DE1573865C3 - Schaltungsanordnung zum Messen, Anzeigen und Überwachen von einander überlagerten Biege- und Zug- bzw. Druckbeanspruchungen an säulenförmigen Maschinenteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen, Anzeigen und Überwachen von einander überlagerten Biege- und Zug- bzw. Druckbeanspruchungen an säulenförmigen Maschinenteilen. Dabei werden die beiden um 90° gegeneinander versetzten Komponenten für die mechanische Zug- bzw. Druckbeanspruchung und die beiden um 90° gegeneinander versetzt angeordneten Komponenten für die Biegebeanspruchung mittels Dehnungsmeßstreifenrosetten in Brückenschaltung ermittelt und in nachgeschalteten Rechnereinheiten nach einer Rechenvorschrift verarbeitet. ' . .

Derartige kombinierte Beanspruchungen treten bei Anlagen des Maschinenbaues insbesondere in den Säulen von Schmiedepressen, besonders an Zweisäulen-Schmiedepressen mit diagonal zueinander angeordneten Säulen, auf. Das kommt dadurch, daß es beim Schmiedeprozeß unvermeidbar ist, daß das Schmiedestück auch außerhalb der Mitte der — beide Säulenmittelpunkte miteinander verbindenden —Diagonale bearbeitet wird. Die Verlagerung des Schmiedepunktes kann"sowohl in Richtung der Diagonalen als auch seitlich dazu außermittig erfolgen. Das ist beispielsweise dann, erforderlich, wenn das Schmiedestück seiner Größe und Form nach ein außermittiges Versetzen des Schmiedewerkzeuges verlangt, da sonst ein Bearbeiten des Schmiedestückes unmöglich ist. Diese außermittige Verlagerung des Schmiedepunktes hat in den Säulen der Schmiedepresse außerden auftretenden Zugbeanspruchungen sich diesen überlagernde Biegemomente und daraus resultierende Biegebeanspruchungen zur Folge, wodurch die beiden Säulen einer unterschiedlich großen Gesamtbeanspruchung ausgesetzt sind. Je nach Größe der Außermittigkeit des Schmiedepunktes ist es aber durchaus möglich, daß eine der Säulen oder auch beide Säulen über die zulässige Gesamtbeanspruchung hinaus belastet werden, was zur Beeinträchtigung der Schmiedepresse führen kann, indem eine der Säulen reißt oder im Vorstadium eine bleibende Verformung der Säule und damit Schaden an den Laufholmführungen auftreten. Es ist bereits bekannt, zur Messung der Spannung von kombinierten Zug-, Druckt und Scherbeanspruchungen Dehnungsmeßstreifenrosetten zu verwenden. Dabei wird die Größe und Richtung der Spannung festgestellt und deren Wert im Rechner ermittelt. Die einzelnen Dehnungsmeßstreifen sind in Brückengliedern zusammengeschaltet und geben eine der Beanspruchung proportionale elektrische Spannung im Anzeigegerät wieder (USA.-Patentschrift 2 731 198).

Weiter ist aus dem Kraftfahrzeugbau die digitale Messung von Spannungsverhältnissen an Karosserieteilen von Kraftfahrzeugen bekannt, wobei Dehnungsmeßstreifen auf der Karosserie befestigt werden. Die Signale der Zustandsänderung der Dehnungsmeßstreifen werden dabei mittels Oszillatoren aufgezeichnet. Dazu werden ebenfalls bereits Dehnungsstreifenrosetten in L- und T-Anordnung verwendet. Die Meßergebnisse werden in Rechnern ausgewertet (Kraftfahrzeugtechnik 1962, Heft 6, S. 242 bis 245).

Es ist auch bekannt, Dehnungsmeßstreifenrosetten in 0°-, 45°- und 90°-Anordnung zu verwenden, wobei das durch Spannungsbeeinflussung sich ergebende Signal gemessen und angezeigt wird (USA.-Patentschrift 2 447 517).

Schließlich ist auch die Anordnung von Dehnungsmeßstreifenrosetten an einem Stab bereits vorgeschlagen worden, wobei die Dehnungsmeßstreifen in Brückengliedern zusammengefaßt und die den Stab beanspruchenden Kräfte als elektrische Spannung angezeigt werden (USA.-Patentschrift 2 771 579).

