DE102017221190A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche eines Werkzeugs - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche (112) eines Werkzeugs (116). Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:a) Bereitstellen eines Werkzeugs (116), welches einen Grundkörper (114), der eine elektrisch leitfähigen Oberfläche (112) aufweist, einen Kondensator (120) und mindestens zwei elektrisch leitfähige Kontakte (126, 126') umfasst, wobei der Kondensator (120) aus zumindest einem Teil der elektrisch leitfähigen Oberfläche (112) des Grundkörpers (114), mindestens einer hierauf aufgebrachten isolierenden Schicht (122) und mindestens einer hierauf aufgebrachten metallisch leitfähigen Schicht (124) gebildet ist, wobei die elektrisch leitfähigen Kontakte (126, 126') an die elektrisch leitfähige Oberfläche (112) des Grundkörpers (114) und an die metallisch leitfähige Schicht (124) angebracht sind;b) Beaufschlagen des Kondensators (120) mit einer elektrischen Spannung und Ermitteln einer elektrischen Größe; undc) Auswerten eines zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe, wodurch die mindestens eine messtechnisch erfassbare Größe in Bezug auf die Eigenschaft der Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) bestimmen wird.Damit wird die Bestimmung des mechanischen Verschleißes einer in einem Funktionselement eingebrachten und von außen nicht unbedingt zugänglichen Oberfläche eines Werkzeugs (116) unter automatischer Unterscheidung von weiteren messtechnisch erfassbaren Größen ermöglicht. Hierdurch lassen sich Ausfallzeiten des Funktionselements verringern und die Prozesssicherheit im Betrieb des Funktionselements erhöhen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche eines Werkzeugs, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, sowie ein Funktionselement, in welchem eine derartige Vorrichtung vorliegt. Die messtechnisch erfassbare Größe umfasst hierbei insbesondere einen mechanischen Verschleiß der Oberfläche des Werkzeugs, wobei das Verfahren und die Vorrichtung gleichzeitig dafür eingesetzt werden können, um weitere messtechnisch erfassbare Größen, bevorzugt eine Temperatur an der Oberfläche des Werkzeugs, eine Krafteinwirkung auf die Oberfläche des Werkzeugs oder eine Drehzahl in Bezug auf die Oberfläche des Werkzeugs zu bestimmen.
• Stand der Technik
• Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zu einer Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche eines Werkzeugs bekannt. Insbesondere kann hierbei ein mechanischer Verschleiß der Oberfläche des Werkzeugs mittels einer Sichtprüfung der Oberfläche des Werkzeugs oder einer Anwendung von Schall oder Ultraschall auf das Werkzeug nachgewiesen werden. Während die Sichtprüfung der Oberfläche ein aufwendiges und subjektives Verfahren darstellt, erfordert Körperschall eine aufwendige Messtechnik, mit welcher sich Risse in der Oberfläche des Werkzeugs trotzdem nur schwierig nachweisen lassen. Darüber hinaus können diese Verfahren und Vorrichtungen in der Regel nicht während eines Betriebs eines Funktionselements, dessen Oberfläche insbesondere im Hinblick auf Verschleiß überwacht werden soll, durchgeführt werden.
• Für die Bestimmung weiterer messtechnisch erfassbarer Größen, insbesondere einer Temperatur an der Oberfläche des Werkzeugs, einer Krafteinwirkung auf die Oberfläche des Werkzeugs oder einer Drehzahl in Bezug auf die Oberfläche des Werkzeugs, sind darüber hinaus gesonderte Verfahren und Vorrichtungen erforderlich. Hierzu gehören beispielsweise Pyrometer, Thermometer und/oder Wärmebildkameras zur Bestimmung der Temperatur an der Oberfläche des Werkzeugs bzw. Kraftmessdosen mit Dehnungsmessstreifen oder Piezoelemente für eine Ermittlung der Krafteinwirkung auf die Oberfläche des Werkzeugs, während die Drehzahl in Bezug auf die Oberfläche des Werkzeugs über einer Messung einer Induktionsspannung, durch Einsatz eines Stroboskops oder durch absolute Winkelmesssysteme erfolgen kann.
• Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche eines Werkzeugs, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, sowie ein Funktionselement, in welchem eine derartige Vorrichtung vorliegt, bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen.
• Das Verfahren und die Vorrichtung sollen bevorzugt die Bestimmung des mechanischen Verschleißes einer in einem Funktionselement eingebrachten und von außen nicht unbedingt zugänglichen Oberfläche eines Werkzeugs, beispielsweise eines Lagers, insbesondere eines Kugellagers oder eines Gleitlagers, eines Zahnrades oder einer Turbine ermöglichen. Hierbei soll vorzugsweise eine möglichst automatische Unterscheidung von weiteren messtechnisch erfassbaren Größen, insbesondere von einer Temperaturänderung an der Oberfläche des Werkzeugs, von einer Krafteinwirkung auf die Oberfläche des Werkzeugs oder von einer Drehzahl in Bezug auf die Oberfläche des Werkzeugs, möglich sein. Auf Basis einer derartigen Bestimmung insbesondere des mechanischen Verschleißes soll automatisiert eine Störungsmeldung erzeugt und an eine Steuerungseinheit des Funktionselements und/oder an das Funktionselement betreuende Bedienpersonal gesendet werden können. Insbesondere sollen damit Ausfallzeiten des Funktionselements vermindert, Ausschuss verringert und eine Prozesssicherheit im Betrieb des Funktionselements erhöht werden können.
• Offenbarung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche eines Werkzeugs, ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens durchzuführen, sowie ein Funktionselement, in welchem eine derartige Vorrichtung vorliegt, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
• In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche eines Werkzeugs.
• Der Begriff des „Werkzeugs“ bezieht sich hierbei auf einen mechanisch stabilen Grundkörper, welcher einen Grundwerkstoff umfasst, wobei der Grundkörper selbst als Funktionselement ausgestaltet oder in einem Funktionselement vorliegen kann. Der Begriff des „Funktionselements“ bezeichnet hierbei ein technisches Gebilde, das für eine mechanische Einwirkung oder eine Umwandlung mindestens einer mechanischen Größe in eine andere mechanische Größe oder eine nicht-mechanische Größe, insbesondere eine elektrische Größe, ausgestattet ist. Der Begriff des Funktionselements kann daher einerseits einfache Werkzeuge, bevorzugt Stempel, Schneidplatten oder Matrizen, anderseits komplexere Werkzeuge, bevorzugt Lager, insbesondere Kugellager oder Gleitlager, Zahnräder oder Turbinen, vorzugsweise Kraftwerksturbinen, Flugzeugturbinen oder Schiffsschrauben, umfassen. Weitere Arten von Funktionselementen sind jedoch möglich.
• Der Begriff der „Oberfläche“ des Werkzeugs bezieht sich hierbei auf eine von außen zugängliche räumliche Begrenzung des Werkzeugs, insbesondere des Grundkörpers des Werkzeugs oder des mit einer weiteren metallischen Schicht versehenen Grundkörpers des Werkzeugs, wobei die Oberfläche des Werkzeugs unabhängig davon ist, ob das Werkzeug nach einer Einbringung in ein Funktionselement von außen zugänglich bleibt oder nicht. Wie eingangs erwähnt umfasst, die messtechnisch erfassbare Größe in Bezug auf eine Eigenschaft der Oberfläche des Werkzeugs insbesondere einen mechanischen Verschleiß der Oberfläche des Werkzeugs, wobei das vorliegende Verfahren dazu eingerichtet ist, um den Verschleiß der Oberfläche des Werkzeugs von weiteren messtechnisch erfassbaren Größen, insbesondere von einer Temperaturänderung an der Oberfläche des Werkzeugs, von einer Krafteinwirkung auf die Oberfläche des Werkzeugs oder von einer Drehzahl in Bezug auf die Oberfläche des Werkzeugs, möglichst automatisch unterscheiden zu können.
• Das vorliegende Verfahren umfasst hierbei die im Folgenden beschriebenen Schritte a) bis c), wobei die Schritte a) bis c) bevorzugt nacheinander ausgeführt werden können, wobei es allerdings vorteilhaft sein kann, die Schritte b) und c) mehrfach zu wiederholen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
1. a) Bereitstellen eines Werkzeugs, welches einen Grundkörper, der eine elektrisch leitfähigen Oberfläche aufweist, einen Kondensator und mindestens zwei elektrisch leitfähige Kontakte umfasst, wobei der Kondensator aus zumindest einem Teil der elektrisch leitfähigen Oberfläche des Grundkörpers, mindestens einer hierauf aufgebrachten isolierenden Schicht und mindestens einer hierauf aufgebrachten metallisch leitfähigen Schicht gebildet ist, wobei die elektrisch leitfähigen Kontakte an die elektrisch leitfähige Oberfläche des Grundkörpers und an die metallisch leitfähige Schicht angebracht sind;
2. b) Beaufschlagen des Kondensators mit einer elektrischen Spannung und Ermitteln einer weiteren elektrischen Größe; und
3. c) Auswerten eines zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe, wodurch sich die mindestens eine messtechnisch erfassbare Größe, welche sich auf die Oberfläche des Werkzeugs bezieht, bestimmen lässt.
