HOENICKA, Reinhold (Birka Strasse 21, Ortenburg, 94496, DE)
PFAFFINGER, Christian (St. Florian-Strasse 21, Ruhstorf a. d. Rott, 94099, DE)
HOFER, Johann (Göbertsham 14, Ortenburg, 94496, DE)
MEDNIKOV, Felix (Sattlerberg 7, Ortenburg, 94496, DE)
HOENICKA, Reinhold (Birka Strasse 21, Ortenburg, 94496, DE)
PFAFFINGER, Christian (St. Florian-Strasse 21, Ruhstorf a. d. Rott, 94099, DE)
HOFER, Johann (Göbertsham 14, Ortenburg, 94496, DE)
| A n s p r ü c h e 1. Vorrichtung zum Erfassen der Position und/oder Bewegung und/oder der Dicke eines dünnen Körpers (1) aus ferromagnetischem Material, insbesondere einer Platine während des Tiefziehens von Blech, wobei der dünne Körper (1 ) zumindest teilweise in einem zwischen zwei Körpern (2, 3) gebildeten Spalt (4) angeordnet ist und in Längsrichtung des Spaltes (4) bewegbar ist, wobei mindestens einer der beiden Körper (2, 3) ferromagnetische Eigenschaften aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass einem der beiden Körper (2, 3) ein Magnet (8, 20) zugeordnet ist, der in dem dem dünnen Körper (1 ) zugewandten Randbereich des Körpers (2, 3) ein Magnetfeld erzeugt, dass zum Detektieren einer durch den sich bewegenden dünnen Körper (1 ) verursachten Änderung der Magnetfeldverteilung ein Magnetfeldsensor (9) vorgesehen ist und dass eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Magnetfeldsensors vorgesehen ist, mittels der eine Bewegung und/oder Position und/oder Dicke des dünnen Körpers (1 ) ermittelbar ist. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (8) an einer seitlichen Wandung (25) an einem der beiden Körper (2, 3) angeordnet ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (8, 20) in einem ersten Hohlraum angeordnet ist, wobei der erste Hohlraum in einem der beiden Körper (2, 3) und vorzugsweise durch eine Bohrung (6, 7) oder eine Aus- fräsung gebildet ist. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (8, 20) derart angeordnet ist, dass das durch den Magneten (8) erzeugte Magnetfeld entlang des Hohlraums radial nach außen gerichtet ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (9) in dem ersten Hohlraum angeordnet ist. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (9) in einem zweiten Hohlraum angeordnet ist, wobei der zweite Hohlraum in einem der beiden Körper (2, 3) und vorzugsweise durch eine Bohrung (7, 6) oder eine Ausfräsung gebildet ist. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum parallel zueinander und nahe der den Spalt (4) begrenzenden Oberfläche des Körpers (2, 3) angeordnet sind. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (8, 20) durch einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten gebildet ist. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (9) eine weichmagnetische Folie (13) und eine Messspule (14) aufweist, wobei die weichmagnetische Folie (13) und die Messspule (14) vorzugsweise auf einem Träger (12) angeordnet sind. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompensationsspule (15) zur Beeinflussung der Kennlinie des Magnetfeldsensors (9) vorgesehen ist, wobei die Kompensationsspule (15) vorzugsweise mit einer Gleichstromquelle verbunden ist. 1 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein einem der beiden Körper, vorzugsweise in dem ersten oder dem zweiten Hohlraum, ein weiterer Magnetfeldsensor (26) angeordnet ist, wobei der weitere Magnetfeldsensor (26) zur Messung der Dicke des dünnen Körpers (1 ) herangezogen wird. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Körper in Längsrichtung des Spaltes (4) feststehend angeordnet sind. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Körper (3) durch eine Matrize einer Tiefziehvorrichtung und der andere der beiden Körper (2) durch einen Niederhalter der Tiefziehvorrichtung gebildet ist. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der dünne Körper (1) durch eine zwischen der Matrize und dem Niederhalter eingespannte Platine gebildet ist. 15. Verfahren zum Erfassen der Position und/oder Bewegung und/oder Dicke eines dünnen Körpers (1 ) aus ferromagnetischem Material, insbesondere zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei sich der dünne Körper (1 ) zumindest teilweise in einem Spalt (4) zwischen zwei Körpern (2, 3) befindet, von denen zumindest einer ferromagnetische Eigenschaften aufweist, und wobei sich der dünne Körper (1 ) in Längsrichtung des Spaltes (4) bewegt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in dem dem dünnen Körper (1 ) zugewandten Randbereich des Körpers (2, 3) ein Magnetfeld erzeugt wird, dass mittels eines Magnetfeldsensors (9) eine durch den sich bewegenden dünnen Köper (1 ) verursachte Änderung der Magnetfeldverteilung detektiert wird und dass aus der detektierten Änderung der Magnetfeldverteilung eine Bewegung und/oder Position und/oder Dicke des dünnen Körpers (1 ) ermittelt wird. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (9) durch eine Kapazität zu einem Resonanzkreis ergänzt wird und dass zur Detektion der Änderung der Magnetfeldverteilung der Betrag und die Phase der Impedanz (Z) des Magnetfeldsensors (9) bestimmt werden. 17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld unter Verwendung eines Elektromagneten (20) erzeugt wird und dass der durch den Elektromagneten (20) fließende Strom derart geregelt wird, dass der Magnetfeldsensor (9) eine konstante Impedanz (Z) aufweist. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von Störungen mittels einer Kompensationsspule (15) ein weiteres Magnetfeld erzeugt wird, das sich mit dem Magnetfeld des Magneten (8, 20) und Störfeldern überlagert. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen der Dicke des dünnen Körpers die Verschiebung des Sensorsignals an einer definierten Position des dünnen Körpers, vorzugsweise der Anfangsposition des dünnen Körpers, ausgewertet wird. 20. Verfahren nach den Ansprüchen 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen der Dicke des dünnen Körpers ein durch die Kompensationsspule (15) fließender Gleichstrom herangezogen wird, wobei mittels des Gleichstroms die Kennlinie des Magnetfeldsensors (9) beeinflusst wird. |
BEWEGUNG EINES DÜNNEN KÖRPERS
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der Position und/oder Bewegung und/oder Dicke eines dünnen Körpers aus ferromagnetischem Material, insbesondere einer Platine während des Tiefziehens von Blech, wobei der dünne Körper zumindest teilweise in einem zwischen zwei Körpern gebildeten Spalt angeordnet ist und in Längsrichtung des Spaltes bewegbar ist, wobei mindestens einer der beiden Körper (2, 3) ferromag netische Eigenschaften aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren.
Die Ermittlung der Position oder der Bewegung eines Körpers, der aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist und in einer zumindest teilweise ferromagnetischen Umgebung oder durch ferromagnetische Wandungen hindurch bewegbar ist, stellt ein bislang nicht vollständig gelöstes Problem dar. Eine wichtige Anwendung für die Praxis liegt im Bereich der Herstellung von Formteilen durch Umformen von Flachmaterial wie Bleche (sogenannte Platinen), insbesondere für Karosserieteile von Kraftfahrzeugen. Die Begriffe Platte, Platine oder Flachmaterial werden im Folgenden synonym verwendet.
Nach DIN 8582 gibt es zahlreiche Varianten von Umformprozessen, bei denen sich die genannte Aufgabe stellt. Auch wenn im Folgenden der Einfachheit halber allgemein von Tiefziehen oder Umformen die Rede sein wird, so sei darauf hingewiesen, dass sich die Aufgabenstellung nicht lediglich auf die Anwendung bei Umformprozessen beschränkt. Vielmehr kann sich die Aufgabenstellung überall dort ergeben, wo die Position von flachen ferromagnetischen Körpern in der Umgebung zweier anderer Körper erfasst werden soll.
