DE4134456A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der kraftwirkung in einem mechanisch belasteten maschinenteil - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur messung der kraftwirkung in einem mechanisch belasteten maschinenteil

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Kraftwir­ kung in einem mechanisch belasteten Maschinenteil oder derglei­ chen mittels eines piezoelektrischen Wandlers, der in einer Bohrung des Maschinenteiles unter Vorspannung kraftschlüssig einliegt.
Die Erfindung betrifft ferner die Vorrichtung zur Messung der Kraftwirkung in einem mechanisch belasteten Maschinenteil oder dergleichen mit einem in einer Bohrung dieses Maschinenteiles unter Vorspannung kraftschlüssig eingesetzten piezoelektrischen Wandler.
Aus der DE-U1-83 11 141 ist ein Sensor mit einem zur Erzeugung von kraftabhängigen Signalen dienenden Piezoelement bekannt, das in einer Schutzhülle angeordnet und mit Leitern zum Weiter­ leiten der Signale an eine Meß- bzw. Auswertungsstation verbun­ den ist, wobei die Schutzhülle aus einem Rohr besteht, dessen eines Ende mindestens ein bimorphes Piezoelement umschließt, von dem aus mindestens zwei Leiter zum anderen Ende des Rohres geführt sind. Der Sensor wird in der Art eines Steckerstiftes in eine entsprechende Nut im zu überwachenden Maschinenteil eingeschoben und ggf. in dieser Nut dadurch gehalten, daß sie sich an ihrem vorderen Ende keilförmig verjüngt. Entsprechende Meßvorrichtungen mit einem piezoelektrischen Wandler werden auch in der US-A-44 12 456, der DE-A-34 07 620 und der EP 02 60 337 B1 beschrieben.
Die Meßtechnik beruht grundlegend auf der Ausnutzung des soge­ nannten Piezoeffektes, dem Auftreten einer elektrischen Span­ nung zwischen einander entgegengesetzten Oberflächen mancher Kristalle oder polarisierter Piezokeramik, wenn diese in be­ stimmten Richtungen auf Druck oder Zug einschließlich Torsion beansprucht werden. Die Aufladung ist darauf zurückzuführen, daß durch die mechanische Beanspruchung das Kristallgitter der betreffenden Stoffe deformiert und positive und negative Kri­ stallbausteine aus der ursprünglichen Lage entfernt werden. Während die Ladungen im Kristallinneren sich kompensieren, ent­ stehen an gegenüberliegenden Grenzflächen nichtgesättigte La­ dungen, deren Größe von der mechanischen Beanspruchung abhängt. Legt man an den Begrenzungsflächen eines piezoelektrischen Wandlers Elektroden an, so können dort entstehende Ladungen bzw. Spannungen abgegriffen werden.
Insbesondere Quarz als Piezomaterial wird zur Messung von Drücken bis zu 150 atü verwendet, beispielsweise zur Messung des Druckverlaufes in Motorzylindern. Piezoelektrische Materia­ lien können ferner auch als Beschleunigungsaufnehmer verwendet werden, da das abgegebene Spannungssignal am Piezoelement pro­ portional einer Beschleunigung ist.
Eine dritte und hier insbesondere angesprochene Verwendungsmög­ lichkeit liegt in der Prozeßüberwachung an Werkzeugmaschinen zum Bohren, Fräsen oder Drehen. Durch den am Werkzeug entste­ henden Schneiddruck wird nicht nur das Werkzeug selbst, sondern es werden auch der Werkzeughalter sowie weitere Maschinenteile, wie z. B. eine Revolverscheibe bei CNC-Maschinen, belastet. Hieraus ergeben sich Maschinenteilverformungen, die ihrer Größe nach als auch im zeitlichen Ablauf hinsichtlich der Druck- und Zugspannungsänderungen Rückschlüsse beispielsweise auf einen bevorstehenden Schneidenbruch zulassen.
Um eine unverfälschte Meßüberwachung mit piezoelektrischen Wandlern vornehmen zu können, muß insbesondere dafür gesorgt werden, daß der piezoelektrische Wandler unter einer definier­ ten Vorspannung in einer vorbereiteten Nut oder Sacklochbohrung der Werkzeugmaschine liegt. Dies ist bei der in der DE-U1-83 11 141 angegebenen Bauweise nicht möglich.
