发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于在设置(set-up)和操作期间测量在压制设备中的工具未对准的系统。在下文中，术语压制设备也涉及压制机、模制机(moldingmachine)或类似设备。特别地，该系统具有足够的稳健性(robust)以耐受油性气氛和清洁剂，并且可以被用于以高加速度和速度、以及高冲程频率操作成形或压制工具。本发明的另一个目的是提供一种系统，该系统不仅可以高精度地确定引导装置的形变，而且可以检测形变的方向。

这些问题由一种用于测量压制设备中的工具的未对准的系统解决，其中工具至少包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部分能够通过引导装置以被引导的方式相对于彼此移动，引导装置包括设置在第一部分中的至少一个导柱，至少一个导柱在设置于第二部分中的导套中被引导，系统包括设置为检测工具的未对准的测量装置，测量装置被直接安装在引导装置处。

根据本发明，这些问题通过一种用于测量在压制设备中使用的标准件的未对准的系统来解决。在下文中，术语标准件(standard part)表示诸如导柱和导套的引导装置，其用于引导压制设备中的工具，例如冲压工具或注塑模具。这些引导装置不仅在工具内执行引导，而且对工具的动态行为施加相当大的影响，特别是配置为冲模(die)和/或凹模(matrix)的工具。诸如冲模倾斜的问题(其中，压制设备的冲模的轴线与凹模的轴线不再对准)可能有不同的原因。例如，多个工具、特别是工具的多个部分未被安装成彼此叠合，导致导柱的应力和偏转。此外，在工具的操作过程中也可能出现问题，例如由于侧隙(backlash)或由于热效应而可能导致叠合的偏差的问题，以及由于沿着冲压工具长度的不均匀冲压力或由于工具的其中一个部分的倾斜而导致的问题。由于冲模机(die press)或模压机(moldpress)会由于老化而显现出一定量的引导间隙，因此工具半部不再彼此叠合，因而在操作过程中可能会导致导柱的弯曲。根据本发明的系统被配置为测量和监测诸如偏转、形变和/或偏差的未对准，例如，相对于直接在引导装置处、特别是在压制设备中的导柱和/或导套处的矩形度的未对准。此外，该系统也适于测量导柱的表面温度以及偏转、形变和/或偏差的方向。因此，该测量装置被安装在引导装置处，特别是在导柱处，其中测量装置可以以固定的方式安装、或在替代性实施例中是可释放的。

已知几种类型的测量装置，其包括多种类型的嵌入或附接到结构的传感器，以便检测和监测形变、偏转或未对准(优选地在早期阶段)，使得可以及时干预以避免进一步的损坏。用于这些目的的已知装置为应变仪传感器、压电传感器和光纤传感器。

根据本发明的用于测量压制设备中工具的未对准的系统包括测量装置，以监测偏转、形变和/或偏差、以及应力和/或温度，该测量装置直接安装在引导装置处，特别是在导柱处。根据本发明的一个实施例，从至少一个导柱的自由端提供纵向孔，该纵向孔优选地被配置为与导柱的纵向轴线同轴的盲孔或通孔。纵向孔被配置为容纳测量装置，其中纵向孔的直径d1相较于导柱的直径较小。特别地，纵向孔的直径d1在0.1mm至10.0mm的范围内。

一种合适的测量装置是带有表面应力感测元件的应变计。通常，应变计包括薄的金属图案或半导体，当其形变时电阻、电容等会明显变化。形变通常被认为是应变的测量(measurement，度量)，因此也是施加到应变计所附接的结构上的力的测量。应变计传感器被设置在结构上以执行应力变化的精确的且可再现的(reproducible)测量，并且已知为用于测量例如加速度、压强、拉伸(tension)和力。已知不同类型的应变计，诸如半导体应变计、纳米颗粒应变计和/或电容性应变计、以及沿着光纤测量应变的光纤传感(fiber opticsensing)。

根据本发明的一个实施例，测量装置被配置为应变计传感器，其中至少一个应变计被附接到柱形基底(pillar shaped substrate)以形成该传感器，该柱形基底可以被容纳在至少一个导柱的纵向孔中。柱形基底和至少一个应变计可以使用适当的技术被制成为一件。但是，它们可以被单独地制造，然后通过焊接、粘合或其他已知的技术彼此连接。此外，柱形基底可以被配置为柔性柱体(cylinder)并且可以被定位在至少一个导柱的纵向孔中的任何适当的位置。有利的是，柱形基底可以被配置为具有比导柱低的刚度，特别地，该刚度大约比导柱的刚度低至少一个数量级。因此，导柱的形变被传递到该基底而没有阻力(resistance)或损失。优选地，柱形基底被配置为柱体，该柱体从纵向孔的顶部延伸至底部，特别是从导柱的自由端延伸至盲孔的端部、或其在工具的第一部分和/或第二部分中的轴承。应变计传感器通过保持装置固定地安装在导柱的纵向孔中，特别是在导柱的顶端或自由端以及特别是导柱的底部的相对端上。保持装置可以被提供为螺纹、夹持装置、粘合剂等。