Beim Tiefziehen von Platinen treten durch den Umformprozess im Werkstoff Materialdehnungen bzw. -Stauchungen auf. Dies kann bei ungenügender Prozesskontrolle zu Falten- oder Rissbildung führen, was letztendlich zur Zerstörung des Werkstückes führt. In der Praxis wird bei optimaler Prozessgestaltung die Platine durch den Niederhalter derart eingespannt, dass das Nachfließen des Werkstoffes in den
BESTÄTIGUNGSKOPIE Ziehspalt in der gewünschten Menge und Geschwindigkeit erfolgt, um Faltenbildung oder Risse zu vermeiden. Hierzu ist eine Regelung der Niederhaltekraft notwendig. Ziel ist es also, den Niederhaltedruck genau so einzustellen, dass ein optimales Ziehergebnis erreicht wird. Bisher wurde der Niederhaltedruck anhand von empirisch ermittelten Kenngrößen eingestellt.
Wünschenswert ist es, den Niederhaltedruck abhängig vom Nachfließverhalten des Werkstoffes, d.h. dem Einzugsverhalten der Platine zu regeln. Dazu muss der Einzug der Platine, genauer gesagt der zeitliche Bewegungsablauf des Randes oder der Kante der Platine gemessen werden.
Anhand der in Fig. 1 gezeigten Darstellung eines Tiefziehprozesses soll das in diesem Zusammenhang auftretende technologische Problem näher erläutert werden. Eine zu verformende ferromagnetische Platine 1 ist im Bereich seines Umfangs- randes von einem Niederhalter 2 bzw. Ziehrahmen auf dem Werkzeug oder der Matrize 3 kraft- bzw. pressbeaufschlagt eingespannt. Aufgrund der Materialdicke der Platine 1 schließt der Niederhalter 2, die Matrize 3 sowie jeweils die Seiten- kantenfläche der Platine einen (Luft-)Spalt 4 ein. Der Tiefziehprozess selbst erfolgt mit Hilfe eines Stempels 5, der gegen das eingespannte Flachmaterial 1 verfahren wird, wodurch das Flachmaterial in eine vorgegebene Form gebracht wird (nicht dargestellt).
Es gibt verschiedene Verfahren zur Erzeugung der gewünschten Form. Konventionelle Pressen bestehen aus einer Matrize aus einem metallischen Werkstoff, die die gewünschte Form gleichsam als Negativ aufweist, und einem Stempel, der die Positiv-Form als Gegenstück zur Matrize besitzt. Das Flachmaterial wird vom Stempel in die Matrize gedrückt. Beim Innen (oder Außen-) Hochdruckumformen wird anstelle der Matrize oder des Stempels eine Flüssigkeit oder ein Gas eingesetzt. Die gewünschte Form wird durch die Matrize oder den Stempel erzeugt, gegen die das flüssige oder gasförmige Medium gepresst wird.
In allen Fällen wird die Platine durch einen Niederhalter festgehalten. Um die eingangs erwähnten erhöhten technischen und qualitativen Anforderungen an den gesamten Tiefziehprozess zu erfüllen, ist es erforderlich, die während des Tiefzieh- Prozesses eingebrachten Anpressdrücke auf die zwischen Niederhalter 2 und Matrize 3 eingeklemmte Platine 1 zu erfassen. So werden während des Tiefziehprozesses die zwischen dem Niederhalter 2 und der Matrize 3 eingeklemmten Bereiche des Flachmaterials 1 trotz herrschender Haltekräfte in Richtung der Bereiche gezogen, in denen die Materialverformung auftritt, wobei sich die durch die Matrize 3 und den Niederhalter 2 eingespannten Flächenbereiche des Flachmaterials 1 reduzieren und sich die Tiefe des Luftspaltes 4, der sog. Ziehspalt, vergrößert. Um definierte Anpressdrücke auf die zwischen der Matrize 3 und dem Niederhalter 2 geklemmte Platine 1 während des Tiefziehvorgangs ausüben zu können, müssen daher die durch verschiedene hydraulische Stempel hervorgerufenen Niederhaltekräfte in Abhängigkeit vom aktuellen Einziehweg der Seitenkanten des Flachmaterials 1 innerhalb des Ziehspaltes 4 geregelt werden. Dieses Erfordernis ist insbesondere bei technisch hochwertigen metallischen Platten relevant, deren Verformungseigenschaft kritisch in Bezug auf Fließ- oder Bruchgrenzen sind.
Somit gilt es während des gesamten Tiefziehvorganges das durch den Verformungsvorgang verursachte Einzugsverhalten der zwischen der Matrize 3 und dem Niederhalter 2 eingeklemmte Platine 1 , das durch eine Lageänderung der Seitenkante des Flächenmaterials innerhalb des Luftspaltes 4 charakterisierbar ist, zu erfassen.
Aus der DE 37 44 177 A1 ist ein Verfahren zum Tiefziehen von Platinen, insbesondere von Tiefziehblechen für Karosserieelemente von Kraftfahrzeugen, mittels einer hydraulischen Tiefziehpresse bekannt. Während des Verformungsvorgangs, der durch einen mit einer Matrize zusammenwirkenden Stempel eines Pressenstößels hervorgerufenen wird, wird die Platine an ihrem Randbereichen zwischen einer Blechhalterbahn eines Blechhalters und einem Ziehkissen fest eingespannt. Zur Optimierung der Qualität der hergestellten Tiefziehteile werden die den Blechhaltezylindern vorgeschalteten Ventile von einer elektronischen Regelung mit Schaltsignalen beaufschlagt. Der Blechhalterdruck wird dabei abhängig vom Ziehweg des Stempels entsprechend einer für das jeweils herzustellende Tiefziehteil gewünschte Sollkurve geregelt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass das Einzugsverhalten des Bleches nicht direkt gemessen werden kann. In der EP 0 589 066 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen beschrieben, wobei die Bewegung des Ausgangsmaterials für den Umformprozess gemessen und die aufgebrachte Kraft oder der aufgebrachte Druck geregelt wird. Die Bewegung des Blechs wird gemessen und über die Stellgröße„Niederhaltekraft" so geregelt, dass sie der Bewegung des Blechs für einen Gutteilumformvorgang entspricht. Für die Messung der Bewegung des Bleches werden verschiedene Sensoren beschrieben. Eine direkte Messung kahn beispielsweise mit bekannten optischen Triangulationssensoren erfolgen. Eine weitere, in der EP 0 589 066 A1 beschriebene Möglichkeit ist die induktive Messung der Blecheinzugsgeschwindigkeit, indem die Induktion von Spannungen bei Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld ausgewertet wird. Hierzu ist im Niederhalter oder im Ziehkissen jeweils eine Spule eingelassen, die an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Weiterhin sind zwei Kontaktstifte in dem Niederhalter oder in dem Ziehkissen eingebaut, zwischen denen die durch die Bewegung induzierte Spannung abgegriffen wird.
Die Bewegung des Bleches kann beim Umformprozess auch auf indirekte Weise ermittelt werden, z.B. durch Messung der Blechgeschwindigkeit mit Korrelationsverfahren. Hierbei wird die Materialtextur an diversen Punkten des Bleches mittels der im Niederhalter angeordneten Sensoren vermessen. Aus den entsprechenden Ausgangssignalen wird mittels eines Korrelators die Kreuzkorrelationsfunktion jeweils zwischen den beiden Signalen berechnet. Aus der Lage der Hauptmaxima der Kreuzkorrelationsfunktion kann die Geschwindigkeit des Materials berechnet werden.
