DE102021100465A1

DE102021100465A1 - Sensor device for detecting tool-near vibrations when machining a workpiece with a tool

Info

Publication number: DE102021100465A1
Application number: DE102021100465.9A
Authority: DE
Inventors: Tugrul Öztürk; Matthias Weigold
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2021-01-13
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2022-07-14

Abstract

Eine Sensorvorrichtung zum Erfassen werkzeugnaher Schwingungen beim Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug (5) wird vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung (1) umfasst ein Sensormodul (2) mit einer Anzahl von Beschleunigungssensorsensoren (3,10), ein Gehäuse (4) zum Aufnehmen des Sensormoduls (2), wobei das Gehäuse (4) dazu ausgebildet ist, an dem Werkzeug (5) befestigt und von dem Werkzeug getragen zu werden, so dass die beim Bearbeiten des Werkstücks auftretenden Werkzeugschwingungen von dem Werkzeug (5) auf das Sensormodul (2) übertragen werden kann. Die Sensorvorrichtung (1) kann ferner eine Telemetrieeinheit zum Digitalisieren von Sensorsignalen und zum Erzeugen von digitalisierten Sensordaten umfassen.

A sensor device for detecting tool-near vibrations when machining a workpiece with a tool (5) is proposed. The sensor device (1) comprises a sensor module (2) with a number of acceleration sensors (3, 10), a housing (4) for accommodating the sensor module (2), the housing (4) being designed to be attached to the tool (5 ) to be fastened and carried by the tool, so that the tool vibrations occurring when machining the workpiece can be transmitted from the tool (5) to the sensor module (2). The sensor device (1) can also include a telemetry unit for digitizing sensor signals and for generating digitized sensor data.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Sensorvorrichtung zum Erfassen von mechanischen Schwingungen. Im Speziellen betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung zum Erfassen werkzeugnaher Schwingungen beim Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug.The present invention generally relates to a sensor device for detecting mechanical vibrations. In particular, the invention relates to a sensor device for detecting tool-near vibrations when machining a workpiece with a tool.

Es sind Sensorvorrichtungen bekannt, welche zur Prozessüberwachung beim Bearbeiten von Werkstücken mit Werkzeugen eingesetzt werden, um insbesondere Risiken einer Zerstörung von Werkstücken oder Werkzeugen zu vermindern. Es sind ferner sensorintegrierte Werkzeughalter bekannt, welche mit Hilfe von integrierten Sensoren, wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen, relevante Prozessgrößen, wie beispielsweise Kräfte oder Torsionsmomente, erfassen, um somit eine Datengrundlage für eine Prozessüberwachung zu schaffen. Die bekannten Prozessüberwachungssysteme mit solchen in den Werkzeughaltern integrierten Sensoren können die relevanten Prozessgrößen nur mittelbar, d.h. nicht in der unmittelbaren Nähe der Bearbeitungsstelle erfassen. Die bekannten Systeme sind deshalb fehleranfällig und ungenau.Sensor devices are known which are used for process monitoring when machining workpieces with tools, in order in particular to reduce the risk of workpieces or tools being destroyed. Sensor-integrated tool holders are also known, which use integrated sensors, such as strain gauges, to record relevant process variables, such as forces or torsional moments, in order to create a database for process monitoring. The known process monitoring systems with such sensors integrated in the tool holders can only record the relevant process variables indirectly, i.e. not in the immediate vicinity of the processing point. The known systems are therefore error-prone and imprecise.

Eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige Sensorvorrichtung bereitzustellen, um werkzeugnahe Schwingungen mit einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfassen zu können.One object of embodiments of the present invention is to provide a novel sensor device in order to be able to detect vibrations close to the tool with a high level of accuracy and reliability.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung zum Erfassen werkzeugnaher Schwingungen beim Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug gelöst. Die Sensorvorrichtung kann insbesondere bei einem zerspanenden Bearbeiten von Werkstücken mit Drehwerkzeugen, insbesondere beim Gewindebohren mit einem Gewindebohrer, eingesetzt werden. Das Werkzeug kann insbesondere einen Schneideteil zum zerspanenden Bearbeiten des Werkstücks und einen Schaft zum Einspannen des Werkzeugs in einem Werkzeughalter aufweisen. Die während des Bearbeitens des Werkstücks mit dem Werkzeug auftretenden werkzeugnahen Schwingungen lassen auf die Werkzeugschwingungen und den Ablauf des Bearbeitungsprozesses zurückschließen.This object is achieved by a sensor device for detecting tool-near vibrations when machining a workpiece with a tool. The sensor device can be used in particular when machining workpieces with turning tools, in particular when tapping with a tap. In particular, the tool can have a cutting part for machining the workpiece and a shank for clamping the tool in a tool holder. The vibrations near the tool that occur while the workpiece is being machined with the tool allow conclusions to be drawn about the tool vibrations and the course of the machining process.

Die Sensorvorrichtung umfasst ein Sensormodul mit einer Anzahl von Beschleunigungssensoren. Die Anzahl von Beschleunigungssensoren hängt von der Ausführungsform der Sensorvorrichtung ab, und kann grundsätzlich jede natürliche Zahl sein.The sensor device includes a sensor module with a number of acceleration sensors. The number of acceleration sensors depends on the embodiment of the sensor device and can in principle be any natural number.

