DD297873A5

DD297873A5 - Umwandlungsvorrichtung zum nachweis dynamischer kraefte, mess- und/oder steuervorrichtung und verfahren, die solch einen umwandler einschliessen

Info

Publication number: DD297873A5
Application number: DD89333506A
Authority: DD
Inventors: Maurizio Fenn
Original assignee: ��@�K@�K@�Kk��
Priority date: 1988-10-12
Filing date: 1989-10-11
Publication date: 1992-01-23
Also published as: EP0363785A2; IT8867917A0; IT1224487B; EP0363785A3; JPH02179430A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wandler zur Ermittlung dynamischer Kraefte, eine Mesz- und/oder Steuerungseinrichtung und ein Verfahren, das einen solchen Wandler einschlieszt. Es wird ein piezoelektrischer Wandler beschrieben, welcher z. B. als Dichtungsscheibe in eine Struktur eingefuegt werden kann, um dynamische Kraefte ohne Veraenderung des mechanischen Verhaltens oder des Funktionsablaufes der ueberwachten Einrichtung zu kontrollieren. Der Wandler kann eine Vielzahl von Ausfuehrungen oder Formen annehmen. Er kann dazu verwendet werden, Spitzenwertkraefte zu ueberwachen, beispielsweise jene Kraefte, die mit dem Einschalten einer Maschine verbunden sind, oder er kann dazu verwendet werden, getaktete rhythmische Kraefte zu ueberwachen, beispielsweise jene Kraefte, die mit dem Arbeitsablauf im stationaeren Zustand einer Maschine verbunden sind. Die Signalverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung und die Verfahren zur Modifizierung und Verwertung der elektrischen Signale, die von dem Wandler erzeugt werden, sind ebenfalls offenbart. Fig. 8{piezoelektrischer Wandler; dynamische Kraefte; Dichtungsscheibe; Spitzenwertkraefte; getaktete rhythmische Kraefte, Signalverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung; elektrische Signale}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wandler zur Ermittlung dynamischer Kräfte zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen mechanischer Teile und auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung und/oder Steuerung solcher Kräfte unter Verwendung der Wandler.

Charakteristik des bekannten Standen der Technik

In verschiedenen Gebieten der Technik, von denen eines beispielsweise der Sektor der Werkzeugmaschinen ist, ist es notwendig, kontinuierliche oder impulsartige Kräfte zwischen zwei Strukturen oder mechanischen Teilen zu messen, die fest miteinander verbunden sein müssen.

Die Kraft, welche ein Werkzeug während der Bearbeitung eines Werkstücks aufbringt, nimmt mit dem erhöhten Verschleiß des Werkzeugs zu. Die Überwachung der Kraft, die auf ein Werkzeug angewendet wird, liefert nützliche Angaben hinsichtlich der Werkzeugeffizienz und erlaubt einen rechtzeitigen Austausch. Dies setzt die Gefahr des Werkzeugbruches herab, desgleichen auch die folgliche Beschädigung des bearbeiteten Werkstücks. In dem Maße, wie sich der Wert des bearbeiteten Werkstücks erhöht, wird dies immer wichtiger. Es ist außerdem wichtig, die Werkzeugabnutzung automatisierter Bearbeitungseinrichtungen zu steuern und verschlissene Werkzeuge zu ersetzen, um so die Qualität und Produktivität aufrechtzuerhalten. In vielen Fällen ist es nicht möglich, herkömmliche diskrete Kraftmeßdosen zu verwenden, um Messungen dieser Art durchzuführen, weil das Einbringen von Prüflingen einer bestimmten Größe das mechanische Verhalten der Struktur oder deren Funktionsweise verändern. Beispielsweise könnte der Kopf einer Fräsmaschine bei einer Modifizierung durch das Einführen von Kraftmeßdosen die mechanische Festigkeit, die zur Ausführung von Bearbeitungsabläufen notwendig ist, nicht aufrechterhalten.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile weitgehend zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler zur Verfügung zu stellen, welcher in einer Struktur zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen der mechanischen Teile eingesetzt wird, und zwar ohne Veränderung der Struktur sowohl hinsichtlich des mechanischen Verhaltens als auch der Funktionsweise.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Wandler im wesentlichen wenigstens ein relativ dünnes Element umfaßt, das wenigstens teilweise aus piezoelektrischem Material hergestellt ist, wobei dieses Element als Dichtungsscheibe zwischen den gegenüberliegenden Flächen eingesetzt werden kann und so eingepaßt ist, daß im Ergebnis von Veränderungen der dynamischen Kraft zwischen den gegenüberliegenden Flächen eine Spannungsdifferenz zwischen zwei entgegengesetzten Flächen erzeugt wird, die jeweils einer der gegenüberliegenden Flächen entspricht, und daß das Element mit einem Paar von Lösungsmitteln zur elektrischen Verbindung der gegenüberliegenden Flächen mit einer Außenschaltung zur Verwendung eines elektrischen Signals, das der Spannungsdifferenz entspricht, ausgestattet ist.

Der Ausdruck dynamische Kraft, wie er in der Beschreibung verwendet wird, bedeutet, daß darin ohne Einschränkung die fast statischen dynamischen Kräfte eingeschlossen sind, die beispielsweise einmal aller einhundert Sekunden oder über einen Zyklus von einhundert Sekunden (0,01 Hz) vorkommen.

Die Außenschaltung nutzt das elektrische Signal entsprechend der oben erwähnten Differenz des Potentials.

Ein erfindungsgemäß hergestellter Wandler kann zwischen zwei mechanische Teile einer Struktur eingesetzt werden, beispielsweise als Ersatz für eine normale Dichtungsscheibe, ohne daß Veränderungen an der Struktur erforderlich sind.