In der DE 102 08 377 A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung zu einer in einem Engspalt befindlichen Fläche offenbart. Die Fläche stellt die Seitenkante eines Bleches dar, das sich während des Tiefziehprozesses in dem durch den Niederhalter und dem Oberwerkzeug gebildeten Spalt bewegt. Eine optische Sensoreinheit, die eine strukturierte Lichtquelle aufweist, ist dem offenen Engspalt gegenüberliegend angeordnet. Die Lichtquelle richtet eine Vielzahl getrennter Lichtstrahlen auf die Fläche, wobei eine Auswerteeinheit die rückgestreuten Lichtstrahlen detek- tiert. Auf Grundlage des Lichtschnittverfahrens wird dabei der Abstand bestimmt zwischen der Fläche und einer Bezugsebene, die von der Sensoreinheit gebildet wird. Nachteilig bei optischen Sensoren ist, dass in einem rauen Produktionsumfeld Verschmutzung die Messung beeinflussen oder sogar unmöglich machen kann. Aufwändige Reinigungszyklen reduzieren die Verfügbarkeit der Messung und sind kostenintensiv. Außerdem besteht die Gefahr, dass empfindliche optische Komponenten durch die beim Umformprozess auftretenden Vibrationen und Erschütterungen beschädigt oder zerstört werden. Dies gilt insbesondere für die in DE 102 08 377 A1 beschriebene Vorrichtung, da dort prinzipbedingt die Lichtquelle und die Sensoreinheit in größerem Abstand zum Umformwerkzeug angebracht werden müssen. Nachteilig bei Korrelationsverfahren ist die aufwändige mathematische Modellierung, die stark abhängig ist von Parametern wie Reibung, Oberflächenrauhigkeit, etc. Ein weiterer Nachteil des in der EP 0 589 066 A1 beschriebenen Verfahrens ist, dass für das Einbringen der Sensoren die Oberfläche des Umformwerkzeugs durchbrochen werden muss. Dies hat nachteilige Auswirkungen auf die tribologischen Eigenschaften beim Einzugsprozess und verringert außerdem die Lebensdauer. Eine echte Erfassung des Blecheinzuges wurde aus diesen Gründen in der Praxis bisher nicht realisiert.
Der Erfindung liegt die daher Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, bei denen eine direkte Erkennung der Position und/oder Bewegung und/oder der Dicke eines dünnen Körpers schnell und sicher gewährleistet ist und die auch in rauen Betriebsumgebungen mit beispielsweise Schmutz, Wasser oder Öl einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass einem der beiden Körper ein Magnet zugeordnet ist, der in dem dem dünnen Körper zugewandten Randbereich des Körpers ein Magnetfeld erzeugt, dass zum Detektieren einer durch den sich bewegenden dünnen Körper verursachten Änderung der Magnetfeldverteilung ein Magnetfeldsensor vorgesehen ist und dass eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Magnetfeldsensors vorgesehen ist, mittels der eine Bewegung und/oder Position und/oder Dicke des dünnen Körpers ermittelbar ist.
In verfahrensmäßiger Hinsicht ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren dadurch ge- kennzeichnet, dass in dem dem dünnen Körper zugewandten Randbereich des Körpers ein Magnetfeld erzeugt wird, dass mittels eines Magnetfeldsensors eine durch den sich bewegenden dünnen Köper verursachte Änderung der Magnetfeldverteilung detektiert wird und dass aus der detektierten Änderung der Magnetfeldverteilung eine Bewegung und/oder Position und/oder Dicke des dünnen Körpers ermittelt wird.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass für ein zuverlässiges Erkennen der Position eines dünnen Körpers, der sich in einem zwischen zwei Körpern gebildeten Spalt befindet, ein induktives Sensorsystem eingesetzt werden kann, ohne dass Sensorelemente in den begrenzenden Flächen des Spaltes integriert werden müssen. Hierbei wird ausgenutzt, dass Matrize und/oder Niederhalter bei gebräuchlichen Tiefziehvorrichtungen ferromagnetische Eigenschaften aufweisen. Wenn der dünne Körper zusätzlich ferromagnetische Eigenschaften aufweist, kann erfindungsgemäß ein magnetischer Kreis gebildet werden, der einen von der Position des dünnen Körpers abhängigen magnetischen Widerstand aufweist.
Hierzu wird erfindungsgemäß einem der beiden Körper ein Magnet zugeordnet. Diese Zuordnung ist derart ausgebildet, dass eine magnetische Kopplung zwischen dem Magneten und betreffenden Körper erfolgt, d.h. dass durch den Magneten ein Magnetfeld in dem dem Spalt zugewandten Randbereich des Körpers erzeugt wird. Dieses Magnetfeld kann in den Bereichen, in denen sich der dünne Körper befindet, von dem einen der beiden Körper auf den anderen der beiden Körper überkoppeln. Im Bereich des (Luft-)Spaltes hingegen kann kein nennenswerter magnetischer Fluss übertragen werden. Damit ändert sich der magnetische Fluss von dem einen der beiden Körper zu dem anderen der beiden Körper in Abhängigkeit der Position des dünnen Körpers. Diese Änderung der Magnetfeldverteilung wird erfindungsgemäß mit einem Magnetfeldsensor gemessen. In einer Auswerteeinheit kann dem durch den Sensor gewonnenen Messwert eine Position oder eine Bewegung des dünnen Körpers zugeordnet werden. Position und Bewegung des dünnen Körpers lassen sich auch gleichzeitig erfassen. Zusätzlich kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Dicke des zwischen den beiden Körpern eingespannten dünnen Körpers bestimmt werden. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene Lehre allgemein bei Vorrichtungen eingesetzt werden kann, bei denen die Position eines dünnen Körpers bestimmt werden soll, der sich zwischen zwei Körpern befindet, wobei mindestens einer der beiden Körper ferromagnetische Eigenschaften aufweist. Die Lehre sollte nicht derart aufgefasst und verstanden werden, dass sie auf die Anwendung im Bereich des Tiefziehens beschränkt ist.
Vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14 und 16 bis 20 beschrieben. Nachfolgend werden einige Vorteile und Details der Ausgestaltungen im Zusammenhang mit Tiefziehprozessen beschrieben.
Das durch den Magneten erzeugte Magnetfeld kann ein homogenes oder ein inhomogenes Magnetfeld umfassen. Inhomogene Magnetfelder lassen sich ohne großen Aufwand herstellen. Die Erzeugung eines homogenen Magnetfelds ist zwar aufwändiger, durch eine vereinfachte Auswertung der Sensorsignale kann in verschiedenen Anwendungsfällen der konstruktive Mehraufwand dennoch sinnvoll sein und in einem kostengünstigen Gesamtsystem resultieren. Die vereinfachte Auswertung ergibt sich insbesondere daraus, dass im Allgemeinen keine separate Linearisierung erforderlich ist.
