DE102012222580A1

DE102012222580A1 - Verfahren zur Bohrwiderstandsmessung für die Materialprüfung mittels gekoppelter Regelung, anwendungs-optimierter Messung und Sicherheitsfunktion

Info

Publication number: DE102012222580A1
Application number: DE102012222580A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2013-07-04

Abstract

Verfahren zur Bohrwiderstandsmessung für die Materialprüfung mit elektronischer Steuerung.

Description

Der beispielsweise über die Leistungsaufnahme des antreibenden elektrischen Motors mit bekannter, vorzugsweise linearer Kennlinie gemessene Eindringwiderstand rotierender Bohrnadeln korreliert mit der Dichte des durchbohrten Materials, sofern auch die Geometrie der Nadel bestimmten Bedingungen genügt (unter anderem muss die Werkzeugspitze breiter sein als der Schaft). Dieses Messprinzip wird seit 1986 an Holz, Kunststoffen, Böden, Sandstein und anderen Materialien angewendet. Das auf diese Weise erzielte Profil enthält in der Regel Informationen über den Zustand des Materials, woraus Schlüsse über seine Stabilität bzw. Tragfähigkeit sowie über weitere Eigenschaften (bei Bäumen über den Jahrringzuwachs oder die Holzverwendbarkeit, bei Sandstein über Erosionstiefe) gezogen werden.
Das hier beschriebene, erfindungsgemäß neue Verfahren unterscheidet sich von den bisherigen Bohrwiderstandsmessverfahren insbesondere hinsichtlich der Art und Weise, wie die Motoren gesteuert, die Messwerte erfasst und miteinander verrechnet werden.
Weil die Aufzeichnung von Bohrwiderstandsprofilen auf beispielsweise federgetriebener, mechanischer Weise sowie bei manuellem Vorschub keine reproduzierbaren und nicht zu Materialeigenschaften korrelierbare Ergebnisse lieferte, wurden ab 1986 elektronisch gesteuerte Geräte entwickelt. Zunächst wurde dabei beispielsweise auf konstante Vorschubgeschwindigkeit durch den Vorschubmotor geregelt, der Werkzeugdrehmotor mit konstanter Spannung versorgt und sein Stromverbrauch gemessen, weil dieser dann proportional zum Drehmoment ist und damit eine gute Korrelation zur Dichte oder Scherfestigkeit des durchbohrten Materials erreicht wurde (sofern die Werkzeuggeometrie den o. g. Bedingungen entsprach).
Bei den 1999 vorgestellten, weiterentwickelten elektronischen Bohrwiderstandsmessgeräten mit einem einzigen, also kombinierten Vorschub- und Drehmotor nahm mit der Drehzahl bei erhöhtem Bohrwiderstand gleichzeitig auch der Vorschub ab. Damit war gewährleistet, dass die Steigung der schraubenförmigen Bewegung des Werkzeugs durch das Material stets konstant blieb, sodass die Zerspanungsvorgänge in stets vergleichbarer Weise erfolgten. Damit wurde eine bessere Korrelation zur Rohdichte des durchbohrten Holzes erreicht. Diese Vorgehensweise ist jedoch an Harthölzern, insbesondere auch an tropischen, nur dann möglich, wenn ein Hochleistungsmotor verwendet wird, der entsprechend ausreichende Leistungsdaten (typischerweise einige Hundert Watt) aufweisen muss und teuer ist: da in den dichtesten Hölzern ein über 10-fach höherer Eindringwiderstand als in weichen gemessen wird, muss der Motor einen dementsprechend großen linearen Dynamikbereich und hohe Leistungsdaten aufweisen.
Obwohl es mit diesen bisherigen Ansätzen gelang, eine hohe Korrelation zur Rohdichte des durchbohrten Holzes zu gewährleisten, gab es doch einige Einschränkungen und Nachteile. Bohrwiderstandsmessungen mit konstanter und vor der Messung am Gerät entsprechend vom Anwender einzustellender Vorschubgeschwindigkeit haben das Problem, dass weder die mittlere Dichte des zu durchbohrenden Materials vorher bekannt ist, noch das Vorhandensein eventueller Dichteschwankungen (z. B. durch Äste). Wurde zu schnell gebohrt, kam es mitunter zum Bruch des Bohrwerkzeuges oder zu Überlast-Schäden am Bohrgerät. Wurde zu langsam gebohrt, war die Messkurve wenig aussagekräftig, weil der starke Motor mangels ausreichend großer Belastung nicht sensitiv genug reagierte. Um bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit möglichst aussagekräftige Kuren zu bekommen, muss jeweils so schnell wie möglich gebohrt werden – was jedoch praktisch unmöglich ist, weil stets mit unvorhersehbaren inneren Dichteschwankungen zu rechnen ist. Ein Ast in einem Nadelbaum kann beispielsweise eine doppelt so hohe Dichte wie das umliegende innere Stammholz aufweisen. Wenn die Nadel mit hoher Vorschubgeschwindigkeit (u. U. sogar schräg) auf einen solchen Ast trifft, kann sie entweder abbrechen oder abgelenkt werden. Letzteres kann neben der Messkurve auch die Bohrnadel unbrauchbar machen, ersteres sowieso.
