DE19813041A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung rotierender Gegenstände - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung rotierender GegenständeInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Vermessung rotierender Gegenstände, beispielsweise von Werkzeugen oder Werkstücken vorgeschlagen, mittels dem Prozeßparameter, des rotierenden Gegenstands ohne Beeinträchtigung von Verschmutzungen oder sonstigen Umwelteinflüssen schnell und zuverlässig zu erfassen ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Vorrichtung zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Strahlung sowie eine Auswerteinheit vorgesehen wird, die in der Lage ist, Frequenzdifferenzen zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal zu detektieren.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren
zur Vermessung rotierender Gegenstände nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Viele Werkzeuge, beispielsweise Schleifscheiben, Bohrer
Fräser, Sägen oder dergleichen befinden sich im Betrieb in
einer Rotation mit teilweise relativ hohen Drehzahlen.
Während eines Fertigungsprozesses kann ein solches Werkzeug,
beispielsweise in Folge von normalem Verschleiß oder auch
infolge eines Defekts eine Abnutzung oder sonstigen
Materialverlust erleiden. Wird mit einem derart defekten oder
abgenutzten Werkzeug weitergearbeitet, so sind in der Regel
unbrauchbare Werkstücke die Folge. Die Überwachung derartiger
Werkzeuge ermöglicht es daher, im Falle eines Defekts oder
eines zu großen Verschleißes rechtzeitig zu reagieren und
gegebenenfalls das Werkzeug zu warten oder auszutauschen.
Auch in anderen Anwendungen ist eine Vermessung rotierender
Gegenstände, beispielsweise von Drehteilen während der
Fertigung, von drehenden Wellen in Maschinen oder dergleichen
von Vorteil.
Üblicherweise sind jedoch fertigungsbedingte Arbeitsvorgänge
von großen Verschmutzungen, beispielsweise durch
Kühlschmiermittel, Wasser, Schleifabrieb oder dergleichen,
oder auch von sonstigen Umwelteinflüssen wie beispielsweise
Beleuchtungsverhältnisse, Wärmestrahlungen, Luftbewegungen
bzw. Schallwellen etc. begleitet. Eine herkömmliche optische
Überwachung von Prozeßparametern bereitet daher häufig
Probleme, da die Meßergebnisse durch solche Verschmutzungen
beeinträchtigt werden.
Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Vermessung von rotierenden Gegenständen
vorzuschlagen, die von derartigen Verschmutzungen oder
sonstigen Umwelteinflüssen unbeeinträchtigt sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind
vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung
möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße
Vorrichtung dadurch aus, daß ein Sender und ein Empfänger zum
Senden bzw. Empfangen elektromagnetischer Strahlung sowie
eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die in der Lage ist,
Frequenzdifferenzen zwischen einem Sendesignal und einem
Empfangssignal zu detektieren.
Die Erfindung macht sich dabei zu Nutze, daß durch den
sogenannten Dopplereffekt das an einer bewegten Oberfläche
reflektierte Signal eine entsprechend der Bewegungsrichtung
verlaufende Frequenzverschiebung erfährt. Diese
Frequenzverschiebung, die der Differenz zwischen Sendesignal
und Empfangssignal entspricht, hängt unmittelbar von der
Geschwindigkeit der reflektierenden Oberfläche ab.
Bei einem Gegenstand, der mit einer bestimmten
Winkelgeschwindigkeit rotiert, treten hierbei Reflexionen des
Sendesignals in Bereichen mit unterschiedlicher
Relativgeschwindigkeit in Bezug auf den Empfänger auf. Daher
ist das Doppler-Frequenzspektrum in der Regel breit verteilt.
Die Tangentialgeschwindigkeit von Reflexionspunkten an dem
rotierenden Gegenstand ist jedoch durch den maximalen Radius
begrenzt. Hierdurch ergibt es sich, daß das Doppler-
Frequenzspektrum bei einer Grenzfrequenz oder sogenannter cut
off-Frequenz schlagartig in einer abfallenden Flanke endet.