应变计可以被设计为印制的(printed)、沉积的或激光结构的(laser-structured)应变计。在应变计传感器的一个实施例中，用于导电材料的3D打印技术(3Dprinting technology)被用于印制应变计传感器。通过直接在基底材料上印制传感器结构，可以实现高的设计自由度和灵活性。

适当的沉积方法包括在传感器的柱形结构的基底表面上施加沉积掩模(deposition mask)，以及在由沉积掩模中的孔所暴露的基底表面的至少一部分上沉积应变计材料，该应变计材料具有随应力变化的电阻。沉积可以通过化学气相沉积和/或物理气相沉积来进行。沉积方法可以使用激光图案化的掩模、以及介电材料和溅射导电膜(sputtered conductive film)的气相沉积层，以便在具有不同成分的基底表面上制造高灵敏度的应变计。

应变计也可以通过激光材料去除均质(homogenous)导电膜来制造，其中在第一步骤中，导电膜被均质地沉积在基底表面上，例如通过真空沉积。在接下来的步骤中，导电材料被去除，使得测量结构在其之间形成有绝缘材料。

为了精确地检测电阻的变化，已知的是以桥式布置(bridge arrangement)连接四个应变计并测量中心端子(terminal)之间的差分电压。优选地，至少两个应变计传感器被附接到柱形基底的相对侧，柱形基底被容纳于经受弯曲力的至少一个导柱中的纵向孔中，使得相对的对(opposite pairs)处于压缩或拉伸状态，从而为给定的应变提供最大差分电压。在一些情况下，可能有必要考虑温度对金属导体的电阻的影响，例如作为误差因子，或提供所有应变计和/或应变计传感器的特定(certain)配置。

使用应变计传感器作为测量装置具有一些主要优点，例如，这些传感器及其应用是最新技术，因此可以一种简单的方式建立起来，无需或只需考虑很少的尺寸限制，这些传感器的制造并不昂贵，并且在传感器设计方面提供了高灵活性、以及在几乎任何表面上印制这些感测元件的可能性。

在根据本发明的另一实施例中，插入到至少一个导柱中的纵向孔中的测量装置被配置为电容传感器。电容传感器包括具有第一端面的第一柱体和具有第二端面的第二柱体，该第一柱体和第二柱体插入到纵向孔中并且通过保持装置分别固定至导柱的端部，使得第一端面和第二端面以预定距离彼此平行地定向。优选地，第一端面和第二端面是通过将柱体斜对地(diagonally)切割成第一柱体和第二柱体而产生，这使得端面的面积以及电容传感器的容量增大。第一柱体和第二柱体代表电容的板，特别是例如金属或导电聚合物的两个导电元件，其由诸如液体、气体(例如空气)、或固体的电介质彼此分开很短的距离。由于配备有电容传感器的至少一个导柱因外力引起的形变，两个导电元件之间的距离、特别是作为一个电容板的第一端面和作为另一个电容板的第二端面之间的距离改变。替代地，可以提供附加形式的电容板，特别是用于窄孔的电容板。例如，纵向电容板可以形成一个由两个梳状件配合的结构(a two fitting comb structure)以及其变型。由于引导装置的形变或位置偏差，电容传感器的电容板将经历平移和旋转，这将影响电容板之间的距离。产生距离变化的形变可以通过测量电容的电阻值的变化来检测，并且可以根据位移的幅度以及优选地也根据位移或偏转的方向来评估。

电阻值的变化是通过相对于由振荡器产生的作为预定频率或参考频率的原始信号的已知矩形信号，测量充电和放电过程的电容电压阶跃响应(capacitor voltage-stepresponse)来确定的。电容值的变化直接与电容传感器的电容板之间的距离相关。根据该实施例，两个基本RC电路被用于确定充电和放电行为，所述两个基本RC电路均包括具有相等电阻值的电阻，但其所包括的电容具有不同的电容值，特别是参考电容和经受形变的电容。由于电容板的面积和其所包括的电阻器的电阻保持恒定，因此电容板之间距离的变化将产生检测到的信号的变化。这些可以相对于原始信号和参考电容器被精确地测量。

利用所谓的形变后(post-deformation)频率和参考频率之间的差异的优点在于，使得所有可能的误差源最小化。众所周知，振荡电路的振荡频率是根据阻抗的频率，该阻抗除了包括电极之间的电阻分量(component)之外，还包括电极之间的电感分量和电容分量。由于电感分量和电阻分量恒定，因此振荡频率仅由电路中电容的变化影响。形变后的频率与参考频率之间的差异基本上对应于形变前和形变后传感器单元的仅电容量(electricalcapacity)的差异，因此直接与电容传感器单元的板之间的距离有关。信号噪声和外部误差源可以通过使用该差异作为测量设定(measurement setup)来最小化。