• Gemäß Schritt a) wird zunächst ein Werkzeug bereitgestellt, welcher einen Kondensator und elektrisch leitfähige Kontakte umfasst. Hierbei ist der Kondensator aus zumindest einem Teil einer elektrisch leitfähigen Oberfläche des Grundkörpers des betreffenden Werkzeugs, mindestens einer hierauf aufgebrachten isolierenden Schicht und mindestens einer hierauf aufgebrachten metallisch leitfähigen Schicht gebildet, wobei der in den Kondensator einbezogene Teil der elektrisch leitfähigen Oberfläche des Grundkörpers und die metallisch leitfähige Schicht zwei elektrisch leitfähige Flächen des Kondensators darstellen, welche durch die isolierende Schicht als Dielektrikum räumlich voneinander getrennt sind.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Kondensator aus einem Teil einer elektrisch leitfähigen Oberfläche des Grundkörpers des betreffenden Werkzeugs, genau einer hierauf aufgebrachten isolierenden Schicht und genau einer hierauf aufgebrachten metallisch leitfähigen Schicht gebildet sein. Darüber hinaus können weitere Schichten vorgesehen sein, insbesondere eine zweite isolierende Schicht, welche auf die metallisch leitfähige Schicht aufgebracht sein kann. In vorteilhafte Weise kann so ein Verschleiß erst nach einem Durchdingen des Isolators erfasst werden, d.h. wenn ein durch den Verschließ hervorgerufener Materialabtrag an der Oberfläche eine festgelegte Tiefe erreicht hat. Hierdurch kann zum Beispiel Verschleiß erst dann beobachtbar werden, wenn der Materialabtrag die Schichtdicke des Isolators erreicht hat. Werden dagegen nur eine Krafteinwirkung oder eine Temperaturänderung erfasst, kann davon ausgegangen werden, dass kein beobachtbarer Verschleiß auftritt. Weitere Ausgestaltungen des Kondensators sind möglich.
• In einer weiteren besonderen Ausgestaltung kann der Kondensator als Multilagenstruktur in Form einer Mehrzahl von abwechselnd aufeinander aufgebrachten isolierenden Schichten und metallisch leitfähigen Schichten bereitgestellt werden. Die Multilagenstruktur kann somit insbesondere eine erste isolierende Schicht, eine hierauf aufgebrachte erste metallisch leitfähige Schicht, eine hierauf aufgebrachte zweite isolierende Schicht, eine hierauf aufgebrachte zweite metallisch leitfähige Schicht und ggf. weitere, in dieser Reihenfolge aufgebrachte Schichten umfassen, wobei zwei metallisch leitfähige Schichten, welche an dieselbe isolierende Schicht angrenzen, eine Teilkapazität ausbilden können. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise überwacht werden, in welcher Tiefe sich der Verschleiß befinden kann. Sind mehrere unterschiedliche Schichten übereinander in Parallelschaltung angeordnet, so kann durch sukzessiven Abtrag der Schichten aus den messtechnisch erfassbaren Teilkapazitäten eine Tiefe des gesamten Materialabtrags ermittelt werden. Bei Erfassung einer Krafteinwirkung kann durch eine Reihenschaltung der Teilkapazitäten die gesamte Kapazität des Kondensators erhöht werden, wodurch, solange kein Verschleiß auftritt, die Erfassung der Krafteinwirkung mit einer höheren Sensitivität vorgenommen werden kann.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung weist somit zumindest ein Teil der Oberfläche des Grundkörpers elektrisch leitfähige Eigenschaften aus. Dies trifft auf eine Vielzahl von Grundkörpern, welche selbst als Funktionselement ausgestaltet oder in einem dort genannten Funktionselement vorliegen können, zu, da der Grundwerkstoff häufig ein elektrisch leitfähiges Metall, eine metallisch leitfähige Legierung oder einen metallisch leitfähigen Stahl umfasst. Für den Fall, dass der Grundwerkstoff des Werkzeugs zumindest an seiner Oberfläche elektrisch isolierend ausgestaltet ist, kann der zumindest an der Oberfläche elektrisch isolierende Grundwerkstoff derart mit einer weiteren metallisch leitfähigen Schicht versehen sein, dass hierdurch die erwähnte elektrisch leitfähige Oberfläche des Grundkörpers gebildet sein kann. Damit kann das vorliegende Verfahren auch für elektrisch nichtleitende Grundwerkstoffe eingesetzt werden.
• Material und Dicke der den Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung ausbildenden Schichten können hierbei vorzugsweise so gewählt werden, dass eine möglichst einfache Herstellung und eine möglichst hohe Beständigkeit des Kondensators, insbesondere im Hinblick auf eine zu erwartende Flächenpressung auf das Werkzeug an einer Stelle, an welche sich der Kondensator befindet, erzielt werden kann. Da hierbei mehrere verschiedene Schichten aufeinander aufgebracht werden, werden Material, Dicke und Art der Aufbringung der Schichten vorzugsweise derart ausgewählt, dass sich eine möglichst gute Schichthaftung zwischen den einzelnen Schichten ergibt. Ebenso kann in vorteilhafte Weise hierbei berücksichtigt werden, dass die außen angeordnete metallisch leitfähige Schicht möglicherweise abgetragen wird. Für einen Einsatz auf Wirkflächen von verschleißintensiven Werkzeugen wird ein besonders harter und abrasionsbeständiger Aufbau des mindestens einen Kondensators vorgeschlagen, welcher auch einer hohen Flächenpressung standhalten kann. Darüber hinaus sind eine geringe Reibung und eine auch bei hohen Temperaturen beständige Schichten wünschenswert. In einer weiteren bevorzugten Ausführung können die einzelnen Schichten lokal möglichst gut zugänglich sein, insbesondere um eine Anbringung von elektrisch leitfähigen Kontakten an einzelne Schichten zu ermöglichen.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann das gesamte Bauteil an unterschiedlichen Stellen verschieden beschichtet werden. Hierbei kann vorzugsweise zwischen Wirkflächen, Ankonstruktionsflächen und Kontaktflächen unterschieden werden. Die Wirkflächen, bei welchen erwartet wird, dass sie im Betrieb des Werkzeugs einem direkten Verschleiß ausgesetzt sein können, wird der vorgeschlagene Kondensator vollständig mit den genannten Schichten bereitgestellt. Dem gegenüber stellen die Ankonstruktionsflachen eine Verbindung zwischen den Wirkflächen und den Kontaktflächen dar, wofür es genügen kann, eine jeweilige metallisch leitende Schicht zur jeweiligen Kontaktfläche bereitzustellen. An den Kontaktflachen kann schließlich eine Verkabelung des Messsystems angebracht werden. Auf diese Weise kann die vorgeschlagene Beschichtungskombination zu einem Sensor ausgestaltet werden.
• Als die isolierende Schicht eignen sich bevorzugt eine Metalloxidschicht, insbesondere eine Aluminiumoxidschicht, eine Keramikschicht oder eine isolierende Lackschicht in einer Schichtdicke von 1 µm bis 50 mm, bevorzugt von 5 µm bis 25 µm, insbesondere 8 µm bis 15 µm. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann hierbei die isolierende Schicht eine möglichst gleichbleibende Schichtdicke aufweisen, um auf diese Weise einen möglichst gleichmäßigen Abstand zwischen der aus dem Teil der elektrisch leitfähigen Oberfläche des Grundkörpers und der metallisch leitfähigen Schicht gebildeten Flächen des Kondensators zu ermöglichen, welcher gemäß der unten stehenden Gleichung (2) in die Bestimmung der messtechnisch erfassbaren Größe mit eingehen kann. Vorzugsweise weisen die für die isolierende Schicht eingesetzten Materialien eine elektrische Leitfähigkeit von höchstens 10^-6 S/m, bevorzugt von höchstens 10^-8 S/m, auf.
• Als die metallisch leitfähige Schicht oder die weitere metallisch leitfähige Schicht eignen sich bevorzugt Metallfilme, welche insbesondere Titan, Titannitrid, Titancarbid, Chromnitrid, Chromcarbonitrid oder eine Kombination hiervon aufweisen können, welche durch Aufdampfen, Eintauchen oder ein anderes bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Schicht aufgebracht werden, oder ein elektrisch leitfähiger Lack (Leitlack), ebenfalls in einer Schichtdicke von 1 µm bis 50 mm, bevorzugt von 5 µm bis 25 µm, insbesondere 8 µm bis 15 µm. Vorzugsweise weisen die für die metallisch leitfähige Schicht oder die weitere metallisch leitfähige Schicht eingesetzten Materialien eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 10⁶ S/m, bevorzugt von mindestens 10⁷ S/m, auf. Andere hier nicht ausdrücklich aufgeführte Materialien können jedoch ebenfalls eingesetzt werden.
• Damit kann der erfindungsgemäß bereitgestellte Kondensator als passives elektrisches Bauelement dazu eingesetzt werden, um in der als Dielektrikum eingesetzten isolierenden Schicht des Kondensators elektrische Ladung in Form eines elektrischen Feldes zu speichern. Ein aus der so in dem Kondensator gespeicherten elektrischen Ladung Q und der an dem Kondensator anliegenden elektrischen Spannung U gebildeter Quotient wird gemäß Gleichung (1) üblicherweise als elektrische Kapazität C bezeichnet und kann durch Anlegen der elektrischen Spannung U an den Kondensator ermittelt werden: $$C=\frac{Q}{U}.$$

