DE19701462A1 - Meßvorrichtung - Google Patents
MeßvorrichtungInfo
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
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Description
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Messung von
Kräften und/oder Dehnungen in mechanisch belasteten Maschi
nenteilen, Werkzeugen oder Werkstücken nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Eine solche Meßvorrichtung dient zur Messung der Belastungen
mechanischer Strukturen mit dem Ziel, vor Überlastungen zu
schützen sowie Werkzeugbruch und -verschleiß zu erkennen. Die
Meßvorrichtung liefert ein elektrisches Signal, welches ein
Maß für die auf das Maschinenteil, Werkzeug oder Werkstück
einwirkende Kraft darstellt.
Aufgrund ihrer hohen Meßempfindlichkeit werden vorzugsweise
piezoelektrische Aufnehmer eingesetzt, die bereits bei sehr
geringen Dehnungen ein auswertbares Ausgangssignal liefern.
Bekannte Ausführungsformen umfassen Kraftmeßscheiben, Kraft
meßdübel, Sensoren mit Spannvorrichtungen wie Nutensensoren
oder Kraftmeßringe mit Doppelkeil. Sämtliche bekannten piezo
elektrischen Kraftaufnehmer zur Kraftmessung müssen kraft
schlüssig innerhalb der sie umgebenden Struktur verspannt
werden. Damit sind Krafteinleitungsflächen notwendig, die auf
den Sensor wirken und seine Funktion und Meßgenauigkeit we
sentlich beeinflussen. Entsprechend der Sensorform müssen an
gepaßte Aufnahmen gefertigt werden, an die hohe Anforderungen
hinsichtlich Maßgenauigkeit, Oberflächengüte und Planparalle
lität gestellt werden müssen. Einschließlich der notwendigen
Spannvorrichtung ist der Aufbau derartiger Kraftsensoren sehr
aufwendig.
Darüber hinaus sind noch weitere Nachteile herkömmlicher pie
zoelektrischer Kraftsensoren vorhanden. Herkömmliche verfüg
bare Sensoren stehen lediglich in ihren Standardbauformen
zur Verfügung. Sie können nicht in ihren geometrischen Abmes
sungen verändert, d. h., an die jeweilige Meßaufgabe angepaßt
werden. Kraftschlüssig verspannte Kraftsensoren besitzen eine
maximale Belastungsgrenze über der eine Beschädigung bzw.
Zerstörung des Sensors auftritt.
Liegt kein ausreichender Kraftschluß vor bzw. hat sich die
Spannvorrichtung gelockert, gibt der Sensor kein Ausgangs
signal ab. Aufgrund der mechanisch notwendigen kraftschlüssi
gen Kontaktierung zwischen Sensor und metallischen Strukturen
kommt es durch die zyklische Belastung der Wirkfuge zu Fugen
rost, der die Vorspannung und damit die Funktion des kraft
schlüssig verspannten Sensors beeinflußt. Aufgrund der mecha
nischen notwendigen Kontaktierung zwischen Sensor und mecha
nischer Struktur treten bei piezoelektrischen Sensoren Masse
schleifen auf, die durch eine aufwendige elektrische Isolie
rung mittels Keramikbeschichtung eliminiert werden müssen.
Aufgrund des mechanischen Aufbaus der Sensoren, die Sensore
lement, Gehäuse, Spannvorrichtung umfassen, sind die Abmes
sungen derartig aufgebauter Sensoren beträchtlich. Damit be
steht bei bestimmten Meßaufgaben kein ausreichender Einbau
raum zu Verfügung.
Da bei einigen Sensoren zusätzlich elektronische Bauelemente,
wie z. B. Impedanzwandler in den Sensor integriert werden, ist
bei bestimmten Aufgabenstellungen kein ausreichender Platz
zur Integration von nachgeschalteter Elektronik vorhanden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung
zur Messung von Kräften und/oder Dehnungen in mechanisch be
lasteten Maschinenteilen, Werkzeugen oder Werkstücken zu
schaffen.
