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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-Prozess-Werkzeugüberwachung, insbesondere
zur Überwachung von rotierenden Schaftwerkzeugen für
die Zerspanung und ein sensorintegriertes Werkzeug hierfür.
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Zerspanungswerkzeuge
umfassen üblicherweise einen Schaft, an dem wenigstens
eine keilförmige Schneide zur spanabhebenden Bearbeitung
eines Werkstücks angebracht ist. Diese Schneide besteht
typischerweise aus einem Werkzeug- oder Schnellarbeitsstahl oder
aus einem Hartmetall, das eine Beschichtung aufweisen kann, beispielsweise TiN
oder TiAlN. Ferner sind Schneiden aus Keramik, polykristallinem
Diamant oder polykristallinem kubischem Bornitrid bekannt, wobei
diese insbesondere für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
oder für das Zerspanen von Materialien mit hoher Härte
verwendet werden.
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Beim
Zerspanen wird mittels der am Schaft des Werkzeugs befestigten Schneiden
Material in Form von Spänen vom Werkstück abgetragen,
typische spanende Verfahren umfassen Bohren, Drehen, Fräsen,
Gewindeschneiden, Räumen usw. Für diese Bearbeitungsverfahren
werden Schneiden mit einer bestimmten geometrischen Form verwendet, wobei
im Folgenden unter dem Begriff der Zerspanung auch die Bearbeitung
eines Werkstücks mit geometrisch unbestimmten Schneiden,
beispielsweise Schleifen, Schaben oder Läppen, eingeschlossen wird.
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Ferner
kann das Werkzeug bei der Bearbeitung entweder fest stehen, während
sich das Werkstück relativ zur Schneide bewegt, beispielsweise beim
Drehen, oder das Werkzeug selbst rotiert, beispielsweise beim Fräsen.
Die vorliegende Anmeldung behandelt die voranstehend genannten Werkzeugtypen,
wobei ein besonderer Augenmerk auf rotierende Schaftwerkzeuge gelegt
wird.
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Ausgehend
von zunehmenden Anforderungen an die Geschwindigkeit und die Präzision
der Bearbeitung ergibt sich die Notwendigkeit, die Güte
des Werkzeugs zu jeder Zeit während der Werkstückbearbeitung
genau kontrollieren zu können. Ein Werkzeugwechsel muss
unmittelbar dann vorgenommen werden, wenn die Werkzeugqualität,
das heißt der Schneiden oder einer darauf angebrachten
Beschichtung, nicht mehr den geforderten Voraussetzungen entspricht,
allerdings ist ein verfrühter Wechsel unökonomisch,
während ein verspäteter Wechsel im Hinblick auf
einen erhöhten Ausschuss an Werkstücken und möglicherweise
zusätzlichen Folgeschäden am Werkzeug noch gravierendere
Folgen hat. Demnach ist eine ständige in-Prozess-Überwachung
des Werkzeugs bei der Zerspanung wünschenswert.
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Eine
weitere Motivation für ein solches Verfahren beziehungsweise
für eine solche Vorrichtung zur Werkzeugüberwachung
ergibt sich aus der Anforderung, die Bearbeitungsgeschwindigkeit
möglichst nahe an die Stabilitätsgrenze heranzuführen,
welche sich aufgrund unterschiedlicher Einflussparameter, wie der
Werkzeuggüte und der Materialhärte und Besonderheiten
der vorliegenden Geometrie des Werkstücks, in vielen Fällen
nicht vorhersehen lässt. Daher ist ein Verfahren, das ständig
während des Prozesses die Güte der Zerspanung
bestimmt, zur Erhöhung der Produktivität und für
die Verbesserung der Maschinenauslastung von großer Bedeutung.
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Eine
Werkzeugüberwachung kann indirekt ausgeführt werden,
indem das Bearbeitungsresultat am Werkstück überwacht
wird. Dies ist allerdings bereits deshalb nachteilig, da lediglich
eine nachträgliche Beurteilung vorgenommen werden kann
und eventuell bereits ein Ausschuss an fehlerhaft bearbeiteten Werkstücken
oder ein Schaden am Werkzeug eingetreten sein kann, bevor dies über
eine nachträgliche Qualitätskontrolle entdeckt
wird.