Die Sensorvorrichtung umfasst ein Gehäuse zum Aufnehmen des Sensormoduls, wobei das Gehäuse dazu ausgebildet ist, an dem Werkzeug befestigt zu werden, so dass die beim Bearbeiten des Werkstücks auftretenden Werkzeugschwingungen von dem Werkzeug auf das Sensormodul übertragen werden kann. Insbesondere kann das Gehäuse dazu ausgebildet sein, eine im Wesentlichen starre Verbindung zwischen dem Werkzeug und dem Sensormodul bereitzustellen.The sensor device includes a housing for accommodating the sensor module, the housing being designed to be attached to the tool so that the tool vibrations occurring when machining the workpiece can be transmitted from the tool to the sensor module. In particular, the housing can be designed to provide a substantially rigid connection between the tool and the sensor module.

Aufgrund der Befestigung der Sensorvorrichtung an dem Werkzeug kann die Übertragungsstrecke zwischen dem Entstehungsort der Schwingungen, sprich Bearbeitungsstelle des Werkstücks, und dem Messort, sprich Beschleunigungssensoren, verkürzt werden, so dass Signalverluste bzw. -verzerrungen verringert werden können. Mit der Sensorvorrichtung können somit werkzeugnahe Schwingungen mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfasst werden. Folglich kann auch der Bearbeitungsprozess des Werkstücks besser überwacht und ggf. durch Werkzeugoptimierung und/oder durch Parameteroptimierung verbessert werden.Due to the attachment of the sensor device to the tool, the transmission path between the point at which the vibrations arise, ie the processing point of the workpiece, and the measuring point, ie the acceleration sensors, can be shortened, so that signal losses or distortions can be reduced. With the sensor device, vibrations close to the tool can thus be detected with high accuracy and reliability. Consequently, the machining process of the workpiece can also be better monitored and possibly improved by tool optimization and/or by parameter optimization.

Das Gehäuse ist dazu ausgebildet, während des Bearbeitens des Werkstücks von dem Werkzeug getragen, insbesondere von dem Werkzeug alleine getragen, zu werden. Dadurch, dass die Sensorvorrichtung von dem Werkzeug getragen wird, kann die Sensorvorrichtung an das Werkzeug, insbesondere ohne zusätzliche Haltevorrichtungen getragen werden, so dass die Werkzeugschwingungen auf das Sensormodul weitgehend ungestört übertragen werden können.The housing is designed to be carried by the tool, in particular by the tool alone, while the workpiece is being machined. Because the sensor device is carried by the tool, the sensor device can be carried on the tool, in particular without additional holding devices, so that the tool vibrations can be transmitted to the sensor module largely undisturbed.

Das Sensormodul kann eine Trägerplatte bzw. Trägersubstrat zum Montieren der Beschleunigungssensoren umfassen, wobei die Trägerplatte derart ausgebildet sein kann, dass im Einsatz der Sensorvorrichtung die Trägerplatte im Wesentlichen senkrecht zu einer Drehachse bzw. Längsachse des Werkzeugs ausgerichtet ist. Durch die senkreche Ausrichtung der Trägerplatte bzw. PCB (Printed Circuit Board) zu der Längsrichtung bzw. Drehrichtung des Werkzeugs können die Beschleunigungssensoren derart auf der Trägerplatte angeordnet werden, dass beim Auswerten von Sensorsignalen, insbesondere bei einer symmetrischen Anordnung von Beschleunigungssensoren, die während des Werkzeugeinsatzes auftretenden Zentripetalkräfte auf einfache Weise herausgerechnet werden.The sensor module can include a carrier plate or carrier substrate for mounting the acceleration sensors, wherein the carrier plate can be designed such that when the sensor device is in use, the carrier plate is aligned essentially perpendicular to a rotational axis or longitudinal axis of the tool. Due to the perpendicular alignment of the carrier plate or PCB (printed circuit board) to the longitudinal direction or direction of rotation of the tool, the acceleration sensors can be arranged on the carrier plate in such a way that when evaluating sensor signals, especially with a symmetrical arrangement of acceleration sensors, during tool use occurring centripetal forces can be easily calculated out.

Die Anzahl von Beschleunigungssensoren kann wenigstens zwei zueinander senkrecht bzw. orthogonal und bezüglich der Drehachse radial ausgerichtete uniaxiale Beschleunigungssensoren umfassen. Durch die orthogonale Ausrichtung der Beschleunigungssensoren zueinander und die radiale Ausrichtung bezüglich der Drehachse können radiale Schwingungen bzw. Vibrationen in zwei Richtungen senkrecht zu der Längsachse des Werkzeugs erfasst werden, wobei etwaige auf zentripetale Kräfte zurückgehende Sensorsignale bei der Signalauswertung herausgerechnet werden können. Beispielsweise können Bias-Signale im Niedrigfrequenzbereich, insbesondere bei einer symmetrischen Anordnung der Beschleunigungssensoren, mittels einer Differenzbildung automatisch herausgerechnet werden. Die resultierende Frequenzbandbreite der Schwingungssensors ermöglicht die Anwendung von dynamischen Methoden für die Signalanalyse im Rahmen der Prozessüberwachung. Anstatt oder zusätzlich zu den uniaxialen Beschleunigungssensoren können auch bi-, bzw. triaxiale Beschleunigungssensoren eingesetzt werden.The number of acceleration sensors can include at least two uniaxial acceleration sensors aligned perpendicularly or orthogonally to one another and radially with respect to the axis of rotation. Due to the orthogonal alignment of the acceleration sensors to each other and the radial alignment with respect to the axis of rotation, radial oscillations or vibrations can be detected in two directions perpendicular to the longitudinal axis of the tool, with any centripetal Forces declining sensor signals can be calculated in the signal evaluation. For example, bias signals in the low-frequency range, in particular with a symmetrical arrangement of the acceleration sensors, can be automatically eliminated by calculating the difference. The resulting frequency bandwidth of the vibration sensor enables the use of dynamic methods for signal analysis as part of process monitoring. Instead of or in addition to the uniaxial acceleration sensors, it is also possible to use biaxial or triaxial acceleration sensors.