Diese Aufgabe wird bei einer Meßvorrichtung nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil ange
gebenen Merkmale gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin
dung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Physikalisch beruht das Meßprinzip darauf, daß der Boden der
Ausnehmung eine eingespannte Fläche darstellt, die einen Fe
derkörper bildet und bei Kraftbeaufschlagung einen typischen
Verlauf der Durchbiegung aufweist. Die Form der Geometrie der
Ausnehmung und ihre Tiefe bestimmt die Steifigkeit des Feder
körpers. Über die Größe der Durchbiegung wird ein Maß für die
Größe der lokal auftretenden Dehnungen und damit der einge
leiteten Teilkraft ermittelt. Die Dehnungen an der Oberfläche
des Bodens werden mittels des Sensors erfaßt. Es handelt sich
hier um mehrachsige Dehnungen, deren Größe von der eingelei
teten Kraft und der Geometrie der Aussparung abhängt. Da der
Sensor der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung für die Erfassung
dieser Dehnungen nicht kraftschlüssig in der Ausnehmung ver
spannt wird, entfällt der Aufwand für die Spannvorrichtung
sowie die damit zusammenhängenden Anforderungen an Maßgenau
igkeit, Oberflächengüte und Planparallelität der Sensorauf
nahme.
Die Dehnungen sind bei elastischer Deformation der mechani
schen Struktur proportional zu den einwirkenden Teilkräften.
Durch die Anordnung und Geometrie der Ausnehmung kann die
Meßvorrichtung sehr nahe am Ursprungsort der eingeleiteten
Kräfte plaziert und so eine prozeßnahe Messung ermöglicht
werden. Dies wird auch durch die mögliche kleine Bauform er
leichtert, die durch den Wegfall der Spannvorrichtung erzielt
wird. Die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Meßvorrich
tung kann durch die gewählte Geometrie der Ausnehmung eben
falls beeinflußt werden. Damit wird eine Anpassung an unter
schiedliche Werkstoffe mit unterschiedlicher Festigkeit mög
lich. Als Grenzen bei der Wahl der Geometrie sind lediglich
die auftretenden Belastungen zu beachten, die keine plasti
sche Verformung an der mechanischen Struktur bewirken dürfen.
Die maximalen Dehnungen müssen unterhalb der Fließdehnung des
jeweiligen Werkstoffs der mechanischen Struktur bleiben.
Wesentliche Vorteile der Erfindung sind die anpaßbare Sensor
geometrie, die eine deutlich verbesserte Messung von Teil
kräften und -dehnungen in mechanischen Strukturen ermöglicht,
sowie eine gegenüber herkömmlichen piezoelektrischen
Kraftsensoren einfachere, platzsparende und kostengünstige
Sensorrealisierung, die im elastischen Bereich der mechani
schen Struktur überlastsicher arbeitet. Zusätzlich wird eine
Messung von Druck- und Zugkräften ohne Vorspannung des Sen
sors möglich, so daß auch Zugkräfte oberhalb der Sensorvor
spannung meßbar werden. Es ergibt sich ferner eine hohe Lang
zeitstabilität, da keine Krafteinleitungsflächen vorhanden
sind. Trotz geringerer Fertigungsgenauigkeiten bei der Her
stellung der Sensoraufnahme erhöht sich die Meßgenauigkeit
von lokalen Teilkräften.
Der Sensor kann an derjenigen Stelle der Bodenfläche angeord
net sein, an der Dehnungen gleichen Vorzeichens auftreten.
Darüber hinaus kann die Meßempfindlichkeit des Sensors für
die auftretenden Dehnungen ausgelegt sein.
Durch diese Maßnahmen läßt sich ein hoher Nutzsignalpegel er
zielen, wodurch der Störabstand zum Grundrauschen vergrößert
und dadurch die Meßauflösung auch extrem geringer Dehnungen
und Kräfte ermöglicht wird.
Vorzugsweise umfaßt der Sensor ein Piezoelement. Obwohl prin
zipiell auch andere Sensoren geeignet sind, bietet eine Pie
zoelement eine sehr hohe Meßempfindlichkeit und läßt sich
auch an unterschiedliche Geometrien einer Ausnehmung gut an
passen.
Besonders geeignet ist ein Sensor, der als auf die zu erfas
sende Form und Fläche der Bodenfläche zugeschnittene Piezofo
lie ausgebildet ist. In diesem Fall sind keine Spezialanfer
tigungen des Sensors erforderlich. Die Anpassung kann einfach
durch Zuschneiden erfolgen. Dadurch ist diese Art Sensor be
sonders anpassungsfähig und erlaubt, optimierte Geometrien
zur Erfassung von Teilkräften konsequent auszunutzen.
