DE102021100466A1 - Sensorelement und Sensorvorrichtung zum Erfassen eines axialen Längenausgleichs in einem Längenausgleichsfutter beim Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug - Google Patents

Abstract

Ein Sensorelement und eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines axialen Längenausgleichs in einem Längenausgleichsfutter beim Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug werden vorgeschlagen. Das Sensorelement (1) umfasst ein flächiges Federelement (2) mit einer Vorderseite (3), mit einer der Vorderseite (3) gegenüberliegenden Rückseite (4) und mit einer Seitenfläche (5). Das flächige Sensorelement (2) ist dazu ausgebildet, in einen Zwischenraum zwischen einem Zylinderboden (32) und einem beweglichen Kolben (33) des Längenausgleichsfutters eingesetzt zu werden. Das flächige Federelement (2) weist ferner einen ersten Halterbereich und einen mit dem ersten Haltebereich über eine Anzahl von Stegen (9, 10) verbundenen zweiten Halterbereich auf, wobei der erste Haltebereich und der zweite Haltebereich dazu ausgebildet sind, an dem Zylinderboden bzw. an dem beweglichen Kolben befestigt zu werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines axialen Längenausgleichs. Im Speziellen betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines axialen Längenausgleichs in einem Längenausgleichsfutter sowie einer axialen Prozesskraft beim Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug.
• Es sind Sensorvorrichtungen bekannt, welche zur Prozessüberwachung beim Bearbeiten von Werkstücken mit Werkzeugen, beispielsweise beim Gewindebohren eingesetzt werden, um insbesondere Risiken einer Zerstörung von Werkstücken oder Werkzeugen zu vermindern. Es sind ferner Prozessüberwachungssysteme bekannt, welche mit Hilfe von Sensoren relevante Prozessgrößen, wie beispielsweise axialen Längenausgleich oder axiale Kräfte in einem Längenausgleichsfutter erfassen, um somit eine Datengrundlage für eine Prozessüberwachung zu schaffen. Die bekannten sensorbasierten Prozessüberwachungssysteme sind jedoch komplex, fehleranfällig und ungenau.
• Eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige Sensorvorrichtung bereitzustellen, um einen axialen Längenausgleich in einem Längenausgleichsfutter auf eine einfache Weise, genau und zuverlässig erfassen zu können.
• Diese Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt durch ein Sensorelement zum Erfassen eines axialen Längenausgleichs in einem Längenausgleichsfutter beim Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug gelöst.
• Das Sensorelement umfasst ein flächiges Federelement mit einer Vorderseite, mit einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite und mit einer Seitenfläche. Das Sensorelement ist dazu ausgebildet, in einen Zwischenraum zwischen einem Zylinderboden bzw. dem Boden eines zylindrischen Teils und einem beweglichen Kolben, insbesondere einem in den zylindrischen Teil aufgenommenen Ende des beweglichen Kolbens, des Längenausgleichsfutters eingesetzt zu werden.
• Das flächige Federelement umfasst einen ersten Haltebereich und einen mit dem ersten Haltebereich über eine Anzahl von Stegen verbundenen zweiten Haltebereich. Der erste Haltebereich und der zweite Haltebereich sind dazu ausgebildet, an dem Zylinderboden bzw. an dem beweglichen Kolben, insbesondere stirnseitig an einem in den zylindrischen Teil aufgenommenen Ende des beweglichen Kolbens befestigt zu werden.
• Das Sensorelement weist ferner eine Anzahl von Dehnmessstreifen, welche auf der Vorderseite und auf der Rückseite des Federelements im Bereich der Stege angeordnet sind, so dass ein durch den Längenausgleich verursachte Biegung der Stege, insbesondere aus der Ebene des flächigen Federelements, zur Dehnung bzw. Stauchung der Dehnmessstreifen führen kann.