Ausgehend von diesem Stand der Technik hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, den Anwendungsbereich der an sich bekannten Dehnungsmeßstreifenrosetten in Brückenschaltung dahingehend zu erweitern, daß diese zum Messen, Überwachen und Anzeigen der komplexen Belastungen von Pressensäulen an-

wendbar sind, so daß einerseits eine optimale Belastung der Presse möglich ist, andererseits jedoch eine überlastung der Pressensäulen mit Sicherheit vermieden wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird vorgeschlagen, in Anwendung auf hydraulische Schmiedeoder Strangpressen die Dehnungsmeßstreifenrosetten oder Wegaufnehmer in der gleichen Lage paarweise diametral zueinander in einer gemeinsamen horizontalen Ebene an jeder Säule derart anzuordnen,. daß die Paare von Biegemeßgliedern in um 90° zueinander versetzten Achsen liegen und die Paare von Biegemeßgliedern und Druck-, Zug-Meßgliedern je mit einer Vollbrückenschaltung derart verbunden sind, daß die zwei Paare von Biegemeßgliedern und das Paar von Druck-, Zug-Meßgliedern parallel zueinander mit einem Trägerfrequenzgenerator verbunden sind, in eine der Zuleitungen zu den Biögemeßgliedern ein Phasenschieber eingeschaltet ist, die Ausgänge der Voll-Brückenschaltungen für die Biegemeßglieder mit einem Rechner und die Vollbrückenschaltung für die Druck-, Zug-Meßglieder über einen weiteren Rechner _ mit dem einen Rechner verbunden sind, und dem wei- ')■' teren Rechner ein die Presse steuernder Grenzwertschalter zugeordnet ist.

Eine derartige Schaltungsanordnung von Dehnungsstreifenrosetten in Anwendung auf hydraulische Schmiede- oder Strangpressen hat den Vorteil, daß es nunmehr möglich ist, während des Pressens die aus den kombinierten Druck-, Zug- und Biegebeanspruchungen der Pressensäulen resultierenden Gesamtbelastungen laufend zu überwachen und eine Uberbeanspruchung der Pressensäulen mit Sicherheit zu verhindern. Damit ist eine optimale Ausnutzung der Leistung der Presse möglich, ohne Gefahr zu laufen, daß eine Zerstörung durch Brechen oder Reißen von einer oder mehreren Säulen eintritt.

Als weiteres Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung kann an Stelle des Trägerfrequenzgenerators eine Gleichspannungsquelle als Speisestation für die VoIlbrückenschaltungen vorgesehen werden. In die Ausgänge der Biegemeßglieder ist je ein Demodulator eingeschaltet, von denen das Meßsignal einem Koordinatenanzeiger oder einem Oszillographen zugeleitet ~\ wird. Das Meßsignal kann von den Ausgängen der Biegemeßglieder auch direkt einem Koordinatenanzeiger oder einem Oszillographen zugeführt werden.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß die an einer Stelle X₀ eines säulenförmigen, zylindrischen Bauteiles vorhandene Verteilung der in Längsrichtung χ liegenden Normalspannung a_x als Überlagerung einer über den Querschnitt konstanten Zug- oder Druckspannnung σ_χΝ infolge einer Längskraft JV und einer veränderlichen Biegespannung a_xM infolge eines Biegemomentes M aufgefaßt werden kann. Charakterisiert man die Biegespannung durch einen -Biegemomenten vektor 5Di, so kann bei den anstehenden Anwendungsfällen dieser Biegemomentenvektor bezüglich zweier senkrecht aufeinander stehender, in der Querschnittsebene liegender Achsen y und ζ eine beliebige Lage annehmen (vgl. Fig.7). Die gesuchte größte Gesamtspannung im Querschnitt X₀ ist dem Betragenach:

wobei W = Widerstandsmoment des säulenförmigen Bauteils, σ_χΝ = Zug- oder Druckspannung, 5Di = in der Querschnittsebene liegender Biegemomentenvektor, bezogen auf die Stelle X₀, ist. . / . ■. Γ

a_xmax ist die größte, in der Säule überhaupt auftretende Spannung, wenn die Stelle X₀ so gewählt wird, daß an ihr die Funktion 5Di (x) ein Maximum hat.

Den Vektor 5Di in Gleichung (1) kann man zerlegen

in zwei Komponenten M_y und M₂ in Richtung der y-

und z-Achsen. Nach dem Superpositionsprinzip kann man die Spannungsverteilung im Querschnitt X₀ nun-

mehr auch schreiben als: ._ - .·.;_. ..

= ^σχΝ H

My

Mz"

wobei J — Flächenträgheitsmoment des säulenförmigen Bauteils um eine Schwerpunktsachse ist.

Die in den Randfasern des kreisförmigen Querschnittes mit dem Radius b vorliegenden Biegespannungen _M - . _M

b =

^axMy —

M₁ J

wobei W das Widerstandsmoment des Säulenquerschnittes ist, lassen sich durch Dehnungsmeßstreifensysteme, die an den Schnittpunkten der y- und z-Achsen mit dem Querschnittsumfang fest angebracht werden, meßtechnisch leicht bestimmen. Dagegen ist es nicht möglich, ein Dehnungsmeßstreifensystem immer genau an der durch die wechselnde Richtung des Vektors 5Di gegebenen Stelle maximaler Beanspruchung anzuordnen. Wegen der aus F i g. 7 leicht ablesbaren Beziehung:

M\ +

und wegen (1) und (3) kann man schreiben:

= . Wx N\ +

My

Da die durch 5Di erzeugte Biegespannung sowohl als Zug- und als Druckspannung auftritt, kann" a_xmax eine Zug- oder Druckspannung sein, je nachdem, ob σ_χΝ eine Zug- oder Druckspannung ist. Für Uberwachungszwecke genügt die betragsmäßige Ermittlung der maximalen Spannung. Aufbauend auf dieser aus der Festigkeitslehre bekannten Tatsachen besteht die Erfindung in einer Schaltungsanordnung, um diese zusammengesetzten mechanischen Spannungen dem Betrage und der Lage nach zu ermitteln, anzuzeigen und zur überwachung der Maschinenteile hinsichtlich einer überlastung zu verwenden.... .: .