Die Sensorvorrichtung kann in Form eines Werkzeugkragens ausgebildet sein, welcher bei Bedarf auf das Werkzeug aufgesetzt und an dem Werkzeug fixiert werden kann. Mit einer solchen Sensorvorrichtung kann das Werkzeug auf einfache Weise nachgerüstet werden.The sensor device can be designed in the form of a tool collar, which can be placed on the tool and fixed to the tool if required. The tool can easily be retrofitted with such a sensor device.

Die Sensorvorrichtung kann eine Hülse zum Aufsetzen auf das Werkzeug umfassen, wobei die Hülse eine Innenfläche zum Befestigen an dem Werkzeug und eine Außenfläche zum Befestigen an das Gehäuse umfassen kann. Mit der Hülse bzw. Befestigungshülse kann das Gehäuse der Sensorvorrichtung an dem Werkzeug auf einfache Weise befestigt werden.The sensor device may include a sleeve for mounting on the tool, where the sleeve may include an inner surface for attachment to the tool and an outer surface for attachment to the housing. The housing of the sensor device can be attached to the tool in a simple manner with the sleeve or fastening sleeve.

Die Innenfläche der Hülse kann dazu ausgebildet sein, die Hülse mit dem Werkzeug über ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, insbesondere an dem Schaft des Werkzeugs, zu verbinden und die Außenfläche der Hülse kann ein Außengewinde zum Einschrauben in ein entsprechendes Innengewinde des Gehäuses aufweisen. Die Hülse kann somit separat vom Gehäuse der Sensorvorrichtung an einer geeigneten Stelle des Werkzeugs bzw. des Werkzeugschafts auf einfache Weise positioniert und fixiert werden, wonach das Gehäuse auf die Hülse aufgeschraubt werden kann. Nach dem das Gehäuse auf die Hülse aufgeschraubt wurde, kann die Schraubverbindung mit einer passenden Schraubenmutter gekontert werden, um die Verbindung zu sichern. Die Hülse kann vor dem Fixieren derart an dem Werkzeug positioniert werden, dass beim Einsatz der Sensorvorrichtung weder die Hülse noch das Gehäuse der Sensorvorrichtung mit dem Werkzeughalter in Berührung kommt. Diese Montageart ermöglicht einen zerstörungsfreien Einsatz der Sensorvorrichtung bei etwaigen Werkzeugbrüchen.The inner surface of the sleeve can be designed to connect the sleeve to the tool via an integral joining process, in particular on the shank of the tool, and the outer surface of the sleeve can have an external thread for screwing into a corresponding internal thread of the housing. The sleeve can thus be easily positioned and fixed separately from the housing of the sensor device at a suitable point on the tool or the tool shank, after which the housing can be screwed onto the sleeve. After the housing has been screwed onto the sleeve, the screw connection can be countered with a suitable screw nut to secure the connection. Before being fixed, the sleeve can be positioned on the tool in such a way that when the sensor device is used, neither the sleeve nor the housing of the sensor device comes into contact with the tool holder. This type of installation enables non-destructive use of the sensor device in the event of tool breakage.

Die Anzahl von Beschleunigungssensoren kann eine Anzahl von MEMS- (Micro-Electro-Mechanical-Systems) basierten Beschleunigungssensoren umfassen. Die MEMS-sensoren sind verhältnismäßig günstig, robust, und leicht erhältlich. In einigen Ausführungsformen umfasst die Anzahl von Beschleunigungssensoren eine Anzahl von Piezoelektrische Beschleunigungssensoren. Piezoelektrische Beschleunigungssensoren zeichnen sich durch größere Frequenzbandbreite, was speziell bei Anwendung von dynamischen Methoden für die Signalanalyse im Rahmen der Prozessüberwachung von Vorteil sein kann. Des Weiteren sind die Piezosensoren gegenüber niederfrequenten zentripetalen Kräften unempfindlicher, so dass die Messungen durch die zentripetalen Kräfte nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt werden können.The number of acceleration sensors can include a number of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) based acceleration sensors. MEMS sensors are relatively inexpensive, robust, and readily available. In some embodiments, the number of acceleration sensors includes a number of piezoelectric acceleration sensors. Piezoelectric acceleration sensors are characterized by a larger frequency bandwidth, which can be of particular advantage when using dynamic methods for signal analysis in the context of process monitoring. Furthermore, the piezo sensors are less sensitive to low-frequency centripetal forces, so that the measurements cannot be affected, or only slightly, by the centripetal forces.

Die Sensorvorrichtung kann eine Telemetrieeinheit zum Digitalisieren von Sensorsignalen und zum Erzeugen von digitalisierten Sensordaten umfassen. Die Digitalisierten Sensordaten sind im Gegensatz zu analogen Signalen weniger störungsanfällig und können zum weiteren Verarbeiten sicher gespeichert und/oder versendet werden.The sensor device can include a telemetry unit for digitizing sensor signals and for generating digitized sensor data. In contrast to analog signals, the digitized sensor data are less susceptible to interference and can be securely stored and/or sent for further processing.