• Das Federelement kann aufgrund des flächigen Aufbaus störkonturfrei und platzsparend bodenseitig in ein bestehendes bzw. kommerziell erhältliches Längenausgleichsfutter aufgenommen bzw. integriert werden. Bei einem Längenausgleich bzw. axialen Ausgleich des Längenausgleichsfutters wird das Federelement mechanisch beansprucht, was zu der Biegung der Stege und damit zur Dehnung bzw. Stauchung der an den Stegen angeordneten Dehnmessstreifen führen kann. Die Dehnung bzw. Stauchung der Dehnmessstreifen führt zu einer Erhöhung bzw. Verminderung des elektrischen Widerstands der Dehnmessstreifen, welche messtechnisch erfasst werden kann. Basierend auf der Widerstandsänderung kann auf die mechanische Beanspruchung des Federelements und indirekt auf den in dem Längenausgleichsfutter stattgefundenen Längenausgleich zurückgeschlossen werden.
• Das Sensorelement kann somit für die Erfassung des Längenausgleichs beispielsweise im Rahmen einer Prozessüberwachung beim Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere beim Gewindebohren, unter Verwendung von kommerziellen Längenausgleichsfuttern eingesetzt werden. Die in den Stegen des Federelements auftretenden Biegungen bzw. Biegespannungen ermöglichen es, auf den in dem Längenausgleichsfutter stattgefundenen Längenausgleich zurückzuschließen.
• Die in den Dehnmessstreifen auftretenden Widerstandsänderungen können quantitativ ausgewertet werden, so dass der Bearbeitungsprozess, insbesondere Gewindeschneideprozess, mit Hilfe des Sensorelements sowohl qualitativ als auch quantitativ überwacht werden kann. Bei einer geeigneten Eichung des Sensorelements kann zudem nicht nur der axiale Längenausgleich, sondern auch axiale Prozesskräfte ermittelt werden.
• Das Federelement kann insbesondere im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet sein und eine Ausnehmung mit einer Innenfläche aufweisen. Die Ausnehmung kann derart ausgebildet sein, dass sich zwischen der Außenfläche und der Innenfläche ein geschlossener Außenring mit einer Anzahl von Stegen mit nach innen gerichtet freien Enden ergibt.
• Der Außenring kann als äußerer Haltebereich, insbesondere zum Befestigen des Federelements an dem Zylinderboden, und die Gesamtheit der freien Enden der Stege kann als innerer Haltebereich, insbesondere zum Befestigen des Federelements an dem beweglichen Kolben, fungieren. Der innere Haltebereich und der äußere Haltebereich können mit Hilfe eines stoffschlüssigen Fügeverfahrens, insbesondere mit einem Haftvermittler bzw. Klebstoff, auf einfache Weise an dem Zylinderboden bzw. an dem beweglichen Kolben störkonturfrei befestigt werden.
• Die Stege können jeweils eine Erweiterung an den freien Enden aufweisen. Durch die Erweiterungen an den freien Enden der Stege kann die Befestigung des inneren Haltebereichs aufgrund der vergrößerten Haftfläche verbessert werden.
• Die Stege können eine veränderliche Breite bzw. veränderlichen Querschnitt mit einer Engstelle aufweisen, wobei die Dehnmessstreifen im Bereich der Engstelle ausgebildet sind. Somit können die Stege als einseitig eingespannte Balken mit veränderlichem Querschnitt betrachtet werden. Die Engstellen der Stege werden bei einem Längenausgleich besonders stark beansprucht bzw. verformt, so dass auch die mechanische Spannung an diesen Stellen besonders groß ist. Durch die Platzierung der Dehnmessstreifen im Bereich der Engstellen kann somit die Messempfindlichkeit bei der Erfassung der Widerstandsänderung der Dehnmessstreifen erhöht werden.
• In einigen Ausführungsformen weist das Federelement zwei im Wesentlichen symmetrische, diametral zueinander ausgebildete Stege mit jeweils einem Dehnmessstreifen auf der Vorderseite und auf der Rückseite auf. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Stege kann die Erfassung der Widerstandsänderungen der Dehnmessstreifen mit einer hohen Empfindlichkeit und Präzision erzielt werden.
• Die auf der Vorderseite und auf der Rückseite vorgesehenen Dehnmessstreifen können dazu ausgebildet sein, zu einer Vollbrücke geschaltet zu werden. Die Vollbrückenschaltung von den vier Dehnmessstreifen an den beiden gegenüberliegenden Stegen ermöglicht eine besonders empfindliche und präzise Messung der auf die Biegung der Stege zurückzuführenden Widerstandsänderung der Dehnmessstreifen. Mittels der Vollbrückenschaltung können insbesondere auch zuverlässige quantitative Aussagen über den axialen Längenausgleich sowie über die axiale Prozesskraft in Längenausgleichsfuttern getroffen werden.