Durch zwei am Umfang eines säulenförmigen Kör^ pers in einer senkrecht zu dessen Längsachse angeordneten Schnittebene, wie in der F i g. 3 dargestellt, fest angebrachte Dehnungsmeßstreifensysteme, die paarweise einander gegenüberliegend in zwei um 90° zueinander durch die Längsachse verlaufenden Achsen liegen, können die Spannungen a_xMy und a_xMz bestimmt werden. Ebenso kann die Zug- oder Druckspannung σ_χΝ durch ein weiteres, an beliebiger Stelle am Umfang der Säule angebrachtes, entsprechend geschaltetes Dehnungsmeßstreifensystem gemessen werden. Die gesuchte größte Gesamtspannung | σ.,. _moJ kann dann durch eine elektronische Rechenschaltung ermittelt werden.

Schaltungen zur Lösung der Gleichung (4) sind in der Analogrechentechnik bekannt. Im Vergleich zu dem . Gesamtaufwand der Überwachungsanlage sind die Schaltungen zur Berechnung des Wurzelausdruckes jedoch relativ aufwendig. Für den sehr häufig vorkommenden Fall, daß die Größen a_xMy und a_xMz mit Hilfe von Trägerfrequenzmeßbrücken gemessen werden, gibt es erfindungsgemäß ein besonders einfaches Verfahren zum Lösen der Gleichung (4).

Betrachtet man die in zwei Trägerfrequenzmeßbrücken beim Messen der Größen a_xMy und a_xMz anstehenden Signale, so haben diese die Form:

O_xMy = O_xMy'COSwt, O_xMz - ä_xMz- COSWi,

(5)

wobei ω/2 π die Trägerfrequenz ist. Es ist nun möglich, die beiden Trägerfrequenzmeßbrücken zum Messen der Größen a_xMy und a_xMz so zu synchronisieren, daß die beiden Träger gegeneinander eine Phasenverschiebung von 90° haben; dann ist

= <*_xMy -CUSOJt,

= ö_xMz -sinwi.

Addiert man die beiden den Spannungen a_xMy und a_{x Mz} entsprechenden elektrischen Größen in der Gleichung (6) zu jedem beliebigen Zeitpunkt durch gewöhnliche Spannungsaddition, so ergibt sich wegen

^cos

^σχ Mz ^sm

'xMy

+ φ)

ein elektrisches Signal, welches nach Demodulation gerade der gesuchten maximalen Biegespannung a_bmax = Vc²XMy.+OxMz entspricht.

Die weitere Addition der Größe \σ_χΝ\ nach Gleichung (4) erfolgt mit den bekannten Hilfsmitteln der Analogrechentechnik. ■

Da es sich insbesondere bei Schmiedepressen um deren Säulen mit kreisförmigem Querschnitt handelt, an welchen diese Messungen und Überwachungen bezüglich der Gesamtbelastung durchgeführt werden sollen, ist die rechnerische Ableitung auf Säulen mit kreisförmigem Querschnitt bezogen worden. Sinngemäß können nach der Methode jedoh auch Belastungen an säulenförmigen Maschinenteilen mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt gemessen, angezeigt und zur überwachung der Maschine herangezogen werden.

Gemäß der Schaltungsanordnung wird vorgeschlagen, am Umfang einer quer zur Längsachse der säulenförmigen Maschinenteile verlaufenden Schnittebene, die an der Stelle des maximalen Biegemomentes 5Di (x) liegt, Meßpunkte paarweise einander gegenüberliegend und um 90° gegeneinander versetzt anzuordnen. Mittels dieser Meßpunktpaare wird aus zwei in Säulenlängsrichtung χ wirkenden Biegespannungskomponenten a_xMy und σ_χΜζ, worin a_xMy auf die y-Achse als Biegeachse und a_xMz auf die z-Achse als Biegeachse bezogen ist, die größte Biegespannung a_{b max} dem Betrage nach aus der Formel

Der Vorteil der Ermittlung der größten mechanischen Gesamtspannung a_xmax in den Säulen einer Schmiedepresse, insbesondere einer Zweisäulenschmiedepresse, ist der, daß damit von dem Steuermann direkt abgelesen werden kann wie hoch die Säulen beim Schmiedeprozeß bereits belastet werden und welche Reserve noch vorhanden ist, um die zulässige Gesamtbelastung a_xmaXtZul der Säulen voll auszunutzen. Damit ist vor allem die Gefahr der Uberlastung der Säulen und deren Reißen oder bleibendes Verformen als Folge einer überlastung ausgeschlossen.