Vorzugsweise ist das Piezoelement mit der Bodenfläche ver
klebt. Dadurch ergibt sich eine homogene Koppelung zwischen
der Oberfläche der Bodenfläche und der Oberfläche des Sen
sors. Rauhigkeiten oder Bearbeitungsungenauigkeiten der Ober
fläche der Bodenfläche werden durch den Klebstoff ausgegli
chen.
Zweckmäßig trägt der Sensor eine mechanische Abdeckung. Hier
bei kann es sich um eine starre oder eine elastische Abdeckung
z. B. aus Silikon handeln. Da wegen der fehlenden Ein
spannung der Sensor auf einer Seite frei liegt, wird so ein
Schutz gegen Verschmutzung, mechanische Beschädigung und son
stige Umwelteinflüsse erreicht.
Je nach Art des Maschinenteils, Werkzeugs oder Werkstücks
kann die den Sensor aufnehmende Ausnehmung gesondert gefer
tigt oder standardmäßig vorhanden sein. Gesondert gefertigte
Ausnehmungen haben den Vorteil, daß ihre Anordnung und Geome
trie weitgehend für die zu messenden Dehnungen und Kräfte op
timiert werden kann. Bevorzugte Einbauorte für derartige Sen
soren sind z. B. Kopfplatten von Stanzwerkzeugen. In Berei
chen, über die von den einzelnen Stempeln Teilkräfte in die
Struktur eingeleitet werden, werden hinter einer Druckplatte
Ausnehmungen eingebracht. Grenzen sind hier durch die Bear
beitbarkeit des Werkstoffs und die Aufrechterhaltung der Sta
bilität des mit der Ausnehmung zu versehenden Teils gegeben.
Standardmäßig vorhandene Ausnehmungen vereinfachen die Ferti
gung und vermeiden eine Schwächung des Materials. Beispiele
sind verrippte Werkzeugkörper von Ziehwerkzeugen oder Pres
senstößel, die bereits den geometrischen Aufbau für den Ein
satz der neuartigen Meßvorrichtung besitzen. Werden Teile ei
ner mechanischen Struktur auf Biegung beansprucht, kann ein
erfindungsgemäßer Sensor zur meßtechnischen Belastung der
Struktur eingesetzt werden.
Anstelle eines einzigen Sensors kann die Bodenfläche der Aus
nehmung mehrere Sensoren tragen. Die Sensoren können in einer
Matrix angeordnet sein. Durch diese Maßnahme lassen sich ge
zielt einzelne Bereiche des Maschinenteils, Werkzeugs oder
Werkstücks für die Messung selektieren und damit lokale Teil
kräfte erfassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläu
tert. In dieser zeigen:
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine
Meßvorrichtung nach der Erfindung mit
einer Ausnehmung und einem Sensor,
Fig. 2 zeigt ein Dehnungsdiagramm für eine Bo
denfläche der Ausnehmung,
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Boden
fläche der Ausnehmung mit Angabe von
Meßgrößen für das Dehnungsdiagramm nach
Fig. 2,
Fig. 4 und 5 zeigen einen Ausschnitt eines Stanz
werkzeugs mit der erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung,
Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus einem Stanz
teil als Beispiel für ein zu messendes
Werkstück und
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Bodenfläche
einer Ausnehmung mit matrixförmig ange
ordneten Sensoren.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Meßvorrichtung
nach der Erfindung. In einem Maschinenteil 14 befindet sich
eine Ausnehmung 12, auf deren Bodenfläche 16 ein Sensor 10
aufgeklebt ist. Es handelt sich im vorliegenden Fall um eine
zylindrische Ausnehmung. Durch die Ausnehmung ist der Mate
rialquerschnitt verringert worden, so daß die verbleibende
Struktur, an die die Bodenfläche 16 angrenzt, einen Federkör
per bildet. Unter der Annahme, daß auf die der Bodenfläche 16
gegenüberliegende Oberfläche 18 eine Kraft F ausgeübt wird,
der über die gesamte Fläche konstant ist, ergibt sich ein
Dehnungsdiagramm, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.