Schon aus Kostengründen stellen die Anwender daher tendenziell eher eine niedrigere Vorschubgeschwindigkeit ein. Diese führt aber zu entsprechend weniger sensitiven Messprofilen, sodass innere Schäden weniger deutlich oder gar nicht zu erkennen sind.
Ein weiteres Problem tritt auf, wenn eine Bohrnadel mit konstantem oder nicht geregeltem Vorschub in einen Hohlraum eintritt, denn je nach Nadel-Durchmesser und -Drehzahl beginnt sie, resonant auszuschwingen, was oft zum Bruch oder zum Verbiegen und damit zum Verlust der Nadel führt. Dieser Effekt tritt bei den häufig verwendeten 1.5 mm Nadeln ab einem Freilauf im Hohlraum von ca. 5 cm auf.
All diese Probleme werden durch das hier beschriebene, erfindungsgemäß neue Verfahren vermieden und darüberhinaus wird zugleich eine maximal mögliche Sensitivität der Messkurven bei geringstmöglichen Kosten und maximaler Effizienz erreicht, weil Vorschubgeschwindigkeit und Werkzeugstandzeit zugleich optimiert werden. Möglich wird dies durch eine neue Art der automatischen elektronischen Steuerung, die einerseits neueste technische Möglichkeiten voraussetzt (entsprechend schnelle Prozessoren) und andererseits Erfahrung aus der praktischen Anwendung des Verfahrens.
Im Gegensatz zu allen bisher üblichen Bohrwiderstandsverfahren wird hier die Eindringgeschwindigkeit durch kontinuierliche adaptive Drehzahländerung des Vorschubantriebes derart angepasst, dass der Werkzeugdrehmotor während einer Messung in einer der Anwendung entsprechend definierten Art und Weise belastet wird.
Wird der Vorschub beispielsweise so eingestellt, dass der Drehmotor stets im Durchschnitt zu ca. 50% belastet ist, kann dieser mit jeweils maximal möglicher Sensitivität auf lokale Schwankungen des Eindringwiderstands (aufgrund veränderlicher Materialeigenschaften) reagieren (um ca. 50% nach oben und unten). Da sein Leistungsverbrauch als Hauptmaß für den Bohrwiderstand und damit beispielsweise für die Dichte oder Scherfestigkeit des durchbohrten Materials angesehen wird, erreicht diese Vorgehensweise eine maximal mögliche Sensitivität für lokale Schwankungen in der Dichte entlang des Bohrweges. Bei radialen Bohrungen in Holz zeichnet sich daher das entsprechende Dichteprofil mit Früh- und Spätholzzonen ab, welches nicht nur Informationen zur Holzqualität und -verwendbarkeit, sondern auch zur klimatischen Beeinflussung des Baumwachstums in Form der intra-annuellen Jahrringdichteschwankungen enthält und entsprechend bessere Rekonstruktionen ermöglicht.
Auf diesem Wege kann die höchstmögliche Korrelation zur gesuchten Materialeigenschaft sowohl für leichte als auch sehr schwere Hölzer nicht nur mit leistungsstarken, sondern auch mit kostengünstigen Motoren erreicht werden – denn Vorschub und Drehzahl werden jeweils angepasst und somit fährt ein schwächerer Motor entsprechend langsamer.
In der Folge einer solchen Regelung schwankt jedoch die Vorschubgeschwindigkeit mit der Materialdichte bzw. mit dem Eindringwiderstand, was wiederum zu unterschiedlichen Zeitdauern für das Zurücklegen der gleichen Wegstrecke im Material führt. Diese Information über den Zeitverlauf ist in den Messwert einzurechnen – denn die Zielgröße ist letztlich die elektrische Gesamtarbeit, die geleistet werden muss, um eine bestimmte Wegstrecke im Material mit dem Bohrwerkzeug zurückzulegen, weil diese mit der Dichte oder Scherfestigkeit des Materials am besten korreliert. Die gemessene elektrische Leistung wird demnach mit der für das Durchqueren der entsprechenden Bohrtiefeneinheit verbrauchten Zeitdauer multipliziert, um den resultierenden Ergebniswert zu erhalten.
Ein solches Verfahren setzt voraus, dass eine intelligente Steuerelektronik Drehzahl und Leistungsverbrauch des Werkzeugdrehmotors ständig überwacht und auch den Vorschub in seiner Drehzahl entsprechend anpasst. Da für Jahrringanalysen Messwertabstände von unter 1/10 mm notwendig sind, ist eine entsprechend schnelle elektronische Überwachung und Steuerung erforderlich, wobei Vorschübe von bis zu über einem Meter pro Minute erzielt werden. Auf der anderen Seite darf die Regelung den Vorschub nicht zu schnell nachregeln, weil es sonst zu resonanten Schwingungen kommen kann. Daher muss die Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit über mindestens einige typische Jahrringbreiten hinweg integrieren, also mindestens einige Zentimeter.