Das Material des piezoelektrischen Elementes ist vorzugsweise ein polymeres Material, beispielsweise das Polyvinyliden-Fluorid-2 (PVFZ) oder eines seiner Kopolymere. Die piezoelektrischen polymeren Materialien sind nicht brüchig und haben die Form einer Folie, sind flexibel und relativ nachgiebig. Diese Eigenschaften machen die Materialien zur Verwendung als Dichtungsscheibe zwischen Flächen, die normalerweise gleichmäßig sind, aber welche ungleichmäßige Störungen und/oder Flächenrauhigkeit zeigen, geeignet. Da die Dichtungsscheibe aus polymerem Material besteht, kompensiert sie diese Störungen, wobei die gegenüberliegenden Flächen gleichmäßig zusammengezogen werden, welche die Dichtungsscheibe umschließen und nicht die Oberflächen an diskreten Punkten zusammenziehen.

Eine piezoelektrische polymere Dichtungsscheibe kann wegen ihrer Flexibilität zwischen zwei Oberflächen eingesetzt werden, welche nicht eben sind. Beispielsweise kann die Dichtungsscheibe zwischen ein Wellenlager und das mitwirkende Gehäuse eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich, dem piezoelektrischen Element eine solche Form zu geben, die anfangs nicht eben ist, beispielsweise eine Kachelform.

Eine Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element eine Zwischenschicht eines Sandwichelements ist, welches ein Paar von Schichten aus leitfähigem Material enthält, das an den gegenüberliegenden Flächen der Zwischenschicht aufgebracht ist.

Ein anderes Merkmal des Wandlers besteht darin, daß das piezoelektrische Element Teil eines Sandwichelementes ist, welches in der Reihenfolge eine erste äußere Schicht aus leitfähigem Material, das genannte piezoelektrische Element, eine zweite dazwischenliegende Schicht aus leitfähigem Material, eine isolierende Schicht und eine dritte äußere Schicht aus leitfähigem Material enthält, und daß die beiden Außenschichten elektrisch miteinander verbunden sind, und zwar sowohl für Maskierungszwecke als auch mit einem der Leitungsmittel des Paares, wobei die zweite Schicht mit dem anderen Leitungsmittel des Paares verbunden ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Dichtungsscheibe sine Mikroschaltung enthält, die die Form einer Schich' /ur Signalvorbehandlung und/oder für Impedanzanpassungszwecke aufweist, wobei die genannte Mikroschaltung einerseits mit

den Leitungsmitteln und andererseits sowohl mit fiinem Leiter für das Verbindungsteil mit der Außenschaltung als auch zur

Speisung der Mikroschaltung verbunden ist. Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Dichtungsscheibe die Form einer flexiblen dünnen Schicht auf. Vom Betrachtungspunkt der Elektronik aus kann ein piezoelektrisches Element mit einem Kondensator verglichen werden, um

welchen sich eine Ladung mit ausgezeichneter Linearität hinsichtlich der Druckveränderungen offenbart, welche daraufausgeübt werden. Ein piezoelektrischer Wandler kann nur im Ergebnil dynamischer Kräfte ein Signal abgeben. Dies hat einen

Vorteil, weil die piezoelektrische Dichtungsscheibe als Meßeinrichtung verwendet werden kann, welche mit einer

vorbestimmten statischen Kraft vorbelastet sein kann. Beispielsweise kann die Dichtungsscheibe zwischen zwei mechanische

Teile eingesetzt sein, welche zusammen festgezogen sind, beispielsweise der Spindelstock einer Werkzeugmaschine und ein Werkzeughalter. In diesem Fall können die beiden Teile wechselseitig festgezogen sein, ohne daß der piezoelektrische Wandler

die Empfindlichkeit einbüßt, die erforderlich ist, um dynamische Belastungsänderungen selbst von wenigen Gramm zu messen.

Dies würde bei einer Verwendung von Dehnungsmeßdosen nicht möglich sein. Wenn eine Dehnungsmeßdose zwischen zwei Teile mit einer Anzugskraft von 200kg eingesetzt wird, ist sie nicht langer dazu in der Lage, Belastungen von nur wenigen Gramm

zumessen.

Da jedoch piezoelektrische Wandler nur im Ergebnis dynamischer Kräfte oder Druckänderungen Signale abgeben können, ist ein

besonderes Verfahren zur Nutzbarmachung der Signale erforderlich.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Einrichtung, welche das piezoelektrische Element und die entsprechende Außenschaitung enthält. Die Einrichtung kann die elektrischen Spitzenwertsignale verwenden, die von dem piezoelektrischen Element erzeugt werden (welche den einzelnen impulsartigen Kräften entsprechen), oder sie kann ein Signal verwenden,

welches der Hüllkurve der zeitlich festgelegten Signale entspricht, welche wiederum den zeitlich festgelegten impulsartigen

Kräften zwischen den beiden gegenüberliegenden Flächen der mechanischen Teile entsprechen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf Verfahren, welche von dem piezoelektrischen Element zur Kraftermittlung Gebrauch

machen, wenn dynamische Spitzenwertkräfte oder getaktete (kadenzierte) dynamische Kräfte zwischen dengegenüberliegenden Flächen mechanischer Teile einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten.

Ausführungsbeispiele Die Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, welche als Beispiele angegeben und nicht als Einschränkung aufzufassen sind. Die Fig. 1 bis 4 sind perspektivische Darstellungen von vier Arten piezoelektrischer Dichtungsscheiben in Übereinstimmung mit

der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 5 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung mit veränderten Proportionen, die eine Vorrichtung der Fig. 1 bis 4

repräsentiert.

