SCHNEIDER, Jochen (Rostockerstrasse 23, Ober-Ramstadt, 64372, DE)
OTTER, Daniel (Zelglistrasse 23B, Brütten, CH-8311, CH)
SCHAFFNER, Georges (Hostet 8, Hittnau, CH-8335, CH)
THIEL, Rolf (Bürglistrasse 20, Winterthur, CH-8400, CH)
KIRCHHEIM, Andreas (Rebbergstrasse 22, Pfungen, CH-8422, CH)
SCHNEIDER, Jochen (Rostockerstrasse 23, Ober-Ramstadt, 64372, DE)
OTTER, Daniel (Zelglistrasse 23B, Brütten, CH-8311, CH)
SCHAFFNER, Georges (Hostet 8, Hittnau, CH-8335, CH)
THIEL, Rolf (Bürglistrasse 20, Winterthur, CH-8400, CH)
| Patentansprüche 1. Elektromechanisches Fügemodul zum Aufbringen einer linearen Kraft auf einen Fügekörper, umfassend einen Stator (2), welcher den feststehende Teil des Fügemoduls darstellt, einen aus dem Stator (2) linear ausfahrbaren Stössel (3) mit einem äusseren Stösselende (4), sowie einen Kraftaufnehmer (5) zum Erfassen von Kräften, welche im Betrieb vom Stösselende (4) auf den Fügekörper aufge- bracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (5) im Bereich des Stösselendes (4) angebracht ist und über eine Sensorelektronik (7) verfügt zum kabellosen Übertragen von Messdaten mittels Nahfeld- oder Fernfeld- telemetrie . 2. Fügemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (5) ein piezoelektrischer Kraftsensor ist oder einen Dehnmessstreifen umfasst. 3. Fügemodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektronik (7) einen Datenspeicher (14) umfasst zum Speichern von messrelevanten Daten. 4. Fügemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Wegsensor (15) zum Erfassen eines Stösselweges oder einer Stösselposition. 5. Fügemodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor (15) im Gebrauch den Abstand zu einem Fügekörper ermitteln kann, auf den das Fügemodul eine Kraft ausübt . 6. Fügemodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor (15) ein inkrementeller, induktiver oder optischer Sensor ist. 7. Fügemodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektronik (7) mit einer Stösselspule (8) verbunden ist, welche sich über den gesamten ausfahrbaren Bereich des Stössels (3) er- streckt, wobei der Stator (2) nahe der Stösselspule (8) über eine Statorelektronik (9) verfügt zum kabellosen Versorgen der Sensorelektronik (7) mit Energie und zum Empfangen der Messdaten mittels Nahfeld-Telemetrie. 8. Fügemodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stösselspule (8) in einer Nut (10) im Stössel (3) angeordnet ist. 9. Fügemodul nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorelektronik (9) eine oder mehrere Speisespulen (11) umfasst, welche ein Magnet- Wechselfeld erzeugen können zum induzieren einer Spannung in der Stösselspule (8) für die Energieversorgung der Sensorelektronik (7). 10. Fügemodul nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorelektronik (9) über eine Empfangsspule oder eine Empfangsantenne (12) verfügt zum Empfangen von erfassten Messwerten und/oder weiterer Informationen wie Status der Sensorelektronik, Messbereich, Skalierinformationen und/oder Kalibrierdaten. 11. Fügemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Sensorelektronik (7) über ein Sendemodul verfügt zum Übertragen der Messdaten mittels Fernfeldtelemetrie . 12. Fügemodul' nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektronik (7) einen Akkumulator umfasst. |
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Elektromechanisches Fügemodul zum Aufbringen einer linearen Kraft auf einen Fügekörper, umfas- send einen Stator, welcher den feststehenden Teil des Fügemoduls darstellt, einen aus dem Stator linear ausfahrbaren Stössel mit einem äusseren Stösselende, sowie einen Kraftaufnehmer zum Erfassen von Kräften, welche im Betrieb vom Stösselende auf den Fügekörper aufgebracht werden. Stand der Technik
Elektromechanische Fügemodule sind Elektromotoren; welche mittels eines Stössels eine linear ausgerichtete Kraft auf einen Fügekörper aufbringen. Verbreitet sind insbesondere Fügemodule für Montageprozessen, bei welchen formschlüssige Verbindungen hergestellt werden. Ein solches Fügemodul ist beispielsweise aus der DE 19721072 bekannt. Diese Schrift geht allerdings nicht auf Kraftmessungen ein.
