhard, 86316 Friedberg, DE
Vertreter Rucker, B., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 80997 München
DE-Anmeldedatum 02.02.2001
DE-Aktenzeichen 10104659
Offenlegungstag 22.08.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.12.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.12.2002
IPC-Hauptklasse B23Q 17/24
IPC-Nebenklasse B29C 45/76   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen von Druck oder Drehmoment in einer Werkzeugmaschine.

Bei Werkzeugmaschinen ist es häufig erforderlich, Druck, Kräfte oder Drehmomente zu messen, und es werden vielfältige Meßsysteme angeboten, beispielsweise Dehnungsmessstreifen, Druckmessdosen, Drehmomentmesswellen und dergleichen. Ein Problem tritt dabei auf, wenn der eigentliche Messort wegen der Umgebungsbedingungen nicht zugänglich ist oder Messgeräte nicht am Messort angebracht werden können, beispielsweise wegen zu hoher Temperaturen.

Dies gilt beispielsweise auch für Kunststoffspritzgießmaschinen für den Einspritzdruckpunkt. Bei derartigen Maschinen wird die einzuspritzende Kunststoffmasse plastifiziert und in einem Einspritzraum gesammelt. Da der Einspritzraum normalerweise abgeschlossen ist, kann der Druck der Einspritzmasse nicht direkt gemessen werden. Bei konventionellen Spritzgießmaschinen erfolgte deshalb ein Rückschluss auf den Einspritzdruck aus der Messung von Antriebsparametern des den Einspritzkolben oder eine als Einspritzkolben wirkende Schnecke. Dies ist beispielsweise bei Hydraulikantrieben der Druck des Hydraulikmittels oder der Speisestrom eines Elektromotors. Zwar lassen sich bei hydraulikbetriebenen Maschinen damit brauchbare Resultate erreichen, bei elektrisch betriebenen Maschinen besteht jedoch ein relativ großer Unsicherheitsfaktor von ±10%.

Die Offenlegungsschrift DE 195 23 756 A1 beschreibt unter anderem eine Vorrichtung zur Messung von Drehmomenten an umlaufenden Wellen mittels Hohlspiegeln, wobei nur ein Signal pro Umlauf erzeugt wird, da diskrete Reflexionsflächen vorgesehen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen von Druck, Kräften oder Drehmoment in einer Werkzeugmaschine anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst; die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass in einer Werkzeugmaschine wie einer Spritzgießmaschine, in der Druck oder Drehmoment erzeugt wird, zumindest ein durch den Druck oder das Drehmoment belastetes Element vorliegt. Durch Ermitteln der von Druck verursachten Stauchung des belasteten Elementes bzw. der vom Drehmoment verursachten Verdrehung des belasteten Elementes ist es möglich, auf den Wert des Druckes bzw. des Drehmomentes zurückzuschließen. Die Verstauchung bzw. Verdrehung des belasteten Elementes wird in an sich bekannter Weise über eine Reflexionsfläche am belasteten Element und einen optischen Sensor, der reflektierte Strahlung auswertet, festgestellt.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag muss lediglich die Reflexionsfläche an dem belasteten, drehbar gelagerten Element angebracht werden, wobei die eigentliche Messung berührungslos erfolgt und die Reflexionsfläche als Rille mit gekrümmtem Querschnitt in oder auf dem Element ausgebildet ist.

Für das Verständnis der Erfindung nützliche Beispiele und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Prinzipaufbau des erfindungsgemäß verwendeten optischen Systems,

Fig. 2 den Einsatz des Systems an einen Stempel einer Werkzeugmaschine in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 3 den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Spritzgießmaschine mit zwei erfindungsgemäßen Systemen und

Fig. 5 eine Detaildarstellung der Fig. 4.

Das in Fig. 1 dargestellte optische System umfasst in einem Gehäuse 1 eine Lichtquelle 3, eine Blende 5, einen halbdurchlässigen Spiegel 7 und einen Sensor 9.

Außerhalb des Gehäuses 1 ist ein Hohlspiegel 11 angeordnet, der an einem belasteten Element (nicht dargestellt) befestigt ist. In Betrieb sendet die Lichtquelle 3 einen Lichtstrahl S1 über die Blende 5, die die Ausdehnung des Lichtstrahls begrenzt, und den teildurchlässigen Spiegel 7 zum Hohlspiegel 11 aus. Das Licht wird dort als Lichtstrahl S2 reflektiert und gelangt über den teildurchlässigen Spiegel 7 auf die Oberfläche des Sensors 9. Der Sensor, der vorzugsweise als Fotodiode ausgebildet ist, erfasst den Lichtstrahl S2 und liefert ein entsprechendes Signal an eine Auswerteeinheit (nicht dargestellt).