• Die Dehnmessstreifen können jeweils ein Messgitter mit einer Messrichtung aufweisen, wobei die Messgitter jeweils entlang der Stege ausgerichtet sind. Durch die Ausrichtung der Messgitter entlang der Stege kann die Empfindlichkeit und die Reproduzierbarkeit der Messung der Dehnung des Messgitters erhöht werden.
• Aufgrund der Beziehung zwischen der Dehnung der Dehnmessstreifen und der Absenkung bzw. der axialen Verschiebung zwischen dem ersten Haltebereich und dem zweiten Halteberiech, kann der Längenausgleich in dem Längenausgleichsfutter ermittelt werden.
• Das Sensorelement kann derart dimensioniert sein, dass beim Einsatz des Sensorelements die Deformation der Stege im Wesentlichen in einem linear-elastischen Bereich stattfindet. Bei einer solchen Dimensionierung des Sensorelements bzw. mit Annahme eines linear-elastischen Verhaltens kann zudem ein linearer Zusammenhang zwischen der axialen Auslenkung und der gemessenen Dehnung mittels der Dehnungsmessstreifen aufgestellt werden, wodurch die Auswertung vereinfacht werden kann.
• Insbesondere können quantitative Aussagen über die Prozesskraft in axialer Richtung von einer linearen Verformung der Stege ausgehend auf einfache Weise getroffen werden.
• Nach einem zweiten Aspekt wird eine Sensorvorrichtung mit einem Sensorelement nach dem ersten Aspekt vorgesehen. Die Sensorvorrichtung umfasst ferner eine Telemetrieeinheit zum Digitalisieren von Sensorsignalen und zum Erzeugen von digitalisierten Sensordaten.
• Die Digitalisierten Sensordaten sind im Gegensatz zu analogen Signalen weniger störungsanfällig und können zum weiteren Verarbeiten sicher gespeichert und/oder versendet werden. Die Telemetrieeinheit kann insbesondere dazu ausgebildet sein, während des Bearbeitens des Werkstücks von dem Längenausgleichsfutter getragen zu werden. Die Aufbereitung von Sensordaten kann somit außerhalb von dem Sensorelement getrennt erfolgen, wodurch die Elektronik des Sensorelements vereinfacht werden kann.
• 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.
• 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 bedingt durch etwaige Asymmetrie in den Stegen und/oder in den Dehnmessstreifen, herausgerechnet werden.
• 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 Daten und 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.
• Die Speichereinheit kann dazu ausgebildet sein, darin eine im Zuge einer Kalibrierung ermittelte Kennlinie des Sensorelements zu hinterlegen. Die Kalibrierung kann insbesondere anhand der Dehnung der Dehnmessstreifen bei unterschiedlich definierten vorgegebenen Verschiebungen des beweglichen Kolbens in Richtung der z-Achse erfolgen. Mit Hilfe der Kennlinie und bei bekannter Steifigkeit des Längenausgleichsfutters, insbesondere von Polymerringen oder anderen elastischen bzw. federnden Elementen, welche die Steifigkeit des Längenausgleichsfutters maßgeblich bestimmen, die Prozesskraft in axialer Richtung ermittelt werden.
• Die Speichereinheit kann maschinenlesbare Anweisungen erhalten, die axiale Prozesskraft basiert auf einem linearen Steifigkeitsmodell zu berechnen. Bei einer vernachlässigbar kleinen parasitären Steifigkeit des Sensorelements im Vergleich zu der Steifigkeit der Polymerringe stellt das lineare Modell eine gute Näherung zur Ermittlung der axialen Prozesskraft.
• 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.
• 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 eines Sensorelements zum Erfassen eines axialen Längenausgleichs in einem Längenausgleichsfutter,
• 2 veranschaulicht den Einsatz des Sensorelements gemäß 1 in ein Längenausgleichsfutter, und
