DE102017221041A1 - Method for monitoring wear of a wear protection layer - Google Patents
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Abstract
Der hier vorgestellte Ansatz betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Verschleißes einer Verschleißschutzschicht (12), mit den folgenden Schritten:- Anordnen von Überwachungsfasern (16) in oder an der Verschleißschutzschicht (12), wobei die Überwachungsfasern (16) ausgebildet sind, ein optisches und/oder elektrisches Signal (19) zu leiten; und- Erfassen einer Änderung eines in die Überwachungsfasern (16) eingekoppelten optischen Signals (19) und/oder eines an den Überwachungsfasern angelegten elektrischen Signals mittels einer Auswerteeinheit (26), um den Verschleiß der Verschleißschutzschicht (12) zu überwachen.The approach presented here relates to a method for monitoring a wear of a wear protection layer (12), comprising the following steps: - arranging monitoring fibers (16) in or on the wear protection layer (12), wherein the monitoring fibers (16) are formed, an optical and or to conduct electrical signal (19); and detecting a change in an optical signal (19) coupled into the monitoring fibers (16) and / or an electrical signal applied to the monitoring fibers by means of an evaluation unit (26) in order to monitor the wear of the wear protection layer (12).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Überwachung eines Verschleißes einer Verschleißschutzschicht.The invention relates to a method and a system for monitoring a wear of a wear protection layer.
Diese Erfindung löst vornehmlich die Problematik der Einschätzung von Verschleiß, welcher zu kritischem Versagen von Bauteilfunktionen führen kann. Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich an definierten Stellen den Verschleiß online zu überwachen und zu verschiedenen Stadien Gegenmaßnahmen zu ergreifen, wie z.B. das Auswechseln von Verschleißschutzschichten. In der Technik kann meist ein gewisser Verschleißbetrag geduldet werden. In den allermeisten Fällen ist letztlich der Funktionsverlust einer Struktur oder Apparatur kritisch. Dabei kann oftmals ein Gegensatz zwischen Verschleißbeständigkeit von Kontaktoberflächen und den grundlegenden Anforderungen an die zugehörigen Bauteile (bspw. harte Oberfläche aber nachgiebige Struktur) bestehen. Ansätze zum Bauteilschutz durch Verschleißschutzschichten gibt es bereits diverse, welche für unterschiedliche Komponenten genutzt werden. Es besteht dabei u.a. die Möglichkeit Schichten auf Körper aufzudampfen, Oberflächen zu Härten, zu verkleben oder chemisch zu verändern. Oftmals ist dabei der Hintergrund einen maximalen Verschleißbetrag für die Bauteillebensdauer sicherzustellen. Eine Online-Überwachung gestaltet sich dahingehend meist schwer, da die Sensorik nicht einfach in die Schichten einzubringen ist.This invention solves primarily the problem of estimating wear, which can lead to critical failure of component functions. The present invention makes it possible to monitor wear at defined locations online and to take countermeasures at various stages, e.g. the replacement of wear protection layers. In the art, usually a certain amount of wear can be tolerated. In the vast majority of cases ultimately the loss of function of a structure or apparatus is critical. This can often be a contrast between wear resistance of contact surfaces and the basic requirements for the associated components (eg hard surface but yielding structure) exist. There are already various approaches to component protection through wear protection layers, which are used for different components. It consists u.a. the ability to vaporize layers on bodies, harden surfaces, bond or chemically alter surfaces. Often the background is to ensure a maximum amount of wear for the component life. Online monitoring is usually difficult because the sensors are not easy to insert into the layers.