Vorzugsweise ist der Sensor aus mehreren Sensorelementen 91, 92 aufgebaut.

Verschiebt sich der Hohlspiegel 11 in der Figur in horizontaler Richtung, so wandert der auf den Sensor 9 reflektierte Lichtfleck über die Sensorelemente 91, 92, und aus der Position des Lichtflecks auf der Oberfläche des Sensors 9 können Rückschlüsse auf die Positionsverschiebung des Hohlspiegels gemacht werden. Zwar sind in der Fig. 1 nur zwei Sensorelemente 91, 92 dargestellt, um eine bessere räumliche Auflösung und Messgenauigkeit etc. zu erhalten, können auch drei oder vier oder mehr Sensorelemente vorgesehen sein. Die einzelnen Sensorelemente sind dabei nur durch einen möglichst schmalen Steg im Mikrometerbereich getrennt. Besonders vorteilhaft kann das Sensorsignal ausgewertet werden, wenn die Differenzen der beiden Sensorelemente 91, 92 gewichtet und bezogen auf die gesamte Intensität ausgewertet werden. Damit wird eine Änderung der Gesamtintensität z. B. durch Verschmutzung oder Alterung des Sensors unwirksam.

Gleichzeitig wird dadurch das Signal der Sensorelemente gemäß ihrer Intensität so gewichtet, dass z. B. unbelichtete Sensorflächen nicht ausgewertet werden. Die weitere Auswertung kann analog in einfacher Weise durch Inverter und Addierer bzw. Addierer und Subtrahierer erfolgen. Daneben kann die Signalverarbeitung auch digital durchgeführt werden.

Durch die Wahl des Krümmungsradius des Hohlspiegels und damit auch des Abbildungsmaßstabes kann die Empfindlichkeit in weiten Bereichen eingestellt werden. Insbesondere können auch kleine Positionsänderungen durch einen Hohlspiegel mit kleinem Krümmungsradius detektiert werden, da sich dadurch eine erhebliche geometrische Verstärkung der Ablenkung des reflektierten Strahls ergibt.

Besonders vorteilhaft ist, dass ausschließlich der Hohlspiegel für eine hohe Temperatur ausgelegt sein muss, das restliche System aber kalt bleibt und dass die Messeinrichtung beliebig überlastfest ist.

Als Lichtquelle 3 wird vorzugsweise ein Dauerstrichlaser, z. B. ein Diodenlaser, verwendet.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Werkzeugmaschine, wobei ein druckbelastetes Element 30 in einem Rahmen 20 der Maschine gelagert ist. Das druckbelastete Element kann beispielsweise die Spindel einer Spritzgießmaschine, eine Kolbenstange oder dergleichen sein. Für die folgende Beschreibung sei angenommen, dass das druckbelastete Element axial nicht verschieblich ist und auch keine Drehbewegung ausführt.

In der schematischen Darstellung der Fig. 2 sind zwei der mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Messeinheiten vorgesehen, die identisch aufgebaut sind.

Hohlspiegel 11, 11' sind direkt mit dem druckbelasteten Element 30 verbunden und wirken zusammen mit den Sende/Empfängereinheiten, die in den Gehäusen 1, 1' untergebracht sind. Die Gehäuse sind am Rahmen 20 der Werkzeugmaschine montiert.

Wenn während des Betriebs der Maschine eine Kraft F auf das Element 30 ausgeübt wird, erfährt das Element 30 eine Stauchung, bei der der Hohlspiegel 11 in Axialrichtung des Elementes 30 verschoben wird. Diese Verschiebung wird durch die Messeinrichtung registriert, und über eine Kalibrierung, bei der die Verschiebungswerte abhängig von der Belastung des Elementes 30 aufgenommen werden, kann auf die Größe der Kraft F zurückgerechnet werden bzw. kann ein mit dieser Kraft erzeugter Druck ermittelt werden.

Grundsätzlich genügt es, lediglich eine Messvorrichtung vorzusehen. Der dargestellte Aufbau mit zwei Messvorrichtung hat jedoch den Vorteil, dass Differenzmessungen möglich sind. Dadurch können insbesondere alle Einflüsse des Rahmens und insbesondere eine Relativbewegung des Elementes 30 zum Rahmen ausgeschaltet werden.