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Zur Überwachung
des Werkzeugs während der Prozessführung sind
ferner indirekte Verfahren vorgeschlagen worden, beispielsweise
die Messung von Körperschall oder die Bestimmung der an
den Antrieben oder den Lagerkomponenten der Werkzeugmaschine oder
der Halterung des Werkstücks während der Bearbeitung
auftretenden Momente. Aus diesen Daten ist es allerdings schwierig,
eine unmittelbare Aussage über die gegenwärtige
Qualität des Werkzeugs oder des Bearbeitungsprozesses zu treffen,
so dass es wünschenswert ist, die Prozessüberwachung
möglichst nahe an den Ort der Bearbeitung zu verlegen.
Entsprechend wurden Anstrengungen unternommen, Sensoren in das Werkzeug
selbst zu integrieren. Hierzu wird beispielhaft auf die Druckschrift „Prozessmonitoring:
High Speed Cutting im Griff", VDI-Z 146 (2004) Nr. 6 verwiesen,
aus der die Verwendung von piezoelektrischen Sensoren und Dehnungsmessstreifen
an einem rotierenden Werkzeug bekannt geworden ist. Die so gewonnenen Messdaten
der in das Werkzeug eingeleiteten Momente, die daraus resultierenden
Verspannungen und Auslenkungen des Werkzeugs werden mittels einer
Funkverbindung, das heißt telemetrisch, an eine ortsfeste
Auswerteeinheit zur Datenverarbeitung übertragen. Ferner
sind als berührungslose Verfahren zur Daten- und Energieübertragung
induktive Verfahren bekannt geworden. Nachteilig ist, dass die Auskraglänge
durch die Elektronik zur Sensorauswertung und zur telemetrischen
Datenübertragung verlängert ist, was die Steifigkeit
des Werkzeugs verringert. Zusätzlich ist die durch die
genannte Anordnung aus Sensor und Sensorelektronik resultierende Gewichtszunahme
des Werkzeugs unerwünscht. Darüber hinaus ist
es auch hierfür notwendig, dass die auf dem rotierenden
Werkzeug vorliegenden Sensoren ausgewertet und eventuell selbst überwacht
werden, so dass nach dem Stand der Technik voluminöse unmittelbar
mit dem Werkzeug umlaufende Komponenten nicht zu vermeiden sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur in-Prozess-Werkzeugüberwachung für Zerspanungswerkzeuge
anzugeben, insbesondere für rotierende Schaftwerkzeuge,
das die voranstehend genannten Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Hierbei ist unmittelbar im Bereich des Werkzeugs eine Sensorik zu
integrieren, die in der Lage ist, die relevanten Prozessparameter,
insbesondere die Temperatur, statische und dynamische Spannungen
und Dehnungen des Werkzeugs zu übermitteln, ohne eine wesentliche
Größenveränderung des Werkzeugs in Kauf
zu nehmen oder dessen Steifigkeitscharakteristik herabzusetzen.
Darüber hinaus sollte eine konstruktiv einfache Lösung
angegeben werden, so dass eine standardgemäße
Sensorintegration in die verwendeten Werkzeuge möglich
wird.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Ausbildung eines
intelligenten Werkzeugs, in den die Schneide tragenden Schaft des
Werkzeugs wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor integriert ist.
Bevorzugt werden jedoch mehrere dieser Faser-Bragg-Sensoren aufgenommen,
die wiederum bevorzugt zur Ausführung differenzieller Messungen symmetrisch
zur Rotationsachse des Werkzeugs beziehungsweise des Schafts angeordnet
sind.
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In
einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor ist eine periodische Variation des
Brechungsindexes in Faserlängsrichtung angelegt, so dass
ausgehend von der Periodenlänge L und dem effektiven Brechungsindex
ne jener Anteil der durch die optische Faser
geführten elektromagnetischen Strahlung durch die Bragg-Gitter-Struktur
reflektiert und aus dem Signal ausgekoppelt wird, der eine Wellenlänge
von λ = 2Lne aufweist. Das frequenzselektiv
reflektierte Signal kann als sensorische Größe
zur Bestimmung von Brechungsindexveränderungen und der
Periodenlänge des Faser-Bragg-Gitter-Sensors verwendet werden,
welche durch statische und dynamische Spannungen, Dehnungen und
Temperaturänderungen sowie Impuls und Stoßbeanspruchungen
erzeugt werden.