Die Telemetrieeinheit kann sich außerhalb des Gehäuses, insbesondere innerhalb eines separaten Gehäuses, befinden und dazu ausgebildet sein, während des Bearbeitens des Werkstücks von dem Werkzeughalter getragen zu werden. Die Aufbereitung von Sensordaten kann somit außerhalb des Gehäuses der Sensorvorrichtung erfolgen, wodurch die Sensorelektronik innerhalb des Gehäuses entlastet bzw. vereinfacht werden kann. Zudem kann die Telemetrieeinheit von dem Sensormodul mechanisch weitgehend entkoppelt werden, so dass die erfassten Schwingungen durch die Telemetrieeinheit nicht oder nur geringfügig beeinflusst werden.The telemetry unit can be located outside of the housing, in particular within a separate housing, and can be designed to be carried by the tool holder while the workpiece is being machined. The processing of sensor data can thus take place outside the housing of the sensor device, as a result of which the sensor electronics within the housing can be relieved or simplified. In addition, the telemetry unit can be mechanically largely decoupled from the sensor module, so that the detected vibrations are not influenced by the telemetry unit, or are only slightly influenced.

Die Telemetrieeinheit kann eine erste Stufe zur analogen Signalvorverarbeitung und eine zweite Stufe zur digitalen Signalverarbeitung umfassen. Aufgrund der Aufteilung der Telemetrieeinheit in zwei Stufen können mathematische Operationen bereits in der ersten Stufe erfolgen, wodurch sowohl die Präzision als auch die Schnelligkeit der Signalverarbeitung verbessert werden kann.The telemetry unit can include a first stage for analog signal pre-processing and a second stage for digital signal processing. Because the telemetry unit is divided into two stages, mathematical operations can already be carried out in the first stage, which means that both the precision and the speed of signal processing can be improved.

Die erste Stufe der Telemetrieeinheit kann einen Differentialverstärker zum Herausrechnen von Bias-Signalen umfassen. Mittels des Differentialverstärkers können somit Bias-Signale mit geringem Informationsgehalt, beispielsweise durch zentripetale Kräfte verursachte Signale, herausgefiltert werden, so dass die Gesamtempfindlichkeit der Sensorvorrichtung gegenüber relevanten Schwingungen erhöht werden kann.The first stage of the telemetry unit can include a differential amplifier for calculating out bias signals. Bias signals with little information content, for example signals caused by centripetal forces, can thus be filtered out by means of the differential amplifier, so that the overall sensitivity of the sensor device to relevant vibrations can be increased.

Die zweite Stufe der Telemetrieeinheit kann einen A/D-Umsetzer bzw. A/D-Wandler zum Digitalisieren der vorverarbeiteten Sensorsignale sowie eine Auswerteeinheit zum Auswerten der durch den A/D-Umsetzer digitalisierten Signale umfassen. Die Auswerteeinheit kann insbesondere einen Mikrocomputer mit einem Prozessor und Speichereinheit zum Speichern von maschinenlesbaren Anweisungen für den Prozessor umfassen. Der Speicher kann insbesondere maschinenlesbare Anweisungen zum Signalauswerten mit Signalauswertealgorithmen, wie Datenreduktion (Downsampling), Fast-Fourier-Transformation, Wavelet-Transformation, und/oder spektrale Dichte-Funktion aufweisen. Mit den Signalauswertealgorithmen können insbesondere relevante Signalparameter bzw. Features für die Prozessüberwachung anhand der werkzeugnahen Schwingungen ermittelt werden.The second stage of the telemetry unit can include an A/D converter or A/D converter for digitizing the preprocessed sensor signals and an evaluation unit for evaluating the signals digitized by the A/D converter. The evaluation unit can in particular have a micro a computer having a processor and a memory unit for storing machine-readable instructions for the processor. In particular, the memory can have machine-readable instructions for signal evaluation with signal evaluation algorithms, such as data reduction (downsampling), fast Fourier transformation, wavelet transformation, and/or spectral density function. With the signal evaluation algorithms, particularly relevant signal parameters or features for process monitoring can be determined based on the tool-related vibrations.

Die Telemetrieeinheit kann dazu ausgebildet sein, Daten mit einer Abtastfrequenz zwischen 10 bis 100 kHz, insbesondere mit einer Abtastfrequenz von 52,7 kHz, oder insbesondere bei einer Echtzeitvisualisierung bei einer Abtastfrequenz von 10,5 kHz, zu sammeln und nach dem Verarbeiten mit einem Mikrokontroller über eine drahtlose Schnittstelle an einen Server zum Speichern und zur Echtzeitvisualisierung zu versenden. Mit Hilfe der Telemetrieeinheit können somit die Signaldaten mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst und zur weiteren Analyse und/oder Visualisierung in Echtzeit bereitgestellt werden.The telemetry unit can be designed to collect data with a sampling frequency of between 10 and 100 kHz, in particular with a sampling frequency of 52.7 kHz, or in particular with real-time visualization at a sampling frequency of 10.5 kHz, and after processing with a microcontroller via a wireless interface to a server for storage and real-time visualization. With the help of the telemetry unit, the signal data can thus be recorded with a high temporal resolution and made available in real time for further analysis and/or visualization.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Für gleiche oder gleichwirkende Teile werden in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Sensorvorrichtung zum Erfassen werkzeugnaher Schwingungen gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
2 zeigt eine schematische Draufsicht der Sensorvorrichtung gemäß 1.

The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying figures. The same reference numbers are used in the figures for parts that are the same or have the same effect.

1 shows a perspective view of a sensor device for detecting tool-near vibrations according to an embodiment, and
2 shows a schematic top view of the sensor device according to FIG 1 .

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Sensorvorrichtung zum Erfassen werkzeugnaher Schwingungen beim Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel. 1 shows a perspective view of a sensor device for detecting tool-near vibrations when machining a workpiece with a tool according to an embodiment.