  
• Wird an den Kondensator alternativ oder zusätzlich Wechselstrom angelegt, so lässt sich messtechnisch eine komplexe Impedanz Z als Funktion der mindestens einen Frequenz f des angelegten Wechselstroms erfassen.
• Gemäß Schritt b) erfolgt hierzu ein Beaufschlagen des Kondensators mit einer elektrischen Spannung und Ermitteln einer elektrischen Größe. Hierbei kann die elektrischen Spannung U ausgewählt werden aus einer elektrischen Gleichspannung U₀ und/oder oder einer elektrischen Wechselspannung U(t), welche sich zeitlich insbesondere mit der mindestens einen Frequenz f verändern kann. Die so ermittelte elektrische Größe kann hierbei vorzugsweise eine Änderung eines Parameters der an den Kondensator angelegten elektrischen Spannung U, insbesondere eine Änderung von Amplitude |U|, Phase φ und/oder Frequenz f der an den Kondensator angelegten elektrischen Spannung U, umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann eine mit der an den Kondensator angelegten elektrischen Spannung U in Beziehung stehende elektrische Größe, vorzugsweise die komplexe Impedanz Z, ermittelt werden.
• Damit der Kondensator mittels der elektrischen Spannung beaufschlagt und eine elektrische Größe ermittelt werden kann, verfügt das Werkzeug weiterhin über mindestens zwei elektrisch leitfähige Kontakte, welche einerseits an die elektrisch leitfähige Oberfläche des Grundkörpers und andererseits an die metallisch leitfähige Schicht angebracht sind. Auf dies Weise kann zwischen den elektrisch leitfähigen Flächen des Kondensators die gewünschte elektrische Spannung angelegt werden. Bei den elektrisch leitfähigen Kontakten kann es sich hierbei jeweils insbesondere um eine elektrisch leitfähige Verbindung aus Drahtleitern oder Wirebonds handeln; eine drahtlose induktive Übermittlung ist jedoch ebenfalls möglich.
• Für die Kapazität C des Kondensators, welcher die aus dem Teil der elektrisch leitfähigen Oberfläche des Grundkörpers des Werkzeugs und der metallisch leitfähigen Schicht gebildeten elektrisch leitfähigen Flächen und die die beiden elektrisch leitfähigen Flächen räumlich voneinander trennende isolierende Schicht umfasst, kann hierbei gemäß Gleichung (2) die folgende Beziehung $$C={\epsilon }_0{\epsilon }_r\frac{A}{d}$$