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Die
Verwendung eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors in einem Werkzeugschaft
bietet gegenüber den bekannten Verwendungen von piezoelektrischen
Sensoren oder Dehnungsmessstreifen beziehungsweise gegenüber
Temperatursensoren wie Thermowiderständen den Vorteil,
dass keine elektrischen Leitungsverbindungen zur Energie- oder Signalübertragung
bereitgestellt werden müssen, stattdessen wird dem passiven
Faser-Bragg-Gitter-Sensor lediglich ein optisches Signal zugeleitet,
das frequenzselektiv reflektiert wird. Dieses optische Reflektionssignal,
das Informationen über den derzeit vorliegenden Spannungs-,
Dehnungs- und Temperaturzustand des Werkzeugschafts beinhaltet,
wird einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Interferometer, zugeleitet,
welches außerhalb des Werkzeugs angeordnet ist.
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Im
Fall eines ortsfesten Werkzeugs, beispielsweise einem Werkzeug für
eine Drehbank, ist die Ein- und Auskopplung von optischen Signalen
in den Werkzeugschaft unproblematisch und kann durch ein standardgemäßes
Verfahren ausgeführt werden, beispielsweise wird Licht
einer Infrarotlaserdiode mittels einer geeigneten Optik, beispielsweise einem
Mikroskopobjektiv oder einer Gradientenindexlinse, in eine Glasfaser
eingekoppelt, die im Bereich des Werkzeugschafts wenigstens ein
Faser-Bragg-Gitter aufweist. Alternativ kann die Laserdiode eine
direkte Verbindung zur Faser aufweisen. Als optische Fasern können
beispielsweise Germanium-dotierte oder Erbium-dotierte Glasfasern,
beispielsweise Multimodenfasern, verwendet werden. Diese weisen
bis zu einer relativen Dehnung von ΔI/I ~ 0,01 ein lineares,
elastisches und hysteresefreies Dehnungsverhalten auf. Darüber
hinaus sind sie auch bei erhitzten Werkzeugen temperaturstabil.
Allerdings wird es je nach Anwendungsfall notwendig sein, die standardmäßig
für Glasfasern verwendete Acrylat-Beschichtung, die bis
zu einer maximalen Temperatur von 85°C temperaturstabil
ist, durch ein alternatives Außenbeschichtungsmaterial
zu ersetzen. Hierfür kommt beispielsweise Polyimid mit
einer Temperaturbeständigkeit bis 300°C oder eine
Kohlenstoff-Beschichtung in Frage.
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Zur
Verwendung der erfindungsgemäßen Integration eines
Faser-Bragg-Gitter-Sensors in den Schaft eines Werkzeugs wird für
den Fall, dass das Werkzeug rotiert, eine zusätzliche Vorkehrung
getroffen werden müssen, die eine Ein- und Auskopplung der
in die Faser eingeleiteten Strahlung und des vom Faser-Bragg-Gitter-Sensor
zurückreflektierten optischen Messsignals ermöglicht.
Hierbei besteht die grundlegende Schwierigkeit darin, dass möglichst schwankungsfrei
eine hinreichende Intensität für die Ausleuchtung
und für das Sensorsignal in die mitrotierte Faser ein-
beziehungsweise ausgekoppelt wird, wobei hohe Werkzeugrotationsgeschwindigkeiten von
beispielsweise 12000 U/min am Werkzeugschaft vorliegen können.
Hierzu wird die optische Faser präzise mittig im Schaft,
das heißt entlang der Rotationsachse, angeordnet. Darüber
hinaus wird für diesen Fall eine optische Faser mit großem
Kerndurchmesser bevorzugt. Dies kann beispielsweise eine HCS-Faser
sein, die aus einem Kern aus Quarzglas und einem Kunststoffmantel
besteht und deren Kerndurchmesser beispielsweise mit 1000 μm
gewählt werden kann. Derartige Großkernfasern
sind aus der Übertragung von hohen Laserleistungen bekannt und
dienen vorliegend dazu, mögliche Zentrierungsfehler zwischen
der ortsfesten Einkopplungseinrichtung und der mit hoher Geschwindigkeit
mitrotierenden zentrisch angeordneten optischen Faser auszugleichen.