In einer Bohrung, beispielsweise in der Matrize, befindet sich ein Magnetfeldsensor. Dieser erfasst das Magnetfeld, das von einem Magneten in einer Bohrung gegenüberliegend des Sensors im Niederhalter erzeugt wird. Die Bohrungen sind so angeordnet, dass die Oberflächen der Matrize bzw. des Niederhalters nicht durchbrochen oder sonst beeinträchtigt werden. Es sei angemerkt, dass anstelle von Bohrungen auch Ausfräsungen oder sonstige Öffnungen oder Hohlräume in der Matrize oder dem Niederhalter geeignet sind, um den Sensor oder den Magneten aufzunehmen. Die Hohlräume können insbesondere - abweichend von einem bei Bohrungen typischen runden Querschnitt - einen nahezu beliebigen Querschnitt aufweisen. Wesentlich ist lediglich, dass die Wirkflächen der Matrize und des Niederhalters, d.h. die den Spalt begrenzenden Teile der Oberfläche der Matrize und der Niederhalters, nicht durchbrochen werden. Im Folgenden wird der Einfachheit wegen stets auf Bohrungen Bezug genommen, ohne die Lehre jedoch auf diese zu beschränken. Vorteilhafterweise können die Bohrungen seitlich in Form einer Bohrung oder Ein- fräsung in die Matrize und den Niederhalter angebracht werden. In einer anderen Ausführung können die Bohrungen auch von der der Oberfläche gegenüberliegenden Seite, d.h. der Unterseite von Matrize und Niederhalter eingebracht werden. Es ist für die Ausgestaltung der Erfindung jedoch nicht notwendig, dass die Bohrungen auf gegenüberliegenden Seiten der Platine angebracht werden. Wenn die Einbausituation dies nicht erlaubt, können die Bohrungen ebenso auf derselben Seite, beispielsweise beide Bohrungen in der Matrize, angebracht werden. Es könnten sogar der Magnet und der Magnetfeldsensor in derselben Bohrung angeordnet sein. Wichtig ist in allen Fällen, dass die Oberflächen von Matrize und Niederhalter, die letztendlich mit der Platine in Berührung kommen und diese beim Tiefziehprozess einklemmen, nicht durchbrochen oder sonst wie beschädigt werden. Andernfalls könnte die Oberfläche der Platine beschädigt oder die Niederhaltekraft an den Stellen der Durchbrechung beeinflusst werden. Durch die hier beschriebenen Bohrungen wird der Blecheinzug selbst nicht beeinflusst, weil keine Kanten, Sicken oder sonstige Diskontinuitäten der Oberfläche vorhanden sind. Die tribologischen Eigenschaften sind daher unverändert und der Tiefziehprozess kann in der gewohnten Form ablaufen.
Die Bohrung sitzt unterhalb der Oberfläche, beispielsweise so, dass sich die höchste Stelle ca. 4 mm unter der Oberfläche befindet. Dies ist tief genug, so dass die Oberfläche nicht geschwächt ist und die hohen Kräften beim Umformprozess die Oberfläche und Struktur der Matrize bzw. des Niederhalters nicht beeinträchtigen. Die Bohrung kann jedoch auch weiter von der Oberfläche entfernt angebracht sein. Eine weiter zur Oberfläche hingerückte Bohrung wäre denkbar, führt jedoch zu der beschriebenen Materialschwächung und ist daher nicht bevorzugt.
Da das Material der Niederhalter ferromagnetische Eigenschaften aufweist, werden die Magnetfeldlinien im Wesentlichen innerhalb des ferromagnetischen Materials, beispielsweise des Niederhalters geführt. An der Oberfläche des Niederhalters treten kaum Feldlinien aus, da Luftspalte die Ausbreitung von Feldlinien einschränken.
Der Magnetfeldsensor in der Matrize detektiert das Magnetfeld des Magneten. Wird nun eine Platine zwischen Niederhalter und Matrize eingespannt, so entsteht in ent- gegengesetzter Richtung des Einzugs ein Luftspalt. In Einzugsrichtung ist aufgrund der Niederhalterkraft, mit der der Niederhalter die Platine gegen die Matrize drückt, kein Luftspalt vorhanden. Dies führt dazu, dass Magnetfeldlinien aus der Oberfläche des Niederhalters austreten und durch die Platine in die Oberfläche der Matrize geführt werden. Der Magnetfeldsensor in der Matrize detektiert diese Magnetfelder und kann dadurch die Position der Kante der Platine feststellen, da im Bereich des Luftspaltes praktisch keine Magnetfelder übertreten.
Die Anordnung von Magnet und Magnetfeldsensor kann auch vertauscht werden. In der Regel ist die Matrize feststehend angeordnet, weshalb der Sensor günstigerweise dort angebracht wird, da das Sensorkabel damit nicht bewegt wird. Ein Einbau des Sensors in den Niederhalter ist jedoch ebenso möglich.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Magnet und Sensor auf einer Seite der Platine angeordnet sind, schließen sich die Feldlinien ebenfalls über die Wandung der Bohrung. Jedoch sind in dieser Anordnung bereits Feldlinien am Ort des Sensors vorhanden. Entsprechend zum vorher gesagten treten bei Anwesenheit der Platine Feldlinien durch diese hindurch und erstrecken sich auch in den gegenüberliegenden Niederhalter (oder die Matrize, je nach Lage der Bohrung). Dadurch ändert sich ebenfalls der Verlauf der Feldlinien am Ort des Sensors, und die Bewegung der Platine kann erfasst werden.
Durch die Platine im Spalt zwischen Niederhalter und Matrize wird eine magnetische Kopplung erzeugt, wodurch Magnetfelder aus der Oberfläche des Niederhalters durch die Platine in die Oberfläche der Matrize geführt werden. Diese Kopplung ist umso stärker, je weiter die Platine den Bereich der Oberflächen überdeckt, wo die Feldlinien verlaufen.
Hinsichtlich der Materialbeschaffenheit der Matrize und des Niederhalters sei angemerkt, dass nicht beide Körper notwendiger Weise ferromagnetische Eigenschaften aufweisen müssen. Wichtig ist lediglich, dass sich ein magnetischer Kreis schließen kann. Damit ist es ausreichend, wenn die Matrize oder der Niederhalter ferromagnetische Eigenschaften aufweist. In diesem Fall wird der Magnet und/oder der Magnetfeldsensor in oder an dem ferromagnetischen Körper angeordnet sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist ein langgestreckter Magnet derart angeordnet, dass er längs in der Bohrung weitgehend senkrecht zur Blechkante unterhalb der Oberfläche angeordnet ist. Wenn der Magnet beispielsweise so ausgerichtet ist, dass sein Nordpol in Richtung der Oberfläche und sein Südpol entgegen der Oberfläche weist, erstrecken sich die Feldlinien längs des Magneten nahezu homogen in Längsrichtung und quer zur Blechkante. Im Bereich des Luftspaltes verlaufen die Feldlinien überwiegend innerhalb der Wandung, die zwischen Bohrung und Oberfläche entsteht. Im Bereich der Platine werden die Feldlinien jedoch zur Oberfläche der Matrize geführt. Je nach Position der Platine werden also mehr oder wenige Feldlinien geführt. Dies führt dazu, dass der Magnetfeldsensor ein umso stärkeres Magnetfeld erfasst, je mehr die Platine den Bereich des Magneten überdeckt.
Der Magnetfeldsensor kann zunächst ein beliebiger magnetfeldabhängiger Sensor sein, beispielsweise ein bekannter Hallsensor, ein MR- oder GMR-Sensor. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Sensor ein längs gestreckter Sensor ist, wie er in der WO 2008/074317 A2 beschrieben ist. Auf genannte Offenlegungsschrift wird hiermit Bezug genommen. Ein wesentlicher Bestandteil des dort beschriebenen Sensors ist eine weichmagnetische Folie, deren Magnetisierung sich in Abhängigkeit eines Magnetfelds ändert. Der Verlauf der Magnetisierung wird durch eine Spule, die mit hochfrequenter Wechselspannung gespeist wird, detektiert. Der Sensor ist - im vorliegenden Anwendungsfall - so angeordnet, dass die weichmagnetische Folie parallel zur Oberfläche der Matrize in der Bohrung nahe deren Wandung im Wesentlichen parallel zum Magneten liegt. Treten nun Magnetfeldlinien in die Oberfläche ein, beeinflussen sie die Magnetisierung der Folie, die dann durch die Spule gemessen wird. Mit einer Elektronik, die mit der Spule verbunden ist, kann die Impedanz der Spule gemessen werden. Wird beispielsweise ein Oszillator fester Frequenz, beispielsweise im Bereich 100...300kHz, zur Erzeugung der Wechselspannung verwendet, ändert sich der Betrag und die Phase des Signals. Durch die Verwendung eines langgestreckten Magneten in Verbindung mit einem langgestreckten Sensor ändert sich das Signal (beispielsweise Betrag und Phase) weitgehend linear mit der Bewegung der Kante der Platine. Damit kann deren Bewegung beim Umformprozess gemessen werden und durch das Signal in der Steuerung des Umformprozesses die Niederhalterkraft geregelt werden. Die Niederhalterkraft wird dann so nachgeführt, dass das Einzugsverhalten der Platine einem vorgegebenen, für das Umformergebnis optimalen Verlauf entspricht.