Daher wurde in der US-A-44 12 456 ein zweiteiliger Halter für das Kraftmeßelement vorgeschlagen, das dort aus einem Dehnungs­ meßstreifen besteht. Der Halter besteht aus einer Außenhülse und einem zum vorderen Ende hin an Durchmesser zunehmenden in­ neren Befestigungselement, die durch eine in axialer Richtung erfolgende Relativbewegung unter Einspannung des Kraftmeßele­ mentes in der Bohrung gegeneinander verspannt sind, wodurch die Außenhülse am Maschinenelement festlegbar ist. Die genannte Au­ ßenhülse ist am vorderen Ende mit einer scheibenförmigen Erwei­ terung versehen, deren Außendurchmesser im wesentlichen dem In­ nendurchmesser der Bohrung am Maschinenteil entspricht. Auf der vorderen Fläche dieser Scheibe der Außenhülse sind die Deh­ nungsmeßstreifen angeordnet. Zur Fixierung der Außenhülse in der Bohrung des Maschinenteiles dient das innere Befestigungs­ element, das in eine zylindrische Innenbohrung der Außenhülse gesteckt ist. Die Festlegung des zweiteiligen Halters in der vorbereiteten Bohrung des Maschinenelementes erfolgt dadurch, daß das innere Befestigungselement auf einem aus dem hinteren Ende der Außenhülse herausragenden Teil mit einem Gewinde für eine Spannmutter versehen ist, die sich auf einem Flansch der Außenhülse abstützt. Durch Anziehen der Spannmutter erfolgt in axialer Richtung eine Relativbewegung zwischen dem inneren Be­ festigungselement und der Außenhülse, wobei die konische Außen­ fläche am vorderen Ende des inneren Befestigungselementes das vordere Ende der Außenhülse nach außen spreizt und so gegen die Innenwandung der Bohrung verspannt. Nachteilig an dieser Vor­ richtung ist es, daß die Dehnungsmeßstreifen außen an der Au­ ßenhülse angebracht sind, was eine äußerst störanfällige Kabel­ abführung zur Folge hat. Darüber hinaus können je nach Einbau­ situation und Belastung unterschiedliche Steifigkeiten des Kraftmeßelementes zum Tragen kommen, wodurch eine nicht gleich­ mäßige Beaufschlagung der Dehnungsmeßstreifen resultiert, was zu einem nicht linearen Verhalten im praktischen Betrieb führt.
Um hier Abhilfe zu schaffen, wird in der DE 34 07 620 C2 vorge­ schlagen, das innere Befestigungselement als Innenhülse auszu­ gestalten, die am vorderen Ende zwei abgestumpfte Keile auf­ weist, deren einander gegenüberliegende Planflächen das Kraft­ meßelement aufnehmen.
Alternativ hierzu ist in der EP 02 60 337 B1 beschrieben, die äußere im wesentlichen zylindrische Hülse an einem Ende mit ei­ nem Innenkonus zu versehen und den Wandler mit einer in der Hülse koaxial angeordneten Schraubspindel zu verbinden, wobei die Schraubspindel mit der Hülse drehbar derart in Eingriff steht, daß die mit dem piezoelektrischen Wandler verbundenen Krafteinleitungselemente mit dem Innenkonus der Hülse zu deren verspannenden Spreizung unmittelbar in Eingriff bringbar sind.
Mit den vorbeschriebenen Ausführungen läßt sich zwar eine defi­ nierte Vorspannung, unter der der Sensor einliegt, erzeugen, jedoch müssen folgende Nachteile in Kauf genommen werden.
Piezoelektrische Wandler liefern als Ausgangssignal elektrische Ladungen, die durch einen nachgeschalteten Ladungsverstärker in einem Kondensator gespeichert werden. Die hierbei entstehende Spannung, die meßtechnisch weiterverarbeitet werden muß, bleibt jedoch nicht beliebig lange am Kondensator erhalten, da die hierzu erforderlichen hohen Isolationswiderstände nicht realisierbar sind. Durch den an dem Isolationswiderstand fließenden Entladestrom nimmt die Spannung exponentiell ab, weshalb eine echt statische Messung mit piezoelektrischen Auf­ nehmern nicht möglich ist.