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Alternativ
kann anstatt einer Glasfaser eine polymeroptische Faser (POF) verwendet
werden, die ebenfalls typischerweise einen großen Kernquerschnitt
aufweist und daher die bei einer Einkopplung in eine rotierende
Faser auftretende Problematik abmildert. POF-Fasern, die typischerweise
aus Polymethylmetaacrylat bestehen, können für
eine Temperaturbeständigkeit bis zu 145°C eine
Quervernetzung aufweisen, alternativ können POF-Fasern
aus Polycarbonat verwendet werden. Zur Einkopplung in eine rotierende
Faser ist es ferner denkbar, die ortsfeste Einkopplungseinrichtung
ebenfalls als optische Faser auszubilden, so dass für diesen
Fall eine ortsfeste Faser stirnseitig einer rotierenden Faser gegenüberliegt.
Zwischen den Stirnflächen der ortsfesten Faser und der
rotierenden Faser ist typischerweise ein Luftspalt vorgesehen, beispielsweise
mit einem Spaltabstand von 0,1 mm, wobei bevorzugt zur Verringerung
der Dämpfung die beiden einander gegenüberliegenden
Faserendflächen geschliffen und poliert werden.
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Zur
verbesserten optischen Kopplung zwischen der mitrotierenden optischen
Faser und dem ortsfesten optischen System, beispielweise wiederum
einer optischen Faser, können sphärische oder asphärische
Mikrolinsen oder matrixförmige Anordnungen solcher Mikrolinsen
verwendet werden, wobei bevorzugt wird, diese an der mitrotierenden
Faser anzubringen, so dass vor allem die Auskopplung des optischen
Sensorsignals verbessert wird.
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Für
eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen
werkzeugintegrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensors werden zwei oder
mehr Sensoren vorgesehen, die jeweils symmetrisch zur Rotationsachse
angeordnet sind. Bei einem rotierenden Schaftwerkzeug wird die entlang
der Rotationsachse des Schafts geführte Faser in wenigstens
einen ersten und einen zweiten Faserzweig aufgespalten, wobei in
jedem der Faserzweige ein faseroptischer Gittersensor vorgesehen
ist. Bevorzugt wird zur Zuordnung der Sensorsignale zu den einzelnen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren
deren Periodenlänge für eine Wellenlängen-Multiplexierung
variiert. Durch die genannte Aufspaltung der Faser ist es möglich, eine
Paarung von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren symmetrisch gegenüberliegend
zur Rotationsachse des Werkzeugs im Schaft anzuordnen, so dass eine
differenzielle Auswertung der Sensorsignale ermöglicht wird.
Erfolgt beispielsweise eine seitliche elastische Auslenkung des
Schafts aufgrund einer auf das Werkzeug einwirkenden Belastung,
so wird einer der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren gedehnt, während
der andere Sensor des Sensorpaars einer Kontraktion unterliegt.
Bei einer Weiterdrehung des Werkzeugs und gleich bleibender Belastungsrichtung
werden periodische Sensorsignale mit einem Phasenunterschied von
180° resultieren. Wesentlich ist, dass durch die Verarbeitung
der Sensorsignale des Sensorpaars zusätzliche Einflussgrößen
auf das Sensorsignal, beispielsweise die Temperatur des Werkzeugs,
von einer mechanischen Beeinflussung des Sensors getrennt werden
können. Weiterhin ist es vorteilhaft, für unterschiedliche
Belastungsrichtungen eine entsprechend paarweise Sensoranordnung
vorzusehen, beispielsweise gegenläufige Spiralanordnungen
für die Bestimmung von Deformationen und Spannungen, die
einer Torsionsbelastung des Werkzeugschafts zuzuordnen sind. Ferner
ist es insbesondere für Bohr- oder Gewindescheidwerkzeuge vorteilhaft,
den Faser-Bragg-Gitter-Sensor oder einer Folge solcher Sensoren
spiralförmig entsprechend dem Verlauf der Scheiden anzuordnen.
Darüber hinaus ist es denkbar, eine zentrale Faser entlang
der Rotationsachse des Schafts vorzusehen, welche beispielsweise
gegenüber außermittig angeordneten Fasern im Falle
von lateralen Belastungen ein geringes Spannungs- beziehungsweise
Dehnungssignal ermittelt, so dass aus diesem Referenzsignal oder der
Gesamtheit der Signale auf die Werkzeugtemperatur zurückgerechnet
werden kann.