Durch die Verwendung eines derartigen Sensors kann die Messung des Blecheinzugs weiter vorteilhaft gestaltet werden. Da die Materialien von Matrize, Niederhalter und Platine ferromagnetische Eigenschaften aufweisen, könnte eine Vormagnetisierung die Messung negativ beeinflussen, da dann die Magnetfeldverteilung beein- flusst würde. Eine Vormagnetisierung könnte beispielsweise die Platine aufweisen, wenn sie durch einen magnetischen Greifer in die Umformpresse eingelegt wird. Diese magnetische Beeinflussung kann kompensiert werden, indem der Wechselspannung im Sensor eine Gleichspannung oder ein Gleichstrom überlagert wird. Dies kann in der Messspule des Sensors selbst oder in einer zweiten Spule - einer Kompensationsspule - erfolgen. Im Folgenden wird Gleichstrom und Gleichspannung in Bezug auf die erfindungsgemäße Lehre synonym verwendet.
Durch die Gleichspannung bzw. den Gleichstrom kann in der Spule ein konstantes Magnetfeld erzeugt werden, das so eingestellt werden kann, dass es der Beeinflussung durch die Vormagnetisierung entgegen wirkt. Dies führt dazu, dass am Ort der weichmagnetischen Folie die Verteilung der Magnetfeldlinien beim Blecheinzug weitgehend der optimalen Einstellung, nämlich dem vorgegebenen Messbereich des Sensors entspricht. Ein weiterer Vorteil dieser Gleichstrom- Kompensation ist, dass auch andere Einflüsse wie Toleranzen der Blechdicke, Montagetoleranzen, Lage der Bohrungen, des Magneten und des Sensors zueinander, Toleranzen des Magneten, Temperatureinflüsse usw. kompensiert werden können.
Zur Bestimmung der Dicke der Platine könnte zum einen das Signal des Magnetfeldsensors verwendet werden, wenn sich der dünne Körper in einer definierten Position befindet. Diese definierte Position liegt im Allgemeinen zu Beginn des Umformvorgangs vor. Beim Einlegen des Bleches drückt der Niederhalter das Blech gegen die Matrize. Durch eine unterschiedliche Dicke der Platine ist der Abstand von Niederhalter zur Matrize unterschiedlich groß, was zum einen die Dicke des Luftspaltes und zum anderen die Kopplung des Magnetflusses zwischen Niederhalter und Matrize beeinflusst. Wenn also die Platinen reproduzierbar an derselben Stelle eingelegt werden, dann ist das Sensorsignal nach dem Schließen des Niederhalters abhängig von der Dicke der Platine, was letztendlich eine Verschiebung des Nullpunktes des Sensorsignal bedeutet. Alternativ könnte auch das Gleichstrom-Signal des Sensors verwendet werden, um die Dicke zu bestimmen.
Zusätzlich oder alternativ kann für eine Dickenmessung ein weiterer Magnetfeldsensor vorgesehen sein. Dadurch kann die Dicke auch während des Einzugs des Bleches gemessen werden. Der zweite Sensor müsste dann derart angeordnet sein, dass der Magnetfluss am Ort des Sensors nicht oder nur geringfügig von der Bewegung der Blechkante beeinflusst wird. Dies könnte beispielsweise durch die Anordnung des Sensorelementes Richtung Innenseite des Werkzeuges (in Ziehrichtung) erfolgen. Dann ist der Sensor beim Einzug überwiegend von Blech„überdeckt" und die Kante hat wenig Einfluss auf das Signal dieses Sensorelementes. Dieser Aufbau ermöglicht prinzipiell die Bestimmung der Platinendicke und somit auch die Messung der Verjüngung aufgrund des Ziehprozesses.
Mit diesem zweiten Sensorelement könnten neben der Dicke auch andere Einflussgrößen wie z.B. Temperaturänderungen kompensiert werden, da es durch die Bewegung der Kante der Platine nicht beeinflusst wird. Eine weitere Möglichkeit der Kompensation besteht wiederum durch die Speisung mit Gleichstrom, so dass bei Verwendung von zwei Sensorelementen durch die Auswertung von Amplitude, Phase und Gleichstrom mehrere unabhängige Variable bestimmt werden können. Die Möglichkeiten der Kompensation bzw. Dickenmessung können durch weitere Sensorelemente oder Magneten, die in geeigneter Weise angeordnet werden, erweitert werden.
Der Magnet zur Erzeugung des Magnetfeldes ist in einfachster Form ein Permanentmagnet. Die Magnetisierung des Magneten soll dabei in Längsrichtung des Magneten möglichst homogen verlaufen. Die Orientierung des Magneten kann so eingestellt werden, dass entweder der Nordpol oder der Südpol in Richtung der Oberfläche zeigt. Eine Orientierung, bei der Nord- und Südpol quer zur Oberfläche orientiert sind, ist jedoch ebenso möglich. Der Einfluss der Orientierung auf die Messung ist gering, da die Feldlinien im ferromagnetischen Material geführt werden. Diese Anordnung erzeugt ein weitgehend homogenes Magnetfeld. In einer anderen Ausführungsform kann auch ein kurzer Magnet verwendet werden. Kurze Magnete lassen sich insbesondere bei beengten Anwendungssituationen vorteilhaft einsetzen. Der Verlauf der Feldlinien ist dann inhomogen. Der inhomogene Feldlinienverlauf führt in vielen Anwendungsfällen zu der Notwendigkeit einer Linearisierung des Sensorsignals. Da jedoch auch hier die Bewegung der Platine im Luftspalt zu einer Änderung des Magnetfelds am Sensor führt und daraus wiederum auf die Position und/oder Bewegung der Platine geschlossen werden kann, ist die Eignung für die Erfassung der Platine dennoch gegeben.
Das Magnetfeld könnte auch durch einen Elektromagneten erzeugt werden. Damit könnte die Magnetfeldstärke durch den Stromfluss im Elektromagneten eingestellt werden. Beispielsweise könnte dann jeweils beim Beginn des Umformprozesses der Sensor das Magnetfeld bestimmen und in der Elektronik der Elektromagnet so angesteuert werden, dass der Sensor sich im optimalen Betriebspunkt (Nullpunkt) befindet. Dieser kann auch mit der bereits beschriebenen Gleichstrombeaufschlagung der Messspule oder der Kompensationsspule kombiniert werden.
In einer Ausgestaltung könnte der Elektromagnet auch dazu genutzt werden, dass unabhängig vom Einzugsweg der Platine, d.h. unabhängig von der Position des dünnen Körpers, eine konstante Impedanz bei dem Magnetfeldsensor gemessen wird. Dabei wird ausgenutzt, dass mit einem Elektromagneten ein veränderbarer magnetischer Fluss erzeugbar ist. Der magnetische Fluss hängt direkt von dem durch den Elektromagneten fließenden Strom ab. Ändert sich infolge einer Positionsänderung des dünnen Körpers die Impedanz des Magnetfeldsensors, so kann der Strom durch den Elektromagneten derart erhöht oder reduziert werden, dass sich wieder ein gewünschter Impedanzwert einstellt. Durch eine Regelung, die als Eingangsgröße die Differenz zwischen der gemessenen Impedanz des Magnetfeldsensors und einer gewünschten Impedanz erhält, kann die Stellgröße „Strom durch den Elektromagneten" nachgeführt werden. Auf diese Weise kann der Sensor in einem gewünschten Punkt gehalten werden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die gewünschte Impedanz durch den Betriebspunkt des Sensors definiert, in dem im Allgemeinen eine maximale Empfindlichkeit des Sensors gegeben ist. Als Ausgangsgröße dieses Systems, die als Maß für die Position und/oder Bewegung des dünnen Körpers herangezogen werden kann, dient der Strom durch den Elektromagneten.