• 3 zeigt ein vereinfachtes Modell zum Ermitteln axialer Prozesskräfte gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sensorelements zum Erfassen eines axialen Längenausgleichs in einem Längenausgleichsfutter beim Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• Das Sensorelement 1 umfasst einen flächigen Träger 2 bzw. Federelement mit einer Vorderseite 3, mit einer der Vorderseite 3 gegenüberliegenden Rückseite 4 und einer Seitenfläche 5. Der Träger 2 ist im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet und weist eine Ausnehmung 6 mit einer Innenfläche 7 auf.
• Die Ausnehmung 6 ist in dem Träger 2 derart ausgebildet, dass es sich zwischen der Außenfläche 5 und der Innenfläche 7 ein geschlossener Außenring 8 und zwei von dem Außenring 8 nach innen gerichteten Stege 9, 10 ergibt. Die Stege 9, 10 weisen frei Enden auf, welche diametral zueinander gerichtet sind, ohne sich zu berühren. Die Stege 9 und 10 weisen an den freien Enden jeweils eine Erweiterung 11, 12 auf, welche derart geformt sind, dass sich zwischen den beiden Erweiterungen 11 und 12 ein im Wesentlichen kreisförmiger lichter Zwischenraum 13 ergibt. Zwischen den Enden mit den Erweiterungen 11, 12 und dem Außenring 8 weisen die Stege jeweils einen Hals bzw. eine Engstelle auf. Somit stellen die Stege 9 und 10 zwei separate, einseitig eingespannte Balken dar, welche jeweils einen veränderlichen Querschnitt und eine Engstelle in der Mitte aufweist.
• Zur Verdeutlichung des räumglichen Aufbaus der Messvorrichtung 1 wird in 1 die Orthonormalbasis {x,y,z} ebenfalls dargestellt. An den Engstellen der Stege 9 und 10 sind auf der Vorderseite 3 und auf der Rückseite 4 des Trägers 2 Dehnmessstreifen 21, 22, 23 und 24 ausgebildet bzw. appliziert. Die Dehnmessstreifen 21, 22, 23 und 24 weisen jeweils ein Messgitter mit einer Messrichtung auf, wobei die Messrichtung jedes Dehnmessstreifens 21, 22, 23 und 24 entlang der Stege 9, 10 bzw. entlang der x-Achse zeigt. Die Dehnmessstreifen 21, 22, 23 und 24 sind an den Engstellen der Stege 9 und 10 appliziert. An den Engstellen fällt die mechanische Spannung am größten aus, wodurch sich ein stärkeres Messsignal für die Dehnungsmessstreifen 21, 22, 23 und 24 ergibt. Zur Signalerfassung können die die vier Dehnmessstreifen 21, 22, 23 und 24 zu einer Vollbrücke über elektrische Leiterbahnen bzw. elektrische Leitungen (nicht gezeigt) geschaltet werden. Aufgrund des flächigen Aufbaus kann das Federelement 2 der in ein kommerzielles Längenausgleichsfutter störkonturfrei integriert werden.
• Werden beispielsweise beim Bearbeiten des Werkstücks die beiden Stege 9 und 10 in positive oder negative Richtung der z-Achse ausgelenkt, so ergibt sich in den beiden Stegen 9 und 10 eine Biegespannungsbeanspruchung, welche wiederum zu einer mechanischen Dehnung auf der einen Seite, beispielsweise auf der Vorderseite 3 des Federelements 2, und zu einer Stauchung auf der gegenüberliegenden Seite, beispielsweise auf der Rückseite 4 des Federelements 2 im Bereich der Stege 9, 10 führt.
• Mit Annahme eines linear-elastischen Verhaltens nach dem Hookeschen Gesetz, was insbesondere bei kleinen Auslenkungen der Stege 9 und 10 in Richtung der z-Achse eine gute Näherung darstellt, kann ein linearer Zusammenhang zwischen der Auslenkung in Richtung der z-Achse und der gemessenen Dehnung mittels der Dehnungsmessstreifen 21, 22, 23 und 24 aufgestellt werden.
• 2 veranschaulicht den Einsatz des Federelements gemäß 1 in ein Längenausgleichsfutter. Insbesondere zeigt 2 ein kommerzielles Längenausgleichsfutter 30 mit dem integrierten Federelement 2 im Querschnitt.
• Das Längenausgleichsfutter 30 weist einen Hohlschaftkegel 31 mit einem Zylinder bzw. zylindrischen Teil 32, wobei der zylindrische Teil 32 zum Aufnehmen eines beweglichen Kolbens 33 ausgebildet ist. 2 zeigt auch den beweglichen Kolben 33, in welchem ein Gewindebohrwerkzeug 34 eingespannt ist. Zwei Wälzkörperpaare 35 sind zwischen dem zylindrischen Teil 32 und dem Kolben 33 vorgesehen und sorgen für eine spielfreie Führung des Kolbens 33 in Richtung der z-Achse (vgl. YZ-Koordinatensystem in 2). Die Wälzkörper 35 sind ferner dazu ausgebildet, eine Rotation des Kolbens 33 um die z-Achse zu verhindern, damit das nötige Prozessmoment vom Hohlschaftkegel 31 auf das Gewindebohrwerkzeug 34 übertragen werden kann.