Die Sensorvorrichtung 1 umfasst ein Sensormodul 2 mit einer Anzahl von Beschleunigungssensoren 3. Die Sensorvorrichtung 1 umfasst außerdem ein Gehäuse 4, in welchem sich das Sensormoduls 2 befindet. 1 zeigt auch ein Werkzeug 5 sowie einen Werkzeughalter 6, in welchem das Werkzeug 5 gehalten wird. Das Werkzeug 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Gewindebohrer ausgebildet und weist einen Schneideteil zum Schneiden eines Gewindes und einen Schaft zum Einsetzen in den Werkzeughalter 6 auf.The sensor device 1 includes a sensor module 2 with a number of acceleration sensors 3. The sensor device 1 also includes a housing 4 in which the sensor module 2 is located. 1 also shows a tool 5 and a tool holder 6 in which the tool 5 is held. In this exemplary embodiment, the tool 5 is designed as a tap and has a cutting part for cutting a thread and a shank for insertion into the tool holder 6 .

Die Beschleunigungssensoren 3 sind auf einem Trägersubstrat 7 in Form einer Leiterplatte bzw. PCB (Printed Circuit Board) montiert.The acceleration sensors 3 are mounted on a carrier substrate 7 in the form of a circuit board or PCB (Printed Circuit Board).

Die Sensorvorrichtung 1 umfasst ferner eine Hülse 8 mit einem Außengewinde (nicht gezeigt). Die Hülse 8 ist an dem Schaft des Werkzeugs 5 befestigt. Das Gehäuse 4 weist ein Innengewinde (nicht gezeigt) auf und ist mit dem Innengewinde auf dem Außengewinde der Hülse 6 aufgeschraubt.The sensor device 1 also includes a sleeve 8 with an external thread (not shown). The sleeve 8 is attached to the shank of the tool 5 . The housing 4 has an internal thread (not shown) and is screwed onto the external thread of the sleeve 6 with the internal thread.

Das Gehäuse 4 ist im Wesentlichen in Form eines Rings bzw. Kragens ausgebildet, wobei die Symmetrieachse des Rings mit der Symmetrieachse der Hülse im Wesentlichen übereinstimmt. Das Gehäuse 4 weist einen Boden, einen Deckel und eine Seitenwand auf. In 1 ist lediglich die Seitenwand des Gehäuses 4 zu sehen. Das Gehäuse 4 kann als Faraday-Käfig ausgebildet sein. Insbesondere kann das Gehäuse leichtes Metall wie Aluminium oder Aluminiumlegierung als Gehäusematerial aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist das Gehäuse metallbeschichtetes Glasfasermaterial als Gehäusematerial auf. Das Gehäuse aus metallbeschichtetem Glasfasermaterial ist leicht, robust und stellt auch die abschirmende Funktion gegenüber elektromagnetischen Störsignalen bereit. Aufgrund der Leichtigkeit des Gehäuses aus metallbeschichtetem Glasfasermaterial kann der Einfluss des Gehäuses auf die modale Masse des Werkzeugs und somit auf die Schwingungseigenschaften des Werkzeugs minimiert werden.The housing 4 is essentially in the form of a ring or collar, with the axis of symmetry of the ring essentially coinciding with the axis of symmetry of the sleeve. The housing 4 has a base, a cover and a side wall. In 1 only the side wall of the housing 4 can be seen. The housing 4 can be designed as a Faraday cage. In particular, the case may have light metal such as aluminum or aluminum alloy as the case material. In some embodiments, the housing has metal-coated fiberglass material as the housing material. The housing made of metal-coated fiberglass material is light, robust and also provides the shielding function against electromagnetic interference signals. Due to the lightness of the housing made of metal-coated fiberglass material, the influence of the housing on the modal mass of the tool and thus on the vibration characteristics of the tool can be minimized.

Das Werkzeug 5 erstreckt sich von dem Werkzeughalter 6 durch das ringförmige Gehäuse 4 hindurch nach oben. An der Seitenwand des Gehäuses 4 ist ein Stecker 9 zum elektrischen Kontaktieren des Sensormoduls 2 über elektrische Leitungen mit einer Telemetrieeinheit (nicht gezeigt) angeordnet. Die Telemetrieeinheit kann zusammen mit der Sensorvorrichtung 1 oder separat bereitgestellt werden.The tool 5 extends upwards from the tool holder 6 through the annular housing 4 . A plug 9 for electrically contacting the sensor module 2 via electrical lines with a telemetry unit (not shown) is arranged on the side wall of the housing 4 . The telemetry unit can be provided together with the sensor device 1 or separately.

1 zeigt auch ein XYZ-Koordinatensystem zur Verdeutlichung der Anordnung von Beschleunigungssensoren. Das Werkzeug 5 zeigt mit dem Schneideteil in die Z-Richtung, während das Trägersubstrat 7 mit den Beschleunigungssensoren 3 parallel zu der XY-Ebene liegt. Die Beschleunigungssensoren 3 sind ausgebildet, Beschleunigung in der XY-Ebene zu erfassen. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Sensorvorrichtung 1 einen weiteren Beschleunigungssensor 10, welcher an der Innenseite der Seitenwand des Gehäuses 4 angeordnet ist. Der Beschleunigungssensor 10 ist dazu ausgebildet, Beschleunigung in Z-Richtung zu erfassen. Durch die Erfassung der Beschleunigung in Z-Richtung kann weitere Beschleunigungs- bzw. Schwingungssignale zur Prozessüberwachung erfasst werden. Insbesondere bei Werkzeugmaschinen kann das Messsignal in Z-Richtung als Trigger-Signal verwendet werden, um beispielsweise Messungen automatisch zu starten bzw. zu stoppen. 1 also shows an XYZ coordinate system to clarify the arrangement of acceleration sensors. The tool 5 points with the cutting part in the Z direction, while the carrier substrate 7 with the acceleration sensors 3 lies parallel to the XY plane. The acceleration sensors 3 are designed to detect acceleration in the XY plane. In this exemplary embodiment, the sensor device 1 includes a further acceleration sensor 10 which is arranged on the inside of the side wall of the housing 4 . Acceleration sensor 10 is designed to detect acceleration in the Z direction. By recording the acceleration in the Z-direction, further acceleration or vibration signals can be recorded for process monitoring. In machine tools in particular, the measurement signal in the Z-direction can be used as a trigger signal, for example to start or stop measurements automatically.