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Weiterhin
können die erfassten Sensordaten bezüglich der
Belastung klassiert und im Sinne einer Belastungshistorie zu einer
Schadensumme zur Beurteilung einer akkumulierten Belastung verrechnet werden.
Ausgehend von dieser Abschätzung erfolgt dann ab einer
bestimmten Schadensumme der Austausch des überwachten Werkzeugs.
Darüber hinaus kann ein Wechsel unmittelbar dann erfolgen,
wenn die Maximalbelastungsgrenze wenigstens einmalig überschritten
wird. Zusätzlich kann die in-Prozessüberwachung
zur permanenten Optimierung beziehungsweise einer Regelung der Werkstückbearbeitung
verwendet werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Figuren genauer beschrieben. In diesen
ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur in-Prozess-Werkzeugüberwachung
mit einem in einen Werkzeugschaft integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensor.
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2 zeigt
die Ein- und Auskopplung eines optischen Signals für einen
erfindungsgemäß in ein rotierendes Schaftwerkzeug
integrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensor mit einer paarweise symmetrisch
angeordneten Sensorkonfiguration realisiert durch eine Verzweigung
der optischen Faser.
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3 zeigt
eine alternative Ausgestaltung der paarweise symmetrisch angeordneten
Faser-Bragg-Gitter-Sensoren aus 2.
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1 stellt
schematisch vereinfacht eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zur in-Prozess-Werkzeugüberwachung dar. Im
vorliegenden Fall wird ein rotierendes Zerspanungswerkzeug 1 und
ein ortsfestes Werkstück 100 verwendet. Das Werkzeug
weist einen Schaft 2 auf, der als Träger für
wenigstens eine Schneide 3 dient, die zur Ausführung
der Zerspanung mit dem Werkzeug in Kontakt tritt. Hierbei kann die Schneide 3 als
Schneidkeil ausgebildet sein, der einzeln und abnehmbar am Schaft 2 des
Werkzeugs 1 befestigt ist. Typischerweise wird dies ein
Schneidkeil aus einem Werkzeugstahl oder einem Hartmetall sein,
eventuell mit einer zusätzlichen Beschichtung oder aus
einer Schneidschicht mit einer Einlage aus Keramik oder polykristallinem
Diamant. Neben Schneiden 3 mit definierter Gestalt können
insbesondere für Schleifwerkzeuge Schneiden 3 mit
undefinierter geometrischer Gestalt über einen Träger
am Schaft 2 des Werkzeugs 1 befestigt sein.
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Der
Schaft 2 des Werkzeugs 1 ist für die
Bearbeitung des Werkstücks 100 in einer Werkzeugaufnahme 4 eingespannt
und wird mittels des Werkzeugantriebs 5 in eine Drehbewegung
versetzt. Zusätzlich ist der Werkzeugaufnahme 4 eine
Anordnung von Linearantrieben 20 zugeordnet, so dass das
Werkzeug 1 eine Translationsbewegung oder eine Kippbewegung
relativ zum Werkstück 100 ausführen kann.
Derartige Linearantriebe 20 können auch werkstückseitig
angeordnet sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann auch für weitere Bearbeitungsmaschinen verwendet werden,
beispielsweise für Maschinen mit einer Parallelkinematik, etwa
solchen, die zur Ausführung von Stellbewegungen des Werkzeugs
einen Hexapoden verwenden.
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Erfindungsgemäß ist
zur Realisierung der in-Prozess-Werkzeugüberwachung in
der Nähe des Bearbeitungsorts im Bereich des Schafts 2 des
Werkzeugs 1 ein optischer Sensor in Form eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors 7 integriert.
Dieser ist in einem Teil einer optischen Faser 6 ausgebildet,
die wenigstens vom Bereich der aufnahmeseitigen Endfläche
des Werkzeugschafts 2 zum Messbereich geführt
wird. Dieser Messbereich wird bevorzugt möglichst nahe
dem Bereich des Anbringungsorts der Schneide beziehungsweise der
Schneiden angeordnet.