Bei bekanntem Durchmesser bzw. Maximalradius des rotierenden
Gegenstandes läßt sich somit anhand dieser Grenzfrequenz die
Winkelgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl bestimmen und somit
auch überwachen. Im Gegenzug hierzu ist es ebenfalls möglich,
bei bekannter Drehzahl anhand dieser Grenzfrequenz den
maximalen Radius, das heißt, bei kreisförmigen Scheiben den
Außenumfang zu messen und zu überwachen.
Andere Parameter, beispielsweise die Oberflächenbe
schaffenheit des rotierenden Gegenstands lassen sich über das
Frequenzspektrum ebenso überwachen. Die Abnutzung einer
Schleifscheibe beispielsweise läßt sich nicht nur durch die
Lage der Grenzfrequenz, sondern auch durch die Form der
abfallenden Flanke an dieser Stelle bestimmen. Wird
beispielsweise das Reflexionsvermögen einer Schleifscheibe im
Bereich des Außenumfangs durch verschleißbedingten Verlust
von Diamantpartikeln verändern, so ändert sich der
entsprechende Frequenzbereich im Doppler-Spektrum. In einem
solchen Fall ist es beispielsweise ohne weiteres möglich, den
Verschleiß sowie die Drehzahl durch dasselbe Meßverfahren in
einem Spektrum zu kontrollieren.
Durch die Begrenzung der Tangetialgeschwindigkeit aufgrund
des maximal feststehenden Drehradius können Verschmutzungen,
beispielsweise Schleifpartikel, Wasser oder dergleichen keine
oberhalb der Grenzfrequenz liegende Beiträge für das Doppler-
Spektrum liefern. Daher sind derartige Messungen
unbeeinträchtigt von derartigen Einflüssen.
Die Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzungs- und
Umwelteinflüssen läßt sich durch geeignete Auswahl des
Frequenzbereiches verbessern. In einer besonderen
Ausführungsform werden daher für die Messung Frequenzen im
Radarwellen- bzw. Mikrowellenbereich gewählt. Bevorzugt
bewegt sich die verwendete Frequenz innerhalb eines
Intervalls von 2-100 GHz.
Elektromagnetische Strahlung in diesem Frequenzbereich dringt
durch Ölnebel, Wasserdampf oder sonstige Verschmutzungen
ebenso ungehindert hindurch, wie beispielsweise durch
Kunststoff, Stein oder Holz. Auch die
Beleuchtungsverhältnisse im sichtbaren Bereich, eine etwaige
Wärmestrahlung oder Luftbewegungen beeinflussen in diesem
Frequenzbereich das Meßergebnis nicht.
Es ist beispielsweise ohne weiteres möglich, die
Sensoranordnung in einem entsprechenden Schutzgehäuse aus
Kunststoff unterzubringen, so daß sie vor entsprechenden
Verschmutzungen geschützt ist, jedoch aufgrund der Art der
elektromagnetischen Strahlung ungehindert den rotierenden
Gegenstand erfassen kann.
Dabei ist eine derartige Sensoranordnung sehr schnell und
hoch empfindlich, weshalb sie für den Einsatz unter rauhen
Prozeßbedingungen besonders interessant ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die
Sensoranordnung, das heißt der Sender und der Empfänger unter
einem bestimmten Winkel in Bezug zur Drehachse des zu
vermessenden Gegenstandes angeordnet. Dies hat den Vorteil,
daß ein hoher Anteil der tangentialen Geschwindigkeit durch
das Doppler-Frequenzspektrum erfaßt wird.
Weiterhin wird in einer besonderen Ausführungsform ein
Referenzspektrum eines rotierenden Gegensatz aufgenommen, das
als Vergleichsspektrum zur Erkennung sich verändernder
Prozeßparameter verwendet wird. Dieses Referenzspektrum wird
in einer entsprechenden Speichereinheit abgelegt und kann
somit jederzeit zum Vergleich mit aktuell erfaßten Daten
herangezogen werden.