Die Beschleunigungssensoren 3 und 10 sind in diesem Ausführungsbeispiel als MEMS-basierte uniaxiale Beschleunigungssensoren mit jeweils einer vorgegebenen Messrichtung ausgebildet, welche in der Lage sind, mechanische Beschleunigung entlang der Messrichtung zu erfassen. Die MEMS-sensoren sind verhältnismäßig günstig, robust, und leicht erhältlich. In einigen Ausführungsformen sind die Beschleunigungssensoren 3 und 10 als Piezoelektrische Beschleunigungssensoren ausgebildet. Piezoelektrische Beschleunigungssensoren zeichnen sich durch höhere Sättigungsgrenze und größere Frequenzbandbreite, was speziell bei Anwendung von dynamischen Methoden für die Signalanalyse im Rahmen der Prozessüberwachung aufschlussreiche Informationen über den Prozessverlauf liefern kann.In this exemplary embodiment, the acceleration sensors 3 and 10 are in the form of MEMS-based uniaxial acceleration sensors, each with a predetermined measurement direction, which are capable of detecting mechanical acceleration along the measurement direction. MEMS sensors are relatively inexpensive, robust, and readily available. In some specific embodiments, the acceleration sensors 3 and 10 are in the form of piezoelectric acceleration sensors. Piezoelectric acceleration sensors are characterized by a higher saturation limit and a larger frequency bandwidth, which can provide informative information about the course of the process, especially when using dynamic methods for signal analysis in the context of process monitoring.

2 zeigt eine schematische Draufsicht der Sensorvorrichtung gemäß 1. In 2 ist die Anordnung von Beschleunigungssensoren 3 auf dem Trägersubstrat 7 besonders gut zu sehen. Die an den Beschleunigungssensoren 3 gezeigten Doppelpfeile a_x und a_y sollen die Messrichtungen der Beschleunigungssensoren 3 verdeutlichen. 2 shows a schematic top view of the sensor device according to FIG 1 . In 2 the arrangement of acceleration sensors 3 on the carrier substrate 7 can be seen particularly well. The double arrows a _x and a _y shown on the acceleration sensors 3 are intended to clarify the measuring directions of the acceleration sensors 3 .

Wie man anhand des X-Y-Koordinatensystems erkennen kann sind die beiden in 2 gezeigten Beschleunigungssensoren orthogonal bzw. so ausgerichtet, dass ihre Messrichtungen einen 90°-Winkel zueinander bilden. Zudem befinden sich die beiden Beschleunigungssensoren 3 im Wesentlichen in gleicher Entfernung von der Rotationsachse bzw. von der Symmetrieachse der Hülse 8.As you can see from the XY coordinate system, the two are in 2 Acceleration sensors shown are orthogonal or aligned in such a way that their measurement directions form a 90° angle to one another. In addition, the two acceleration sensors 3 are essentially at the same distance from the axis of rotation or from the axis of symmetry of the sleeve 8.

Aufgrund der Anbindung der Hülse 8 an dem Werkzeug einerseits und an dem Gehäuse 4 der Sensorvorrichtung 1 andererseits wird das Gehäuse 4 im Betrieb von dem Werkzeug 5 getragen und rotiert auch zusammen mit dem Werkzeug 5. Die Telemetrieeinheit kann von dem Gehäuse 4 mechanisch entkoppelt und an dem Werkzeughalter 6 befestigt sein, so dass im Betrieb die Telemetrieeinheit zusammen mit dem Werkzeughalter 6, mit dem Werkzeug 5 und mit dem Gehäuse 4 der Sensorvorrichtung 1 im Wesentlichen synchron rotiert. Sowohl der Stecker 9 als auch die Kontaktleitungen zwischen dem Gehäuse 4 und der Telemetrieeinheit können so bemessen sein, dass die Rotation bzw. die Schwingungen des Sensormoduls 2 durch die Masse bzw. Trägheitsmoment des Steckers bzw. durch die elektrische Anbindung der Leitungen an der Telemetrieeinheit nicht oder nur geringfügig beeinflusst wird.Due to the connection of the sleeve 8 to the tool on the one hand and to the housing 4 of the sensor device 1 on the other hand, the housing 4 is carried by the tool 5 during operation and also rotates together with the tool 5. The telemetry unit can be mechanically decoupled from the housing 4 and attached be attached to the tool holder 6, so that during operation the telemetry unit rotates essentially synchronously together with the tool holder 6, with the tool 5 and with the housing 4 of the sensor device 1. Both the plug 9 and the contact lines between the housing 4 and the telemetry unit can be dimensioned such that the rotation or vibrations of the sensor module 2 are not affected by the mass or moment of inertia of the plug or by the electrical connection of the lines to the telemetry unit or only slightly affected.

