DE102005013752A1

DE102005013752A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung autokalibrierfähiger Bohrwiderstandsmessungen

Info

Publication number: DE102005013752A1
Application number: DE102005013752A
Authority: DE
Inventors: Frank Rinn
Original assignee: Rinn Frank Dipl-Phys
Current assignee: Rinn Frank Dipl-Phys
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-10-12

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung kalibrierfähiger Bohrwiderstandsmessungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motor (1) über ein spezielles, mit Axiallagern versehenes, verdrehgesichert gelagertes und geführtes Getriebe (12) zugleich die Drehung des Bohrwerkzeugs (4) sowie seinen eigenen Vorschub antreibt, wobei das Bohrwerkzeug vor dem Prüfling zunächst einen standardisierten Prüfkörper (24) mit definierten Eigenschaften durchbohrt, sodaß durch das Spezialgetriebe einerseits die vollständige Bohrarbeit über die Motorleistung und durch den Prüfkörper andererseits die Bohrwerkzeugeigenschaften erfasst werden können, womit erstmals eine automatische Kalibration jedes Bohrvorganges möglich ist.

Description

Tiefe Bohrungen mit langen und gleichzeitig dünnen Bohrwerkzeugen sind technisch schwierig zu realisieren, weil die Steifigkeit der Bohrer mit dem Durchmesser überproportional abnimmt. Damit ist die maximal erreichbare Bohrtiefe eingeschränkt.

Wird nicht nur gebohrt, um ein Loch zu erzeugen, sondern auch der Bohrwiderstand gemessen, um ggf. Aussagen über die Materialbeschaffenheit treffen zu können, geht dies in einfacher Weise über Messung und Aufzeichnung der Leistung des Bohrmotors, die mit dem mechanischen Drehmoment des verwendeten Werkzeugs korreliert.

Bisherige Bohrwiderstandsmessgeräte weisen oftmals zwei Motoren und/oder verschiedene Vorschubstufen auf, um die Bohrgeschwindigkeit verschiedenen Materialeigenschaften entsprechend anpassen zu können. Wird dabei nur die Leistung des das Werkzeug drehenden Motors ausgewertet, fehlt die Information über die für den Vorschub geleistete Arbeit. Die Leistungsaufnahmen beider Motoren (Drehung und Vorschub), um die Gesamtbohrarbeit als Kalibriergrundlage zu verwenden, scheitert u.a. an den stets unterschiedlichen Wirkungsgraden und Kennlinien verschiedener Motoren.

Bei anderen Gerätetypen werden mitunter mechanische Aufzeichnungsverfahren verwendet, beispielsweise mithilfe von Federkonstruktionen, um den anfallenden Bohrwiderstand aus dem Verdrehmoment eines Vorsatzgetriebes aufzuzeichnen, womit jedoch zwangsläufig systematische Nichtlinearitäten und Schwingungseinflüsse verbunden sind, welche eine Kalibration unmöglich machen.

Soll der Bohrwiderstand zwischen verschiedenen Messungen des gleichen Gerätes jedoch vergleichbar sein oder gar zu einem Absolutwert kalibriert werden, sind besondere Bedingungen zu erfüllen: zum einen müssen bei Bohrungen in Faserverbundstoffen die Bohrspiralwinkel im Material identisch sein (konstantes Verhältnis zwischen Drehzahl und Vorschub), um vergleichbare Schneidvorgänge zu gewährleisten, zum anderen müssen Schwankungen in der Werkzeuggeometrie und in den Geräteparametern über eine Bohrungen durch ein Normmaterial definierter Eigenschaften erfasst und korrigiert werden können (Prüfstück). Schließlich sollte ein Motor gleichzeitig Vorschub und Drehzahl bewerkstelligen, um die komplette mit der Bohrung verbundene Arbeit proportional und linear über die Motorleistung erfassen zu können.

Um diese Aufgabenstellung zu lösen, wurde eine neue spezielle Konstruktion entwickelt, unter besonderer Berücksichtigung der Erfordernisse der mobilen Anwendung.