Die Fig.6 ist eine Ansicht, die derjenigen der Fig. 5 ähnlich ist und eine alternative Ausführungsform dieser Erfindung zeigt. Die Fig. 7 A und 7 B sind schematische Diagramme der erläuternden Ausführungsformen einer Vorverstärker-Schaltung dieser

Erfindung.

Die Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung der Dichtungsscheibe der Fig. 3, die an einem Bohrkopf befestigt ist, eine Anlage zur Behandlung der Signale, die von der Dichtungsscheibe erzeugt werden. Die Fig.9 ist eine bruchstückartige axiale Halbschnittansicht des Bohrkopfes der Fig. 8. Die Fig. 10 ist eine Schnittzeichnung eines Radialwellenlagers unter Verwendung einer piezoelektrischen Dichtungsscheibe in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 11 ist ein Diagramm, das die zeitliche Entwicklung einer Kennlinie der dynamischen Kraft eines mechanischen Vorgangs,

beispielsweise Fräsen oder Bohr i, veranschaulicht.

Die Fig. 12 ist ein Prinzipschaltbild der verwendeten Vorrichtung zur Ermittlung einzelner impulsartiger Kräfte einschließlich

eines piezoelektrischen Wandlers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.

Die Figuren 13 bis 15 sind vereinfachte Prinzipschaltbilder der veranschaulichten Ausführungsformen der verwendeten Vorrichtung zur Ermittlung rhythmischer dynamischer Kräfte einschließlich eines piezoelektrischen Wandlers in Übereinstimmung r.iit dieser Erfindung. Die Fig. 1 bis 4 zeigen vier Wandler, die in verschiedenen Formen aufgebaut sind, wobei jede eine veranschaulichte Ausführungsform dieser Erfindung ist. Jeder Wandler enthält eine relativ dünne und flexible Folie. Der Wandler der Fig. 1 ist in

der Form eines Bandes oder einer Platte hergestellt. Der Wandler der Fig. 2 ist in der Form einer kreisförmigen Scheibehergestellt. Der Wandler der Fig.3 hat die Form einer flachen, ringförmigen Dichtungsscheibe. Die Wandler der Fig. 1,2 und 3könnten über der gesamten oder einem Teil ihrer Ausdehnung eine Struktur aufweisen, wie sie beispielsweise in den Fig. 5 und6 veranschaulicht ist.

Die Fig.4 zeigt einen Wandler in der Form einer flachen ringförmigen Dichtungsscheibe. Der Wandler der Fig.4 unterscheidet

sich von demjenigen in Fig. 3 dadurch, daß das Material der Dichtungsscheibe 10, welches eines üblicher Art sein kann,piezoelektrische Elemente 12 vereinigt, die beispielsweise in vier Bereichen in der Form eines Kreuzes angeordnet sind, vondenen jeder eine Struktur wie diejenige der Fig. 5 oder 6 haben könnte. Eine bevorzugte Anwendung des Wandlers wie dem in

Fig. 4 wird später erläutert. Die Fig. 5 veranschaulicht eine Schnittzeichnung der Struktur eines Wandlers, welche in einer Vielzahl von Formen ausgebildet

sein kann, beispielsweise die erläuternden Ausführungsformen der Fig. 1,2 oder 3 oder die Struktur eines der Elemente 12 des

Wandlers der Fig.4. Der Wandler der Fig. 5 enthält als ein grundlegendes Element eine dünne Zwischenschicht 14, bestehend aus einem

piezoelektrischen Material, vorzugsweise einem Polymermaterial, beispielsweise Polyvinylidenfluorid^ (PVF2) oder einemseiner Kopolymere. Die Zwischenschicht 14 bildet die mittlere Schicht eines Sandwichelementes, das aus den

Außenschichten 16 und 18 des leitenden Materials besteht. Die Außenschichten 16 und 18 sind auf den gegenüberliegenden Flächen der piezoelektrischen Zwischenschicht 14 angebracht. Die Außenschichten 16 und 18 können aus metallischen Blechen bestehen, beispielsweise Stahlblechen, welche an der piezoelektrischen Zwischenschicht 14 verklebt sind. Alternativ können die Außenschichten 16 und 18 durch Metallisation der Zwischenschicht 14 aufgebracht sein. Wenn die metallischen Bleche verklebt sind, ist es nicht notwendig, daß der verwendete Klebstoff elektrisch leitend ist, da die piezoelektrische Zwischenschicht 14 zn dem Dielektrikum eines Kodensators äquivalent ist und die leitenden Außenschichten 16 und 18 zu den leitenden Materialien des Kondensators äquivalent sind.

Wenn die piezoelektrische Zwischenschicht 14 einer Änderung von Kräften oder Drücken ausgesetzt ist, die eine Komponente aufweisen, welche gemäß den Pfeilen F rrjrichtet ist, wird zwischen deren gegenüberliegenden Flächen eine elektrische Potentialdifferenz erzeugt. Die elektrischen Leiter 20 und 22 sind mit der jeweiligen Schicht des leitenden Materials der Außenschichten 16 bzw. 18 beispielsweise durch Löten verbunden. Die Leiter 20 und 22 vorbinden die oben erwähnten gegenüberliegenden Flächen mit einer Schaltung, welche das elektrische Signal entsprechend der oben erwähnten Potentialdifferenz verwendet. Beispiele einer solchen Schaltung sind in den Fig. 12 bis 15 gezeigt.