Gerade vor dem Hintergrund der zunehmenden Bedeutung von Kunststoffen in Strukturbauteilen und tribologisch belasteten Kontakten, dem Thema Robotik und insbesondere dem Bereich der „Soft Robotics“, in welchem nachgiebige Strukturen genutzt werden, kann die Herangehensweise Verschleiß durch immer härtere Oberflächen zu reduzieren, nicht, oder nur bedingt, angewendet werden.Against the background of the increasing importance of plastics in structural components and tribologically contaminated contacts, the subject of robotics and especially in the area of "soft robotics", in which yielding structures are used, the approach of reducing wear by ever harder surfaces can not, or only conditionally, be applied.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Überwachung eines Verschleißes einer Verschleißschutzschicht, mit den folgenden Schritten:
- - Anordnen von Überwachungsfasern in oder an der Verschleißschutzschicht, wobei die Überwachungsfasern ausgebildet sind, ein optisches und/oder elektrisches Signal zu leiten; und
- - Erfassen einer Änderung eines in die Überwachungsfasern eingekoppelten optischen Signals und/oder eines an den Überwachungsfasern angelegten elektrischen Signals mittels einer Auswerteeinheit, um den Verschleiß der Verschleißschutzschicht zu überwachen.
- Arranging monitoring fibers in or on the wear protection layer, wherein the monitoring fibers are configured to conduct an optical and / or electrical signal; and
- Detecting a change of an optical signal coupled into the monitoring fibers and / or an electrical signal applied to the monitoring fibers by means of an evaluation unit in order to monitor the wear of the wear protection layer.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein System zur Überwachung eines Verschleißes einer Verschleißschutzschicht, mit
- - Überwachungsfasern, welche in oder an der Verschleißschutzschicht angeordnet sind, wobei die Überwachungsfasern ausgebildet sind, ein optisches und/oder elektrisches Signal zu leiten, und
- - einer Auswerteeinheit, welche ausgebildet ist, eine Änderung eines in die Überwachungsfasern eingekoppelten optischen Signals und/oder eines an den Überwachungsfasern angelegten elektrischen Signals zu erfassen, um den Verschleiß der Verschleißschutzschicht zu überwachen.
- - Monitoring fibers which are arranged in or on the wear protection layer, wherein the monitoring fibers are adapted to conduct an optical and / or electrical signal, and
- - An evaluation unit which is adapted to detect a change in an optical signal coupled into the monitoring fibers and / or an applied to the monitoring fibers electrical signal to monitor the wear of the wear protection layer.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung mit einem vorangehend beschriebenen System, wobei die Verschleißschutzschicht an einem Bauteil der Vorrichtung angeordnet ist.The subject of the present invention is also a device with a system described above, wherein the wear protection layer is arranged on a component of the device.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren eine Verschleißschutzschicht mit
- - Überwachungsfasern, welche in oder an der Verschleißschutzschicht angeordnet sind, wobei die Überwachungsfasern ausgebildet sind, ein optisches und/oder elektrisches Signal zu leiten, und
- - zumindest zwei Kontaktierungselementen an zwei Faserenden der Überwachungsfasern zum Einkoppeln und Auskoppeln eines optischen Signals und/oder Anlegen eines elektrischen Signals an den Überwachungsfasern, um mittels einer Änderung des Signals einen Verschleiß der Verschleißschutzschicht zu überwachen.
- - Monitoring fibers which are arranged in or on the wear protection layer, wherein the monitoring fibers are adapted to conduct an optical and / or electrical signal, and
- - At least two contacting elements on two fiber ends of the monitoring fibers for coupling and decoupling an optical signal and / or applying an electrical signal to the monitoring fibers to monitor by means of a change of the signal wear of the wear protection layer.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung von Überwachungsfasern in oder an einer Verschleißschutzschicht zur Überwachung eines Verschleißes der Verschleißschutzschicht, wobei die Überwachungsfasern ausgebildet sind, ein optisches und/oder elektrisches Signal zu leiten, und durch Erfassen einer Änderung eines in die Überwachungsfasern eingekoppelten optischen Signals und/oder eines an den Überwachungsfasern angelegten elektrischen Signals mittels einer Auswerteeinheit der Verschleiß der Verschleißschutzschicht überwacht wird.The subject of the present invention is also the use of monitoring fibers in or on a wear protection layer for monitoring wear of the wear protection layer, wherein the monitoring fibers are configured to conduct an optical and / or electrical signal and detecting a change in an optical signal coupled into the monitoring fibers and / or an electrical signal applied to the monitoring fibers by means of a Evaluation unit, the wear of the wear protection layer is monitored.