In weiterer Ergänzung der Schaltungsanordnung

wird die Lage der größten Gesamtbiegespannung a_bmax auf dem Umfang der zylindrischen Säule aus der Beziehung tga = -⁵^ errechnet, wobei die Ver-.■■·■- · ■ o_xMz '... .... · ■·

bindungslinien von je zwei einander am Umfang gegenüberliegenden Meßpunkten eines jeden Meßpunktpaares die y- und die z-Achse bilden und der Win- kel α sich von der y-Achse aus im positiven Drehsinn erstreckt (F i g. 5). Die Bestimmung der Lage der größten Gesamtbiegespannung a_bmax hat den weiteren Vorteil, daß damit dem Steuermann auch die Richtung der Außermittigkeit des Angriffspunktes der Schmiedekraft angegeben wird und dementsprechende Maßnahmen veranlaßt werden können, um einen Schaden an der Schmiedepresse zu vermeiden. Das kann sowohl dadurch geschehen, daß das Schmiedestück auf dem Untersattel verschoben wird und das Schmiedewerkzeug am Oberholm, in eine andere Lage gebracht wird, sofern die Form des Schmiedestückes dieses erlaubt, oder aber die Schmiedekraft verringert wird.

Zur Ermittlung der Belastung von säulenförmigen

Maschinenteilen mit zylindrischem Querschnitt läßt sich die größte Gesamtspannung a_xmax dem Betrage nach errechnen, indem zunächst die Gesamtbiegebeanspruchung a_bmax mittels zweier gegeneinander um 90° phasenverschobener Trägerfrequenzen, die bezüglich Frequenz und Amplitude gleich groß sind, durch Modulation mit den beiden den mechanischen Biegespannungskomponenten a_xMy und σ_χΜζ entsprechenden elektrischen Signalspannungen aus der Beziehung

^{cos ωί} + o_xMz sin ωί

+ O_xMz COS(Wi + ψ)

errechnet. Die größte mechanische Gesamtspannung ^ax max ergibt sich dann dem Betrage nach rechnerisch aus der Summe der größten Gesamtbiegespannung der Zug- bzw. Druckspannung σ_χΝ.

ermittelt wird, wobei die Demodulation des letzten Signals die gesuchte Signalspannung für a_bmax liefert.

Der Betrag der Gesamtbiegebeanspruchung a_{b max} wird dann zum Betrag der mechanischen Druck- oder Zugspannung σ_χΝ derart addiert, daß eine weitere Trägerfrequenz mit dem der mechanischen Zug- oder Druckspannung entsprechenden elektrischen Signalspannung moduliert wird und die demodulierte, einer mechanischen Zug- oder Druckspannung a_xN entsprechende elektrische Signalspannung zu der der Gesamtbiegespannung a_bmax entsprechenden Signalspannung elektrisch addiert wird.

Zur Vereinfachung der Schaltung wird die der mechanischen Zug- bzw. Druckspannung σ_χΝ entsprechende elektrische Signalspannung einer der anderen beiden Trägerfrequenzen phasen- und amplitudengleichen Trägerfrequenz aufmoduliert. Damit kann ein für alle drei Meßwerte gemeinsamer Trägerfrequenzgenerator verwendet werden, wobei nur für die Messung einer Biegespannungskomponente ein Phasenschieber vorgesehen werden muß.

Auch ist, allerdings unter größerem Aufwand, bei den Meßverfahren die größte mechanische Gesamtspannung a_xmax dem Betrage nach zu errechnen, indem die Ermittlung der Gesamtbiegespannung a_bmax mittels zweier gleichspannungsgespeister Brückenschaltungen erfolgt. Dabei werden die den beiden mechanischen Biegespannungskomponenten a_xMy und a_xMz entsprechenden elektrischen Brücken-Null-Zweigspannungen abgegriffen und aus diesen nach der Beziehung | a_{b max}\ = yO¹XMy + oiiiz die Gesamtbiegespannung |a_bm J errechnet. Der Wert für \a_bmax\ wird zu der in gleicher Weise ermittelten Brücken-Null-Zweigspannung für die mechanische Zug- bzw. Druckspannung | a_x jy| addiert. Die Summe ergibt die Gesamtspannung |ff_xmax|.

Die Lage der größten Gesamtbiegespannung a_bmax am Umfang der Schnittebene des zylindrischen, säulenförmigen Maschinenteiles wird ermittelt und angezeigt, indem die beiden demodulierten, den beiden mechanischen Biegespannungskomponenten a_xMy und σ_χΜζ entsprechenden elektrischen Signalspannungen in an sich bekannter Weise einem Koordinatenanzeiger oder einem Oszillographen aufgegeben werden.