Bei bestimmten Anwendungen ist ein Wandler ausreichend, der nur die piezoelektrische Zwischenschicht 14 und die leitenden Außenschichten 16 und 18 umfaßt. Dennoch bringt die Wandlung der Belastungen aus einem piezoelektrischen Bauelement, wie im Fall der Kondensatoren, einige Schaltprobleme mit sich; eines dieser Probleme ist die hohe Impedanz des Bauelementes und damit dessen Empfindlichkeit gegenüber sich anhäufenden elektrischen Störgrößen. Die Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Geräuschen ist bei Anwendungen, für welche ein Wandler in Übereinstimmung mit der Erfindung besonders vorgesehen ist, sogar noch kritischer. Beispielsweise sind Wandler, die in Werkzeugmaschinen verwendet werden, besonders gegenüber elektromagnetischen Geräuschen empfindlich, die durch die hohen Wechselströme hervorgerufen werden, welche die Werkzeugmaschinen ziehen, und durch die Anwesenheit von starken Elektromotoren in deren Nähe. Es wird deshalb bevorzugt so verfahren, daß der Wandler, wie in Fig. 5 gezeigt, abgeschirmt wird, um elektrische Geräusche zu vermeiden, welche das gewonnene Signal unbrauchbar machen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird das Abschirmen mittels einer Isolationsschicht 24 und einer äußeren Schicht des leitenden Materials 26 erreicht. Die Isolationsschicht 24 ist zwischen den Schichten 18 und 26 angeordnet. Die Isolationsschicht 24 kann ein beliebiges dielektrisches Polymerfi' nmaterial einschließlich Mylar, Kapton, PVC, Teflon und nichtpiezoelektrischem PVF sein. Die Schicht 24 ist vorzugsweise ausgewählt, um die Notwendigkeiten für eine bestimmte Anwendung zu treffen. Die in Fig. 5 gezeigten Schichten kennen eine Gesamtdicke von annähernd 0,3mm aufweisen. Die Außenschicht 26 ist von derselben Art und demselben Material wie die Außenschichten 16. Zum Zweck der Abschirmung sind die Außenschichten 16 und 26 elektrisch miteinander verbunden. Wenn die Schichten 16 und 26 metallische Bleche enthalien, sind sie vorzugsweise mittels einer wechselseitigen Lötverbindung 28 verbunden. Die äußeren Metallschichten 16 und 26 sind, wenn sie in einer Werkzeugmaschine verwendet werden, dazu bestimmt, daß sie zwischen den beiden gegenüberliegenden metallischen Flächen eingeschlossen und damit geerdet sind. In diesem Fall wird das Signal von der Innenbeschichtung, die aus der Schicht des leitenden Zwischenmaterials 18 besteht, abgenommen, welches von einem elektrischen Betrachtungspunkt gesehen wirkungsvoll abgeschirmt ist.

Die Fig. 6 zeigt eine veranschaulichte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Wandler sek° st mit einer Anpassungsschaltung ausgestattet ist, welche außerdem eine Signalvorverarbeitung eusführen kar n. Die Impedanzanpassung des Wandlers, d. h. das Herabsetzen der Impedanz des Wandlers, ist ein anderes Verfahren zur Minimi a rung der Empfindlichkeit gegenüber elektrischem Rauschen in der Umgebung. Es ist vorteilhaft, daß die Impedanzanpassung so nahe wie möglich in bezug auf die Signalquelle erfolgt.

Jene Teile der Fig. 6, welche denjenigen der Fig. 5 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Eine Mikroschaltung 30, welche die Form einer Schicht aufweist, ist an dasÄußere der Außenschicht 16 angeschlossen (s. außerdem Fig. 1 bis 4). Die Mikroschaltung 30 bewirktdie Impedanzanpassung. Die elektrischen Leiter 20 und 22 verbinden die Schichten 14 und 18 mit dem Eingang der Mikroschaltung 30. Die Eingangsimpedanz, in Gigaohm, wird durch die Mikroschaltung 30 auf eine Impedanz von einigen wenigen Ohm verringert. Auf diese Weise ist das Signal, das durch die ausgangsseitigen Leiter 32 zur Verwendung in der Schaltungsanordnung gesendet wird, gegenüber erzeugten elektromagnetischen Geräuschen wesentlich weniger empfindlich. Die Leiter 32 symbolisieren außerdem die laufende Speisung der Mikroschaltung 30. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Mikroschaltung 30 zusammen mit einem Wandler verwendet werden, der nur drei Schichten aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist die Mikroschaltung 30 in der Nähe einer leitenden Schicht 16 angeordnet und mittels elektrischer Leiter 20 und 22 mit der piezoelektrischen Schicht 14 und einer zweiten leitfähigen Schicht 18 verbunden. Bei einer Ausführungsform, ebenfalls unter Bezugnahme auf Fig. 7 A, umfaßt die Mikroschaltung 30 einen Feldeffekttransistor ("FET"), welcher eine gleichzeitige Vorverstärkung (Vorbehandlung) des von dem Wandler erzeugten Signals und eine Impedanzanpassung des Signals salbst ermöglicht. Die Außenschicht 18 des Wandlers ist vorzugsweise mit dem Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors durch einen elektrischen Leiter 22 elektrisch verbunden. Der ürain-Anschluß des Feldeffekttransistors liefert das elektrische Ausgangssignal und ist vorzugsweise durch don Widerstand R_d mit einer Versorgungsspannung V verbunden. Der Source-Anschluß des Feldeffekttransistors ist vorzugsweise über einen zweiten Widerstand R, geerdet. Die Werte der Widerstände Rd und R, können ausgewählt sein, um die gewünschte Verstärkungsgröße zu erreichen. Wenn nur eine Impedanzanpassung erwünscht ist (d. h. keine Verstärkung), dann ist der Source-Anschluß des Feldeffekttransistors ohne einen Widerstand geerdet.