Für den Fall, dass das belastete Element während des Betriebs axial verschieblich ist, beispielsweise bei der Stange eines Einspritzkolbens, werden die Messeinrichtungen nicht am feststehenden Rahmen 20 der Maschine gelagert, sondern derartig, dass die Messeinrichtungen über den Verschiebeweg mitverschoben werden und lediglich eine Stauchung des Elementes 30 aufnehmen.

Grundsätzlich können mit der dargestellten Anordnung auch Drehmomente ermittelt werden. Falls das Element 30 einseitig drehfest gelagert ist und als Abstützung zum Übertragen von Drehmomenten dient, erfährt das Element 30 bei Abstützung des Drehmoments eine Torsion, so dass der Hohlspiegel 11 in Umfangsrichtung des Elementes 30 verlagert wird. Um diese Verlagerung zu ermitteln, erstreckt sich die Krümmung des Hohlspiegels 11, anders als in der Figur dargestellt, ebenfalls in Umfangsrichtung des Elementes 30. Aus der Verlagerung des Hohlspiegels 11, ggf. im Vergleich mit der Verlagerung des Hohlspiegels 11', kann auf das Drehmoment M, gegen das sich das Element 30 abstützt, geschlossen werden.

Wieder bezugnehmend auf den in Fig. 2 dargestellten Aufbau, sei angenommen, dass das Element 30 axial feststehend ist, aber drehend gelagert ist.

Auch in diesem Fall ist der Aufbau gemäß Fig. 2 grundsätzlich zur Erfassung der Stauchung des Elementes 30 geeignet. In diesem Fall erfolgt die Signalauswertung pulsierend, da nur dann, wenn der Hohlspiegel 11 zur Sende/Empfängereinheit gerichtet ist, ein Signal auftritt. Dies ist für hohe Drehfrequenzen des Elementes 30 akzeptabel, bei niedrigen Frequenzen können jedoch die Messabstände zeitlich zu weit auseinanderliegen, so dass sich Probleme mit der Messwertauswertung ergeben.

Diesem Problem wird mit dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung begegnet. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 unterscheidet sich von dem für das Verständnis der Erfindung nützlichen Prinzip der Fig. 1 dadurch, dass nicht ein einzelner Hohlspiegel 11 vorgesehen ist, sondern dass der Hohlspiegel als um das Element 30 in Umfangsrichtung umlaufendendes ringförmiges Element ausgebildet ist. Dieses ringförmige Element 13 ist kontinuierlich ausgebildet und erlaubt dementsprechend eine kontinuierliche Messung auch während des Umlaufens des Elementes 30. Das ringförmige Hohlspiegelelement 13, 13' kann als zusätzliches Bauteil auf das Element 30 aufgebracht sein oder in Form einer Rille aus dem Element 30 herausgearbeitet sein, beispielsweise durch Fräsen/Drehen oder durch Drücken/Rollen mit einer Nachbearbeitung, z. B. durch Polieren. Auch ist es möglich, den ringförmigen Hohlspiegel aus optischem Material zu fertigen, oder auch aus reflektierendem Blech.

Der übrige Aufbau entspricht im wesentlichen dem Aufbau der Fig. 2 und wird deshalb hier nicht weitergehend erläutert.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Spritzgießmaschine, bei der zwei erfindungsgemäße Systeme eingesetzt werden. In an sich bekannter Weise zeigt die Fig. 4 eine Spritzgießmaschine, die auf einem Maschinenbett 70 eine feststehende Formaufspannplatte 40 trägt. Die feststehende Formaufspannplatte 40 ist mit einer beweglichen Formaufspannplatte 42, die über ein Lager 50 am Maschinenbett 70 gelagert ist, über Holme 44, 46 verbunden. Beide Formaufspannplatten 40, 42 tragen je eine Formhälfte (nicht dargestellt). Die durch die Formhälften gebildete Form wird durch Verfahren der beweglichen Formaufspannplatte 42 in Richtung auf die feststehende Formaufspannplatte 40 geschlossen, wobei bei geschlossener Form auf die bewegliche Formaufspannplatte 42 eine zusätzliche Schließkraft ausgeübt wird. Hierbei dienen die Holme 44, 46 beispielsweise als Widerlager zum Aufbringen der Zugkraft und stehen deshalb bei geschlossener Form unter Zugbeanspruchung.

Um diese Zugbeanspruchung - und damit die Schließkraft - zu ermitteln, ist erfindungsgemäß an mindestens einem Holm 44 ein Bügel 15 angebracht, der ein Sender/Empfängergehäuse 1 trägt. Das Gehäuse 1 liegt einer Reflexionsrille 13 gegenüber und dient so der Ermittlung einer Stauchung oder Dehnung des Holms 44.