Solche Fügemodule verfügen manchmal über Kraftmesseinrichtungen, welche die vom Fügemodul auf einen Fügekörper aufge- brachte Kraft messen. So erfasste Messdaten werden für die Steuerung der Prozesse und/oder für die Qualitätsüberwachung gebraucht.
Bei den bekannten Fügemodulen wird die Kraft meist im Gehäuse des Fügemoduls erfasst. Dabei ist die Genauigkeit aufgrund der Lagerreibung, der Kraftnebenschlüsse sowie der trägen Masse der bewegten Teile eingeschränkt. Alternativ kann ein Kraftaufnehmer am Fügekörper integriert werden. Die Kabelver- bindung zum Kraftaufnehmer ist aber mechanisch aufwendig und störanfällig und die Lebensdauer dieser Kabelverbindung ist stark eingeschränkt.
Aus der EP 1057586 ist ein Werkzeug für dir Umform- Stanz- und Spritzgusstechnik bekannt, bei dem ein Kraftsensor in der Funktionsoberfläche des Werkzeuges eingebettet ist. Dies ist geeignet, um Verschleissparameter am Werkzeug zu ermitteln, nicht aber die Kraft beim Fügen als Gesamtes zu messen. Dazu soll speziell vermieden werden, dass der Sensor Teil der Funktionsfläche ist, um Messfehler aufgrund von lokalen Inhomogenitäten zu vermeiden. Zudem beschreibt diese Schrift keine Aktorik, mit der das Werkzeug bewegt und mit der auf das Werkzeug Kraft aufgebracht wird. Somit ist auch nicht beschrieben, wie die Messdaten von einem Fügekörper auf einen sich dazu linear bewegenden Stator übertragen werden.
In der DE 10251387 wird eine Pressvorrichtung beschrieben, welches einen Drehmomentsensor umfasst. Bei diesem ist die Bewegung zwischen dem beweglichen Teil und dem stationären Teil eine Rotation, wodurch der Abstand zwischen beiden Kom- ponenten quasi konstant bleibt. Dies ist ein typisches Fügemodul, wie es schon lange bekannt ist. Mit dem Drehmomentsensor wird indirekt über die Spindelsteigung die Kraft auf das Werkzeug ermittelt. Unbekannte, variable Reibkräfte der Spindel führen zu grosseren Messfehlern. Da sich der Sensor nicht translatorisch bewegt, ist eine Telemetrie-Übertragung der Messdaten unproblematisch.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektromecha- nisches Fügemodul eingangs angegebener Art zu nennen, bei welchen Kraftmessungen der Stösselkräfte mit verbesserter Genauigkeit durchgeführt werden können, wobei die Messvorrichtung für eine lange Lebensdauer ausgelegt sein soll und eine grosse Zahl an Bewegungszyklen unbeschadet und ohne Quali- tätsminderung überstehen kann. Zudem soll das Fügemodul mit der Messvorrichtung einen einfachen Aufbau aufweisen und wartungsarm sein sowie kundenspezifische Anpassungen ohne Zu- satzaufwand ermöglichen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Kraftaufnehmer im Bereich des Stösselendes angebracht ist und über eine Sensorelektronik verfügt zum kabellosen Übertragen von Messdaten mittels Nahfeld- oder Fernfeldtelemetrie .
Für die Übertragung mit Nahfeldtelemetrie ist die Sensorelektronik erfindungsgemäss mit einer Stösselspule verbunden, welche sich über den gesamten ausfahrbaren Bereich des Stös- sels erstreckt. Der Stator verfügt nahe der Stösselspule über eine Statorelektronik zum kabellosen Versorgen der Sensorelektronik mit Energie und zum Empfangen der Messdaten mittels Nahfeldtelemetrie . Einer der Vorteile eines erfindungsgemässen Fügemoduls ist die hohe Genauigkeit der damit durchführbaren Kraftmessung, da keine Fehlereinflüsse durch Lagerreibung, Kraftnebenschlüsse und träge Masse wirken können. Das Kraftmesssystem ist wartungsfrei und die Lebensdauer ist weitgehend uήabhän- gig von der Anzahl an Lastzyklen.