• Das in 2 im Querschnitt gezeigte Längenausgleichsfutter ist ein sogenanntes Minimallängenausgleichsfutter „Softsynchro 3“ der Firma EMUGE-FRANKEN. Softsynchro® ist eine eingetragene Marke der Firma EMUGE-Werk Richard Glimpel GmbH & Co. KG Fabrik für Präzisionswerkzeuge.
• In dem zylindrischen Teil 32 sind ferner zwei um 180° versetzte Polymerringelemente 36 vorgesehen, welche maßgeblich die Steifigkeit des Freiheitsgrades in axialer Richtung, nämlich entlang der z-Achse, bestimmen.
• Das Sensorelement 1 gemäß 1 kann in das Längenausgleichsfutter 30 auf einfache Weise integriert werden. Insbesondere kann das Sensorelement 1 in den zylindrischen Teil 32 des Längenausgleichsfutters 30 eingesetzt und mit dem Außenring 8 an der Bodenseite 37 des zylindrischen Teils 32 befestigt werden. Die Befestigung des Außenrings 8 kann insbesondere mit Hilfe eines stoffschlüssigen Fügeverfahrens, insbesondere unter Einsatz eines Haftvermittlers bzw. Klebers, erfolgen.
• Die freien Enden der beiden Stege 9 und 10 können mit der Bodenseite 38 bzw. Stirnseite des beweglichen Kolbens 33 ebenfalls mit Hilfe eines stoffschlüssigen Fügeverfahrens verbunden werden.
• Das Sensorelement 1 kann somit störkonturfrei in den Zwischenraum zwischen der Bodenseite 37 des zylindrischen Teils 32 und der Bodenseite 38 des beweglichen Kolbens 33 integriert werden. Das Sensorelement 1 wird in 2 symbolisch gepunktet dargestellt.
• Mit Hilfe des Sensorelements 1 kann ein beim Bearbeiten des Werkstücks, insbesondere beim Gewindebohren, in dem Längenausgleichsfutter 30 auftretender Längenausgleich erfasst werden.
• Wird beispielsweise der bewegliche Kolben 33 während des Gewindebohrprozesses aufgrund von Prozessunsicherheiten oder Prozessanomalien ausgelenkt, so kann mit Hilfe des störkonturfrei integrierten Sensorelements 1 über die Messung der Dehnung infolge der Biegespannungen in den Stegen 9 und 10, vgl. 1, indirekt auf den stattgefundenen Längenausgleich zurückgeschlossen werden.
• Im Zuge einer Kalibrierung kann die Kennlinie des Sensorelements 1 ermittelt werden. Zur Kalibrierung kann die Messung der Dehnung bei unterschiedlich definiert vorgegebenen Verschiebungen des beweglichen Kolbens 33 in Richtung der z-Achse durchgeführt werden. Ist eine Erfassung einer reproduzierbaren linearen Kennlinie erfolgt, kann über die Bekanntheit der Steifigkeiten der Polymerfederringe 36 und der Verschiebung des beweglichen Kolbens 33 aufgrund eines Längenausgleichs in Richtung der z-Achse die Prozesskraft in axialer Richtung bzw. entlang der z-Achse ebenfalls über das Hooksche Gesetz ermittelt werden.
• 3 zeigt ein vereinfachtes Modell zum Ermitteln axialer Prozesskräfte gemäß einem Ausführungsbeispiel. In dem vereinfachten Modell werden die Polymerfederringe vereinfacht als Federelemente mit einer Steifigkeit von c_p dargestellt, vgl. Federelemente 40 in 3. Das Sensorelement 1 wird ebenfalls als ein Federelement 41 dargestellt, welches aufgrund der Biegesteifigkeit der beiden Stege 9, 10 eine zusätzliche Steifigkeit c_s in Richtung der z-Achse parasitär in das Modell einbringt.
• Das Implementieren des Modells kann insbesondere in einem Mikrocontroller der Telemetrieeinheit der Sensorvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt erfolgen. Der Mikrocontroller kann einen
• Prozessor und eine Speichereinheit zum Speichern von Daten sowie von maschinenlesbaren Anweisungen für den Prozessor umfassen. Die Speichereinheit 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.
• Die Speichereinheit kann ferner maschinenlesbare Anweisungen für den Prozessor enthalten, welche den Prozessor dazu veranlassen eine axiale Prozesskraft basierend auf dem vereinfachten Modell zu ermitteln.
• Für die axiale Prozesskraft F ergibt sich in dem vereinfachten Modell die folgende Differentialgleichung: $$\text{dF}=\left({\text{c}}_{\text{s}}+2\cdot {\text{c}}_{\text{p}}\right)\cdot \text{dz}$$