  

  eingesetzt werden, wobei ε₀ die elektrische Feldkonstante, ε_r eine materialbezogene relative Permittivität des für die isolierende Schicht eingesetzten Dielektrikums, A eine Größe der aus der metallisch leitfähigen Schicht gebildeten elektrisch leitfähigen Fläche und d eine Schichtdicke des Dielektrikum, welche hier dem Abstand zwischen der aus dem Teil der elektrisch leitfähigen Oberfläche des Grundkörpers des Werkzeugs und der metallisch leitfähigen Schicht entspricht.
• Unter Verwendung der Gleichung (2) können sich hierbei insbesondere die folgenden Konstellationen ergeben. Wird beispielsweise die metallisch leitfähige Schicht an der Oberfläche des Kondensators in Folge von Verschleiß beschädigt, so wird damit ein Teil der metallisch leitfähigen Schicht abgetragen, was zu einer Verringerung der Größe A der Fläche der metallisch leitfähigen Schicht führen kann. Gemäß Gleichung (2) kann führt die Verringerung der Größe A zu einer Abnahme der Kapazität C des vorliegenden Kondensators. Werden dagegen das Werkzeug und somit auch seine Oberfläche erwärmt, so dehnen sich die darin vorhandenen Materialien aus, was im Allgemeinen zu einer Zunahme der Schichtdicke d des Dielektrikums und so gemäß Gleichung (2) somit ebenfalls zu einer Abnahme der Kapazität C des vorliegenden Kondensators führen kann. Im umkehrten Fall einer Abkühlung des Werkzeugs und somit auch seiner Oberfläche, so ziehen sich die darin vorhandenen Materialien zusammen, was im Allgemeinen zu einer Verringerung der Schichtdicke d des Dielektrikums und so gemäß Gleichung (2) somit zu einer Zunahme der Kapazität C des vorliegenden Kondensators führen kann. Eine Zunahme der Kapazität C des vorliegenden Kondensators kann jedoch auch dann auftreten, wenn, insbesondere während des Betriebs des Formkörpers, eine Kraft F und damit ein Druck $p=\frac{F}{A}$