Neue Konstruktion
Ein Antrieb (z.B. Motor 1) soll gleichzeitig Vorschub und Drehung eines Bohrers (4) bewerkstelligen. Hierzu wird ein spezielles Getriebe (12) verwendet, an dem sowohl Motor als auch Bohrwelle angeflanscht werden können.
Der Motor (1) kann über ein Verbindungsstück (2) an das Getriebegehäuse (12) fixiert werden. Die mit dem Motor verbundene Welle (3) im Getriebe kann durchgehend gefertigt sein. Am anderen Ende der Getriebewelle (3) kann der anzutreibende Bohrer (4) direkt oder über ein Zwischenstück (Bohrfutter 10) befestigt werden. Damit dreht sich der Bohrer mit der Motordrehzahl. Optional könnte hier noch eine Zwischenuntersetzung gewählt werden, sodaß die Bohnerdrehzahl sich von der Motordrehzahl unterscheidet.
Um axiale Kräfte aufzufangen, können wahlweise ein oder zwei Linearlager (5) die Welle (3) im Getriebegehäuse (12) in axialer Richtung fixieren, sodaß alle relevanten Kräfte in Drehung und damit messbare Motorleistung umgesetzt werden.
Über eine geeignete Zahnradkombination wird im Getriebegehäuse schließlich eine Spindelkombinationsmutter (8) angetrieben, die je nach Anforderung in unterschiedlichen Bauformen ausgestaltet werden kann und wiederum die Spindel (11) umschließt. Wenn die eigentliche Spindelmutter (9) nicht direkt, sondern über ein formschlüssiges Axialprofil in die mittels Zahnrad angetriebene Welle (8) eingepaßt wird, eröffnet dies die Möglichkeit, über verschiedene Spindeln mit entsprechend unterschiedlichen Steigungs- und Durchmesser-Kombinationen unterschiedliche Verhältnisse zwischen Bohrerdrehzahl und Vorschub zu erzielen, ohne die Konstruktion des Getriebes zu ändern – je nach Anwendungsbereich.
Hierzu kann das Getriebegehäuse (12) mit einer verschließbaren Öffnung (13) versehen werden, durch die unterschiedliche Spindelmuttern in die Welle (8) eingesetzt werden können. Hierüber kann nicht nur die Untersetzung, sondern auch der Drehrichtungsbezug zwischen Bohrer und Vorschub gewählt werden. So können verschiedene Produktreihen für unterschiedliche Anwendungsbereiche auf ansonsten gleicher Basis erstellt werden.
Das Getriebe (12) kann sich über einen Laufwagen (6) in der Schiene (7) bewegen, sodaß darüber nicht-axiale Kräfte bzw. Momente abgetragen werden.
Die Drehgeschwindigkeit des Motors kann beispielsweise über einen optischen oder magnetischen Drehgeber (14) überwacht werden, der vor oder hinter dem Motor auf dessen Achse sitzt.
Damit der dünne Bohrer (oder die Bohrnadel) während des Messvorgangs nicht seitlich ausbricht, erfolgt eine Abstützung in regelmäßigen Abständen zwischen Bohrfutter (10) und vorderem Bohrschnabel (23), über den sich das Bohrwerkzeug dann in den Prüfkörper bewegt. Diese Abstützung kann beispielsweise über mehrere, kaskadiert ineinandergeschobene, u-förmige Bleche (20) erfolgen, welche seitlich vorzugsweise in U-Profilen (21) gehalten und verdrehgesichert werden. Die Bleche können dergestalt abgekantet sein (25), dass über ihre Länge die maximalen Stützabstände des Bohrers definiert werden. Bei Bewegung des Motors nach vorne schieben sich die Bleche auf, bei Bewegung nach hinten zieht der Getriebeblock direkt oder über seitliche Nocken die Bleche zurück in die Ausgangsposition. Die innere Stabilität der Konstruktion kann über ein gebogenes Blech (22) oder gezogenen Kunststoff verbessert werden, welches die einzelnen Bauteile fixiert.
Im frontseitigen Bohrschnabel (23) kann zur Kalibration der Vorrichtung ein Prüfkörper definierter Eigenschaften eingesetzt werden (24), sodaß über die Messwerte aus diesem Bereich eine Eichung der nachfolgenden Messwerte möglich ist. Beim Messvorgang bohrt sich das Werkzeug zunächst durch den Normkörper definierter Eigenschaften und anschließend in den Prüfkörper.
Zur Stromversorgung des Motors können im Gerätegehäuse (16) Akkustangen (15) von einer Stirnseite oder seitlich einlegbar sein, sodaß das Bohrgerät keine externe Stromversorgung benötigt und ohne Kabel angewendet werden kann. Die Steuerung des Motors kann über eine Platine (17) beispielsweise am hinteren Geräteende erfolgen, die Meßwerte können direkt oder als Graphik auf einem Display (18) angezeigt und gespeichert werden, welches im Gehäuse integriert oder daran angebracht ist. Optional könnten Elektronik und Display mit einem per Funk oder Kabel auslesbaren Speicher für Daten versehen werden, wobei das Display nebst Drucker sich auch an geeigneter Stelle extern befinden kann.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung kalibrierfähiger Bohrwiderstandsmessungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motor (1) über ein spezielles, mit Axiallagern versehenes, verdrehgesichert gelagertes und geführtes Getriebe (12) zugleich die Drehung des Bohrwerkzeugs (4) sowie seinen eigenen Vorschub antreibt, wobei das Bohrwerkzeug vor dem Prüfling zunächst einen standardisierten Prüfkörper (24) mit definierten Eigenschaften durchbohrt, sodaß durch das Spezialgetriebe einerseits die vollständige Bohrarbeit über die Motorleistung und durch den Prüfkörper andererseits die Bohrwerkzeugeigenschaften erfasst werden können, womit erstmals eine automatische Kalibration jedes Bohrvorganges möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Bohrnadel (4) von ineinander laufenden und in seitlichen Profilen (21) geführten Blechen (20) abgestützt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (12) eine austauschbare Spindelmutter aufweist, womit bei gleicher sonstiger Ausstattung unterschiedliche Spindeln und Steigungen realisierbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (16) zusätzlich Akkumulatoren eingelegt werden können, sodaß das Gerät keine externe Stromversorgung benötigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (16) eine elektronische Steuerung enthalten und optional eine Anzeige integriert ist, sodaß Messwerte und Einstellungen angezeigt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeige und/oder ein Drucker extern über Funk mit Daten versorgt und als Anzeige verwendet werden.