Nach einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Anzeige der Lage und Größe der am Umfang der Schnittebene des zylindrischen Körpers auftretenden mechanischen Gesamtspannung a_xmax mittels Koordinatenanzeiger oder Oszillograph derart, daß die mit Hilfe des aus der Beziehung

tga =
O_xMz

ermittelten Winkels α und des für die Zug- bzw. Druckspannung a_{x N} ermittelten Betrages aus der Projektion des Betrages für a_xft auf die y- und z-Achse ermittelten Werte σ^ und a_xNz zu den für a_xMz und o_x My errechneten Werten arithmetisch addiert werden, wobei a_xNy der auf die y-Achse projizierte Anteil von a_x j, und a_{x Nz} der auf die z-Achse projizierte Anteil von a_x jv ist. Die Summen a_xMz + σ^,,ωκίσ.^ + σ_χΝζ ergeben die beiden Gesamtspannungskomponenten ο χ max, y ^und o_xmax<z dem Betrage und der Lage nach.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt die Anzeige der Lage und Größe der am Umfang des zylindrischen Körpers auftretenden Gesamtspannung derart, daß auf dem Leuchtschirm eines Zweistrahlen Oszillographen innerhalb eines gewählten, abgebildeten Eichkreises, der den Radius T₁ — a_xmaXtZUi hat, ein darin abgebildeter Kreis mit dem Radius r₂ — o_{x maXt za}i ~ I σ_χΝ\ dem Betrage nach gebildet wird. Die mechanische Gesamtbiegespannung a_{b max} wird ihrem Betrage und ihrer Größe nach als Punkt dargestellt, wobei der Abstand r₃ des Punktes von dem Mittelpunkt des Leuchtschirmes die mechanische Gesamtbiegespannung o_bmax dem Betrage nach darstellt. Die Lage des Punktes auf dem Leuchtschirm gibt die Richtung der Gesamtbiegespannung σ,, „„, bezogen auf das durch die Meßpunktpaare festgelegte y-z-System, an. Der Abstand des Punktes von dem mit dem Radius r₂ gebildeten Kreis in radialer Richtung stellt die noch ausnutzbare Säulenbelastung σ dem Betrage nach dar.

Die Einrichtung besteht aus am Umfang einer quer zur Längsachse angeordneten Schnittebene eines zylindrischen Körpers befestigten, an sich bekannten Dehnungsmeßstreifen oder Wegaufnehmern als Meßglieder, die um 90° gegeneinander versetzt am Umfang angeordnet sind. Jeweils zwei einander am Umfang gegenüberliegende Meßglieder sind zu einem Paar in an sich bekannter Weise in drei Voll-Brückenschältungen derart zusammengeschaltet, daß zwei Brücken zur Ermittlung der Biegespannungskomponenten a_xMy und σ_χΜζ und eine Brücke zur Ermittlung der Zugoder Druckspannung a_xN dienen. Die elektrischen Nullzweigspannungen für a_xMy und a_xMz werden mit den zueinander um 90° phasenverschobenen, in der Frequenz und Amplitude gleich großen Trägerfrequenzen moduliert und verstärkt; es wird in einem Rechner nach der Funktion a_bmax = "i a\_My + o£_Mz der Wert für a_{b max} ermittelt, und es wird die Nullzweigspannung für σ_χΝ, nachdem diese ebenfalls mit einer weiteren, der Trägerfrequenz und Amplitude nach gleichen Trägerfrequenzen moduliert und verstärkt worden ist, in einem weiteren Rechner 7xia_bmax addiert. Dazu werden die Trägerfrequenzen der Einfachheit halber in einem gemeinsamen Trägerfrequenzgenerator erzeugt, und vor einer der Brückenschaltungen ist ein Phasenschieber angeordnet.

Die Brückenschaltungen können gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ebenfalls an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen werden, wobei, wie vorbeschrieben, die.Errechnung der Gesamtbiegespannung σ_ύφαχ aus der Funktion a_bmax

— F O²XMy + oImz ^und die Errechnung der größten

mechanischen Gesamtspannung a_xmax aus der Summe

von a_bmax und σ_χΝ erfolgt. ·

Zur Anzeige der Lage wird die modulierte, den einzelnen Biegespannungskomponenten a_xMy und a_xMz entsprechende Signalspannung je einem Demodulator und nachfolgend dem Koordinatenanzeiger oder Oszillographen zugeführt. Bei Verwendung von Gleichspannung werden die den einzelnen Biege-Spannungskomponenten a_xMy und a_xMz entsprechenden Signalspannungen direkt dem Koordinatenanzeiger oder Oszillographen zugeführt. Zur überwachung der Säulenbelastung und zum Schutz vor Überlastungen ist ein Grenzwertschalter vorgesehen, der die Maschine frühzeitig stillsetzt.