  

  auf die Fläche A aufgebracht wird, wodurch die Schichtdicke d des Dielektrikums ebenfalls verringert wird und dieselbe Folge gemäß Gleichung (2) beobachtet werden kann.
• Gemäß Schritt c) wird daher die mindestens eine messtechnisch erfassbare Größe in Bezug auf die Eigenschaft der Oberfläche des Werkzeugs durch Auswerten eines zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe bestimmt. Der Begriff des „zeitlichen Verlaufs“ beschreibt hierbei eine Art einer Veränderung der ausgewählten elektrischen Größe, insbesondere die an dem Kondensator anliegende elektrische Spannung U, über einen Zeitraum, über welchen die ausgewählten elektrischen Größe und damit ihre zeitliche Änderung erfasst werden kann. Vorzugsweise erfolgt die Aufnahme des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe während eines Zeitraums, in welchem das Werkzeug nicht in Kontakt mit einem weiteren Werkzeug, insbesondere nicht mit einem das Werkzeug beaufschlagenden Werkstück, steht. Aus dem so ermittelten zeitlichen Verlauf, welcher insbesondere mit einer Eigenschaft der Oberfläche des Kondensators korreliert ist, kann bei bekannten Aufbau des Kondensators im Hinblick auf dessen Struktur und Materialien auf eine Eigenschaft, welche mit der Oberfläche des Grundkörpers in Beziehung steht, zurückgeschlossen werden.
• Bei einer Auswertung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe, insbesondere die an dem Kondensator anliegende elektrische Spannung U, über den ausgewählten Zeitraum kann somit vorzugsweise wie folgt vorgegangen werden:
• - Zunächst kann ermittelt werden, ob eine Verringerung oder eine Erhöhung der Kapazität des Kondensators innerhalb des ausgewählten Zeitraums auftritt.
• - Kann hierbei eine Verringerung der Kapazität des Kondensators beobachtet werden, so kann ein Auftreten eines mechanischen Verschleißes der Oberfläche oder eine Temperaturzunahme an der Oberfläche vorliegen. Während das Auftreten eines Verschleißes zu einer schlagartigen Änderung der Kapazität führen kann, kann sich eine Temperaturzunahme nur langsam auf die Kapazität auswirken, da eine Erwärmung des Werkzeugs und damit seiner Oberfläche nicht schlagartig erfolgen kann. Somit kann nun überprüft werden, ob der zeitliche Verlauf der der elektrischen Größe über den ausgewählten Zeitraum schlagartig oder nur allmählich erfolgt.
• - Kann hierbei jedoch eine Erhöhung der Kapazität des Kondensators beobachtet werden, so kann eine Temperaturzunahme an der Oberfläche oder eine Krafteinwirkung auf die Oberfläche vorliegen. Während sich auch eine Temperaturabnahme nur langsam auf die Kapazität auswirken kann, da eine Abkühlung des Werkzeugs und damit seiner Oberfläche nicht schlagartig erfolgen kann, kann ein zeitlicher Verlauf der Krafteinwirkung auf die Oberfläche bekannt sein und insbesondere auch zu einer schlagartigen Änderung der Kapazität führen. Somit kann auch hier nun überprüft werden, ob der zeitliche Verlauf der der elektrischen Größe über den ausgewählten Zeitraum nur allmählich oder schlagartig, insbesondere analog zu dem zeitlichen Verlauf der Krafteinwirkung auf die Oberfläche, erfolgt.
• - Treten innerhalb des ausgewählten Zeitraums periodisch eine Verringerung und eine Erhöhung der Kapazität des Kondensators auf, so kann sich das Werkzeug in einer Drehung befinden, deren Periode sich ebenfalls aus dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe bestimmen lassen kann.
• Diese beschriebenen Effekte können somit durch die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe, insbesondere die an dem Kondensator anliegende elektrische Spannung U, über den ausgewählten Zeitraum rechentechnisch voneinander getrennt werden, insbesondere mittels einer unten näher beschriebenen Messeinrichtung. Hierbei können, wie oben dargestellt, aus einem Gradienten des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe einerseits zwischen dem Auftreten des mechanischen Verschleißes der Oberfläche des Werkzeugs oder der Temperaturzunahme an der Oberfläche des Werkzeugs bzw. andererseits zwischen der Krafteinwirkung auf die Oberfläche des Werkzeugs oder der Temperaturabnahme an der Oberfläche des Werkzeugs unterschieden werden. Der Fachmann kann hierbei durch einfache Versuche mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs oder eines Prototypen hiervon ermitteln, welche Änderungen als schlagartig oder als allmählich betrachtet werden können bzw. welche Gradienten des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe jeweils auf die eine oder die andere messtechnisch erfassbare Größe hinweisen können. Weitere Auswertungen sind möglich, insbesondere bei bekannter Kraft auf eine Fläche, eine Lage und/oder eine Überdeckung, welche das Werkzeug mit der Oberfläche aufweisen kann, zu ermitteln.
• Um eine möglichst hohe Genauigkeit des Messsystems zu erzielen, kann zumindest eine der messtechnisch erfassbaren Größe, z. B. Temperatur, Drehzahl oder Krafteinwirkung, zusätzlich in einer gesonderten Messeinrichtung erfasst werden und insbesondere dazu eingesetzt werden, um deren Einfluss auf die zu bestimmende elektrische Größe zu ermitteln und vorzugsweise zu kompensieren. Folgend kann ein so ermittelter Wert für die messtechnisch erfassbare Größe dazu dienen, um die dadurch bedingte Änderung des Wertes für die Kapazität zu ermitteln und von der zu bestimmenden elektrischen Größe abzuziehen, welche somit mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden kann.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche eines Werkzeugs durchzuführen. Das Computerprogramm kann hierbei insbesondere in einem elektronischen Speicher, welcher sich intern in der Messeinrichtung oder in einer in die Messeinrichtung einfügbaren tragbaren Speichereinrichtung befinden kann, vorgehalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Computerprogramm extern, insbesondere auf einem Server oder in einer Cloud, gespeichert und online zur Verfügung gestellt werden.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche eines Werkzeugs. Diese Vorrichtung umfasst:
• - einen Grundkörper, welcher eine elektrisch leitfähige Oberfläche aufweist,
• - einen Kondensator, welcher zumindest aus einem Teil einer elektrisch leitfähigen Oberfläche des Grundkörpers, mindestens einer hierauf aufgebrachten isolierenden Schicht und mindestens einer hierauf aufgebrachten metallisch leitfähigen Schicht gebildet ist;
• - mindestens zwei elektrisch leitfähige Kontakte, wobei ein erster elektrisch leitfähiger Kontakt an die elektrisch leitfähige Oberfläche des Grundkörpers angebracht ist und wobei ein zweiter elektrisch leitfähiger Kontakt an die metallisch leitfähige Schicht angebracht ist; und
• - eine Messeinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, um den Kondensator mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen, um eine elektrische Größe zu ermitteln und um aus einem zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe die mindestens eine messtechnisch erfassbare Größe in Bezug auf die Eigenschaft der Oberfläche des Werkzeugs zu bestimmen.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorrichtung zur Durchführung des hierin beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche eines Werkzeugs eingerichtet. Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die Vorrichtung wird auf die Beschreibung des Verfahrens sowie auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.
• Bei der Messeinrichtung, welche auch als „Auswerteeinrichtung“ bezeichnet werden kann, kann es sich vorzugsweise um eine elektronisch steuerbare Messeinheit handeln, welche insbesondere über einen Computer, einen Mikrocomputer oder einen programmierbaren Chip, z.B. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (engl. application-specific integrated circuit; ASIC) oder ein FPGA (engl. field-programmable gate Array), verfügen kann, wobei die Messeinrichtung auf das Computerprogramm, das zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, zugreifen kann. Die Messeinrichtung kann hierbei insbesondere einen Spannungsgenerator zur Erzeugung einer elektrischen Spannung, einen Messvorrichtung zur Erfassung eines zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung und eine Berechnungseinheit zur Bestimmung der mindestens einen messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf die Eigenschaft der Oberfläche des Werkzeugs aus dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung aufweisen. Andere Ausgestaltungen der Messeinrichtung sind jedoch möglich, bevorzugt eine Integration der Messeinrichtung in eine Steuereinheit, welche zur Steuerung eines die Vorrichtung umfassenden Funktionselements eingerichtet sein kann.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Funktionselement, welches eine Vielzahl von Werkzeugen umfasst, wobei mindestens eines der Werkzeuge oder ein Teil hiervon in Form einer hier beschriebenen Vorrichtung ausgestaltet ist. Wie bereits oben erwähnt, kann hierbei das Funktionselement in Form eines einfachen Werkzeugs, bevorzugt als Stempel, Schneidplatte oder Matrize, oder anderseits als komplexeres Werkzeug, bevorzugt als Lager, insbesondere als Kugellager oder Gleitlager, als Zahnrad oder als Turbine, vorzugsweise als Kraftwerksturbine, Flugzeugturbine oder Schiffsschraube, ausgestaltet sein, wobei mindestens eine Vorrichtung vorzugsweise an mindestens einer ausgewählten Stelle in dem Funktionselement vorliegen kann. Bei der ausgewählten Stelle in dem Funktionselement kann es sich insbesondere um eine während des Betriebs des Funktionselements besonders häufig oder besonders intensiv beaufschlagbare Fläche in dem Funktionselement handeln. Beispielsweise kann die Vorrichtung auf eine Innenseite einer Matrize, auf eine Lauffläche eines Kugellagers, auf eine Zahnflanke eines Zahnrades aufgebracht sein. Weitere Funktionselemente und weitere ausgewählte Stellen zur Einbringung der Vorrichtung in das Funktionselement sind jedoch denkbar. Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das Funktionselement wird auf die Beschreibung der Vorrichtung sowie auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.
• Das vorliegende Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung eignen sich bevorzugt für die Bestimmung des mechanischen Verschleißes einer in einem Funktionselement eingebrachten und von außen nicht unbedingt zugänglichen Oberfläche eines Werkzeugs, insbesondere eines Kugellagers, eines Zahnrades oder einer Turbine. Hierbei kann vorzugsweise eine automatische Unterscheidung von weiteren messtechnisch erfassbaren Größen, insbesondere von einer Temperaturänderung an der Oberfläche des Werkzeugs, von einer Krafteinwirkung auf die Oberfläche des Werkzeugs und/oder von einer Drehzahl in Bezug auf die Oberfläche des Werkzeugs, ermöglicht werden.