Dieses Dehnungsdiagramm mit relativen Dehnungen bezogen auf
eine Dehnung εz im Zentrum Z zeigt, daß im Zentrum die Ra
dialdehnung εr und die Tangentialdehnung εt gleich groß sind
und ihr Maximum haben. Am Rand ist dagegen die Tangentialdeh
nung εt gleich Null, während die Radialdehnung εr negativ ist
und ihren maximalen Wert erreicht. Dieser Wert ist betragsmä
ßig doppelt so groß wie im Zentrum. Bei einem Radius r von
ca. 57,7 Prozent des Radius R der Ausnehmung ist die Radial
dehnung εr gleich Null. Zur Erläuterung des Zusammenhangs der
vorgenannten Größen mit der Ausnehmung zeigt Fig. 3 eine
Draufsicht auf die Bodenfläche 16 der Ausnehmung mit einer
Darstellung der Größen, auf die in Fig. 2 Bezug genommen
wird.
Um ein großes Sensor-Ausgangssignal und damit einen hohen
Störabstand zu erhalten, wird der Sensor 10 zweckmäßig dort
angeordnet, wo hohe mechanische Dehnungen unter Berücksichti
gung ihrer Richtung auftreten.
Eine derart aufgebaute Meßvorrichtung kann grundsätzlich zur
Kraftmessung eingesetzt werden. Eine Integration in Werkzeuge
oder Werkzeugmaschinen ist möglich. Bevorzugte Einbauorte
sind z. B. Druckplatten 24 oder Kopfplatten 26 von Stanzwerk
zeugen, wie Fig. 4 und 5 zeigen. In Bereichen, über die von
einzelnen Stempeln 22 Teilkräfte unmittelbar oder gemäß Fig. 4
und 5 mittelbar in die Struktur eingeleitet werden, werden
hinter einer Druckplatte 24 Ausnehmungen 12 eingebracht und
Sensoren 10 in Form von Piezoelementen auf die Bodenflächen
16 geklebt. Hier nicht dargestellte elektrische Anschlußlei
tungen der Piezoelemente sind mit Meßverstärkern und Auswer
teeinrichtungen verbunden.
Gegenüber dem Beispiel aus den Fig. 1 bis 3 ändert sich
die Verteilung der Dehnungen, wenn statt einer gleichmäßigen
Kraft lokal unterschiedliche Kräfte oder Teilkräften auf die
Struktur einwirken. Dies ist bei ungleichmäßig geformten
Werkstücken der Fall, wie z. B. bei der Herstellung des in
Fig. 6 dargestellten Ausschnittes eines Stanzteils für das
Blechpaket einer elektrischen Maschine. Es ist dann möglich,
durch Anordnung mehrerer Sensoren 10, 10', 10'' . . . diese
Kräfte oder Teilkräfte selektiv aufzunehmen und auszuwerten.
Dazu können die Sensoren 10, 10', 10'' . . . in einer Matrix an
geordnet werden. Auf diese Weise gelingt es, erstmalig lokale
Teilkräfte zu erfassen, die sonst bei einer Summenmessung der
Kräfte nicht aufgelöst werden könnten.
Claims (10)
1. Meßvorrichtung zur Messung von Kräften und/oder Dehnun
gen in mechanisch belasteten Maschinenteilen (14), Werkzeugen
oder Werkstücken mit wenigstens einem Sensor (10), der in ei
ner Ausnehmung (12) des Maschinenteils (14), Werkzeugs oder
Werkstücks im Kraftnebenschluß mit dessen mechanisch belaste
ter Struktur befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der
Sensor (10) ohne kraftschlüssige Verspannung ausschließlich
einseitig mit der Bodenfläche (16) oder einem Teil der Boden
fläche (16) der Ausnehmung (12) verbunden ist.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor (10) an derjenigen Stelle der Bodenfläche (16)
angeordnet ist, an der die zu erfassenden mehrdimensionalen
Dehnungen aufgrund der vorhandenen Krafteinleitung auftreten.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Meßempfindlichkeit des Sensors (10) für die
auftretenden Dehnungen ausgelegt ist.
4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor (10) ein Piezoelement umfaßt.
5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausnehmung (12) und der Sensor (10) in Form und Flä
che an die Geometrie der zu messenden Krafteinleitungsfläche
angepaßt sind.
6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Piezoelement mit der Bodenfläche (16) verklebt.
7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor (10) eine mechanische Abdeckung
trägt.
8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die den Sensor (10) aufnehmende Ausneh
mung (12) gesondert gefertigt oder standardmäßig vorhanden
ist.
9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bodenfläche (16) der Ausnehmung meh
rere Sensoren (10) trägt.
10. Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoren (10) in einer Matrix angeordnet sind.
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- 1997-01-17 DE DE1997101462 patent/DE19701462C2/de not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
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DE19701462C2 (de) | 2001-04-26 |
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