Insbesondere ist diese Anordnung einfach zu realisieren und kann auch in einer Umgebung eingesetzt werden, wo Fernfeldte- lemetrie wegen einer Strahlenbelastung der Umgebung Probleme bereiten könnte. Beide Lösungen bieten aber den Vorteil, dass keine störenden Kabel im Weg sind, die allenfalls beschädigt werden könnten und dass die Kräfte unverfälscht im Bereich - A - des Stösselendes aufgenommen werden, nahe der Kraft auftretenden Flächen, ohne Kraftnebenschlüssen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsge- mässen Fügemoduls in (a) eingefahrenem Zustand und (b) in ausgefahrenem Zustand; Fig. 2 eine erfindungsgemässe schematische Darstellung des
Fügemoduls im Bereich des Stössels in ausgefahrenem Zustand;
Fig. 3 eine Darstellung des erfindungsgemässen Stössels
(a) mit Stösselspule und (b) eine Detailansicht der Stösselspule;
Fig. 4 einen Querschnitt des Stössels im Bereich der Statorelektronik;
Fig. 5 eine Detailansicht von Fig. 4 im Bereich von Stösselspule, Speisespule und Empfangsspule. Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Fig. 1 zeigt ein elektromechanisches Fügemodul 1 umfassend einen Stator 2, der einen feststehenden Teil des Fügemoduls 1 darstellt, und einen Stössel 3, der in einer linearen Richtung aus dem Stator 2 ausgeführt werden kann. Fig. Ia zeigt das Fügemodul 1 im eingefahrenen Zustand, Fig. Ib in einem Zustand mit ausgefahrenem Stössel 3.
Der Stössel 3 hat ein äusseres Ende 4, an dem eine Werkzeugaufnahme 6 angebracht sein kann. Erfindungsgemäss befindet sich im Bereich des Stösselendes 4 ein Kraftaufnehmer 5, der die Kraft messen kann, die im Gebrauch vom Stösselende 4 her wirkt. Dieser Kraftaufnehmer 5 verfügt über eine Sensorelektronik 7 zum kabellosen Übertragen von Messdaten mittels Nahfeld- oder Fernfeldtelemetrie. Im Folgenden wird in den Fig. 2-5 die Übertragung mittels Nahfeldtelemetrie beschrieben.
Fig. 2 zeigt einen ausgefahrenen Stössel 3 in einem Stator 2 des Fügemoduls 1 mit Kraftaufnehmer 5, der erfindungsgemäss am Stösselende 4 angebracht ist, in dieser Darstellung zwi- sehen Werkzeugaufnahme 6 und Stössel 3.
Erfindungsgemäss verfügt der Kraftaufnehmer 5 über eine Sensorelektronik 7 zum kabellosen Übertragen von Messdaten mittels Nahfeldtelemetrie. Diese Sensorelektronik 7 ist mit einer Stösselspule 8 verbunden, welche sich über den gesamten ausfahrbaren Bereich des Stössels 3 erstreckt. Vorzugsweise ist diese Stösselspule 8 in einer Nut 10 im Stössel 3 angeordnet. Der Stator 2 verfügt nahe der Stösselspule 8 über eine Statorelektronik 9 zum kabellosen Versorgen der Sensorelektronik 7 mit Energie und zum Empfangen der Messdaten mit- tels Nahfeld-Telemetrie.
Diese Statorelektronik 9 umfasst in' dieser erfindungsgemässen Anordnung eine oder mehrere Speisespulen 11, welche ein Magnet-Wechselfeld erzeugen können. So wird eine Spannung in der Stösselspule 8 induziert, wodurch die Sensorelektronik 7 mit Energie versorgt wird. Zudem können auf diesem Weg auch sen- sorrelevante Daten zur Sensorelektronik 7 geschickt werden, welche für die Messung mittels Kraftaufnehmer 5 verwendet werden, wie beispielsweise die Empfindlichkeit des Sensors. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn die Sensorelekt- ronik 7 einen Datenspeicher 14 umfasst zum Speichern von solchen messrelevanten Daten.