Betrag und Phase der Impendanz der Messspule ändern sich in gegensinniger Weise. Wenn beispielsweise beim Einzug der Betrag sinkt, steigt die Phase an. Durch die Verwendung dieser zwei Signale könnte durch deren Kombination eine Kompensation von Störeinflüssen erfolgen. Ändert sich beispielsweise die Temperatur, kann durch die beiden Signale für Betrag und Phase der Einfluss der Temperaturänderung auf die Messung des Blecheinzuges bestimmt und kompensiert werden. Ebenso könnte der Einfluss von elektromagnetischen Störungen kompensiert werden.
Sowohl Sensor also auch Magnet können auch an einer seitlichen Wandung der Matrize oder des Niederhalters angebracht sein.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung für einen Tiefziehprozess,
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines schematischen Tiefziehprozesses mit einem erfindungsgemäßen Sensor und einem Permanentmagneten,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Permanentmagneten, eines Sensors und der Verteilung des magnetischen Feldes ohne ferromagnetische Platte im Engspalt (Fig. 3a) und mit einer ferromagnetischen Platte im Engspalt (Fig. 3b) sowie eine Seitenansicht der Anordnung (Fig. 3c), Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Sensors, der aus einem Träger, einer weichmagnetischen Folie und zwei Spulen besteht,
Fig. 5 ein Diagramm mit einen Impedanzverlauf (Betrag und Phase) eines zum Schwingkreis ergänzten Messaufbaus abhängig von der Position der Platte,
Fig. 6 ein Diagramm mit einen Impedanzverlauf (Betrag (Fig. 6a) und Phase (Fig.
6b)) eines zum Schwingkreis ergänzten Messaufbaus abhängig von der Position der Platte und einem in einer Kompensationsspule fließenden Gleichstroms,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Sensors gemäß Fig. 4 in einer beispielhaften Einbausituation,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors, bei dem ein Elektromagnet am Außenbereich der Matrize angebracht ist,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, bei der ein kurzer Magnet gemeinsam mit einem Sensor in einer Bohrung angeordnet ist,
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, bei der der Sensor an einer Außenseite der Matrize angebracht ist,
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, bei der in dem Niederhalter zwei Permanentmagnete und ein Sensor angeordnet sind, und
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit einem weiteren Magnetfeldsensor zur Durchführung einer Dickenmessung. Fig. 2 zeigt die Querschnittsdarstellung eines schematisierten Tief zieh prozesses mit erfindungsgemäßem Sensor und einem Permanentmagneten. Eine zu verformende ferromagnetische Platine 1 ist im Bereich seines Umfangsrandes von einem Niederhalter 2 bzw. Ziehrahmen auf dem Werkzeug oder der Matrize 3 kraft- bzw. pressbeaufschlagt eingespannt. Aufgrund der durch die Platine 1 vorgegebenen Materialdicke schließt der Niederhalter 2, die Matrize 3 sowie jeweils die Seitenkantenfläche der Platine einen (Luft-)Spalt 4 ein. Der Tief zieh prozess selbst erfolgt mit Hilfe eines Stempels 5, der gegen das eingespannte Flachmaterial 1 verfahren wird, wodurch das Flachmaterial in eine vorgegebene Form (nicht dargestellt) gebracht wird.
Um die eingangs erwähnten erhöhten technischen und qualitativen Anforderungen an den gesamten Tiefziehprozess zu erfüllen, ist es erforderlich, die während des Tiefziehprozesses eingebrachten Anpressdrücke auf die zwischen Matrize 3 und Niederhalter 2 eingeklemmte Platine 1 zu erfassen. So werden während des Tiefziehprozesses die zwischen der Matrize 3 und dem Niederhalter 2 eingeklemmten Bereich des Flachmaterials 1 trotz herrschender Haltekräfte in Richtung der Bereiche gezogen, in denen die Materialverformung auftritt, wobei sich die durch die Matrize 3 und den Niederhalter 2 eingespannten Flächenbereiche des Flachmaterials 1 reduzieren und sich die Tiefe des Luftspaltes 4, der sog. Ziehspalt, vergrößert. Um definierte Anpressdrücke auf die zwischen der Matrize 3 und dem Niederhalter 2 eingeklemmte Platine 1 während des Tiefziehvorgangs ausüben zu können, müssen die durch verschiedene hydraulische Stempel (nicht dargestellt) hervorgerufenen Niederhaltekräfte in Abhängigkeit vom aktuellen Einziehweg der Seitenkanten des Flachmaterials 1 innerhalb des Ziehspaltes 4, vorzugsweise über den gesamten Umfang des Flachmaterials geregelt werden. Dieses Erfordernis ist insbesondere bei technisch hochwertigen metallischen Platinen relevant und zu beachten, deren Verformungseigenschaft kritisch in Bezug auf Fließ- oder Bruchgrenzen sind.
Somit gilt es während des gesamten Tiefziehvorganges das durch den Verformungsvorgang verursachte Einzugsverhalten der zwischen der Matrize 3 und dem Niederhalter 2 eingeklemmte Platine 1 , das durch eine Lageänderung der Seitenkante des Flächenmaterials innerhalb des Luftspaltes 4 charakterisierbar ist, zu erfassen. Es besteht daher die Aufgabe die Position der Platine während der Verformung an ausgewählten Positionen zu erfassen. In der Matrize 3 und im Niederhalter 2 sind daher zwei Bohrungen parallel zueinander eingebracht, deren Länge in etwa dem Messbereich entspricht. In Bohrung 6 ist ein Permanentmagnet 8 eingebaut. In Bohrung 7 ist ein Magnetfeldsensor 9 eingebaut. Der Permanentmagnet 8 und der Sensor 9 sind so positioniert, dass sie zueinander einen minimalen Abstand aufweisen.
Fig. 3a zeigt eine schematische Darstellung der Einbausituation eines Permanentmagneten 8, eines Sensors 9 und die Verteilung des magnetischen Feldes in Abwesenheit der ferromagnetischen Platine 1 . In diesem Fall schließt sich das magnetische Feld nahezu ausschließlich über die Wandung 10. Grundsätzlich kann der Magnet 8 auch um 90° gedreht (nicht gezeigt) eingebaut werden.
Fig. 3b zeigt eine schematische Darstellung der Einbausituation eines Permanentmagneten 8, eines Sensors 9, einer ferromagnetischen Platine 1 und die Verteilung des magnetischen Feldes. Bei Anwesenheit der Platine gestaltet sich das Magnetfeld wie in Fig. 3b dargestellt, d.h. ein Teil des Magnetfeldes schließt sich jetzt zusätzlich über die Wandung 1 1 und wird mit Hilfe eines magnetfeldempfindlichen Sensors 9 gemessen. Grundsätzlich kann der Magnet 8 auch um 90° gedreht (nicht gezeigt) eingebaut werden.
Die Wandungen 10 und 1 1 sollten so ausgeführt sein, dass genügend Material vorhanden ist, dass der Tiefziehprozess dadurch nicht beeinflusst wird, bzw. es zu keiner Verformung der Bohrungen 6 und 7 während des Prozesses kommt. Dies ist mit ca. 4 mm Wandstärke gewährleistet.