Der Begriff „Verschleiß“ umfasst auch den Grad bzw. Fortschritt des Verschleißes. Der Verschleiß kann bspw. folgende Fälle umfassen: Belastung (auch wenn diese noch nicht zu einem Defekt geführt hat), insbesondere kritische Belastung, sich anbahnender Defekt, Defekt, verbleibende Schutzschichtdicke, Reparaturnotwendigkeit, Wartungsnotwendigkeit.The term "wear" also includes the degree or progress of wear. The wear can include, for example, the following cases: load (even if this has not yet led to a defect), in particular critical load, imminent defect, defect, remaining protective layer thickness, need for repair, maintenance need.
Die Verschleißschutzschicht kann eine oder mehrere Schichten umfassen. Die Verschleißschutzschicht kann folienartig ausgebildet sein und/oder Faserstrukturen (bspw. Gewebe, Schläuche etc.) aufweisen. Die Verschleißschutzschicht kann einen Kunststoff und/oder Faserverbundwerkstoff aufweisen oder daraus bestehen. Die Verschleißschutzschicht weist bevorzugt einen Faser-Kunststoff-Verbund auf. Je nach Anwendungsfall kann durch die Nachgiebigkeit der Matrix die Deformationsfähigkeit der Verschleißschutzschicht sichergestellt werden. Die Fasern der Verschleißschutzschicht können ein Material aufweisen oder aus einem Material bestehen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Kohlenstoff, Aramid, Glas, Kunststoff.The wear protection layer may comprise one or more layers. The wear protection layer may be formed like a film and / or have fiber structures (eg, fabrics, tubes, etc.). The wear protection layer may comprise or consist of a plastic and / or fiber composite material. The wear protection layer preferably has a fiber-plastic composite. Depending on the application, the flexibility of the wear protection layer can be ensured by the resilience of the matrix. The fibers of the wear protection layer may comprise a material or consist of a material which is selected from the group consisting of: carbon, aramid, glass, plastic.
Dabei kann die Verschleißschutzschicht sowohl integral bei der Herstellung des Bauteils der Vorrichtung mit diesem verbunden werden oder auch als eigenständiges Bauteil hergestellt und nachträglich mit dem Bauteil der Vorrichtung verbunden werden. Das Bauteil der Vorrichtung kann bspw. ein Maschinenteil sein.In this case, the wear protection layer can be integrally connected to the device during the production of the device or can be produced as an independent component and subsequently connected to the component of the device. The component of the device may, for example, be a machine part.
Die Überwachungsfasern sind in oder an der Verschleißschutzschicht angeordnet. Die Überwachungsfasern können somit in die Verschleißschutzschicht integriert sein. Hierbei können die Überwachungsfasern bspw. Teil des Faser-Kunststoff-Verbunds der Verschleißschutzschicht, d.h. in den Faser-Kunststoff-Verbund der Verschleißschutzschicht integriert sein. Die Überwachungsfasern können jedoch auch an, d.h. an einer Außenfläche bzw. Oberfläche der Verschleißschutzschicht angeordnet sein. Die Überwachungsfasern können mit der Außenfläche bzw. Oberfläche der Verschleißschutzschicht verbunden sein. Hierbei können die Überwachungsfasern selbst eine Überwachungsschicht ausbilden, welche an der Verschleißschutzschicht angeordnet ist. Die Überwachungsschicht kann einen Faser-Kunststoff-Verbund aufweisen, wobei die Überwachungsfasern Teil dieses Faser-Kunststoff-Verbunds sein können. Die Verbindung bzw. Kontaktierung der Überwachungsschicht mit der Verschleißschutzschicht kann mittels dem Fachmann bekannter Verfahren erfolgen.The monitoring fibers are arranged in or on the wear protection layer. The monitoring fibers can thus be integrated into the wear protection layer. In this case, the monitoring fibers, for example, part of the fiber-plastic composite of the wear protection layer, i. be integrated in the fiber-plastic composite wear protection layer. However, the monitoring fibers may also be on, i. be arranged on an outer surface or surface of the wear protection layer. The monitoring fibers may be connected to the outer surface or surface of the wear protection layer. In this case, the monitoring fibers themselves can form a monitoring layer, which is arranged on the wear protection layer. The monitoring layer may comprise a fiber-plastic composite, wherein the monitoring fibers may be part of this fiber-plastic composite. The connection or contacting of the monitoring layer with the wear protection layer can be effected by means of methods known to the person skilled in the art.