Wenn die konkrete Anwendung nicht, wie für die Forschung üblich, maximale Sensitivität und höchstmögliche Genauigkeit braucht, sondern eine maximale Effizienz (also schnellstmögliche Bohrung sowie Erkennung von Schäden und mittlerem Profilniveau), kann die gekoppelte Regelung durch einfache Parameterveränderung beispielsweise auch auf maximal mögliche Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden – ohne jegliche Änderung der Technik. Hierzu wird die Drehzahl des Vorschubmotors so lange gesteigert, bis der Werkezeugdrehmotor nahe an seiner Lastgrenze liegt. Die dazu wiederum optimale Drehzahl des Werkzeugs ist abhängig insbesondere von der Dichte des durchbohrten Materials und dementsprechend anzupassen. Um auch durch Hölzer sehr hoher Dichte bohren zu können, wird die Drehzahl des Werkzeugs also entsprechend höher eingestellt.
Diese Möglichkeit, auch die Drehzahl des Drehmotors flexibel einzustellen, eröffnet weitere Optionen, um Hürden bisheriger Bohrwiderstandsverfahren erstmals zu überwinden.
Je höher die Drehzahl, umso besser kommt die Bohrnadel auch durch hartes Holz – umso schneller und leichter jedoch verbiegt sich das Werkzeug auch, wenn es in einen Hohlraum kommt und resonant ausschwingt. Eine hohe Drehzahl ist also einerseits notwendig, andererseits aber gefährlich, auch für den Anwender in der Handhabung.
Tritt das meist sehr dünne und lange Werkzeug mit entsprechend hoher Drehzahl in einen Hohlraum ein, kommt es oft zum resonanten Ausschwingen und Verbiegen der Nadel, sodass diese nicht mehr verwendet werden kann und auszuwechseln ist. In der Folge können beispielsweise Deckenbalken unter Bodenbelag oder andere Holzkonstruktionselemente, z. B. auch in Holzbrücken, nicht untersucht werden, wenn die Nadel zuvor einen Hohlraum von mehreren Zentimetern (je nach Nadeldicke, bei einer 1.5 mm Nadel z. B. ab 5 cm) Durchmesser zu durchqueren hat (was in der Praxis durchaus oft vorkommt). Bei der erfindungsgemäß neuen Vorgehensweise wird die Leistung beider Motoren ständig überwacht und wenn die Leistungsaufnahme insbesondere des Nadeldrehmotors auf das Niveau abfällt, welches charakteristisch für einen Hohlraum ist, dann wird seine Drehzahl so stark reduziert, dass es nicht zum Ausschwingen des Werkzeugs kommt. Wenn dann die Nadel wieder auf einen Widerstand in einem Material trifft, werden Drehzahl und Vorschub entsprechend angepasst, sodass die Bohrnadel in das Material eindringen kann, ohne abzubrechen.
Der Leistungsverbrauch des Werkzeugdrehmotors wird vor allem bestimmt durch den mechanischen Eindringwiderstand am Werkzeug. Dieser setzt sich hauptsächlich zusammen aus der Schnittleistung am Kopf sowie der Schaftreibung. Die Schaftreibung wiederum hängt nicht nur ab von der Dichte des Materials, sondern auch von der Spangröße, Spanform und -zähigkeit sowie vom Verhältnis zwischen Nadelkopfbreite und Schaftdurchmesser. Für letzteres hatte sich bei Messungen in Holz ein Verhältnis von ca. 3 zu 1.5 mm als tauglich erwiesen. Dabei zeigte sich jedoch, dass je nach Drehzahl ab einer Holzdichte von ca. 600 kg/m³ die Schaftreibung in nichtlinearer Weise anstieg und Messprofile aus Hölzern mit Dichten über 1'000 kg/m³ oft nur noch schwer zu interpretieren waren. Eine Erhöhung der Drehzahl bei steigender Dichte und damit steigendem Bohrwiderstand hat sich dabei als hilfreich erwiesen, die Schaftreibung zu minimieren. Bei dem erfindungsgemäß neuen und hier beschriebenen Bohrwiderstandsmessverfahren wird dieser Zusammenhang genutzt, um den Einfluss der störenden Schaftreibung zu minimieren und damit sowohl die subjektive Auswertbarkeit der Profile als auch die Korrelation zur Rohdichte oder Scherfestigkeit zu verbessern.
Zusammenfassend: dieses neue Verfahren zur Bohrwiderstandsmessung ermöglicht erstmals die Konstruktion einer 'mitdenkenden' Maschine, die alleine durch Softwareänderung folgende Bedürfnisse der Anwender zu geringstmöglichen Kosten erfüllt:

– maximal mögliche Mess-Sensititivät für Scherfestigkeits- und Dichteschwankungen im Material;
– größtmögliche Bohr- und Mess-Geschwindigkeit und damit höchste wirtschaftliche Effizienz;
– maximale Verlängerung der Lebensdauer des bohrenden Werkzeuges durch Vermeidung von zu schnellem Bohren und von resonantem Ausschwingen in Hohlräumen;
– automatische Bohrparameter-Anpassung an die Eigenschaften des zu untersuchenden Materials und an die Anforderungen der Anwendung, wodurch erstmals Holz, Stein und andere Materialien ohne technische Änderungen untersuchbar sind.