  

  mit dz als infinitesimale Verschiebung in Richtung der z-Achse.
• Bei einer entsprechenden Dimensionierung des Sensorelements 1 gilt c_s « c_p, insbesondere ${\text{c}}_{\text{s}}\lesssim \mathrm{0,1}{\text{c}}_{\text{p}},$

  

  wodurch sich die axiale Prozesskraft vereinfacht mit der folgenden Formel berechnen lässt: $$\text{F}\left(\text{z}\left(\mathrm{\epsilon }\right)\right)\approx 2\cdot {\text{c}}_{\text{p}}\cdot z\left(\mathrm{\epsilon }\right)$$

  
• In dieser Formel ist z(ε) eine skalare Funktion und gibt die Verschiebung des beweglichen Kolbens 33 in Richtung der z-Achse in Abhängigkeit der gemessenen Dehnung des Sensorelements 1 an. Die Funktion z(ε) stellt somit die Kennlinie der Sensorvorrichtung dar, welche im Rahmen der Kalibrierung ermittelt werden kann.
• 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.
• Bezugszeichenliste

1

Sensorelement

2

Federelement

3

Vorderseite

4

Rückseite

5

Seitenfläche

6

Ausnehmung

7

Innenfläche

8

Außenring

9, 10

Steg

11

Erweiterung

12

Erweiterung

21, 22, 23, 24

Dehnmessstreifen

30

Längenausgleichsfutter

31

Hohlschaftkegel

32

zylindrischer Teil

33

beweglicher Kolben

34

Werkzeug

35

Wälzkörperpaar

36

Polymerringelement

37

Bodenseite des zylindrischen Teils

38

Bodenseite des beweglichen Kolbens

40, 41

Federelement

cs

parasitäre Steifigkeit des Sensorelements

cp

Steifigkeit der Polymerringelemente

X,Y,Z

Koordinatenachse

Claims (15)