Die Überwachungsfasern sind ausgebildet, ein optisches und/oder elektrisches Signal zu leiten. D.h., mit anderen Worten, dann die Überwachungsfasern optisch und/oder elektrisch leitfähig ausgebildet sind. Das optische Signal kann ein Lichtsignal sein. Hierbei sind die Überwachungsfasern bevorzugt Lichtleitfasern, welche insbesondere Glas und/oder einen transparenten Kunststoff aufweisen oder daraus bestehen. Demnach können die Überwachungsfasern Glasfasern oder Kunststofffasern sein. Der Kunststoff kann ein Polymethylmethacrylat (PMMA) oder ein Polycarbonat (PC) sein. Das elektrische Signal kann auch eine elektrische Spannung sein. Hierbei sind die Überwachungsfasern bevorzugt elektrische Leitfasern, welche insbesondere Kohlenstoff aufweisen oder daraus bestehen. Demnach können die Überwachungsfasern Kohlenstofffasern sein.The monitoring fibers are configured to conduct an optical and / or electrical signal. In other words, in other words, the monitoring fibers are optically and / or electrically conductive. The optical signal may be a light signal. In this case, the monitoring fibers are preferably optical fibers which in particular comprise or consist of glass and / or a transparent plastic. Thus, the monitoring fibers may be glass fibers or plastic fibers. The plastic may be a polymethyl methacrylate (PMMA) or a polycarbonate (PC). The electrical signal can also be an electrical voltage. In this case, the monitoring fibers are preferably electrical conductive fibers, which in particular comprise or consist of carbon. Thus, the monitoring fibers can be carbon fibers.
Das Erfassen des Signals bzw. der Änderung des Signals umfasst das Messen eines Signalwerts bzw. eine Änderungen des Signalwerts. Das Erfassen des Signals bzw. der Änderung des Signals kann direkt und indirekt erfolgen. Beim Erfassen der Änderung des optischen Signals kann insbesondere eine Lichtintensität bzw. eine Änderung der Lichtintensität erfasst und gemessen werden. Beim Erfassen der Änderung einer angelegten elektrischen Spannung kann insbesondere eine Änderung des elektrischen Widerstands an den Überwachungsfasern erfasst und gemessen werden.Detecting the signal or changing the signal involves measuring a signal value or changing the signal value. The detection of the signal or the change of the signal can be direct and indirect. When detecting the change of the optical signal, in particular a light intensity or a change in the light intensity can be detected and measured. When detecting the change of an applied electrical voltage, in particular a change in the electrical resistance at the monitoring fibers can be detected and measured.
Wenn das überwachte Bauteil nicht elektrisch leitend ist, entsteht die Änderung des elektrischen Signals dadurch, dass die Überwachungsfasern durchgerieben bzw. verschleißen und sich der Widerstand entsprechend ändert. Ist das überwachte Bauteil jedoch elektrisch leitend, weisen die Überwachungsfasern einen Isolator bzw. eine Kunststoffmatrix auf, und es entsteht - nachdem die Kunststoffmatrix durchrieben ist - bei Verschleißbeginn der Überwachungsfasern ein elektrischer Kontakt mit dem Bauteil. Der Verschleiß kann dann (zusätzlich oder alternativ) als digitales Signal durch den neuerlichen Kontakt mit dem elektrisch leitenden Bauteil erkannt werden.If the monitored component is not electrically conductive, the change in the electrical signal is caused by the monitoring fibers being worn out and the resistance correspondingly changing. However, if the monitored component is electrically conductive, the monitoring fibers have an insulator or a plastic matrix, and - after the plastic matrix has been rubbed through - an electrical contact is made with the component when the monitoring fibers begin to wear. The wear can then (additionally or alternatively) be recognized as a digital signal by the renewed contact with the electrically conductive component.