Ferner wird die Möglichkeit der statischen Messung durch das allgemein als Drift bezeichnete Abwandern des Ausgangs-Bezugs­ punktes beim Ladungsverstärker begrenzt. Dieses Abwandern kann z. B. die Ursache in Leckströmen im Verstärkereingang, dielek­ trische Einflüsse im Kondensator, mangelnde Nullpunktstabilität des piezoelektrischen Wandlers oder ähnliches haben. Dieses Driftverhalten geht unmittelbar in die Meßergebnisse ein und kann allenfalls durch Verwendung aufwendiger elektrischer Schaltungen, die eine Temperaturkompensation und den für jede erneute Messung erforderlichen Nullpunktabgleich des Meßsigna­ les vornehmen, kompensiert werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ohne großen konstruktiven Aufwand das eingangs genannte Verfahren und die eingangs genannte Vorrichtung derart weiterzubilden, daß stati­ sche Signale mit piezoelektrischen Meßwandlern meßbar sind, ohne daß ein meßwertverfälschendes Driftverhalten in Kauf ge­ nommen werden muß.
Diese Aufgabe wird mit dem in dem Anspruch 1 beschriebenen Ver­ fahren gelöst, dessen kennzeichnendes Merkmal darin besteht, daß unter Ausnutzung des reziproken piezoelektrischen Effektes der (erste) piezoelektrische Wandler in Schwingungen versetzt und die durch die Krafteinwirkungen erzeugte Schwingungsände­ rung gemessen wird. Der Vorteil dieses Meßverfahrens ist die Umwandlung eines statischen Signales in ein AC-gekoppeltes Si­ gnal.
Der reziproke piezoelektrische Effekt besteht in einer Elektro­ striktion der piezoelektrischen Kristalle, d. h. in einer ela­ stischen Deformation in einem elektrischen Feld. Legt man an einen piezoelektrischen Wandler eine Spannung an, so wird der Wandler in Schwingung versetzt; eine Erscheinung, die bei soge­ nannten Schwingquarzen bereits ausgenutzt wird. Die Frequenz der Schwingungen, insbesondere der Resonanzschwingungen, kann aus den Abmessungen des Wandlers sehr genau berechnet werden und ist kaum temperaturabhängig. Daher finden Schwingquarze auch als Frequenznormal bei Rundfunksendern oder in Quarzuhren Verwendung.
Wird nun unter Druckeinwirkung die Quarzgeometrie verändert, ändert sich auch das Schwingungsverhalten des Quarzes, das eine meßbare Größe darstellt. Der grundlegende Gedanke der vorlie­ genden Erfindung besteht demnach darin, nicht den piezoelektri­ schen Effekt, sondern dessen Umkehrung bei dem eingangs genann­ ten Verfahren auszunutzen.
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 beschrieben.
So wird bevorzugt die Schwingungsänderung an einem in berühren­ dem Kontakt an dem piezoelektrischen Wandler anliegenden weite­ ren piezoelektrischen Wandler als Spannungsänderung gemessen, d. h., es werden die infolge der Schwingung des ersten piezo­ elektrischen Wandlers auftretenden Druck- und Zugspannungen, die zu einer Spannungserzeugung am weiteren piezoelektrischen Wandler führen, gemessen.
Die auftretenden Schingungsänderungen werden vorzugsweise als Amplituden- und/oder Frequenzänderungen gemessen.
Da die Resonanzkurve der piezoelektrischen Wandler sehr scharf ist, wird vorzugsweise der erste piezoelektrische Wandler in Resonanzschwingung versetzt.
Vorzugsweise werden als piezoelektrische Wandler Quarze, Tita­ nate, insbesondere Blei-Zirkonat- oder Bariumtitanat oder Beta- Polyvinylidenfluorid (PVDF) verwendet, da diese Wandler preis­ günstige Lösungen darstellen.
Bei der eingangs genannten Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der piezoelektrische Wandler mit einer regelbaren Spannungsquelle verbunden ist und an einem weiteren piezoelek­ trischen Wandler berührend anliegt, der mit einer Spannungsmeß­ einrichtung verbunden ist. Vorzugsweise wird das vom weiteren Wandler abgegebene Signal durch einen AC-gekoppelten Verstärker aufbereitet, d. h. die Vorrichtung liefert unmittelbar Signale, die proportional den Kraftwirkungen in dem mechanisch belaste­ ten Maschinenteil sind.