1. Sensorelement zum Erfassen eines axialen Längenausgleichs in einem Längenausgleichsfutter beim Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug (5), umfassend: - ein flächiges Federelement (2) mit einer Vorderseite (3), mit einer der Vorderseite (3) gegenüberliegenden Rückseite (4) und mit einer Seitenfläche (5) zum Einsetzen in einen Zwischenraum zwischen einem Zylinderboden (32) und einem beweglichen Kolben (33) des Längenausgleichsfutters, wobei das flächige Federelement (2) einen ersten Haltebereich und einen mit dem ersten Haltebereich über eine Anzahl von Stegen (9, 10) verbundenen zweiten Halterbereich umfasst, und wobei der erste Haltebereich und der zweite Haltebereich dazu ausgebildet sind, an dem Zylinderboden bzw. an dem beweglichen Kolben befestigt zu werden, - eine Anzahl von Dehnmessstreifen (21, 22, 23, 24), welche auf der Vorderseite (3) und auf der Rückseite (4) des Federelements (2) im Bereich der Stege (9,10) angeordnet sind, so dass eine durch den Längenausleich verursachte Biegung der Stege zur Dehnung bzw. Stauchung der Dehnmessstreifen (21, 22, 23, 24) führen kann.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, wobei das Federelement im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist und eine Ausnehmung (6) mit einer Innenfläche (7) aufweist, und wobei die Ausnehmung (6) derart ausgebildet ist, dass sich zwischen der Außenfläche (5) und der Innenfläche (7) ein geschlossener Außenring (8) mit einer Anzahl von Stegen (9,10) mit nach innen gerichtet freien Enden ergibt.
3. Sensorelement nach Anspruch 2, wobei die Stege (9, 10) jeweils eine Erweiterung an den freien Enden aufweisen.
4. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stege (9, 10) veränderliche Breite mit einer Engstelle aufweisen, und wobei die Dehnmessstreifen (21, 22, 23, 24) im Bereich der Engstelle der Stege (9, 10) ausgebildet sind.
5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Federelement (2) zwei im Wesentlichen symmetrische, diametral zueinander ausgebildete Stege (9, 10) mit jeweils einem Dehnmessstreifen auf der Vorderseite (3) und auf der Rückseite (4) aufweist.
6. Sensorelement nach Anspruch 5, wobei die auf der Vorderseite und auf der Rückseite an den zwei Stegen (9, 10) vorgesehen Dehnmessstreifen (21, 22, 23, 24) dazu ausgebildet sind, zu einer Vollbrücke geschaltet zu werden.
7. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Dehnmessstreifen (21, 22, 23, 24) jeweils ein Messgitter mit einer Messrichtung aufweist, und wobei die Messgitter jeweils entlang der Stege (9, 10) ausgerichtet sind.
8. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (1) derart dimensioniert ist, dass beim Einsatz des Sensorelements (1) die Deformation der Stege (9, 10) im Wesentlichen in einem linear-elastischen Bereich stattfindet.
9. Sensorvorrichtung mit einem Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (1) eine Telemetrieeinheit zum Digitalisieren von Sensorsignalen und zum Erzeugen von digitalisierten Sensordaten umfasst.
10. Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Telemetrieeinheit dazu ausgebildet ist, während des Bearbeitens des Werkstücks von dem Längenausgleichsfutter (30) getragen zu werden.
11. Sensorvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Telemetrieeinheit eine erste Stufe zur analogen Signalvorverarbeitung und eine zweite Stufe zur digitalen Signalverarbeitung umfasst.
12. Sensorvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erste Stufe der Telemetrieeinheit einen Differenzialverstärker zum Herausrechnen von Bias-Signalen umfasst.
13. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 und 12, wobei die zweite Stufe der Telemetrieeinheit einen A/D-Umsetzer zum Digitalisieren der vorverarbeiteten Sensorsignale sowie eine Auswerteeinheit zum Auswerten der durch den A/D-Umsetzer digitalisierten Signale umfasst.
14. Sensorvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Auswerteeinheit einen Mikrocomputer mit einem Prozessor und Speichereinheit zum Speichern von Daten und von maschinenlesbaren Anweisungen für den Prozessor umfasst, wobei die Speichereinheit dazu ausgebildet ist, eine im Zuge einer Kalibrierung ermittelte Kennlinie des Sensorelements zu hinterlegen.
15. Sensorvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Speichereinheit maschenlesbare Anweisungen erhält, die axiale Prozesskraft basiert auf einem linearen Steifigkeitsmodell zu berechnen.

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