Unter einer Auswerteeinheit kann im Rahmen der Erfindung eine Einheit verstanden werden, welche ausgebildet ist, optische und/oder elektrische Signale zu erfassen und bspw. in Lichtintensitätsmesswerte und Spannungs-/Widerstandsmesswerte umzuwandeln sowie die entsprechenden Daten zu verarbeiten. Die Auswerteeinheit kann einen Signalprozessor, einen Mikrocontroller oder dergleichen aufweisen. Die Auswerteeinheit kann ferner zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen und/oder Daten, insbesondere Lichtintensitätsmesswerten und Spannungs-/Widerstandsmesswerten aufweisen oder zu diesem Zweck mit einer Speichereinheit verbunden sein. Die Speichereinheit kann einen Cloud-Server, einen Flash-Speicher, einen EPROM oder eine magnetische Speichereinheit aufweisen. Die Auswerteeinheit kann ferner eine Schnittstelle zum Ausgeben von Daten oder Messwerten an eine Anzeigeeinheit aufweisen.In the context of the invention, an evaluation unit can be understood as a unit which is designed to detect optical and / or electrical signals and, for example, to convert it into light intensity measured values and voltage / resistance measured values and to process the corresponding data. The evaluation unit may have a signal processor, a microcontroller or the like. The evaluation unit may further comprise at least one memory unit for storing signals and / or data, in particular light intensity measured values and voltage / resistance measured values or for this purpose with a Be connected storage unit. The storage unit may comprise a cloud server, a flash memory, an EPROM or a magnetic storage unit. The evaluation unit can also have an interface for outputting data or measured values to a display unit.
Die Auswerteeinheit kann ferner eine Signaleinheit aufweisen. Die Signaleinheit kann einen Detektor bzw. Lichtdetektor aufweisen. Die Signaleinheit kann ausgebildet sein, ein optisches Signal an einem ersten Faserende der Überwachungsfasern einzukoppeln und eine Änderung des optischen Signals an einem zweiten Faserende der Überwachungsfasern mittels des Lichtdetektors zu erfassen bzw. das optische Signal an einem zweiten Faserende der Überwachungsfasern auszukoppeln und/oder ein elektrisches Signal an einem ersten Faserende und an einem zweiten Faserende der Überwachungsfasern anzulegen und eine Änderung des elektrischen Signals, bspw. indirekt zu erfassen.The evaluation unit may further comprise a signal unit. The signal unit may comprise a detector or light detector. The signal unit may be configured to inject an optical signal at a first fiber end of the monitor fibers and to detect a change of the optical signal at a second fiber end of the monitor fibers by means of the light detector or to extract the optical signal at a second fiber end of the monitor fibers and / or an electrical Signal to apply at a first fiber end and at a second fiber end of the monitoring fibers and a change of the electrical signal, for example, indirectly detect.
Die Auswerteeinheit kann insbesondere ausgebildet sein, in Abhängigkeit von der erfassten Änderung des Signals ein Ausgabesignal auszugeben. Das Ausgabesignal kann insbesondere ein Warnsignal und/oder Steuersignal sei. Die Auswerteeinheit kann ausgebildet sein, anhand der empfangenen Signale basierend auf einer Vorschrift das Ausgabesignal auszugeben. Die Auswerteeinheit kann hierbei ausgebildet sein, bei Erreichung, Unterschreitung oder Überschreitung definierter Differenzwerte bzw. Schwellenwerte zwischen den Werten der erfassten Signale, insbesondere der Lichtintensitäts- oder Widerstandswerte, und vorgegebenen bzw. abgespeicherten Werten das Ausgabesignal auszugeben. Die Differenzwerte bzw. Schwellenwerte können insbesondere manuell eingegeben, berechnet und/oder aus einer Tabelle ausgelesen sein.The evaluation unit may in particular be designed to output an output signal as a function of the detected change in the signal. The output signal may in particular be a warning signal and / or control signal. The evaluation unit can be designed to output the output signal on the basis of the received signals based on a prescription. In this case, the evaluation unit can be designed to output the output signal upon reaching, undershooting or exceeding defined difference values or threshold values between the values of the detected signals, in particular the light intensity or resistance values, and predetermined or stored values. The difference values or threshold values can in particular be input, calculated and / or read from a table manually.