Des weiteren ist in Fig. 4 eine Spritzeinheit 60 vorgesehen, die u. a. einen Schneckenzylinder 68, eine Schnecke 62, einen Granulat-Trichter 66, eine Schneckenstempel 64 und einen Antrieb 65 aufweist. Die Einspritzeinheit 60 ist über Lager 72 bewegbar am Maschinenbett 70 gelagert.

Während eines Plastifiziervorganges wird die Schnecke 62 über den Antrieb 65 in Drehung versetzt, das über den Zufuhrtrichter 66 zugeführte Granulat wird plastifiziert und sammelt sich als plastifizierte Masse vor der Spitze der Schnecke 26 im Schneckenzylinder 68. Gleichzeitig wird die Schnecke im Schneckenzylinder zurückbewegt (nach rechts in Fig. 4). Zum Einspritzen des plastifizierten Materials wird die Schneckeneinheit 60 auf die feststehende Formaufspannplatte 40 so verfahren, dass eine Öffnung des Einspritzzylinders 68 mit einer entsprechenden Öffnung in der festen Formaufspannplatte 40 in Verbindung kommt. Anschließend wird die Schnecke 62 in den Einspritzzylinder 68 hineinbewegt (nach links in Fig. 4) und spritzt dadurch das plastifizierte Material in die Form.

Sowohl während des Plastifiziervorgangs als auch während des Einspritzvorganges steht der Schneckenstempel 64 unter Druckbelastung. Zur Ermittlung dieser Druckbelastung - und damit des Plastifizier- bzw. Einspritzdruckes - ist am Schneckenstempel 64 an einem Bügel 15 ein Sender/Empfänger-Gehäuse 1 angebracht. Des weiteren ist der Schneckenstempel 64 mit einer Reflexionsfläche versehen, die dem Sender/Empfänger-Gehäuse 1 gegenüberliegt. Da der Schneckenstempel ein sich drehendes Element ist, ist die Reflexionsfläche als umlaufende Reflexionsrille ausgebildet.

Fig. 5 zeigt ein Detail der Fig. 4. Der Bügel 15 ist am Schneckenstempel 64 befestigt und trägt an seinem Ende einen Sender 3 und einen Empfänger 9. In dem Schneckenstempel 64 ist die Reflexionsrille 13 angebracht. Durch eine auf dem Schneckenstempel 64 ausgeübte Kraft F wird der Schneckenstempel 64 gestaucht. Dabei wird eine Messstrecke X0, die einerseits durch den Fußpunkt des Bügels 15 am Schneckenstempel und andererseits durch den Mittelpunkt der Reflexionsrille 13 auf dem Schneckenstempel 64 definiert ist um einen Betrag Δx verkürzt (gestrichelte Darstellung). Die Strahlung, die vom Sender 3 auf die Reflexionsfläche 13 gerichtet wird, wird somit von der Reflexionsfläche 13 in einem veränderten Winkel reflektiert, und diese Änderung wird durch den Detektor 9 erfasst. Durch eine geeignete Umrechnung, Kalibrierung oder durch Versuchsläufe kann dann aus dem Sensorsignal die jeweilige Verkürzung Δx bzw. der entsprechende Einspritzdruck etc. ermittelt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Messen eines Drucks, eines Drehmoments oder einer Kraft in einer Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine ein durch Druck, Kraft oder Drehmoment belastetes Element (30) aufweist, mit mindestens einer Reflexionsfläche (11) an dem belasteten Element (30), einer Strahlungsquelle (3), die optische Strahlung zur Reflexionsfläche (11) sendet, mindestens einem Sensor (9), der von der Reflexionsfläche (11) reflektierte Strahlung empfängt und die Einfallsposition ermittelt, sowie von einer Auswerteeinheit, die die ermittelte Einfallsposition mit Referenzwerten vergleicht, wobei das druckbelastete Element drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsfläche (11) eine um das druckbelastete Element umlaufende Rille (13) oder ein umlaufender, ringförmiger Spiegel mit gekrümmtem Querschnitt ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei räumlich voneinander in Längsrichtung des druckbelasteten Elements beabstandete Reflexionsflächen vorgesehen sind.
  3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine eine Kunststoffspritzgießmaschine ist und dass das belastete Element eine Spindel oder eine Kolbenstange ist, wobei die Auswerteeinheit den Einspritzdruck ermittelt.






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