Während der Rotation des Werkzeugs um die eigene Achse (in 1 gestrichelt dargestellt) überträgt sich die Rotation sowie etwaige Schwingungen des Werkzeugs über die Hülse 8 und das Trägersubstrat 7 auf die Beschleunigungssensoren 3. Bei der Erfassung von Beschleunigungen durch die Beschleunigungssensoren 3 überlagern sich dabei die durch die Werkzeugrotation verursachten zentripetalen Beschleunigungen und die durch die Werkzeugschwingungen verursachten Beschleunigungen. Bedingt durch die gleiche Entfernung von der Rotationsachse der beiden um 90°-Winkel zueinander angeordneten Beschleunigungssensoren 3 ist die Zentripetalbeschleunigung für die beiden Beschleunigungssensoren 3 im Wesentlichen gleich. Diese Anordnung der Beschleunigungssensoren 3 eignet sich dafür, den auf die Zentripetalbeschleunigung zurückzuführenden Signalanteil durch Differenzbildung herauszurechnen. Insbesondere bei einer symmetrischen Anordnung der Beschleunigungssensoren könne der Einfluss der Zentripetalbeschleunigung durch Differenzbildung im Wesentlichen komplett herausgerechnet werden. Zur Analyse der Werkzeugbewegung können zudem weitere, auf den gemessenen Beschleunigungen basierten Parameter heranzuziehen. Insbesondere kann durch einfache bzw. zweifache Integration der gemessenen Beschleunigung über die Zeit auf die Geschwindigkeiten bzw. auf die radialen Versetzungen der Beschleunigungssensoren zurückgeschlossen werden. Aus den radialen Versetzungen bzw. Bewegungen der Beschleunigungssensoren kann beispielsweise auf Rundlauffehler des Werkzeugs bzw. der Motorspindel zurückgeschlossen werden. Durch eine Frequenzanalyse bzw. „akustische“ Auswertung der Messsignale kann ferner auf Schäden an Wälzkörpern in Kugellagern des Werkzeugfutters zurückgeschlossen werden.During the rotation of the tool around its own axis (in 1 shown in dashed lines), the rotation and any vibrations of the tool are transmitted via the sleeve 8 and the carrier substrate 7 to the acceleration sensors 3. When accelerations are detected by the acceleration sensors 3, the centripetal accelerations caused by the tool rotation and those caused by the tool vibrations are superimposed accelerations. Due to the same distance from the axis of rotation of the two acceleration sensors 3 arranged at a 90° angle to one another, the centripetal acceleration for the two acceleration sensors 3 is essentially the same. This arrangement of the acceleration sensors 3 is suitable for calculating out the signal component that can be attributed to the centripetal acceleration by forming the difference. Especially with a symmetrical arrangement of the acceleration sensors, the influence of the centripetal acceleration can essentially be completely eliminated by calculating the difference. Additional parameters based on the measured accelerations can also be used to analyze the tool movement. In particular, by integrating the measured acceleration over time once or twice, conclusions can be drawn about the speeds or the radial displacements of the acceleration sensors. From the radial displacements or movements of the acceleration sensors, conclusions can be drawn, for example, about concentricity errors of the tool or the motor spindle. A frequency analysis or "acoustic" evaluation of the measurement signals can also be used to infer damage to the rolling elements in the ball bearings of the tool chuck.

Die Telemetrieeinheit kann zweistufig aufgebaut sein. Eine erste Stufe kann insbesondere zur Signalvorverarbeitung ausgebildet sein, in dem analoge Sensorsignale verarbeitet werden. Die erste Stufe der Telemetrieeinheit kann einen Differentialverstärker umfassen, welcher eingangsseitig mit den Ausgängen der beiden senkrecht zueinander ausgerichteten Beschleunigungssensoren 3 elektrisch verbunden ist. Mittels des Differentialverstärkers kann der Rotationsanteil in den Beschleunigungssignalen herausgerechnet werden.The telemetry unit can be constructed in two stages. A first stage can be designed in particular for signal pre-processing, in which analog sensor signals are processed. The first stage of the telemetry unit can include a differential amplifier, which is electrically connected on the input side to the outputs of the two acceleration sensors 3 aligned perpendicular to one another. The rotation component in the acceleration signals can be calculated using the differential amplifier.

Eine zweite Stufe der Telemetrieeinheit kann einen A/D-Umsetzer zum Digitalisieren der vorverarbeiteten Sensorsignale sowie eine Auswerteeinheit zum Auswerten der durch den A/D-Umsetzer digitalisierten Signale umfassen. Die zweite Stufe der Telemetrieeinheit kann ferner einen Mikrokontroller zur Datenauswertung sowie Speichermedium, insbesondere eine Speicherkarte, zum Speichern von ausgewerteten Daten aufweisen. Die Telemetrieeinheit kann ferner eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle zum Übertragen der Ausgewerteten Daten zum weiteren Verarbeiten und/oder Visualisieren an einem Server umfassen. Als drahtlose Schnittstelle kann die Telemetrieeinheit eine Bluetooth- und/oder WiFi-Schnittstelle umfassen. Bluetooth ist eine durch die Bluetooth SIG, Inc. registrierte Marke. WiFi ist die durch die WiFi Allianz registrierte Marke. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Telemetrieeinheit dazu ausgebildet, Daten mit einer Abtastfrequenz von bis zu 52,7 kHz zu sammeln und nach dem Verarbeiten mit dem Mikrocontroller über die drahtlose Schnittstelle an einen Server zum Speichern und zur Echtzeitvisualisierung zu versenden. In einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Telemetrieeinheit eine eigene Stromquelle, insbesondere eine Batterie, zur Stromversorgung der Telemetrieeinheit. Die Telemetrieeinheit kann dazu ausgebildet sein, dass die Stromquelle samt Telemetrieeinheit von dem Werkzeughalter getragen wird.A second stage of the telemetry unit can include an A/D converter for digitizing the preprocessed sensor signals and an evaluation unit for evaluating the signals digitized by the A/D converter. The second stage of the telemetry unit can also have a microcontroller for data evaluation and a storage medium, in particular a memory card, for storing evaluated data. The telemetry unit can also include a wireless communication interface for transmitting the evaluated data to a server for further processing and/or visualization. As a wireless interface, the telemetry unit can use a Blue include tooth and/or WiFi interface. Bluetooth is a trademark registered by the Bluetooth SIG, Inc. WiFi is the trademark registered by the WiFi Alliance. In some exemplary embodiments, the telemetry unit is designed to collect data with a sampling frequency of up to 52.7 kHz and, after processing with the microcontroller, to send it via the wireless interface to a server for storage and real-time visualization. In some exemplary embodiments, the telemetry unit has its own power source, in particular a battery, for powering the telemetry unit. The telemetry unit can be designed so that the power source together with the telemetry unit is carried by the tool holder.