Das Ausgabesignal kann ein optisches und/oder ein akustisches und/oder ein kinästhetisches Signal sein. Das Ausgabesignal kann eine Information, bspw. eine oder mehrere erfasste Messwerte oder einen oder mehrere Differenzwert(e) umfassen. Das Ausgabesignal kann ausgebildet sein, um an einer Anzeigeeinheit anzeigbar zu sein. Als Steuersignal kann das Ausgabesignal an eine Sensorik einer Vorrichtung bzw. Maschine gesendet und bspw. zur Regelung bzw. Regelungsbegrenzung der Vorrichtung bzw. Maschine genutzt werden.The output signal may be an optical and / or an acoustic and / or a kinaesthetic signal. The output signal may include information, for example one or more acquired measured values or one or more differential values. The output signal may be configured to be displayed on a display unit. As a control signal, the output signal can be sent to a sensor of a device or machine and, for example, be used for control or regulation limitation of the device or machine.
Es ist denkbar, zusätzlich Temperatur- und Dehnungssensoren, bspw. Bragg-Sensoren in die Verschleißschutzschicht bzw. die Überwachungsschicht anzuordnen bzw. einzubetten, um eine detaillierte Temperatur- und/oder Dehnungsmessung vornehmen zu können, um diese der Auswerteeinheit bei der Erfassung der Änderungen und Auswertung der Signale bzw. der Signalwerte einfließen zu lassen.It is conceivable to additionally arrange or embed temperature and strain sensors, for example Bragg sensors, in the wear protection layer or the monitoring layer, in order to be able to carry out a detailed temperature and / or strain measurement in order to detect them in the detection of the changes and Evaluation of the signals or the signal values incorporated.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Fasern zur Signalübertragung für die Überwachung von Verschleißschutzschichten wird eine Vielzahl von Vorteilen geboten. Da Fasern beigeweich und druckschlaff ausgebildet sind, kann nun eine Verschleiß- bzw. Zustandsüberwachung (Condition Monitoring bzw. Structural Health Management) auch bei nachgiebigen Verschleißschutzschichten, welche an biegsamen Strukturen, wie bspw. Fluidmuskel und künstliche Muskel, (additiv) hergestellte (Kunststoff-)Strukturen etc. angeordnet sind, durchgeführt werden, ohne dass dabei eine Behinderung der Aktoren durch die Überwachungselement, also der Fasern erfolgt. Insbesondere wenn die Überwachungsfasern als Glasfasern und/oder die Kohlenstofffasern ausgebildet sind, können mittels der Überwachungsfasern nicht nur der Verschleiß der Verschleißschutzschicht überwacht sondern gleichzeitig auch die Steifigkeit und die Festigkeit der Verschleißschutzschicht erhöht werden (was eine Reduktion des Verschleißes der Verschleißschutzschicht zur Folge hat).The use according to the invention of fibers for signal transmission for the monitoring of wear protection layers offers a large number of advantages. Since fibers are beige and pressure-weak, wear and condition monitoring (condition monitoring or structural health management) can now also be performed on resilient wear-resistant layers which are produced on flexible structures, such as fluid muscle and artificial muscle (additive). ) Structures, etc. are arranged to be carried out without causing a hindrance of the actuators by the monitoring element, so the fibers. In particular, when the monitoring fibers are formed as glass fibers and / or the carbon fibers, not only the wear of the wear protection layer can be monitored by the monitoring fibers but also the stiffness and the strength of the wear protection layer can be increased (resulting in a reduction of wear of the wear protection layer).
Weist eine Verschleißschutzschicht bereits geeignete Fasern auf, können diese bzw. ein Teil dieser als Überwachungsfasern dienen, indem mittels Kontaktierungselementen das entsprechende Signal in diese eingekoppelt und wieder ausgekoppelt bzw. an diesen angelegt wird.If a wear protection layer already has suitable fibers, these or a part of these can serve as monitoring fibers, in that the corresponding signal is coupled into these by means of contacting elements and decoupled again or applied thereto.