Eine alternative Ausführungsform der in Fig. 7 B gezeigten Mikroschaltung 30 wird zur Beobachtung nahezu statischer dynamischer Kräfte verwendet, die beispielsweise bei Frequenzen in der Nähe von ungefähr 0,01 Hz auftreten. Bei dieser Ausführungsform der Mikroschaltung 30 verbindet der elektrische Leiter 22 vorzugsweise den Wandler mit dem negativen Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 34 über einen Widerstand R 2. Der positive Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 34 ist vorzugsweise durch einen Widerstand R3 geerdet. Zwischen dem Ausgangsanschluß und dem negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 34 ist eine Rückkopplungsschleife ausgebildet. Die

Rückkopplungsschleife enthält einen Widerstand R1, der mit einem Kondensator C1 parallel verbunden ist. Die Werte der Widerstände R1, R2 und R3 und des Kondensators C1 hängen von der Schaltungsanwendung ab, die bevorzugten Werte der Widerstände R1, R2 und R3 betragen jedoch 10" Ohm, 470hm bzw. 10" Ohm.

Die Fig.8 und 9 veranschaulichen eine Anwendung einer piezoelektrischen Dichtungsscheibe 41 in Übereinstimmung mit der Erfindung (s. Fig. 3). Ein Fräs- oder Bohrkopf 39 mit der vertikalen Welle ist an dem unteren Teil mit einem Befestigungsflansch ausgerüstet. Ein Dornhalter 40, der mit einem Verschraubungsflansch 42 versehen ist, ist am Kopf 39 mit einem Flansch 38 verbunden. Ein Endfräser 44 mit einem Bohreinsatz ist in einem Dorn oder einer Zange 46 des Dornhalters 40 befestigt. Die normale ringförmige Dichtungsscheibe, welche sich zwischen den Flanschen 38 und 42 befindet, wird gemäß der Erfindung durch eine piezoelektrische Dichtungsscheibe 41 ersetzt. Wenn die Diu, .ungsscheibe 41 mit der Mikroschaltung 30 ausgestattet ist, dann ist nur eine geringfügige und sehr einfache Modifikation der Maschine notwendig. In dem Flansch 38 ist eine kleine Einkerbung vorgesehen, um einen Raum für die Mikroschaltung 30 der Dichtungsscheibe 41 bereitzustellen. Die Dichtungsscheibe 41 der Fig.8 und 9 ist gegenüber axialen dynamischen Kräften (Pfeile F, Fig. 9) empfindlich, welche zwischen den gegenüberliegenden Flächen 50 und 52 der Flansche 38 und 42 erscheinen.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist eine Dichtungsscheibe 41 einer Fräs- oder Bohrmaschine, beispielsweise die der Fig. 8 und 9, eine Dichtungsscheibe, die derjenigen der Fig.4 ähnlich ist. In diesem Fall dienen die piezoelektrischen Elemente 12 nicht nur der Ermittlung der axialen dynamischen Kräfte, sondern auch der Ermittlung der seitlichen dynamischen Kräfte und der entsprechenden Orientierung.

Die Fig. 10 veranschaulicht die Anwendung eines piezoelektrischen Wandlers zur Ermittlung der dynamischen Radialkräfte „R", in welcher beispielsweise eine rotierende Welle 54 einer Werkzeugmaschine wiedergegeben ist. Ein stationärer Aufbau 56 ist mit der Welle 54, die diesen passiert, dargestellt. Zwischen der Welle 54 und dem Aufbau 56 ist eine Buchse 58 angeordnet; diese Buchse ist in ein zylindrisches Gehäuse 60 des Aufbaues 56 eingefügt.

Der Wandler 62 ist zwischen der Buchse 58 und dem Gehäuse 60 erfindungsgemäß angeordnet. Der Wandler 62 kann eine Platte oder einen Streifen umfassen, beispielsweise wie derjenige in den Fig. 1 und 2, welcher infolge seiner Flexibilität eine gewölbte oder kachelähnliche Form angenommen hat. Der Wandler 62 wird dann positioniert, um radiale dynamische Kräfte gemäß dem Doppelpfeil R zu ermitteln.

Die Fig. 11 veranschaulicht eine typische Entwicklung der dynamischen Kraft F in Abhängigkeit von der Zeit t während des Bohroder Fräsvorganges. In einem ersten Zeitintervall ti erscheint ein anfänglicher Spitzenwert der Kraft entsprechend dem Betriebsbeginn des Werkzeuges. Während des nachfolgenden Zeitintervalls t₂ ist die Kraft F relativ konstant, entsprechend dem Arbeitstakt. Die Wandler, die in Übereinstimmung mit dieser Erfindung entwickelt werden, sind in der Weise geeignet, daß der Spitzenwert der Kraft ermittelt wird, die während des Intervalls ti ausgeübt wird, und daß die relativ konstante Kraft ermittelt wird, die während des Intervalls t₂ ausgeübt wird.