Fig. 3c zeigt die Sensoranordnung nach Fig. 3a und 3b in einer Seitenansicht, wobei der Sensor 9 in dieser Fig. in einem Schichtaufbau realisiert ist. Der Sensor 9 ist auf einem Träger 12 aufgebaut. Auf der dem Spalt 4 abgewandten Seite des Trägers 12 ist eine Messspule 14 als Flachspule aufgebracht. Auf der dem Spalt 4 zugewandten Seite des Trägers 12 ist eine weichmagnetische Folie 13 aufgebracht. Auf der Folie ist eine Kompensationsspule 15 angeordnet. Ein derartiger Sensoraufbau ist in der bereits erwähnten WO 2008/074317 A2 beschrieben. Die Kompensationsspule könnte bei einer anderen Ausgestaltung des Sensors entfallen. Ein Permanentmagnet 8 befindet sich in einer Bohrung 6. Dabei ist die Nord-Süd- Richtung des Magneten 8 vertikal zur Bohrlochachse und im Wesentlichen parallel zur Flächennormalen an dem Niederhalter 2 angeordnet. Dadurch bildet sich im Bereich der Wandung 10 eine annähernd homogenes Magnetfeld aus. In einer Bohrung 7 in der gegenüberliegenden Matrize 3 ist der Sensor 9 angeordnet. In dem Bereich des Spaltes 4 zwischen Niederhalter 2 und Matrize 3, der nicht durch die Platine 1 ausgefüllt ist, kann das Magnetfeld des Magneten 8 nicht mit ausreichender Feldstärke auf die Matrize 3 überkoppeln. In dem Bereich des Spaltes 4, der mit der Platine 1 gefüllt ist, kann ein Magnetfeld in die Matrize 3 überkoppeln. Durch das übergekoppelte Magnetfeld verändert sich die Permeabilität der weichmagnetischen Folie 13, was wiederum einen Einfluss auf die Induktivität der Messspule hat. Damit verändert die Position der Platine 1 im Spalt 4 die magnetische Kopplung zwischen Niederhalter 2 und Matrize 3, wodurch sich in Abhängigkeit der Position der Platine 1 die Induktivität der Messspule ändert.
In den Fig. 3a, 3b und 3c wird das Magnetfeld unter Einfluss des Luftspaltes im Bereich des Sensorelementes verzerrt. Der Luftspalteinfluss wird in diesem Fall nicht über die Verteilung des Magnetfeldes in Bewegungsrichtung der Platine festgestellt, sondern über den unmittelbaren Einfluss der Platine/Luftspalt auf einen Teilbereich des Sensors.
Fig. 4 zeigt einen anderen Sensor 9 mit schichtförmigen Aufbau in schematischer Darstellung. Der Sensor ist auf einem Träger aufgebaut, der einen ersten Trägerteil 16 und einen zweiten Trägerteil 17 aufweist. Eine Folie 13 aus weichmagnetischem Material umschließt den ersten Trägerteil 16. Eine Messspule 14 und eine Kompensationsspule 15 sind nebeneinander um den mit der Folie 13 umschlossenen ersten Trägerteil 16 gewickelt. Mithilfe des zweiten Trägerteils 17 kann der Sensor in eine Bohrung 6 eingebaut werden, wobei der zweite Trägerteil in radialer Richtung die Bohrung 6 vollständig ausfüllt und somit den Sensor vor Verschmutzung schützt. Grundsätzlich kann der Sensor 9 auch in Bohrung 7 eingebaut werden. Entsprechend wäre der Magnet 8 dann in der jeweils anderen Bohrung platziert.
Fig. 5 zeigt den Impedanzverlauf (Betrag und Phase) eines zu einem Schwingkreis ergänzten Messaufbaus (Messspule 14 und Parallelkapazität) bei einer Frequenz von 160kHz, abhängig von der Position der Platine (Einzugweg). Z ist der Betrag und φ die Phase der gemessenen Impedanz der Sensorspule.
Fig. 6a und 6b zeigen den Impedanzverlauf (Betrag und Phase) der Messspule 14 abhängig von der Position der Platine und einem Gleichstrom durch die Kompensationsspule 15. Durch Gleichstromspeisung der Kompensationsspule wird ein zusätzliches Magnetfeld erzeugt, das sich mit dem Magnetfeld des Magneten überlagert. In Fig. 6a ist die unterste Kurve bei einem Strom von -2 mA durch die Kompensationsspule aufgenommen. Bei der zweituntersten Kurve floss ein Strom von -0,126 mA. Die darauf folgende, mit einem Quadrat gekennzeichnete Kurve wurde bei einem Strom von +0,4 mA aufgenommen. Bei der obersten Kurve wurde ein Strom von +2 mA durch die Kompensationsspule verwendet. Die Reihenfolge der Phasendiagramme in Fig. 6b ist verdreht, so dass die oberste Kurve bei -2 mA, die unterste Kurve bei +2 mA aufgenommen worden ist. Die dargestellten Ströme sind lediglich beispielhaft. Fig. 6 zeigt, dass mithilfe dieser zusätzlichen Maßnahme die Kennlinie so beeinflusst werden kann, dass bestimmte Werte der Impedanz (Betrag oder/und Phase) erreicht werden kann.
Fig. 7 zeigt eine Einbausituation des Sensors nach Fig. 4 in einem Bohrloch 6 in einem Niederhalter 2. In einem weiteren Bohrloch 7 in der Matrize 3 ist ein Permanentmagnet 8 angeordnet, dessen Nord-Süd-Richtung parallel zur Längsrichtung eines zwischen Niederhalter 2 und Matrize 3 gebildeten Spaltes 4 orientiert ist. Das Magnetfeld H 0 des Magneten schließt sich über die Wandung 19 an der Stirnseite der Bohrung 7, die Wandung 18 an der Stirnseite der Bohrung 6, sowie über die Wandungen 1 1 und 10. Dabei geht das Magnetfeld auch durch die Stirnseite der Folie 13. Dem Magnetfeld H 0 sind das Erdmagnetfeld sowie Hindergrundfelder, die durch die ferromagnetische Umgebung (Niederhalter, Matrize, bewegliche Platte) selbst erzeugt werden, überlagert. Die genannten überlagerten Magnetfelder lassen sich weitestgehend über ein Magnetfeld der Kompensationsspule 15 eliminieren. Die Kompensationsspule 15 kann auch gegensinnig zur Messspule 14 eingeschaltet werden und kann gleichzeitig mit dem Wechselstrom und dem Gleichstrom gespeist werden. Die Kompensationsspule kann jedoch auch im Sinne einer Halbbrücke mit der Messspule verschaltet sein und in differentieller Weise betrieben werden. Denkbar sind auch andere Platzierungen der Magnetfeldquellen (Permanentmagneten, Elektromagneten) in Verbindung mit einem magnetfeldempfindlichen Sensor, der beispielsweise als Flachspule 24 in Platinentechnik mit einer Folie aufgebaut sein kann. Die Spule ist hier nicht umfassend um die Folie gewickelt, sondern ist einseitig (oder auch zweiseitig) mit der Folie bedeckt. Eine derartige Ausgestaltung wird in Verbindung mit Fig. 8 näher beschrieben.
Fig. 8 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform, bei der das Magentfeld mit Hilfe eines Elektromagneten 20 erzeugt wird. Der Elektromagnet 20 weist eine Spule 21 auf, die um einen Kern 22 aus weichmagnetischem Material gewickelt ist. Der Elektromagnet 20 ist an einer seitlichen Wandung 25 des Niederhalters 2 befestigt und erzeugt ein Magnetfeld, das sich über die Wandungen 18 und 10 des Niederhalters 2 und über die Platine 1 schließt. Dabei wird die Platine 1 aufmagnetisiert. Ein Magnetfeldsensor 9, der eine weichmagnetische Folie 13 und eine Flachspule 24 als Messspule aufweist, befindet sich in einer Bohrung 6, die von der dem Elektromagneten 20 gegenüberliegenden Seite des Niederhalters 2 aus hergestellt ist. Der Sensor 9 und der Elektromagnet 20 sind über die Wandung 18 getrennt. Ein Magnetfeld, das von der Kante 23 der Platine 1 fließt, schließt sich über die Wandung 10, Luftspalt 4 und Oberfläche des Niederhalters 2. Die Größe des Magnetfeldes ist von der Position der Platine 1 abhängig und wird mit dem Magnetfeldsensor 9 gemessen.