• Auf Basis der derartigen Bestimmung des mechanischen Verschleißes kann automatisiert eine Störungsmeldung erzeugt und an eine Steuerungseinheit des Funktionselements und/oder an das Funktionselement betreuendes Bedienpersonal gesendet werden können. Insbesondere lassen ich auf diese Weise Ausfallzeiten des Funktionselements verringern und eine Prozesssicherheit während des Betriebs des Funktionselements erhöhen.
• Vorteile der Erfindung
• Das vorliegende Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung insbesondere folgende Funktionen:
• - Bereitstellen eines Kondensators mittels einer Beschichtung;
• - Bereitstellen eines Kondensators, in welchem die geometrischen Anordnung und die Gestaltung des Kondensators, unabhängig von dem Grundaufbau „elektrisch leitende Schicht - elektrisch isolierende Schicht - metallisch leitende Schicht“ eine Bedeutung in einem Betrieb des Funktionselements einnimmt;
• - Anwenden eines Kondensators auf einer Außenhaut einer Wirkfläche;
• - Aufbringen einer elektrisch isolierende Schicht mit darauffolgender metallisch leitender Schicht auf einem Werkzeug
• - Verwendung einer Verringerung einer Größe A der Fläche des Kondensators;
• - Bereitstellen eines Sensortyps mittels einer Beschichtung;
• - Separate Zugänglichkeit von einzelnen Schichten auf einem Werkzeug;
• - Aufbringen eines lokal unterschiedlichen Beschichtungsaufbaus auf das Werkzeug;
• - Nutzung eines Kondensators nicht als elektrische Komponente in einem Schaltkreis zur Speicherung elektrischer Energie, sondern als Sensor zur Bestimmung einer oder mehrerer messtechnisch erfassbarer Größen in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche eines Werkzeugs;
• - Nutzung und Messung einer Zerstörung eines Fläche eines Kondensators;
• - Entkopplung von verschiedenen Einflüssen auf eine Änderung der Kapazität;
• - Ermöglichung einer exakten Messung der Änderung der Kapazität;
• - Messung der Kapazität zum Nachweis eines Verschleißes;
• - Messen des Verschleißes der Oberfläche während des Betriebs des Werkzeugs;
• - Ermöglichen einer Aussage über einen prozentualen Abrieb der Wirkflache; und
• - Ermöglichen einer Aussage über auf die Wirkfläche einwirkende Kraft, die Temperatur des Bauteils und, bei bewegten Bauteilen, über die Umdrehung des Bauteils.
• Wie oben beschrieben, wird bei der Anwendung der vorliegenden kapazitiven Verschleißmessung ein Effekt ausgenutzt, welcher auf einer Änderung der Kapazität des Kondensators durch einen Abtrag der Flache A des Kondensators beruht. Die typische Hauptanwendung von Kondensatoren, welche in einer Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie liegt, ist dagegen nicht relevant für das vorliegende Verfahren. Die für die vorliegende Anwendung erforderliche Kondensatorfläche kann nicht mit herkömmlichen Kondensatoren verglichen werden; vielmehr ermöglichen konstruktive Änderungen eine Messung des Verschleißes während des Betriebs. Dadurch ergeben sich neuartige und, je nach Anwendung, besondere Anforderungen an die Kondensator-Komponenten, welche sich von einem konventionellen Kondensator deutlich unterscheiden können.
• Figurenliste
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit näher erläutert. Hierbei zeigen:
• 1A und 1B eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht (1A) sowie einen Querschnitt entlang der Linie X-X (1B); und
• 2 eine schematische Darstellung zur Durchführung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Ausführungsformen der Erfindung
• 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 110 zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche 112 eines Grundkörpers 114 eines Werkzeugs 116 in schematischer, nicht-maßstäblicher Darstellung. Während in 1A eine Seitenansicht des beispielhaft als Stempel 118 ausgeführten Werkzeugs 116 dargestellt ist, zeigt 1B einen Querschnitt durch den Stempel 118 entlang der in 1A angedeuteten Linie X-X. Anstelle des Stempels 118 kann das Werkzeug 116 jedoch auch eine beliebige andere Form annehmen und insbesondere als Funktionselement, bevorzugt als Schneidplatte, Matrize, Kugellager, Zahnrad oder Turbine, insbesondere als Kraftwerksturbine, Flugzeugturbine oder Schiffsschraube, oder eines Teils hiervon ausgeführt sein. Weitere Ausführungen sind jedoch möglich.
• Die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 110 umfasst einen Kondensator 120, welcher aus einem Teil einer elektrisch leitfähigen Oberfläche 112 des Grundkörpers 114 des Werkzeugs 116, einer auf der Oberfläche 112 des Grundkörpers 114 aufgebrachten isolierenden Schicht 122 und einer auf die isolierende Schicht 122 aufgebrachten metallisch leitfähigen Schicht 124 ausgebildet ist. Für den Fall, dass der Grundkörper 114 zumindest an seiner Oberfläche ein elektrisch isolierendes Material aufweisen sollte, kann der zumindest an der Oberfläche 112 elektrisch isolierende Grundwerkstoff des Werkzeugs 116 mit einer weiteren metallisch leitfähigen Schicht (nicht dargestellt) versehen sein, so dass hierdurch die elektrisch leitfähige Oberfläche 112 des Grundkörpers 114 gebildet werden kann. Der in den Kondensator 120 einbezogene Teil der elektrisch leitfähigen Oberfläche 112 des Grundkörpers 114 und die metallisch leitfähige Schicht 124 bilden zwei elektrisch leitfähige Flächen A des Kondensators 120 aus, welche durch die isolierende Schicht 122, die über eine Schichtdicke d verfügt und als Dielektrikum fungiert, räumlich voneinander getrennt sind.
• Insbesondere aus 1B geht hervor, dass die isolierende Schicht 122 und die metallisch leitfähige Schicht 124 jeweils als dünne Schichten, welche auf der Oberfläche 112 des Grundkörpers 114 bzw. auf der isolierenden Schicht 122 aufgebracht sind, ausgestaltet sind. Für die elektrisch isolierende Schicht 122 eignen sich bevorzugt eine Metalloxidschicht, insbesondere eine Aluminiumoxidschicht, eine Keramikschicht oder eine isolierende Lackschicht in einer Schichtdicke d von 1 µm bis 50 mm, bevorzugt von 5 µm bis 25 µm, insbesondere 8 µm bis 15 µm. In der vorliegenden vorteilhaften Ausführung weist die isolierende Schicht 122 eine möglichst gleichbleibende Schichtdicke d auf, um so einen möglichst gleichmäßigen Abstand zwischen aus der elektrisch leitfähigen Oberfläche 112 des Grundkörpers 114 und der metallisch leitfähigen Schicht 124 gebildeten Flächen des Kondensators 120 bereitzustellen. Für die metallisch leitfähige Schicht 124 eignen sich bevorzugt ein Metallfilm, insbesondere aus Titannitrid, welcher durch Aufdampfen, Eintauchen oder Aufkleben aufgebracht werden kann, oder ein elektrisch leitfähiger Lack (Leitlack), ebenfalls in einer Schichtdicke von 1 µm bis 50 mm, bevorzugt von 5 µm bis 25 µm, insbesondere 8 µm bis 15 µm. Auch andere Materialien, insbesondere aus der oben genannten Auswahl, können hier verwendet werden.
• Die in 1A schematisch dargestellte Vorrichtung 110 zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche 112 eines Grundkörpers 114 eines Werkzeugs 116 umfasst weiterhin zwei elektrisch leitfähige Kontakte 126, 126', welche hier in Form von elektrisch leifähigen Drahtleitern ausgestaltet sind. Alternativ oder zusätzlich kann es sich hierbei auch um andere drahtgebundene Einrichtungen, wie z.B. Wirebonds, handeln; eine drahtlose induktive Übermittlung kann jedoch ebenfalls eingerichtet sein. Der erste elektrisch leitfähige Kontakt 126 ist, wie aus der 1 A hervorgeht, an die elektrisch leitfähige Oberfläche 112 des Grundkörpers 114 angebracht, während der zweite elektrisch leitfähige Kontakt 126' eine elektrisch leitfähige Verbindung mit der metallisch leitfähigen Schicht 124 aufweist. Damit kann einerseits zwischen den elektrisch leitfähigen Flächen des Kondensators 120 die gewünschte elektrische Spannung U angelegt werden und andererseits ein zeitlicher Verlauf der elektrischen Spannung U zwischen der elektrisch leitfähige Oberfläche 112 des Grundkörpers 114 und der metallisch leitfähigen Schicht 124 erfasst werden.
• Die in 1A schematisch dargestellte Vorrichtung 110 zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche 112 eines Grundkörpers 114 eines Werkzeugs 116 umfasst weiterhin eine Messeinrichtung 128, welche auch als „Auswerteeinrichtung“ bezeichnet werden kann. Die Messeinrichtung 128 kann vorzugsweise als elektronisch steuerbare Messeinheit ausgeführt sein, welche insbesondere über einen Computer, einen Mikrocomputer oder einen programmierbaren Chip, z.B. einen ASIC oder ein FPGA, verfügen kann. Die hier exemplarisch dargestellte Messeinrichtung 128 weist einen Spannungsgenerator 130 zur Erzeugung einer elektrischen Spannung U, eine Messvorrichtung 132 zur Erfassung eines zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung U(t) und eine Berechnungseinheit 134 zur Bestimmung der mindestens einen messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf die Eigenschaft der Oberfläche 112 des Werkzeugs 116 aus dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung U(t) aufweisen. Die Messeinrichtung ist in 1A als eigenständige Einrichtung (stand-alone Gerät) ausgeführt, bevorzugt kann die Messeinrichtung jedoch in eine Steuereinheit (nicht dargestellt) integriert sein, welche zur Steuerung eines die Vorrichtung 110 umfassenden Funktionselements eingerichtet sein kann. Andererseits können der Spannungsgenerator 130, die Messvorrichtung 132 und/oder die Berechnungseinheit 134 auch als separate Komponenten ausgeführt sein.
• Die Messeinrichtung 128 in der Ausführung gemäß 1A ist demnach dazu eingerichtet ist, um den Kondensator 120 mit der elektrischen Spannung U(t) zu beaufschlagen, um den zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung U(t) in dem Kondensator 120 zu erfassen und um aus dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung U(t) in dem Kondensator 120 die mindestens eine messtechnisch erfassbare Größe in Bezug auf die Eigenschaft der Oberfläche 112 des Werkzeugs 116 zu bestimmen.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung zur Durchführung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• In 2 ist das aus 1A bekannte, beispielhaft in Form des Stempels 118 ausgeführte Werkzeug 116 erneut in Seitenansicht gezeigt, welches hier schematisch einen Anfangszustand 136 für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt, in welchem die metallisch leitfähige Schicht 124 in unbeschädigter Form vorliegt. Gemäß der oben erwähnten Gleichung (2) $$C={\epsilon }_0{\epsilon }_r\frac{A}{d},$$