Die Fig. 12 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Ermittlung des Kraftspitzenwortes oder, allgemeiner, zur Ermittlung der impulsartigen Kräfte, die auf den Wandler ausgeübt werden. Die Einrichtung umfaßt einen geschirmten piezoelektrischen Wandler 70, einen Eingangsverstärker 71 und einen programmierbaren Leistungsverstärker 72, welcher mit einem Eingang eines Schwellwertkomparators 74 verbunden ist. Der Schwellwerteingang des Komparators 74 ist mit 76 bezeichnet. Die Fähigkeit zur Verstärkungswahl des Verstärkers 72 erlaubt mehr Stufungen zum „Lesen" der Signale. Die elektrischen Spitzenwertsignale, die von dem piezoelektrischen Wandler 70 erzeugt und von dem Verstärker 72 verstärkt werden, werden im Komparator 74 mit einem vorbestimmten Schwellenwert 76 verglichen, um auf diese Weise am Ausgang 78 des Verstärkers 74 ein Meß- und/oder Steuersignal zu erzeugen. Dieses letztere Signal kann dazu verwendet werden, eine Alarmanzeige zur Deaktivierung einer Werkzeugmaschine oder zu einem beliebigen anderen Zweck zu speisen. Die Schaltung der Fig. 12 ist insbesondere im Fall einer Werkzeugmaschine nutzbringend, beispielsweise einer Drehmaschine, in welcher eine Schneidkante gerade ein Werkstück ständig bearbeitet. In diesem Fall liefert der Kraftspitzenwert, welcher dann auftritt, wenn das Werkzeug die Bearbeitung des Werkstücks am Beginn eines Schnittes startet, eine Anzeige hinsichtlich einer beträchtlichen Abnutzung des Werkzeuges.

Die Fig. 13 veranschaulicht eine Vorrichtung, die das Signal verwertet, das während der Zeitdauer t₂ der Fig. 11 vorhanden ist. Dieses Signal ist für ein Maschinenwerkzeug mit verschiedenen Schneidkanten typisch, beispielsweise ein Bohreinsatzwerkzeug oder ein Fräswerkzeug. Während der Bearbeitung des Werkstücks erscheinen die Kraftspitzenwerte in periodischem Rhythmus entsprechend dem Arbeitsrhythmus der Werkzeugmaschinenmesser mit dem Werkstück. Die Vorrichtung der Fig. 13 (und der Fig. 14 und 15) nutzt eine genaue Ermittlung der getakteten impulsartigen Kräfte, um während des Arbeitsvorganges des Werkzeuges ein brauchbares Signal zu erhalten.

In der Schaltung der Fig. 13 ist der Ausgang des piezoelektrischen Wandlers 80 an den Eingang des selektierenden Leistungsverstärkers 82 geführt (welcher dem Leistungsverstärker 72 der Fig. 12 ähnlich ist). Dem Leistungsvei stärker 82 folgt ein Tiefpaßfilter 84, welches das Spitzenwertsignal der Anfangsperiode ti der Fig. 11 eliminiert. Dieses Spitzenwertsignal entspricht dem Beginn des Arbeitsablaufes des Werkzeuges an dem Werkstück. Das Spitzenwertsignal ist unerwünscht, weil es in unangebrachterWeise ein Auslösen der Schwellwertschaltung bewirken würde. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Tiefpaßfilter überbrückt werden, um Kollisionen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück zu ermitteln und einen Werkzeugbruch festzustellen. Wenn die Schaltung für diesen Zweck verwendet wird, dann ist die Ansprechzeit der Schaltung ein wichtiger Parameter. Ein schnelles Ansprechen ist deshalb erforderlich, um eine Beschädigung des Werkzeugs und des Werkstücks zu vermeiden.

Dem Tiefpaßfilter 84 folgt ein Hüllkurvendetektor 86 (sogenannter „Spitze-Spitze"-Detektor). Der Hüllkurvendetektor 86 empfängt von dem Wandler 80 nur die getakteten dynamischen Kraftsignale des Wandlers 80, welche während des Zeitintervalls t₂ (s. Fig. 11) in Abhängigkeit von ihrer Verstärkung im Verstärker 82 erzeugt werden. Aus diesen Signalen erzeugt der Detektor 86 ein Hüllkurvensignal, welches der Hüllkurve der getakteten Signale entspricht. Der Hüllkurvendetektor 86 hat außerdem die Funktion der Regenerierung des Signals aus dem Rauschen, das durch mechanische Schwingungen des Aufbaues des Maschinenwerkzeuges erzeugt wird. Das gefilterte Hüllkurvensignal wird anschließend einem Entscheidungsverfahren ausgesetzt, und schließlich wird es dem Eingang eines analogen Schwellwertkomparators 88 zugeführt. Der Schwellwerteingang des Komparators 88 ist mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet. Ein Meß- und/oder Steuersignal erscheint

am Ausgang 92 des Komparator 88, wenn der vorbestimmte analoge Schwellwert 90 durch das Hüllkurvensignal überschritten wird. Das Signal am Ausgang 92 wird anschließend für Zwecke genutzt, die jenen für die Schaltung der Fig. 12 ähnlich sind. Die Fig. 14 veranschaulicht eine Änderung der Schaltung der Fig. 13. Die Elemente 80,82,84 und 86 der Fig. 14 sind zu jenen äquivalent, die mit denselben Bezugszeichen in Fig. 13 bezeichnet sind. An den Hüllkurvendetektor 86 schließt sich ein Analog/ Digita,'-Wandler 94 an. Der Wandler 94 überträgt die digitalen Daten mittels eines Puffers 96 direkt zu einem Datenverarbeitungssystem, beispielsweise Speichereinrichtungen, wie dies durch den Pfeil 98 symbolisiert ist. Vorzugsweise ist die Entscheidungslogikschaltung außerdem mit einem Analog/Digital-Wandler 94 verbunden. Ein digitaler Schwellwertkomparator 100, welcher dieselbe Funktion wie der Komparator 88 der Fig. 13 hat, führt diese Funktion aus. Der Pfeil 102 symbolisiert einen Schwellwerteingang, welcher mit dem Komparator 100 mittels eines Puffers 104 verbunden ist. Die Pufferschaltung 106 befindet sich am Ausgang des Komparators 100, durch welche das Hüllkurvensignal (nun digitalisiert) als Ausgangssignal 108 übertragen wird. Das Ausgangssignal 108 ist ein Meß- und/oder Steuersignal, das für die Zwecke zu verwenden ist, die denjenigen für die Schaltung der Fig. 12 beschriebenen ähnlich sind.