Über die Dicke der Wandung 18 kann die Größe des Messbereichs bestimmt werden. Vorteilhaft ist dabei, dass die Feldstärke des mit dem Elektromagneten 20 erzeugten Feldes so eingestellt (bzw. geregelt) werden kann, dass eine notwendige Empfindlichkeit des Sensors 9 erreichbar ist. Weiter kann der Elektromagnet 20 nur für die Dauer der Blechpositionsmessung eingeschaltet sein.
Neben der in Fig. 8 gezeigten Ausgestaltung kann der Elektromagnet auch an der Matrize 3 angebracht sein. Entsprechend kann die Bohrung in der Matrize 3 vorgesehen. Bei allen vier möglichen Ausgestaltungen gelten die Ausführungen bezüglich Fig. 8 entsprechend. Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es sind ein Magnetfeldsensor 9 und ein Permanentmagnet 8 gemeinsam in einer Bohrung 6 platziert. Die Bohrung 6 ist im Niederhalter 2 hergestellt, wobei die Dicke der Wandung 10 aus Konstruktiven- und Festigkeitsgründen einige mm beträgt, vorzugsweise ca. 4 mm. Prinzipiell kann diese Bohrung auch in der Matrize 3 hergestellt werden. Entsprechend wäre Sensor 9 und Magnet 8 in der Bohrung 7 angeordnet. Bei Bewegung der Platine 1 ändert sich die Magnetfeldverteilung im (Luft-) Spalt 4, was mit Hilfe des Sensors 9 gemessen werden kann.
Fig 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Einbausituation einer seitlichen Messung der Platinenkantenposition mithilfe des magnetfeldempfindlichen Sensors. Der magnetfeldempfindliche Sensor ist hierbei seitlich am Werkzeug angebracht. Dadurch muss nur ein Werkzeugteil bearbeitet werden und es kann sogar auf die Bohrung für den Sensor verzichtet werden. Der Magnet wird in eine Bohrung so eingebracht, dass sich sein Magnetfeld über die vorhandene Platine schließt. Entfernt sich die Platinenkante aufgrund des Einzugs während des Fertigungsprozesses immer weiter von der Werkzeugkante, schließt sich immer weniger Magnetfeld über die Platine. An der Werkzeugkante, und im Besonderen über den so entstehenden Luftspalt zwischen Matrize und Niederhalter, ergibt sich dadurch eine große Änderung des Streufeldes und somit eine detektierbare Größe für den magnetfeldempfindlichen Sensor. Der Sensor ist seitlich am Werkzeug befestigt und erfasst den Streufluss, der seitlich zwischen Niederhalter und Matrize auftritt. Dabei kann durch geeignete Positionierung des Sensors entlang der Werkzeugkante eine Optimierung des Signals erreicht werden, so dass die Änderung des Streuflusses aufgrund der Bewegung der Platine am Ort des Sensors maximal wird.
In Fig. 10 ist der Sensor 9 an einer seitlichen Wandung der Matrize angebracht. Der Sensor überdeckt dabei die Bohrung 7, in der ein Permanentmagnet 9 angeordnet ist. Der Sensor 9 detektiert wie zuvor beschrieben die Änderung des Streufelds während des Einzugs der Platine 1 . Daraus kann auf die Position und/oder Bewegung der Platine geschlossen werden.
Fig 1 1 zeigt eine weitere Anordnung des magnetfeldempfindlichen Sensors 9 und mindestens eines Magneten 8, um die Platinenkante einseitig messen zu können. Sensor 9 und Magnet 8 sind jeweils in eigenen Bohrungen 6 nebeneinander im selben Körper angeordnet. In Fig. 1 1 sind die Elemente im Niederhalter 2 angeordnet. Es ist jedoch auch eine Anordnung in der Matrize 3 möglich. Es könnten auch zwei Magneten jeweils seitlich zum Sensor angeordnet werden, so dass der Fluss beider Magneten durch den Sensor geführt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn beide Magnete so angeordnet sind, dass beispielsweise ein Magnet von oben nach unten polarisiert ist (Nordpol oben, Südpol unten) und der andere Magnet entgegengesetzt polarisiert ist (Nordpol unten, Südpol oben).
Unter Einfluss des Luftspaltes wird das Magnetfeld im Bereich des Sensorelementes verzerrt. Der Luftspalteinfluss wird in diesem Fall nicht über die Verteilung des Magnetfeldes in Bewegungsrichtung der Platine festgestellt, sondern über den unmittelbaren Einfluss der Platine/Luftspalt auf einen Teilbereich des Sensors.
Diese Anordnung hat insbesondere den Vorteil, dass der Messbereich über die Einbaulänge von Sensor und Magnet bestimmt werden kann und nur ein Werkzeugteil (entweder Blechhalter oder Matrize) bearbeitet werden muss.
Um die Ortsauflösung zu vergrößern und den Messbereich zu erweitern, können auch mehrere Sensorelemente und/oder auch Magnete mit einem definierten Abstand aneinandergereiht werden.
Fig. 12 zeigt eine Anordnung eines zweiten Sensorelementes zur Kompensation oder Dickenmessung. In einer Bohrung 7 in einer Matrize 3 ist ein Permanentmagnet 8 angeordnet. In einer parallel verlaufenden Bohrung 7 in einem Niederhalter 2 sind ein Magnetfeldsensor 9 und ein weiterer Magnetfeldsensor 26 angeordnet. Da der weitere Magnetfeldsensor 26 relativ weit in Richtung Innenseite des Werkzeuges (in Ziehrichtung) angeordnet ist, wird er von der Bewegung der Kante der Platine 1 erst sehr spät beeinflusst. In weiten Bereichen des Ziehweges ist der weitere Sensor 26 beim Einzug überwiegend von Blech„überdeckt" und die Kante hat wenig Einfluss auf das Signal des Sensorelementes. Dieser Aufbau ermöglicht die Bestimmung der Platinendicke und somit auch die Messung der Verjüngung aufgrund des Ziehprozesses. Mit dem weiteren Magnetfeldsensor 26 könnten neben der Dicke auch andere Einflussgrößen wie z.B. Temperaturänderungen kompensiert werden, da er durch die Bewegung der Kante der Platine nicht beeinflusst wird. Eine weitere Möglichkeit der Kompensation besteht wiederum durch die Speisung mit Gleichstrom, so dass bei Verwendung von zwei Sensorelementen durch die Auswertung von Amplitude, Phase und Gleichstrom mehrere unabhängige Variable bestimmt werden können. Die Möglichkeiten der Kompensation bzw. Dickenmessung können durch noch weitere Sensorelemente oder Magneten, die in geeigneter Weise angeordnet werden, erweitert werden
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste
1 Platine
2 Niederhalter
3 Matrize
4 Luftspalt
5 Stempel
6 Bohrung (in Niederhalter)
7 Bohrung (in Matrize)
8 Permanentmagnet
9 Magnetfeldsensor
10 Wandung (im Niederhalter)
11 Wandung (in Matrize)
12 Träger
13 Folie
14 Messpule
15 Kompensationsspule
16 erster Trägerteil
17 zweiter Trägerteil
18 stirnseitige Wandung (Niederhalter)
19 stirnseitige Wandung (Matrize)
20 Elektromagnet
21 Spule (des Elektromagneten)
22 Kern (des Elektromagneten)
23 Kante (der Platine)
24 Flachspule
25 seitliche Wandung
26 weiterer Magnetfeldsensor
Next Patent: PARTIALLY TRANSLUCENT, CEMENT- OR POLYMER-BOUND CUT STONE SLABS