在根据本发明的另一实施例中，容纳在至少一个导柱的纵向孔中的测量装置被配置为光纤传感器。该光纤传感器被配置为沿着光纤测量应变，该光纤可以被嵌入到设置在多个导柱的至少一个中的纵向孔中。通常，光学传感器设备是基于检测在光的某些特性中的修改(modification)或调制。透射或反射的光可以通过其振幅、相位、频率和/或偏振状态(polarization state)的变化进行调制。光纤传感器不受电磁干扰影响，是化学惰性的(chemically inert)，耐高温，并且可能小而轻，以及显示出色的传输(transmission，透射)能力，并且可以沿单个光纤提供多个测量点，该单个光纤可以多路复用(multiplexed)以提供具有高空间分辨率的分布式测量。

通常，光纤传感器包括集成或分离的具有至少一根测量光纤的转换器设备(transducer device)、光学连接件和处理单元。

用于测量导柱形变的光纤传感器的一种设计被配置为具有一根纤维，该纤维被称为测量纤维(measurement fiber)，其与柱形结构本身机械接触。该测量纤维由其两端附接，并且优选地在其两端之间预加载。可替代地，可以提供多于一根的测量纤维。由于柱形结构的形变而引起测量装置的弯曲，一根测量纤维被伸长(elongated，拉长)。测量纤维可以被配置为通过沿测量纤维的长度实施多次光学反射来提供多个测量点。

测量装置的另一实施例包括另一根纤维，即所谓的参考纤维，其被松弛地放置在同一柱形结构内，因此其长度不受形变和/或弯曲的影响。测量纤维和参考纤维可以在一个测量装置中实施，特别是在同一个柱形结构中。有利的是，在这个实施例中，由温度引起的长度变化分别对于测量纤维和参考纤维是相等的，因此不必考虑进一步的温度补偿。

替代地，测量纤维在测量装置中实施，而参考纤维可以独立地布置，使得测量装置的空间需求很小。来自光源的光通过引导元件被引导至传感器并返回至处理单元，其中引导元件至少是光纤和光学耦合装置。

测量装置的处理单元可以包括干涉仪，诸如法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Pérot-Interferometer)，还可以包括用于将来自测量纤维的光信号转换成电信号的转换器单元、以及用于进一步处理接收到的信号的电信号处理器。根据一个实施例，法布里-珀罗干涉仪可以被配置为与一种或几种或连续分布的波长使用。这允许对测量纤维的伸长量(elongations)进行绝对测量，其值大于所使用的光的波长。

另一种设计基于光纤布拉格光栅技术(Fiber Bragg Grating Technology)，以测量应变和温度，使用带有刻(inscribed)在纤芯(core)中的周期性折射率扰动图案的光纤，使其将处于以特定波长被引导的模式下的光信号衍射为其他模式。光纤传感器的其他设计也已经被提出，以提供光与被测物(measurand)之间的相互作用区域。

另一类型的光纤传感器是低相干干涉仪(low-coherence interferometer)，其基于通过光纤耦合器(fiber coupler)将低相干源的功率分入干涉仪的测量纤维和参考纤维中。结构中的反射器反射的光被测量纤维重新收集(recollect)，来自测量纤维和参考纤维两者的光被耦合回到光纤耦合器中，并且其中一部分光被重定向到检测器。由于光源的有限相干长度，因此光学干涉仅在由结构反射器和参考镜反射的光束的光路长度不同于且小于相干长度时才会被观察到。

根据本发明的一个实施例，测量装置被配置为调制电特性(例如，电阻和/或电容)的传感器单元，因此被提供为无源的(passive)。这些传感器由电能供电，并且所产生的信号被传输和处理，特别是通过放大器和处理单元被传输和处理。传感器单元与电源和/或处理单元的连接可以通过有线传输(wire-bound transfer)或通过无线传输来提供。

根据本发明的优选实施例，系统的测量装置适于确定至少一个导柱的矩形度相对于工具的第一部分的形变、偏转和/或偏差，特别是偏差的幅度和偏差的方向。偏差可以在工具的设置期间和压制设备的操作期间被确定。

此外，测量装置适于与处理单元连接，以经由无线传输来传输信号。

在另一实施例中，温度可以通过最新技术的已知的测量装置和测量方法来测量，特别是使用铂电阻温度计(platinum resistance thermometer)。温度的检测独立于导柱形变的测量。因此，通过评估单元或处理单元，可以直接地对来自应变计电阻、光结构、波长和/或电容的信号施加温度校正。

根据本发明，作用于导柱的形变方向可以通过导柱内的测量装置的几何对准来计算，并且可以基于导柱的纵向伸长和/或压缩来评估形变幅度。此外，测量装置相对于工具的定向可以被机械地限定和/或可以通过待执行的校准步骤来确定。通过将检测到的形变方向对准工具的坐标系，可以使导柱的底座精确地对准其插座(socket)。

下文将参考附图更详细地解释根据本发明的用于测量压制设备中工具的未对准的系统的实施例：