Die Erfindung wird "an Hand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Blockschaltung mit Trägerfrequenzeinspeisung, -

F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Blockschaltung mit Gleichspannungsspeisung, --.-,·

F i g. 3 die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen am Umfang eines säulenförmigen Maschinenteiles per-

spektivisch, -

Fig.4 die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen am Umfang des säulenförmigen Maschinenteiles in der Draufsicht,
F i g. 5 die Anzeige der Gesamtspannung a_xmax und deren Zerlegung in die Komponenten a_xmaXt]! unda_xmax\_z, - ■■■''■'-■'■■'.. _■""■■■'■

F i g. 6 die Anzeige der Werte für die verschiedenen Belastungen der Säule und die Darstellung der noch vorhandenen Belastungsreserve σ auf einem Zwei-Strahloszillographen und · .-^---...-.-,

F i g. 7 die Zerlegung des Momentenvektors ÜJi in seine Komponenten.

In den F i g. 1 und 2 ist je ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen, Anzeigen und überwachen von sich in einem säulenförmigen Maschinenteil, vorzugsweise mit kreisförmigem Querschnitt, einander überlagernden Zug- bzw. Druck- und Biegespannungen gezeigt.

309 521/150

^: In der F i g. 1 ist mit 1 ein Trägerfrequenzgenerator bezeichnet, der in Meßbrücken I, II und III in VoIlbrückenschaltung angeordneten Meßwiderständen Ια bis ld, Ha bis Hd und IIIα bis IIId eine Trägerfrequenz / von bestimmter Amplitude und Frequenz zuführt. Es ist auch möglich, jeder Meßbrücke eine gesonderte Gleichspannungsquelle zuzuordnen. Die Meßwiderstände sind Teile von Dehnungsmeßstreifenpaaren D₁ bis D₆, die paarweise einander gegenüberliegend am Umfang in einer senkrecht zur Längsachse eines säulenförmigen, zylindrischen Maschinenteiles S liegenden Ebene angeordnet sind (vgl. dazu F i g. 3 und 4). Die Dehnungsmeßstreifenpaare D₁ und D₂, D₃ und D₄ sowie D₅ und D₆ bilden je ein Meßpunktpaar. Jedes Dehnungsmeßstreifenpaar besteht aus einem Meßwiderstand α bzw. c, der die Längs-, und einem Meßwiderstand b bzw. d, der die Querkomponente einer Druck-, Zug- oder Biegebeanspruchung als Meßwert liefert. Die Dehnungsmeßstreifenpaare D₁, D₂ sind gegenüber den Dehnungsmeßstreifenpaaren D₃, D₄ um 90° versetzt am Umfang des Maschinenteiles S angeordnet. Die Dehnungsmeßstreifenpaare D₅, D₆ können beliebig zu den anderen Dehnungsmeßstreifenpaaren D₁ bis D₅ am Umfang des Maschinenteiles S zueinander diametral liegend, gegebenenfalls auch in der gleichen Lage wie die Dehnungsmeßstreifenpaare D₁ und D₂ oder D₃ und D₄, angeordnet sein.

Die Meßpunktpaare D₁, D₂ und D₃, D₄ messen die Biegespannungskomponenten, und zwar die Meßpunktpaare D₁, D₂ die Biegespannungskomponente a_xMy mit der Biegeachse y und die Meßpunktpaare D₃, D₄ die Biegespannungskomponente a_xMz mit der Biegeachse z.

Der Meßbrücke II ist ein Phasenschieber 2 vorgeschaltet, der die dieser Meßbrücke zugeführte Trägerfrequenz / um 90° phasenverschiebt. Die Meßbrücke I ermittelt in bekannter Weise durch Verändern der Meßwiderstände Ια bis Id infolge Veränderung des Brückengleichgewichtes durch Modulation der Trägerfrequenz mit der Spannungsänderung im Nullzweig die Signalspannung, die der Biegespannungskomponente e_xMy entspricht, und die Meßbrücke II ebenso die Biegespannungskomponente a_{x Mz}. Die in den Nullspannungszweigen der Meßbrücken I und II gebildeten modulierten Signalspannungen werden nach Verstärkung in einem Verstärker 3 a, 3 b einem elektronischen Rechner 4 zugeführt, der aus den beiden den Biegespannungskomponenten σ_{χ M}y und a_xMz entsprechenden elektrischen Signal-Spannungen nach der Beziehung

^c°s ω t +

sin ω t

= V O²XMy + O¹XMz COS (ωί + φ)

55

die Gesamtbiegespannung a_bmax dem Betrage nach ermittelt. Die der Gesamtbiegespannung a_bmax entsprechende elektrische Signalspannung und die von der Meßbrücke III über einen Verstärker 3 c zugeführte, der Zug- oder Druckspannung a_xN entsprechende elektrische Signalspannung werden einem weiteren elektronischen Rechner 5 zugeführt. In diesem Rechner werden die genannten Signalspannungen demoduliert, und aus der Addition von a_bmax und σ_χΝ wird die größte Gesamtspannung a_xmax dem Betrage nach errechnet.