  

  wobei ε₀ die elektrische Feldkonstante, ε_r die relative Permittivität des für die isolierende Schicht 122 verwendeten Dielektrikums, A die Größe der aus der metallisch leitfähigen Schicht 124 gebildeten elektrisch leitfähigen Fläche und d die Schichtdicke der isolierenden Schicht 122 bezeichnen, kann hierdurch ein Anfangswert C₀ für die Kapazität C des Kondensators 120 festgelegt werden, welcher aus dem hierin einbezogenen Teil der elektrisch leitfähigen Oberfläche 112 des Grundkörpers 114, der isolierenden Schicht 122 und der metallisch leitfähigen Schicht 124 gebildet wird.
• Werden nun, wie im ersten geänderten Zustand 138 in 2 schematisch dargestellt, Aufschweißungen 140 in die metallisch leitfähige Schicht 124 eingebracht, kann sich dadurch die die Größe A der metallisch leitfähigen Schicht 124' vergrößern, während die elektrische Feldkonstante ε₀, die relative Permittivität ε_r und die Schichtdicke d des für die isolierende Schicht 122 verwendeten Dielektrikums unverändert bleiben, wodurch sich gemäß Gleichung (2) ein erster geänderter Wert C₁ für die Kapazität des Kondensators 120' ergibt, welcher den Anfangswert C₀ der Kapazität des Kondensators 120 übersteigt. Der erste geänderte Wert C₁ für die Kapazität des Kondensators 120' im ersten geänderten Zustand 138 lässt sich mittels der Messvorrichtung 132 zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung U(t) ermitteln.
• Treten jedoch, wie im zweiten geänderten Zustand 142 in 2 schematisch dargestellt, Risse und/oder Abplatzungen 144 in der metallisch leitfähigen Schicht 124 auf, kann sich dadurch die die Größe A der metallisch leitfähigen Schicht 124" verringern, während die elektrische Feldkonstante ε₀, die relative Permittivität ε_r und die Schichtdicke d des für die isolierende Schicht 122 verwendeten Dielektrikums unverändert bleiben, wodurch sich gemäß Gleichung (2) ein zweiter geänderter Wert C₂ für die Kapazität des Kondensators 120" ergibt, welcher geringer ist als der Anfangswert C₀ der Kapazität des Kondensators 120. Auch der zweite geänderte Wert C₂ für die Kapazität des Kondensators 120" im zweiten geänderten Zustand 142 lässt sich mittels der Messvorrichtung 132 zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung U(t) ermitteln. Aus einem Vergleich der zweite geänderte Wert C₂ und des Anfangswerts C₀ der Kapazität des Kondensators 120 kann sich, basierend auf der Verwendung von Gleichung (2), gemäß Gleichung (3) ein Anteil η, insbesondere ein prozentualer Betrag, der Risse und/oder der Abplatzungen 144 in der metallisch leitfähigen Schicht 124 des Werkzeugs 116 wie folgt ermitteln: $$\eta =\frac{C_2}{C_0}$$

  
• Auf diese Weise kann somit eine Aussage über einen prozentualen Abrieb einer Wirkflache auf dem Werkzeug 116 getroffen werden.
• Auf vergleichbare Art und Weise kann die Kapazität des Kondensators 120 gemäß Gleichung (2) dadurch vergrößert werden, indem die Schichtdicke d der isolierenden Schicht 122 abnimmt. Dies kann insbesondere dadurch ermöglicht werden, indem die Temperatur in dem Grundkörpers 114 abnimmt und/oder indem eine Krafteinwirkung 146 auf die Oberfläche 112 des Werkzeugs 116 ausgeübt wird, wodurch in beiden Fällen das Dielektrikum der isolierenden Schicht 122 sich zusammenziehen bzw. zusammengedrückt werden kann.
• Die Krafteinwirkung 146 auf die Oberfläche 112 des als Stempel 118 vorliegenden Werkzeugs 116 kann beispielhaft durch eine Stanzeinrichtung 148 ausgeführt werden, in welcher der darin befestigte Stempel 118 in Form eines Hubs 150 derart gegen eine gegenüberliegende, feste Platte 152 gepresst wird, dass die Platte 152 das Werkzeug so beaufschlagen kann, dass dadurch das Dielektrikum der isolierenden Schicht 122 zusammengedrückt werden kann. Der zeitliche Verlauf 154 der Kapazität C des Kondensators 120 als Funktion der Anzahl n der Hübe 150 zeigt eine stetige, wenn auch geringe Abnahme der Kapazität C des Kondensators 120 bis zu einem kritischen Wert 156, bei welchem davon ausgegangen werden kann, dass der Stempel 118 als nicht mehr brauchbar betrachtet werden kann.
• In analoger Weise kann die Kapazität des Kondensators 120 gemäß Gleichung (2) dadurch verringert werden, indem die Schichtdicke d der isolierenden Schicht 122 abnimmt. Dies kann insbesondere dadurch ermöglicht werden, indem die Temperatur in dem Grundkörpers 114 zunimmt, wodurch sich das Dielektrikum der isolierenden Schicht 122 ausdehnen kann.
• Zur Bestimmung der mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft der Oberfläche 112 des Grundkörpers 114 des Werkzeugs 116 kann der zeitlichen Verlauf der an dem Kondensator 120 anliegenden elektrische Spannung U(t) über einen ausgewählten Zeitraum vorzugsweise wie folgt ausgewertet werden.
• Zunächst kann ermittelt werden, ob eine Verringerung oder eine Erhöhung der Kapazität C des Kondensators 120 innerhalb des ausgewählten Zeitraums auftritt. Kann hierbei eine Verringerung der Kapazität C des Kondensators 120 beobachtet werden, so kann ein Auftreten eines mechanischen Verschleißes der Oberfläche 112 des Werkzeugs 116 oder eine Temperaturzunahme an der Oberfläche 112 des Werkzeugs 116 vorliegen. Während das Auftreten eines Verschleißes zu einer schlagartigen Änderung der Kapazität C des Kondensators 120 führen kann, kann sich eine Temperaturzunahme nur langsam auf die Kapazität C des Kondensators 120 auswirken, da eine Erwärmung des Werkzeugs 116 und damit seiner Oberfläche 112 nicht schlagartig erfolgen kann. Somit kann nun überprüft werden, ob der zeitliche Verlauf der elektrische Spannung U(t) über den ausgewählten Zeitraum schlagartig oder nur allmählich erfolgt.
• Kann hierbei jedoch eine Erhöhung der Kapazität C des Kondensators 120 beobachtet werden, so kann eine Temperaturzunahme an der Oberfläche 112 des Werkzeugs 116 oder eine Krafteinwirkung 146 auf die Oberfläche 112 des Werkzeugs 116 vorliegen. Während sich auch eine Temperaturabnahme nur langsam auf die Kapazität C des Kondensators 120 auswirken kann, da eine Abkühlung des Werkzeugs 116 und damit seiner Oberfläche 112 nicht schlagartig erfolgen kann, kann ein zeitlicher Verlauf der Krafteinwirkung 146 auf die Oberfläche 112 des Werkzeugs 116 bekannt sein und insbesondere auch zu einer schlagartigen Änderung der Kapazität C des Kondensators 120 führen. Somit kann auch hier nun überprüft werden, ob der zeitliche Verlauf elektrische Spannung U(t) über den ausgewählten Zeitraum nur allmählich oder schlagartig, insbesondere analog zu dem zeitlichen Verlauf der Krafteinwirkung 146 auf die Oberfläche 112 des Werkzeugs 116, erfolgt.
• Treten innerhalb des ausgewählten Zeitraums periodisch eine Verringerung und eine Erhöhung der Kapazität C des Kondensators 120 auf, so kann sich das Werkzeug 116 in einer Drehung befinden, deren Periode sich ebenfalls aus dem zeitlichen Verlauf der elektrische Spannung U(t) bestimmen lassen kann.
• In vielen Fällen kann die Bestimmung der mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft der Oberfläche 112 des Grundkörpers 114 wie folgt schematisch aus dem zeitlichen Verlauf der an dem Kondensator 120 anliegenden elektrische Spannung U(t) über einen ausgewählten Zeitraum bestimmt werden:

  Richtung der Kapazitätsänderung	Art des Verlaufs der Kapazitätsänderung	messtechnisch erfassbare Größe in Bezug auf Eigenschaft einer Oberfläche eines Werkzeugs
  abnehmend	schlagartig	Verschleiß
  	allmählich	Temperaturzunahme
  zunehmend	schlagartig	Krafteinwirkung
  	allmählich	Temperaturabnahme
  periodisch	-	Drehung

• Auf diese Weise kann die Bestimmung des mechanischen Verschleißes einer in einem Funktionselement eingebrachten und von außen nicht unbedingt zugänglichen Oberfläche eines Werkzeugs 116, insbesondere eines Kugellagers, eines Zahnrades oder einer Turbine erfolgen. Hierbei kann gleichzeitig eine automatische Unterscheidung von weiteren messtechnisch erfassbaren Größen, insbesondere von der Temperaturänderung an der Oberfläche 112 des Werkzeugs 116, von einer Krafteinwirkung 146 auf die Oberfläche 112 des Werkzeugs 116 oder von einer Drehzahl in Bezug auf die Oberfläche 112 des Werkzeugs 116, erfolgen. Auf Basis einer derartigen Bestimmung insbesondere des mechanischen Verschleißes kann die Messeinrichtung 128 automatisiert eine Störungsmeldung erzeugen und zum Beispiel an eine Steuerungseinheit des Funktionselements und/oder an das Funktionselement betreuendes Bedienpersonal senden. Damit lassen sich Ausfallzeiten des Funktionselements verringern und eine Prozesssicherheit im Betrieb des Funktionselements erhöhen.
• Bezugszeichenliste

110

Vorrichtung

112

Oberfläche

114

Grundkörper

116

Werkzeug

118

Stempel

120, 120', 120"

Kondensator

122

isolierende Schicht

124, 124', 124"

metallisch leitfähige Schicht

126, 126'

elektrisch leitfähige Kontakte

128

Messeinrichtung

130

Spannungsgenerator

132

Messvorrichtung

134

Berechnungseinheit

136

Anfangszustand

138

erster geänderter Zustand

140

Aufschweißungen

142

zweiter geänderter Zustand

144

Risse und/oder Abplatzungen

146

Krafteinwirkung

148

Stanzeinrichtung

150

Hub

152

Platte

154

zeitlicher Verlauf der Kapazität des Kondensators

156

kritischer Wert

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche (112) eines Werkzeugs (116), mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Werkzeugs (116), welches einen Grundkörper (114), der eine elektrisch leitfähigen Oberfläche (112) aufweist, einen Kondensator (120) und mindestens zwei elektrisch leitfähige Kontakte (126, 126') umfasst, wobei der Kondensator (120) aus zumindest einem Teil der elektrisch leitfähigen Oberfläche (112) des Grundkörpers (114), mindestens einer hierauf aufgebrachten isolierenden Schicht (122) und mindestens einer hierauf aufgebrachten metallisch leitfähigen Schicht (124) gebildet ist, wobei die elektrisch leitfähigen Kontakte (126, 126') an die elektrisch leitfähige Oberfläche (112) des Grundkörpers (114) und an die metallisch leitfähige Schicht (124) angebracht sind; b) Beaufschlagen des Kondensators (120) mit einer elektrischen Spannung und Ermitteln einer elektrischen Größe; und c) Auswerten eines zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe, wodurch die mindestens eine messtechnisch erfassbare Größe in Bezug auf die Eigenschaft der Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) bestimmen wird.
2. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die gemäß Schritt b) ermittelte elektrische Größe eine Änderung eines Parameters der an den Kondensator angelegten elektrischen Spannung und/oder einer damit in Beziehung stehenden elektrischen Größe umfasst.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die messtechnisch erfassbare Größe ausgewählt wird aus einem mechanischen Verschleiß der Oberfläche (112) des Werkzeugs (116), einer Temperatur an der Oberfläche (112) des Werkzeugs (116), einer Krafteinwirkung auf die Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) oder einer Drehzahl in Bezug auf die Oberfläche (112) des Werkzeugs (116).
4. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei bei dem Auswerten des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe berücksichtigt wird, dass ein Auftreten des mechanischen Verschleißes der Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) oder einer Temperaturzunahme an der Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) zu einer Verringerung der Kapazität des Kondensators (120) führen, während eine Krafteinwirkung (146) auf die Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) oder eine Temperaturabnahme an der Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) zu einer Erhöhung der Kapazität des Kondensators (120) führen, während eine Drehung des Werkzeugs in Bezug auf dessen elektrisch leitfähige Oberfläche (112) zu einer periodischen Veränderung der Kapazität des Kondensators (120) führt.
5. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei aus einem Gradienten des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Größe einerseits zwischen dem Auftreten des mechanischen Verschleißes der Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) oder der Temperaturzunahme an der Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) oder andererseits zwischen der Krafteinwirkung auf die Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) oder der Temperaturabnahme an der Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) unterschieden wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der bereitgestellte Kondensator (120) mindestens jeweils zwei abwechselnd aufeinander aufgebrachte isolierende Schichten (122) und metallisch leitfähige Schichten (124) umfasst, wobei zwei metallisch leitfähige Schichten (124), welche an dieselbe isolierende Schicht (122) angrenzen, eine Teilkapazität ausbilden.
7. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei mindestens zwei Teilkapazitäten vorhanden sind, welche in Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die isolierende Schicht (122) ausgewählt ist aus einer Metalloxidschicht, einer Keramikschicht oder einer isolierenden Lackschicht, und wobei die metallisch leitfähige Schicht (124) ausgewählt ist aus einer metallischen Beschichtung, umfassend Titan, Titannitrid, Titancarbid, Chromnitrid, Chromcarbonitrid oder eine Kombination hiervon, oder einem elektrisch leitfähigen Lack.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitfähige Oberfläche (112) des Grundkörpers (114) aus einem mit einer weiteren metallisch leitfähigen Schicht versehenen zumindest teilweise elektrisch isolierenden Werkzeug (116) gebildet ist.
10. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen.
11. Vorrichtung (110) zur Bestimmung mindestens einer messtechnisch erfassbaren Größe in Bezug auf eine Eigenschaft einer Oberfläche (112) eines Werkzeugs (116), umfassend - einen Grundkörper (114), welcher eine elektrisch leitfähigen Oberfläche (112) aufweist, - einen Kondensator (120), welcher zumindest aus einem Teil der elektrisch leitfähigen Oberfläche (112) des Grundkörpers (114), mindestens einer hierauf aufgebrachten isolierenden Schicht (122) und mindestens einer hierauf aufgebrachten metallisch leitfähigen Schicht (124) gebildet ist; - mindestens zwei elektrisch leitfähige Kontakte (126, 126'), wobei ein erster elektrisch leitfähiger Kontakt (126) an die elektrisch leitfähige Oberfläche (112) des Grundkörpers (114) angebracht ist und wobei ein zweiter elektrisch leitfähiger Kontakt (126') an die metallisch leitfähige Schicht angebracht (124) ist; und - eine Messeinrichtung (128), welche dazu eingerichtet ist, um den Kondensator (120) mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen, um eine elektrische Größe zu ermitteln und um aus einem zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe die mindestens eine messtechnisch erfassbare Größe in Bezug auf die Eigenschaft der Oberfläche (112) des Werkzeugs (116) zu bestimmen.
12. Funktionselement, umfassend eine Vielzahl von Werkzeugen (116), wobei mindestens eines der Werkzeuge (116) oder ein Teil hiervon eine Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch aufweist.

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