Die Fig. 15 veranschaulicht eine Variation der Schaltung der Fig. 14. Gleiche und äquivalente Elemente sind wioder mit denselben Bezugszeichen 80,82,84,86 und 94 bezeichnet. Piezoelektrische Wandler, beispielsweise der Wandler 80, werden oftmals einem Phänomen kontinuierlicher Drift des Signals ausgesetzt. Es ist deshalb wünschenswert, dieses Phänomen zu kompensieren, um die Information der kontinuierlichen Kraftkomponente (Intervall t₂ der Fig. 11) zu erhalten.

Der Mikroprozessor 110 kompensiert die Signaldrift. Der Mikroprozessor ist Teil einer Folge der Signalbehandlungen und ist in dem markierten Abschnitt 112 gekennzeichnet. Diese Reihenfolge umfaßt, getrennt von dem Mikroprozessor 110, eine Logikschaltung 114 und einen Digital/Anaiog-Wandler 120. Die Schaltung 112 liest den Anstieg oder die Drift des auf Null bezogenen Signals des Systems in eine nichtwirksame Position, und zwar digitalisiert durch den Analog/Digital-Wandler 94, während der Perioden der Inaktivität des Systems und in vorbestimmten Zeitintervallen, die von dem Mikroprozessor 110 gesteuert werden. Der Anstieg dieses Signals, der einmal durch einen Interpolationsprozeß wiedererkannt wird, wird in ein Kompensationssignal der Drift umgewandelt. Während das System in Funktion ist, wird das Kompensation·-, signal kontinuierlich den digitalisierten Daten zugeführt, die von dem Wandler 80 eintreffen, so daß die Driftwirkung kompensiert ist. Die Information über den Funktions- und Abschaltzustand des Systems wird mittels des Signals 118 über eine Puffersc'ialtung 116 in den Mikroprozessor 110 eingeprägt.

Die oben erwähnte Kompensation wird bei ziemlich angenäherten Zeitintervallen durchgeführt, weil die Driftneigung von nichtsteuerbaren Parametern abhängig ist, beispielsweise der Temperatur, welche unvorhergesehenen Veränderungen ausgesetzt sind und folglich eine kontinuierliche Beobachtung erforderlich ist, wobei die Logikschaltung 114 den Neigungswert überprüft und die Kompensationswerte in vorbestimmten Zeitintervallen während der Inaktivität des Systems aktualisiert. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird das Digitalsignal, ausgelöst durch den Mikroprozessor 110, in dem Wandler 120 in ein Analogsignal zurückgewandelt und anschließend, wie in der Schaltung der Fig. 13, dem Schwellwertkomparator 122 zugeführt. Das Ausgangssignal des Komparators 122 wird für dieselben Zwecke verwendet, wie dies oben für die Schaltungen der Fig. 12,13 und 14 angegeben is!.

Es wird verständlich sein, daß das Vorhergehende nur der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung dient, und daß von einem Fachmann auf diesem Gebiet verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich und Geist der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Wandler zur Ermittlung dynamischer Kräfte zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen mechanischer Teile, dadurch gekennzeichnet, daß dieser im wesentlichen wenigstens ein relativ dünnes Element (34) umfaßt, das wenigstens teilweise aus piezoelektrischem Material hergestellt ist, wobei das Element (34) als Dichtungsscheibe zwischen den genannten gegenüberliegenden Flächen (50; 52) eingesetzt werden kann, und so eingepaßt ist, daß im Ergebnis von Veränderungen der dynamischen Kraft zwischen den genannten gegenüberliegenden Flächen (50; 52) eine Spannungsdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen erzeugt wird, von denen jede einer der genannten gegenüberliegenden Oberflächen (ΰθ; 52) entspricht, und daß das genannte Element (34) mit einem Leitungsmittelpaar (20; 22) zum elektrischen Verbinden der genannten gegenüberliegenden Flächen (50; 52) mit einer Außenschaltung für die Anwendung eines elektrischen Signals entsprechend der genannten Spannungsdifferenz ausgestattet ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material ein polymeres Material ist.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material Polyvinyliden-Fluorid-2 (PVF2) oder ein Kopolymer davon ist.

4. Wandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element eine Zwischenschicht (14) eines Sandwichelementes ist, welches ein Paar von Schichten (16; 18) aus leitfähigem Material enthält, das an den gegenüberliegenden Flächen der Zwischenschicht (14) aufgebracht ist.

5. Wandler nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element Teil eines Sandwichelementes ist, welches in der Reihenfolge eine erste äußere Schicht (16) aus leitfähigem Material, das genannte piezoelektrische Element (14), eine zweite dazwischenliegende Schicht (18) aus leitfähigem Material, eine isolierende Schicht (24), und eine dritte äußere Schicht (26) aus leitfähigem Material enthält, und daß die beiden Außenschichten (16; 26) elektrisch miteinander verbunden sind, und zwar sowohl für Maskierungszwecke als auch mit einem der Leitungsmittel (20) des Paares, wobei die genannte zweite Schicht (18) mit dem anderen Leitungsmittel (22) des Paares verbunden ist.