Es ist ebenso möglich, eine Vielzahl von Referenzspektren
abzuspeichern, von denen jedes einem bestimmten Zustand von
Prozeßparametern entspricht. So können beispielsweise
verschiedene Spektren aus der Vermessung von Schleifscheiben
abgelegt werden, wobei jedes Spektrum einem bestimmten
Verschleißzustand entspricht. In diesem Fall kann durch
Vergleich des aktuellen Spektrums mit den Referenzspektren
das Referenzspektrum bestimmt werden, das dem aktuellen
Spektrum am nächsten kommt, wobei davon auszugehen ist, daß
dementsprechend die aktuellen Prozeßparameter denjenigen
dieses Frequenzspektrums am ehesten entsprechen.
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung kann für vielfältige
Zwecke verwendet werden. Sie eignet sich besonders gut zur
laufenden Überwachung von Prozeßparainetern während der
Fertigung sowie zur Qualtiätskontrolle von Werkstücken.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher
erläutert.
Im einzelnen zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zur
Überwachung einer Schleifscheibe,
Fig. 2 zwei Doppler-Frequenzspektren, die an
rotierenden Schleifscheiben mit verschiedenem
Abnutzungsgrad aufgenommen wurden und
Fig. 3 zwei Doppler-Frequenzspektren, die an
rotierenden Schleifscheiben mit
unterschiedlichem Durchmesser aufgenommen
wurden.
Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 zeigt ein Spannfutter 2, in
dem über einen Spannschaft 3 eine Schleifscheibe 4
eingespannt ist. Unter einem Winkel θ zur Drehachse 5 der
Schleifscheibe 4 ist ein Radarsensor 6 mit einer
Auswerteeinheit 7 angeordnet.
Der Radarsensor 6 besteht im wesentlichen aus zwei
Bestandteilen: dem eigentlichen HF-Generator und -Empfänger
(das sogenannte "front-end") mit dem die elektromagnetischen
Wellen erzeugt, auf das interessierende Produkt gestrahlt und
wieder empfangen werden.
Die Auswerteeinheit 7 ist, wie oben angeführt, dafür
ausgebildet, die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und
Empfangssignal auszuwerten. Diese Frequenzdifferenz, die
sogenannte Doppler-Frequenz ist bei einer Anordnung wie
vorbeschrieben über einen gewissen Frequenzbereich verteilt.
Fig. 2 zeigt eine hellere Kurve, die das Doppler-
Frequenzspektrum einer intakten Schleifscheibe wiedergibt. Es
ist deutlich erkennbar, daß Dopplerfrequenzen zwischen 0 und
2600 Hz auftreten. Die Grenzfrequenz von 2600 Hz entspricht
einer maximalen Tagentialgeschwindigkeit VT, die wie folgt
berechnet werden kann.
VT = fG * C/(2-KR * fR sin θ),
wobei KR ein Korrekturfaktor zur Beschreibung der
Wellenstreuung an der Rauhigkeit der Scheibe, C die
Lichtgeschwindigkeit, fG die Grenzfrequenz, fR die Frequenz
der reflektierten Strahlung und θ den Winkel zwischen
Schleifscheibenachse und Blickrichtung des Sensors darstellt.
Fehlen die Diamantpartikel auf der Schleifscheibenoberfläche
durch Abnutzung, so nimmt auch die Intensität der
Spektralanteile ab, die deren Tangentialgeschwindigkeit
entsprechen. Es bleiben Anteile, die von weiter innen
liegenden und mit geringerer als der
Tangentialgeschwindigkeit sich bewegenden Bereichen der
Scheiben stammen. Die Grenzfrequenz des Signals verschiebt
sich demzufolge bei Abnutzung der Scheibe.
Das dunklere Spektrum gemäß Fig. 2 entspricht einer
abgenutzten Diamantschleifscheibe. Deutlich sichtbar ist der
Wegfall der Frequenzanteile oberhalb von 1850 Hz.