Um die Gesamtbiegespannung a_bmax auch der Lage nach darzustellen, d. h. anzuzeigen, werden die den einzelnen Biegespannungskomponenten a_xMy und a_x Mz entsprechenden modulierten elektrischen Signalspannungen je einem Demodulator 7,8 zugeführt und anschließend auf den Leuchtschirm eines Koordinatenanzeigers 9 oder eines Oszillographen 10 gegeben.

Beim Koordinatenanzeiger werden in bekannter Weise die Beträge von a_xMy und <x,_Mz eingegeben, so daß als Resultierende die Gesamtbiegespannung a_bmax ihrem Betrage und ihrer Lage nach abzulesen ist. Beim Oszillographen 10 erscheint die Gesamtbiegespannung a_bmax als Punkt auf dem Leuchtschirm, der, bezogen auf den Mittelpunkt des Leuchtschirmes, die Gesamtbiegespannung a_bmax dem Betrage und seiner Lage nach darstellt.

In der F i g. 2 ist eine Gleichspannungsquelle 15 dargestellt, von der den Meßbrücken I, II und III (wie in Fig. 1 dargestellt) eine Gleichspannung U zugeführt wird. Die Brückenzweige I, II, III werden, wie in F i g. 1 bereits dargestellt, aus den Meßwiderständen Ια bis ld, Ha bis lld, lila bis HId der Dehnungsmeßstreifenpaare D₁, D₂, D₃, D₄, D₅, D₆ gebildet.

Die Dehnungsmeßstreifenpaare D₁ bis D₆ sind, wie in den F i g. 3 und 4 dargestellt und wie bereits beschrieben, an den Umfang des säulenförmigen, zylindrischen Maschinenteiles S angeordnet und bilden ebenso Meßpunktpaare Dx,D₂,D₃,D₄undD₅,D₆. Die Meßpunktpaare D₁, D₂ und D₃, D₄ messen wiederum die Biegespannungskomponenten a_xMy, a_xMz-, ^und zwar die Meßpunktpaare D₁, D₂ die Biegespannungskomponente a_x My mit der Biegeachse y und die Meßpunktpaare D₃, D₄ die Biegespannungskomponente σ_χ Mz mit der Biegeachse z. Die Meßpunktpaare D₅, D₆ messen die Zug- oder Druckspannung a_{x N}.

Durch die von den verschiedenen Biegespannungskomponenten bzw. von der Druck- oder Zugspannung hervorgerufenen Widerstandsänderungen in den einzelnen Meßwiderständen werden der in den Zweigen der Meßbrücken I, II und III fließende Strom und damit das elektrische Brückengleichgewicht verändert, so daß an dem Nullzweig der Meßbrücken I, Hj III eine Signalspannung entsteht, welche gegebenenfalls nach Verstärkung in Verstärkern 16a, 16b und 16c Rechnern (oder Mischern) 17 und 18 zugeführt wird. Wie bereits zu der Fig.2 beschrieben, geben die Meßbrücken I und II die den Biegespannungskomponenten a_x My und c_x Mz entsprechende Signalspannungen ab, welche einem Rechner 17 zugeführt werden, in welchem nach der Beziehung a_bmwc = Y a_xMy + O_xMz die größte Gesamtbiegespannung errechnet wird. Der für a_bmax ermittelte Wert wird in den weiteren Rechner 18 mit der auf die gleiche Weise in der Brückenschaltung III ermittelten, der Druck- oder Zugspannung a_xN entsprechenden Signalspannung eingegeben, und es wird die Summe aus beiden Werten gebildet, die dem Betrage nach der größten Gesamtspannung a_xmax entspricht.

Zur Darstellung der Lage der größten Gesamtbiegespannung a_bmax wird die in den Meßbrücken I und II im Nullzweig abgegriffene Signalspannung in bekannter Weise dem Koordinatenanzeiger oder dem Oszillographen, wie bereits beschrieben und in F i g. 1 im Prinzip dargestellt, zugeführt und angezeigt.

Das Anzeigen der Lage und Größe der am Umfang eines säulenförmigen Maschinenteiles S auftretenden mechanischen Gesamtspannung a_xmax mittels Koordinatenanzeiger oder Oszillograph kann auch derart erfolgen, daß mit Hilfe des aus der Beziehung

tga =

^σχΜζ

errechneten Winkels α und des für die

Zug- bzw. Druckspannung σ_χΝ ermittelten Betrages aus der Projektion des Betrages für σ_χΝ auf die y- und z-Achse die ermittelten Werte a_xNy und σ_χΝζ zu den für a_xMz und a_xMy errechneten Werten arithmetisch addiert werden und die Beträge für die Summen aus σ_χ Mz ^und °xNy sowie aus a_xMy und a_xNz auf das Anzeigegerät gegeben werden. In der F i g. 5 ist diese Ermittlung zeichnerisch mit der rechnerischen Ableitung des für die Berechnung der Komponenten

^ax max, y

und

der Gesamtbeanspruchung a_x

erforderlichen Winkelbeziehungen dargestellt.