6. Wandler nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsscheibe eine Mikroschaltung (30) enthält, die die Form einer Schicht zur Signalvorbehandlung und/oder für Impedanzanpassungszwecke aufweist, wobei die genannte Mikroschaltung einerseits mit den genannten Leitungsmitteln (20; 22) und andererseits sowohl mit einem Leiter (32) für das Verbindungsteil mit der genannten Außenschaltung als auch zur Speisung der Mikroschaltung (30) verbunden ist.

7. Wandler nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsscheibe die Form einer relativ flexiblen dünnen Schicht aufweist.

8. Vorrichtung zur Ermittlung einzelner impulsartiger Kräfte zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen mechanischer Teile für Messungs- und/oder Steuerungszwecke, dadurch gekennzeichnet, daß diese wenigstens einen Wandler (70) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 und eine entsprechende äußere Meß- und/oder Steuerschaltung enthält, welche durch Spitzenwertsignale gespeist wird, die von dem Wandler (70) erzeugt werden, wobei die genannten Spitzenwertsignale den einzelnen impulsartigen Kräften entsprechen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese weiterhin einen Schwellwertkomparator (74) enthält, der zwischen den Wandler (70) und die entsprechende Außenschaltung eingesetzt ist, um ein Meß- und/oder Steuersignal der Außenschaltung zuzuführen, wenn das Spitzenwertsignal einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.

10. Vorrichtung zur Ermittlung getakteter impulsartiger Kräfte zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen mechanischer Teile für Meß- und/oder Steuerungszwecke, dadurch gekennzeichnet, daß diese wenigstens einen Wandler (70) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, einen Hüllkurvendetektor (86), welcher mit getakteten Signalen gespeist wird, die von dem Wandler (80) erzeugt werden, und ein Hüllkurvensignal entsprechend der Hüllkurve der getakteten Signale erzeugt, und eine entsprechende äußere Meß- und/oder Steuerungsschaltung enthält, welcher das Hüllkurvensignal zugeführt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieser weiterhin ein Tiefpaßfilter (84) enthält, das zwischen dem Wandler (80) und dem Hüllkurvendetektor eingeschaltet ist, um aus dem periodischen Signal die Signalspitzenwerte infolge der einzelnen impulsartigbn Übergangskräfte und möglicher Schwingungsgeräusche zu eliminieren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese weiterhin einen Schwellwertkomparator (88; 100; 122) enthält, der zwischen den Hüllkurvendotektor (86) und die entsprechende Außenschaitung eingesetzt ist, um ein Meß- und/oder Steuerungssignal der letzteren Schaltung zuzuführen, wenn das Hüllkurvensignal einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.

13. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Mittel (112) enthält, um eine Drift des Hüllkurvensignals zu ermitteln und zu kompensieren.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Driftermittlungs- und Kompensationseinrichtung ein Abtastmittel (114) enthält, welches während der Perioden der Abwesenheit der impulsartigen Kräfte in Intervallen ein Störsignal aufnimmt aus diesem Signal und in einem Interpolationsverfahren ein Driftkompensationssignal entwickelt, welches von dem Hüllkurvensignal während der Perioden der Anwesenheit der impulsartigen Kräfte abgezogen wird.

15. Verfahren zur Ermittlung, wenn dynamische Spitzenwertkräfte zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen mechanischer Teile einen vorbestimmten Schwellwert durch Verwendung eines Wandlers überschreiten, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Zwischenschaltung eines Wandlers nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 zwischen und in Berührung mit den genannten gegenüberliegenden Flächen (50; 51);

- Verstärkung des von dem genannten Wandler erzeugten elektrischen Signals;

- Vergleich des genannten verstärkten elektrischen Signals mit einem vorgewählten Schwellwert-Bezugssignal; und

- Erzeugung eine·" Ausgangssignals entsprechend den dynamischen Spitzenwertkräften, wenn das genannte elektrische Signal das genannte Schwellwert-Bezugssignal überschreitet.

16. Verfahren zur Ermittlung, wenn getaktete dynamische Kräfte zwischen zwei gegenüberliegenden

Flächen mechanischer Teile einen vorbestimmten Schwellwert überschreiten, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Zwischenschaltung eines Wandlers nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 zwischen und in Berührung mit den genannten gegenüberliegenden Flächen (50; 51), so daß der Wandler in der Lage ist, getaktete elektrische Signale in Erwiderung auf die genannten getakteten dynamischen Kräfte zu erzeugen;

- Verstärkung der von dem genannten Wandler erzeugten elektrischen Signale;

- Tiefpaßfilterung der verstärkten elektrischen Signale;

- Erzeugung eines Hüllkurvensignals entsprechend den genannten getakteten elektrischen Signalen, nachdem die letzteren eine Tiefpaßfilterung erfahren haben;

- Vergleich des genannten Hüllkurvensignals mit einem vorgewählten Schwellwert-Bezugssignal; und

- Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn das genannte Hüllkurvensignal das genannte vorgewählte Schwellwert-Bezugssignal überschreitet.

17. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Vergleichs des genannten Hüllkurvensignals und der Erzeugung eines Ausgangssignals weiterhin umfassen: Umwandlung des genannten Hüllkurvensignals in ein Digitalsignal; Anwendung eines auf Null bezogenen Kompensationssignals auf das genannte Digitalsignal zur Kompensation der Signaldrift;

Umwandlung des kompensierten Digitalsignals in ein kompensiertes Analogsignal; Vergleich des genannten kompensierten Analogsignals mit einem vorgewählten Schwellwert-Bezugssignal; und

Erzeugung eines Ausgangssignals, wenn das genannte kompensierte Analogsignal das genannte Schwellwert-Bezugssignal überschreitet.

Hierzu 9 Seiten Zeichnungen