Zudem verfügt die Statorelektronik 9 über eine Empfangsspule oder eine Empfangsantenne 12 zum Empfangen von erfassten Messwerten und/oder weiterer Informationen wie Status der Sensorelektronik, Messbereich, Skalierinformationen und/oder Kalibrierdaten.
Fig. 3a zeigt einen erfindungsgemässen Stössel 3 mit Stössel- spule 8, wobei Fig. 3b in detaillierter Darstellung die Stös- selspule 8 in der Nut 10 angeordnet zeigt. In dieser Darstel- lung in Fig. 3b ist die Statorelektronik 9 in einem mittleren Bereich des Stössels 3 dargestellt, die Stösselspule 8 überlappend.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt des Stössels 3 im Bereich der Statorelektronik 9. Aus dieser Darstellung geht hervor, dass die Statorelektronik 9 mit der oder den Stator-Speisespulen 11 nahe der Stösselspule 8 angeordnet ist, unabhängig von der Stösselposition. Fig. 5 ist eine Detailansicht der Fig. 4 im Bereich der Spulen. Die Darstellung zeigt die nahe gegenüber liegenden, berührungslos angeordneten Primär- und Sekundär- Wicklungen, namentlich die Stator-Speisespule 11 und die Empfangsspule 12 als Primärwicklungen und die Stösselspule 8 auf dem Stössel 3 als Sekundärwicklung.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Messwerte durch e- lektromagnetische Kopplung über einen modulierten Träger mit- tels Phasen-Modulation (PSK-Modulation) von der Stösselspule
8 auf die Empfangsspule 12 zu übertragen, wobei ein Träger von ca. 13.56 MHz oder ca. 27.1 MHz verwendet wird. Neben den Messwerten können weitere Statusinformationen von der Sensorelektronik 9 zum Stator 2 übertragen werden, wie Informationen über den Kraftsensor, Messbereiche, Skaleninformationen, Kalibrierdaten etc. Die Daten werden bevorzugt digitalisiert übertragen.
Für die Energieübertragung wird eine Trägerfrequenz von 119 bis 135 kHz genutzt. Die Signale für die Energieübertragung können auch moduliert werden, um Steuerinformationen an die Sensorelektronik 9 zu übertragen. Als Modulationsverfahren wird ebenfalls eine Phasen-Modulation (PSK-Modulation) verwendet. Zur Anpassung der übertragenen Leistung wird die Trägerfrequenz am Stator im Bereich von 119 bis 135 kHz verändert. In einer bevorzugten Ausführung ist der Kraftaufnehmer 5 ein piezoelektrischer Kraftsensor.
Insbesondere kann das erfindungsgemässe Fügemodul 1 zusätzlich einen Wegsensor 15 aufweisen zum Erfassen eines Stössel- weges oder einer Stösselposition. Dieser kann im Gebrauch beispielsweise den Abstand zu einem Fügekörper ermitteln, auf den das Fügemodul eine Kraft ausübt. Vorzugsweise kann der 'Wegsensor 15 ein inkrementeller, induktiver oder optischer Sensor sein.
Alternativ zur Nahfeldtelemetrie kann das erfindungsgemässe Fügemodul 1 mit einer Sensorelektronik 7 versehen sein, welche über ein Sendemodul verfügt zum Übertragen der Messdaten mittels Fernfeldtelemetrie. In diesem Fall sollte die Sensorelektronik 7 einen Akkumulator umfassen. Dieser Akkumulator kann beispielsweise ebenfalls vom Stator aus geladen werden, beispielsweise .wenn der Stössel 3 ganz eingefahren ist, mittels entsprechend daran angebrachten Kontakten. Möglich wäre auch ein regelmässiger Austausch des Akkumulators. Der Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass die Messdaten direkt an eine Auswerteeinheit an einem beliebigen Ort geschickt werden können zur weiteren Verarbeitung und/oder zur Steue- rung des Fügemoduls 1, ohne dass von diesem Messdaten zu einer Steuereinheit weiter geleitet werden müssen.
Bezugszeichenliste
1 Fügemodul
2 Stator
3 Stössel
4 Stösselende
Kraftaufnehmer
6 Werkzeugaufnahme
7 Sensorelektronik
8 Stösselspule
9 Statorelektronik
10 Nut
11 Speisespule
12 ' Empfangsspule oder Empfangsantenne
14 Datenspeicher
15 Wegsensor