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Der
in das Werkzeug 1 beziehungsweise dessen Schaft 2 integrierte
Faser-Bragg-Gitter-Sensor 7 ist ein passiver Sensor, da
dem Sensor lediglich ein optisches Signal zugeleitet wird und dieser
ein optisches Signal ausgibt, wobei die Auswertung außerhalb
des Werkzeugs erfolgt. Hierzu dienen ein Spektrometer 11,
bevorzugt ein Interferometer und insbesondere ein Farby-Perot-Interferometer,
gekoppelt mit einer Vorrichtung zur Sensordatenverarbeitung 12.
Gemäß einer Ausgestaltung gibt diese ein in-Prozess-Diagnosesignal
aus oder kann mittels einer Steuer- oder Regelungseinrichtung auf
die Werkzeugmaschine, beispielsweise zur Einstellung der Bearbeitungs-
und Vortriebgeschwindigkeit, einwirken.
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Der
optischen Faser 6 mit dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor 7 im
Schaft 2 des Werkzeugs wird über eine Beleuchtungsquelle 9 Beleuchtungslicht
durch das Zentrum der Werkzeugaufnahme 4 zugeführt.
Beispielsweise kann die Beleuchtungsquelle 9 eine Laserdiode
im Infrarotbereich sein. Dies kann zur verbesserten Strahlführung
ein unmittelbar kontaktiertes Teilstück einer optischen Faser
aufweisen. Alternativ wird das Beleuchtungslicht über eine
geeignete Optik, beispielsweise einem Mikroskopobjektiv oder eine
Gradientenindexlinse, in die optische Faser 6 im Schaft 2 eingekoppelt.
Das die optische Faser nach der Reflexion am Faser-Bragg-Gitter
verlassende, frequenzselektive Sensorsignal kann durch geeignete
optische oder faseroptische Komponenten dem Interferometer 11 zugeleitet
werden. Zur schematischen Verdeutlichung ist hierzu ein Strahlteiler 10 in 1 dargestellt.
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Technisch
schwierig ist im Fall eines rotierenden Schaftwerkzeugs die Strahlungseinkopplung
in die mitbewegte, rotierende optische Faser 6 im Schaft 2.
Schematisch ist hierzu in 2 der Übergang
zwischen der ortsfesten Faser 36 und dem ersten Faserabschnitt 31 der
optischen Faser im Schaft 2, die entsprechend zum Werkzeug 1 mitrotiert,
dargestellt. Denkbar ist die Verwendung von jeweils stumpf aneinander
stoßenden Enden von großkernigen Fasern, deren
Endflächen durch entsprechende Bearbeitung, typischerweise
Anschleifen und Polieren, zur Verringerung der Dämpfungsverluste
bearbeitet werden. Der mitrotierende, im Schaft 2 liegende
erste Faserabschnitt 31 ist entlang der Rotationsachse 30 des
Schafts 2 angeordnet und liegt stirnseitig gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung einer ortsfesten Faser 36 gegenüber,
wobei die jeweiligen Faserenden durch einen Luftspalt getrennt sind.
Bevorzugt wird die Zuordnung einer Zentrierungseinrichtung 37,
die in Verbindung mit dem ersten, rotierenden Faserabschnitt 31 und
der ortsfesten Faser 36 steht. Alternativ wird zur Strahlungseinkopplung beziehungsweise
zur Signalauskopplung eine feststehende optische Einrichtung, wie
eine Gradientenindexlinse, verwendet. Ferner ist an der Endfläche der
rotierenden Faser eine im Einzelnen nicht in 2 dargestellte
Optik, beispielsweise eine Mikrolinse oder eine Matrixanordnung
von Mikrolinsen, vorgesehen, um insbesondere die Signalauskopplung
zu verbessern. Zusätzlich ist es denkbar, die aus der Drehbewegung
und Fluchtungsfehlern resultierenden Schwankungen der ein- und ausgekoppelten Beleuchtungs-
beziehungsweise Signalintensität durch ein Auswerteverfahren
auszugleichen, das Intensitätsschwankungen des Sensorssignals
von der das Sensorsignal tragenden Frequenzverschiebung trennt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung sind zur Ausführung differenzieller
Messungen jeweils paarweise Anordnungen von optischen Sensoren im
Schaft vorgesehen. Hierzu ist in 2 ein erster
Faser-Bragg-Gitter-Sensor 34 und ein zweiter Faser-Bragg-Gitter-Sensor 35 angeordnet,
welche sich symmetrisch zur Rotationsachse 30 des Schafts 2 gegenüberstehen.