Der Mikrocontroller kann einen Prozessor und eine Speichereinheit zum Speichern von maschinenlesbaren Anweisungen für den Prozessor umfassen. Der Speicher kann insbesondere maschinenlesbare Anweisungen zum Signalauswerten mit Signalauswertealgorithmen, wie Datenreduktion (Downsampling), Fast-Fourier-Transformation, Wavelet-Transformation, spektrale Dichte-Funktion, etc enthalten. Mit den Signalauswertealgorithmen können relevante Parameter, insbesondere gegenüber Prozessabweichungen empfindliche Parameter ermittelt werden.The microcontroller may include a processor and a memory unit for storing machine-readable instructions for the processor. In particular, the memory can contain machine-readable instructions for signal evaluation with signal evaluation algorithms, such as data reduction (downsampling), fast Fourier transformation, wavelet transformation, spectral density function, etc. Relevant parameters, in particular parameters that are sensitive to process deviations, can be determined with the signal evaluation algorithms.

Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.Although at least one exemplary embodiment has been shown in the foregoing description, various changes and modifications can be made. The above embodiments are only examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration of the present disclosure in any way. Rather, the foregoing description provides those skilled in the art with a roadmap for implementing at least one example embodiment, and various changes in function and arrangement of elements described in an example embodiment may be made without departing from the scope of the appended claims and their legal equivalents .

BezugszeichenlisteReference List

11: Sensorvorrichtungsensor device
22: Sensormodulsensor module
33: Beschleunigungssensoraccelerometer
44: GehäuseHousing
55: WerkzeugTool
66: Werkzeughaltertool holder
77: Trägersubstratcarrier substrate
88th: Hülsesleeve
99: Steckerplug
1010: Beschleunigungssensor accelerometer
axax: Messrichtungmeasuring direction
ayhey: Messrichtung measuring direction
XX: Koordinatenachsecoordinate axis
YY: Koordinatenachsecoordinate axis
ZZ: Koordinatenachsecoordinate axis

Claims

Sensor device for detecting tool-near vibrations when machining a workpiece with a tool (5), comprising: a. a sensor module (2) with a number of acceleration sensor sensors (3,10), and b. a housing (4) for accommodating the sensor module (2), the housing (4) being designed to be attached to the tool (5) and carried by the tool so that the tool vibrations occurring when the workpiece is machined are transmitted by the tool (5) can be transferred to the sensor module (2).

sensor device claim 1 , wherein the sensor module (2) comprises a carrier plate (7) for mounting the acceleration sensors (3), and wherein the carrier plate (7) is designed such that when the sensor device (1) is in use, the carrier plate (7) is essentially perpendicular to a Axis of rotation of the tool (5) is aligned.

sensor device claim 1 or 2 , wherein the number of acceleration sensors (3, 10) comprises at least two uniaxial acceleration sensors (3) which are perpendicular to one another and are aligned radially with respect to the axis of rotation.

Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the sensor device (1) is designed in the form of a tool collar which, if necessary, can be placed on the tool (5) and fixed to the tool.

sensor device claim 4 , wherein the sensor device (1) comprises a sleeve (8) for mounting on the tool (5), and wherein the sleeve (8) has an inner surface for attachment to the tool (5) and an outer surface for attachment to the housing (4) includes.

sensor device claim 5 , wherein the inner surface of the sleeve (8) is designed to connect the sleeve (8) to the tool (5) via an integral joining method, and wherein the outer surface of the sleeve (8) has an external thread for screwing into a corresponding internal thread of the housing (4).

Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the number of acceleration sensors (3, 10) comprises a number of MEMS-based acceleration sensors.

Sensor device according to a Claims 1 until 7 , wherein the number of acceleration sensors (3,10) comprises a number of piezoelectric acceleration sensors.

Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the sensor device (1) comprises a telemetry unit for digitizing sensor signals and for generating digitized sensor data.

sensor device claim 9 wherein the telemetry unit is located outside the housing (4) and is adapted to be carried by a tool holder (6) during machining of the workpiece.

sensor device claim 9 or 10 , wherein the telemetry unit comprises a first stage for analog signal pre-processing and a second stage for digital signal processing.

sensor device claim 11 , wherein the first stage of the telemetry unit comprises a differential amplifier for calculating out bias signals.

Sensor device according to one of Claims 11 and 12 , wherein the second stage of the telemetry unit comprises an A/D converter for digitizing the preprocessed sensor signals and an evaluation unit for evaluating the signals digitized by the A/D converter.

sensor device Claim 13 , wherein the telemetry unit is designed to collect data with a sampling frequency of up to 52.7 kHz, in particular 10.5 kHz, and to send it after processing with a microcontroller via a wireless interface to a server for storage and real-time visualization.