In der F i g. 6 ist die Anzeige der Lage und Größe der am Umfang des säulenförmigen Maschinenteiles S auftretenden Gesamtspannung a_xmax auf dem Leuchtschirm 20 eines an sich bekannten Zweistrahloszillographen dargestellt. Mit r_x ist der Radius des fest auf dem Oszillographenschirm aufgezeichneten Eichkreises mit dem Mittelpunkt 0 bezeichnet; der Radius η. entspricht der zulässigen Gesamtspannung a_xmaxzui. Ein weiterer, von dem einen Strahl des Oszillographen gezeichneter Kreis mit dem Radius r₂ gibt dem Betrage nach c_xmax<zul abzüglich der Zug- oder Druckspannung σ_χΝ an. Die mechanische Gesamtbiegespannung a_bmax wird als Punkt P auf dem Leuchtschirm 20 dargestellt, wobei der Radius r₃ der Gesamtbiegespan-

nung a_bmaxdem Betrage nach entspricht und außerdem mit seiner Richtung die Lage der Stelle maximaler Beanspruchung angibt. Die Strecke α entspricht der Zug- oder Druckspannung σ_χΝ, und die Strecke O₁, welche den radialen Abstand des Punktes P von dem Kreis mit dem Radius r₂ = <*_xmax<zul~\a_xN\ darstellt, zeigt dem Betrage nach die noch freie ausnutzbare ' Säulenbelastung an.

Das Signal für die Gesamtbiegespannung a_bmax

ίο oder für die Gesamtbelastung a_xmax wird bei Erreichen einer bestimmten Größe, bezogen auf die zulässige Gesamtbiegespannung a_bmaXiZul oder auf die zulässige Gesamtbelastung a_xmaXyZul, dazu verwendet, um die Maschine, in diesem Fall eine Schmiedepresse, vor Überlastung der Säulen S mittels Grenzwertschalters 11 abzuschalten, indem beispielsweise die Druckmesserzufuhr zum Preßzylinder unterbrochen oder vor Erreichen der zulässigen Gesamtbelastung ein Notsignal gegeben wird und der Steuermann die Schmiedepresse stillsetzt, oder die Signale werden dazu benutzt, die Maschine auf Rückzug zu schalten und damit zu entlasten.

Die sinngemäße Anwendung der Schaltungsanordnung kann auf Säulen mit quadratischen oder recht- eckigen Querschnitten bezogen werden, wozu lediglich die diesen Querschnitten entsprechenden Rechengrößen einzusetzen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Messen, Anzeigen und Überwachen von einander überlagerten Biege-Zug- bzw. Druckbeanspruchungen an säulenförmigen Maschinenteilen, wobei die beiden um 90° gegeneinander versetzten Komponenten für die mechanische Zug- bzw. Druckbeanspruchung und die beiden um 90° gegeneinander versetzt angeordneten Komponenten für die Biegebeanspruchung mittels Dehnungsmeßstreifenrosetten in Brücken^ schaltung ermittelt und in nachgeschalteten Rechnereinheiten nach einer Rechenvorschrift verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß in Anwendung auf hydraulische Schmiedeoder Strangpressen die Dehnungsmeßstreifenrosetten oder Wegaufnehmer in der gleichen Lage paarweise diametral zueinander in einer gemeinsamen horizontalen Ebene an jeder Säule (S) angeordnet sind, daß die Paare von Biegemeßgliedern in um 90° zueinander versetzten Achsen liegen und die Paare von Biegemeßgliedern und Druck-Zug-Meßgliedern je mit einer VoU-Brückenschaltung (I, II, III) derart verbunden sind, daß die zwei Paare von Biegemeßgliedern (D₁, D₂ und D₃, D₄) und das Paar von Druck-Zug-Meßgliedern (D₅, D₆) parallel zueinander mit einem Trägerfrequenzgenerator (1) verbunden sind, in eine der Zuleitungen zu den Biegemeßgliedern (D₁, D₂ oder D₃, D₄) ein Phasenschieber (2) eingeschaltet ist, die Ausgänge der Voll-Brückenschaltungen (I, II) für die Biegemeßglieder (D₁ bis D₄) mit einem Rechner (4) und die Voll-Brückenschaltung (III) für die Druck-Zug-Meßglieder [D₅, D₆) über einen weiteren Rechner (5) mit dem Rechner (4) verbunden sind und dem weiteren Rechner (5) ein die Presse steuernder Grenzwertschalter (11) zugeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Speisestation für die Voll-Brückenschaltungen (I, II, III) eine Gleichspannungsquelle vorgesehen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ausgänge der Biegemeßglieder (D₁, D₂ bzw. D₃, D₄) je ein Demodulator (7 bzw. 8) eingeschaltet ist, von denen das Meßsignal einem Koordinatenanzeiger (9) oder einem Oszillographen (10) zugeleitet wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal von den Ausgängen der Biegemeßglieder (D₁, D₂ bzw. D₃, D₄) direkt einem Koordinatenanzeiger (9) oder einem Oszillographen (10) zugeführt wird.