Im Doppler-Spektrum gemäß Fig. 3 sind zwei Schleifscheiben
unterschiedlichen Durchmessers vermessen. Auch hier ist
deutlich erkennbar, daß die Grenzfrequenz der Schleifscheibe
mit größerem Durchmesser sich deutlich von derjenigen der
Schleifscheibe mit kleinerem Durchmesser unterscheidet. Diese
Spektren gemäß Fig. 3 veranschaulichen unmittelbar, wie die
erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise zur Kontrolle
darüber verwendet werden kann, ob eine Schleifscheibe
korrekten Durchmessers, innerhalb eines Fertigungsautomates
für den jeweils vorgesehenen Vorgang verwendet wird.
Bei dem beschriebenen Meßverfahren ist es aufgrund der
Radarsensorik unerheblich, ob Kühlmittel oder Späne oder
dergleichen von der Scheibe tangential weggeschleudert
werden. Auch diese Teilchen besitzen innerhalb eines breiten
Geschwindigkeitspektrums eine maximale Geschwindigkeit, die
gerade der Tangentialgeschwindigkeit der Scheibe entsprechen.
Unmittelbar nach dem Vorgang des Wegschleuderns werden diese
Teilchen zwangsweise abgebremst, so daß hieraus nur
niederfrequentere Anteile im Doppler-Frequenzspektrum
entstehen können.
1
Vorrichtung
2
Spannfutter
3
Spannschaft
4
Schleifscheibe
5
Drehachse
6
Radarsensor
7
Auswerteeinheit
Claims (11)
1. Vorrichtung zur Vermessung rotierender Gegenstände (4)
insbesondere von Werkzeugen wie Schleifscheiben, Bohrern,
Fräsern, Sägen etc. oder von Werkstücken wie Drehteile, etc.
oder von Maschinenteilen wie drehende Wellen oder
dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sender und ein
Empfänger (6) zum Senden bzw. Empfangen elektromagnetischer
Strahlung sowie eine Auswerteeinheit (7) vorgesehen ist, die
in der Lage ist, Frequenzdifferenzen zwischen einem
Sendesignal und einem zugehörigen Empfangssignal zu
detektieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Frequenzen im Radarwellen bzw. Mikrowellenbereich gewählt
sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Empfänger unter einem bestimmten
Winkel θ im Bezug zur Drehachse (5) des zu vermessenden
Gegenstandes (4) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, daß Sender und Empfänger in eine
Sensoreinheit (6) integriert sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Datenspeicher in der
Auswerteeinheit (7) zur Abspeichern von Referenzdaten
vorgesehen ist.
6. Verfahren zur Vermessung rotierender Gegenstände,
insbesondere von Werkzeugen wie Schleifscheiben, Bohrern,
Fräsen, Sägen etc. oder von Werkstücken wie Drehteile etc.
oder von Maschinenteilen wie drehende Wellen oder
dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
aus der Lage der Grenzfrequenz des Spektrums der
Differenzfrequenzen eine Tangentialgeschwindigkeit bestimmt
wird.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wert der Tangetialgschwindigkeit zur
Bestimmung des maximalen Rotationsradius des rotierenden
Gegenstandes verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die bestimmte Tangetialgeschwindigkeit
zur Drehzahlbestimmung verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Form der Flanke im Bereich der
Grenzfrequenz zur Bestimmung von Materialparametern im
Bereich des maximalen Rotationsradius verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß mit einer Vorrichtung oder gemäß einem
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eine
Prozeßüberwachung und/oder Qualitätskontrolle während der
Fertigung von Werkstücken durchgeführt wird.
Priority Applications (1)
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DE1998113041 DE19813041A1 (de) | 1998-03-25 | 1998-03-25 | Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung rotierender Gegenstände |
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DE1998113041 DE19813041A1 (de) | 1998-03-25 | 1998-03-25 | Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung rotierender Gegenstände |
Publications (1)
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---|---|
DE19813041A1 true DE19813041A1 (de) | 1999-10-07 |
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ID=7862215
Family Applications (1)
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DE1998113041 Withdrawn DE19813041A1 (de) | 1998-03-25 | 1998-03-25 | Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung rotierender Gegenstände |
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