In Falle von optisch leitenden Überwachungsfasern kann ferner sehr einfach und effizient ein Verschleiß mittels Lichtsignalen erfasst und ausgewertet wertet. Insbesondere ist es hierdurch möglich, einen Verschleiß auch ortsaufgelöst zu erfassen. Verschleißt nämlich die Verschleißschutzschicht, so werden die Überwachungsfasern bzw. Glasfasern freigelegt und ebenfalls durch Verschleiß durchgerieben. Das eingekoppelte Lichtsignal wird nicht mehr bzw. nicht vollständig zu einem Lichtdetektor der Signaleinheit durchgeleitet und die somit gemessene Lichtintensität sinkt insgesamt bzw. an der entsprechenden Bruchstellen. Die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangssignal ermöglicht einen Rückschluss auf den Verschleiß bzw. den Zustand der Verschleißschutzschicht.Furthermore, in the case of optically conductive monitoring fibers, wear and tear can be detected and evaluated very simply and efficiently by means of light signals. In particular, it is thereby possible to detect a wear also spatially resolved. If the wear protection layer is worn, then the monitoring fibers or glass fibers are exposed and likewise rubbed through by wear. The coupled-in light signal is no longer or not completely passed through to a light detector of the signal unit and the thus measured light intensity decreases overall or at the corresponding break points. The difference between input and output signal allows a conclusion on the wear or the condition of the wear protection layer.
In Falle von elektrisch leitenden Überwachungsfasern, bspw. Kohlenstofffasern verändert sich durch Freilegen und Abnutzung der Kohlenstofffasern der elektrische Widerstand der Überwachungsfasern. Dies ermöglicht den Rückschluss auf den Zustand der Verschleißschutzschicht selbst. Die Änderung des Widerstands ermöglicht einen Rückschluss auf den Verschleiß bzw. den Zustand der Verschleißschutzschicht.In the case of electrically conductive monitoring fibers, for example carbon fibers, the electrical resistance of the monitoring fibers changes as a result of exposure and wear of the carbon fibers. This makes it possible to draw conclusions about the state of the wear protection layer itself. The change in the resistance makes it possible to draw conclusions about the wear or the state of the wear protection layer.
Damit bietet die Erfindung ferner auch die Möglichkeit, konsequent Daten über den Verschleiß bzw. den Zustand von Bauteilen - und somit die Lebensdauer - zu erlangen. Weiterhin können u.U. machine-learning Algorithmen mit diesen Daten kritische Betriebspunkte identifizieren, welche als Auslegungsfälle zugrunde gelegt werden können, oder allgemein eine spezifischere - und damit effizientere - Auslegung ermöglichen.
Vorteilhafterweise können auch mehrere Überwachungsschichten vorgesehen werden, sowohl in Schichtdickenrichtung der Verschleißschutzschicht als auch in Längs- und Querrichtung. Es können bspw. jeweils eine Überwachungsschicht an einer Oberseite und eine Überwachungsschicht an einer Unterseite der Verschleißschutzschicht angeordnet sein, so dass die Möglichkeit einer über die Schichtdicke ortsaufgelösten Auswertung bereitgestellt wird. Durch Kenntnis an welcher Stelle (Ober- oder Unterseite der Verschleißschutzschicht) die Überwachungsfasern beschädigt bzw. durchtrennt sind, kann konkret der Verschleißfortschritt nachvollzogen werden.Thus, the invention also offers the possibility to consistently obtain data on the wear and the condition of components - and thus the life -. Furthermore, may Machine-learning algorithms use this data to identify critical operating points that can be used as design cases, or generally allow a more specific - and therefore more efficient - design.
Advantageously, several monitoring layers can be provided, both in the layer thickness direction of the wear protection layer and in the longitudinal and transverse directions. For example, in each case a monitoring layer may be arranged on an upper side and a monitoring layer on a lower side of the wear-resistant layer, so that the possibility of an evaluation spatially resolved over the layer thickness is provided. By knowing at which point (top or bottom of the wear protection layer) the monitoring fibers are damaged or severed, the wear progress can be concretely understood.