Gemäß der dargestellten Ausführung sind
diese beiden Sensoren außermittig mit Bezug zur Rotationsachse 30 angeordnet,
jedoch achsparallel orientiert. Durch diese Sensoranordnung wird
im Fall einer translativ wirkenden Spannung beziehungsweise Dehnungen
des Werkzeugschafts jeweils einer der beiden Sensoren eine positive
und der andere eine negative Frequenzverschiebung zurückreflektieren,
wobei diese Signale aufgrund einer Drehbewegung unter der Annahme
einer gleich bleibenden Belastungsrichtung periodisch wechseln und
eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen. Entsprechend
kann hieraus ein differenzielles Messsignal abgeleitet werden, das
es ermöglicht, die auf beide Sensoren gleichermaßen
wirkende Frequenzverschiebung aufgrund einer Temperaturveränderung
von mechanischen Belastungen und Deformationen zu trennen.
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Ferner
ist es denkbar, durch die Verwendung und die Auswahl der Orientierung
einer Vielzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren unterschiedliche
Belastungsrichtungen zu detektieren, wobei gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung jeweils paarweise symmetrisch angeordnete
Faser-Bragg-Gitter-Sensoren für differenzielle Messungen
verwendet werden.
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3 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der Führung der optischen Faser 6 im
Schaft, wobei anstatt einer Aufgabelung des ersten Faserabschnitts 31 in
einen zweiten Faserabschnitt 32 und einen dritten Faserabschnitt 33 diese
Abschnitte sequenziell hintereinander folgen und die für
eine paarweise symmetrische Anordnung der Sensoren notwendige Beabstandung
zur Rotationsachse 30 durch eine Führung der optischen
Faser 6 erreicht wird, die zunächst in einem ersten
Faserabschnitt 31 entlang der Rotationsachse 30 des
Schafts 2 verläuft, dann für den zweiten
Faserabschnitt 32 exzentrisch geführt wird und
für den dritten Faserabschnitt 33, der unmittelbar
an den zweiten Faserabschnitt 32 anschließt, die
Faser gegenüberliegend zum zweiten Faserabschnitt 32 im
Hinblick auf die Rotationsachse 30 achssymmetrisch zurückgeführt
wird. In einer solchen Anordnung ist es nicht notwendig, in die
einzelnen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren eine Wellenlängen-Multiplexierung
einzuführen. Stattdessen ist ein Multiplexieren im Zeitbereich
durch eine gepulste Strahlungszuführung und eine zeitaufgelöste
Sensorsignalverarbeitung möglich. Aufgrund der Laufzeitenunterschiede
können die von unterschiedlichen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren
stammenden rückreflektierten Signale unterschieden werden,
was die Auswertung bezüglich der notwendigen Bandbreite vereinfacht.
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Für
die Herstellung eines Werkzeugs mit integrierter Faseroptik und
den darin ausgebildeten Faser-Bragg-Gittersensoren kann ein mehrteiliger
Aufbau, beispielsweise mit einem Innenelement, in dem eine Aufnahme
für die optische Faser vorgesehen ist, verwendet werden.
Alternativ können die zur Faserführung notwendigen
Kanalstrukturen auch beim Guss in der verlorenen Form des Werkzeugschafts vorgesehen
werden.
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- 1
- Werkzeug
- 2
- Schaft
- 3
- Schneide
- 4
- Werkzeugaufnahme
- 5
- Werkzeugantrieb
- 6
- optische
Faser
- 7
- Faser-Bragg-Gitter
- 8
- Fasereinkopplung
- 9
- Beleuchtungsquelle
- 10
- Strahlteiler
- 11
- Spektrometer
- 12
- Vorrichtung
zur Sensordatenverarbeitung
- 20
- Linearantriebe
- 30
- Rotationsachse
- 31
- erster
Faserabschnitt
- 32
- zweiter
Faserabschnitt
- 33
- dritter
Faserabschnitt
- 34
- erster
Faser-Bragg-Gitter-Sensor
- 35
- zweiter
Faser-Bragg-Gitter-Sensor
- 36
- ortsfeste
optische Faser
- 37
- Zentrierungseinrichtung
- 100
- Werkstück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Prozessmonitoring:
High Speed Cutting im Griff", VDI-Z 146 (2004) Nr. 6 [0008]