DE19701462C2 - Meßvorrichtung - Google Patents

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.

Aus der DE 41 40 993 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung ei­ ner Kraft bekannt. In Abhängigkeit der Kraft wird der Abstand zwischen zwei ebenen Oberflächen eines Messkörpers geändert. Die zwei ebenen Oberflächen bilden Grenzflächen für Schall­ wellen, an denen diese Schallwellen reflektiert werden. Durch einen als Schallwandler dienenden Piezo werden Laufzeiten der reflektierten Schallwellen gemessen.

Aus der DE 44 02 608 A1 ist ein Lager mit Kraftsensor be­ kannt. Die Meßvorrichtung umfasst zwei Krafteinleitungsplat­ ten und ein zwischen diesen Krafteinleitungsplatten liegendes Elastomerkissen. Eine dieser Krafteinleitungsplatten ist mit einer Ausnehmung versehen, wodurch eine Art Membran gebildet ist. Auf dieser Membran sind Dehnungsmessstreifen befestigt, die mit einem Messgerät verbunden sind.

Aus der DE 296 13 833 U1 ist eine Kraftmeßdose mit Dehnungs­ meßstreifen bekannt. Der Innenraum der Kraftmeßdose ist durch eine Deckel abgeschlossen.

Schließlich ist aus der DE 36 42 088 A1 eine Anordnung zur Messung von Kraftverteilungen bekannt. Dabei sind Messfühler matrixartig angeordnet.

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, die eine prozessnahe Messung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Meßvorrichtung nach dem Oberbeg­ riff 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 Kraft­ sensoren einfachere, platzsparende und kostengünstige Sensor­ realisierung, die im elastischen Bereich der mechanischen Struktur überlastsicher arbeitet. Zusätzlich wird eine Mes­ sung von Druck- und Zugkräften ohne Vorspannung des Sensors möglich, so daß auch Zugkräfte oberhalb der Sensorvorspannung meßbar werden. Es ergibt sich ferner eine hohe Langzeitstabi­ lität, da keine Krafteinleitungsflächen vorhanden sind. Trotz geringerer Fertigungsgenauigkeiten bei der Herstellung der Sensoraufnahme erhöht sich die Meßgenauigkeit von lokalen Teilkräften.

Die Ausbildung des Sensors als Piezoelement bietet eine sehr hohe Meßempfindlichkeit und ermöglicht eine gute Anpassung auch an unterschiedliche Geometrien einer Ausnehmung.

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 Geo­ metrie weitgehend für die zu messenden Dehnungen und Kräfte optimiert werden kann. Bevorzugte Einbauorte für derartige Sensoren sind z. B. Kopfplatten von Stanzwerkzeugen. In Be­ reichen, über die von den einzelnen Stempeln Teilkräfte in die Struktur eingeleitet werden, werden hinter einer Druck­ platte Ausnehmungen eingebracht. Grenzen sind hier durch die Bearbeitbarkeit des Werkstoffs und die Aufrechterhaltung der Stabilität des mit der Ausnehmung zu versehenden Teils gege­ ben.

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.

Der Sensor kann an derjenigen Stelle der Bodenfläche angeord­ net sein, an der Dehnungen gleichen Vorzeichens auftreten. Darüber hinaus kann die Meßempfindlichkeit des Sensors auf die Erzielung eines Nutzsignals bei maximalem Störabstand zum Grundrauschen bemessen 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.

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 der Sensor mit der Bodenfläche verklebt. Da­ durch ergibt sich eine homogene Koppelung zwischen der Ober­ fläche der Bodenfläche und der Oberfläche des Sensors. Rau­ higkeiten oder Bearbeitungsungenauigkeiten der Oberfläche der Bodenfläche werden durch den Klebstoff ausgeglichen.

Zweckmäßig trägt der Sensor eine mechanische Abdeckung. Hier­ bei kann es sich um eine starre oder eine elastische Abde­ ckung 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 sonstige Umwelteinflüsse erreicht.

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, die 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 ε_Z im Zentrum Z zeigt, daß im Zentrum die Ra­ dialdehnung ε_r und die Tangentialdehnung ε_t gleich groß sind und ihr Maximum haben. Am Rand ist dagegen die Tangentialdeh­ nung ε_t gleich Null, während die Radialdehnung ε_r 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 ε_r 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-Ausgangsignal 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 (8)

1. Meßvorrichtung zur Messung von Kräften und/oder Dehnun­ gen in mechanisch belasteten Maschinenteilen (14), Werkzeugen oder Werkstücken mit wenigstens einem Sensor (10), der die Kräfte und/oder Dehnungen im Kraftnebenschluß mißt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung in Stanzwerkzeugen o­ der verrippten Werkzeugkörpern von Ziehwerkzeugen oder Pres­ senstößeln angewendet wird, indem in der mechanisch belaste­ ten Struktur des Stanzwerkzeugs oder verrippten Werkzeugkör­ pers (14) vorhandene Ausnehmungen (12) oder speziell einge­ paßte Ausnehmungen (12) für die Anbringung des Sensors (10) dienen, und daß der Sensor (10) als Piezoelement ausgebildet ist und ohne kraftschlüssige Verspannung ausschließlich ein­ seitig mit der Bodenfläche (16) oder einem Teil der Bodenflä­ che (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 Dehnungen gleichen Vorzeichens auftre­ ten.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßempfindlichkeit des Sensors (10) auf die Erzielung eines Nutzsignals bei maximalem Störabstand zum Grundrauschen bemessen ist.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (12) und der Sensor (10) in Form und Fläche an die Geometrie der zu messenden Kraft­ einleitungsfläche angepaßt sind.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) mit der Bodenfläche (16) verklebt ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) eine mechanische Abde­ ckung trägt.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche (16) der Ausnehmung meh­ rere Sensoren (10) trägt.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (10) in einer Matrix angeordnet sind.