Es ist vorteilhaft, wenn beim Erfassen der Änderung mittels des optischen Signals eine Biegung, insbesondere ein Biegewinkel der Überwachungsfasern detektiert wird. Hierbei kann bspw. eine Brechungsänderung der ortaufgelösten Lichtleiter erfasst werden, so dass eine durchgeführte Biegung (Dehnung) der Verschleißschutzschicht überwacht werden kann, um sicherzustellen, dass eine maximale Biegung (Dehnung) nicht überschritten wurde.It is advantageous if, upon detection of the change by means of the optical signal, a bending, in particular a bending angle of the monitoring fibers is detected. In this case, for example, a change in refraction of the spatially resolved light guides can be detected, so that a performed bending (stretching) of the wear protection layer can be monitored to ensure that a maximum bending (elongation) has not been exceeded.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren ein Steuergerät zur Überwachung eines Verschleißes einer Verschleißschutzschicht, wobei das Steuergerät eingerichtet ist,
- - eine Änderung eines in Überwachungsfasern eingekoppelten optischen Signals und/oder eines an Überwachungsfasern angelegten elektrischen Signals zu erfassen, wobei die Überwachungsfasern ausgebildet sind, das optisches und/oder elektrisches Signal zu leiten, und ferner in oder an der Verschleißschutzschicht angeordnet sind, um den Verschleiß der Verschleißschutzschicht zu überwachen; und
- - ein Steuersignal in Abhängigkeit von der erfassten Änderung des optischen Signals und/oder elektrischen Signals auszugeben.
- detect a change in an optical signal coupled in monitor fibers and / or an electrical signal applied to monitor fibers, wherein the monitor fibers are configured to conduct the optical and / or electrical signal and are further disposed in or on the wear protection layer to prevent wear to monitor the wear protection layer; and
- - Output a control signal in response to the detected change of the optical signal and / or electrical signal.
Das Steuersignal kann bspw. als Eingangssignal für eine Sensorik einer Vorrichtung/Maschine bzw. zur Regelung bzw. Regelungsbegrenzung einer Vorrichtung/Maschine genutzt werden.The control signal can, for example, be used as input signal for a sensor system of a device / machine or for regulation or regulation limitation of a device / machine.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Signale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based design, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1a, b ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur Überwachung eines Verschleißes einer Verschleißschutzschicht mit optischen Überwachungsfasern; und -
2a, b ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur Überwachung eines Verschleißes einer Verschleißschutzschicht mit elektrischen Überwachungsfasern; und -
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung eines Verschleißes einer Verschleißschutzschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1a, b An embodiment of a system according to the invention for monitoring wear of a wear protection layer with optical monitoring fibers; and -
2a, b a further embodiment of a system according to the invention for monitoring wear of a wear protection layer with electrical monitoring fibers; and -
3 a flowchart of a method for monitoring a wear of a wear protection layer according to an embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, wherein a repeated description of the elements is omitted.
In
In einer perspektivischen Draufsicht ist eine Verschleißschutzschicht
An einem ersten Faserende
Das System
Wie aus
Liegt nun ein Verschleiß der Verschleißschutzschicht
Die Auswerteeinheit
In
Wiederum ist eine perspektivische Draufsicht der Verschleißschutzschicht
Mittels der beiden Kontaktierungselemente
Dementsprechend ist die Auswerteeinheit
Wie vorangehend erläutert, entstehen bei einem Verschleiß der Verschleißschutzschicht
Optional kann das Verfahren zusätzlich einen Schritt
Schließlich kann das Verfahren
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 0553943 A1 [0004]EP 0553943 A1 [0004]
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DE102017221041.9A DE102017221041A1 (en) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Method for monitoring wear of a wear protection layer |
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Cited By (2)
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DE102018133010A1 (en) * | 2018-12-20 | 2020-06-25 | Airbus Operations Gmbh | Fiber composite component with an integrated structural condition sensor arrangement |
US10875661B2 (en) | 2018-12-20 | 2020-12-29 | Airbus Operations Gmbh | Fiber composite component having an integrated structural health sensor arrangement |
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---|---|---|---|---|
EP0553943A1 (en) | 1992-01-31 | 1993-08-04 | MANNESMANN Aktiengesellschaft | Test head for non-destructive testing |
-
2017
- 2017-11-24 DE DE102017221041.9A patent/DE102017221041A1/en active Pending
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