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 8 bis 10 beschrieben.
So kann der erste piezoelektrische Wandler entweder unmittelbar an einem konisch verlaufenden Innenmantelstück einer außen im wesentlichen zylindrischen Außenhülse oder mittelbar in einer spreizbaren Innenhülse, die in der Außenhülse einliegt, lösbar befestigt sein. Vorzugsweise ist im erstgenannten Fall die Au­ ßenhülse an ihrem unteren Ende geschlitzt. Die ebenfalls in ih­ rem unteren Bereich geschlitzte Innenhülse weist an ihrem In­ nenmantel gegenüberliegende Planflächen auf, zwischen denen der erste piezoelektrische Wandler unter mechanischer Vorspannung gehalten wird. Die genannte Art der Halterung wird beispiels­ weise in der DE 34 07 620 C2 beschrieben, auf die hiermit aus­ drücklich Bezug genommen wird.
Alternativ hierzu weist die im wesentlichen außen zylindrische Außenhülse an ihrem unteren Ende einen Innenkonus auf. Der er­ ste piezoelektrische Wandler ist mit einer in der Hülse koaxial angeordneten Schraubspindel verbunden, die zu deren axialen Be­ wegung mit einer Schraubeinrichtung der Außenhülse in Eingriff steht. Durch Drillung der Schraubspindel kann somit der erste piezoelektrische Wandler oder hiermit verbundene krafteinlei­ tende Teile unter Vorspannung axial verschoben werden. Eine entsprechende Vorrichtung ist im einzelnen in der EP 02 60 337 B1 beschrieben.
Die Lage des weiteren piezoelektrischen Wandlers in bezug auf den ersten piezoelektrischen Wandler ist grundsätzlich freige­ stellt: Beispielsweise kann der weitere piezoelektrische Wand­ ler oben auf dem ersten piezoelektrischen Wandler liegen oder daruntergeklemmt sein. Wesentlich ist nur ein gleichmäßiger Kontakt der beiden Wandler zur Schwingungsübertragung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Zeich­ nungen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschema der Signalübertragung und -verarbeitung,
Fig. 2 das Schaltschema der beiden piezoelektrischen Wandler in schematischer Darstellung,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein in eine Bohrung eines Maschinenteiles eingesetzten Sensors und
Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 3.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wirkt auf den Wandler 10 mittelbar oder unmittelbar die Kraft F(t). An dem piezoelektrischen Wand­ ler 10 liegt an Anregungssignal eine Eingangsspannung UE(t) ge­ mäß der Schaltung nach Fig. 2 an. Ohne die Krafteinwir­ kung F(t) sendet der piezoelektrische Wandler 10 ungestörte Schwingungssignale aus; unter Wirkung der Kraft bzw. Kräfte F(t) ändert sich diese Schwingung, deren Maß jeweils als Maß für die statische Dehnungsänderung des piezoelektrischen Wandlers 10 abgenommen werden kann. Die Schwingungsände­ rung S(t) ist proportional zur Kraft F(t). Der zweite piezo­ elektrische Wandler 11 dient zur Messung der Änderung des Schwingungsverhaltens des ersten Wandlers 10. Dabei liefert der zweite piezoelektrische Wandler 11 ein Signal UA(t), das durch einen AC-gekoppelten Verstärker aufbereitet wird. Voraussetzung für die Messung ist demgemäß, daß der erste piezoelektrische Wandler 10 kraftschlüssig zwischen zwei Maschinenbauteilen, insbesondere in einer Bohrung 12 eingespannt ist, ferner, daß die Wandler 10 und 11 mechanisch gekoppelt sind.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel für einen in eine Sackboh­ rung 12 einzusetzenden Kraftsensor ist in den Fig. 3 und 4 dar­ gestellt. Die zu überwachende Maschine ist mit einer Sackboh­ rung 12 versehen, die in einem Maschinenbereich eingebracht worden ist, an dem signifikante Kräfte in Form von Dehnungen und Stauchungen auftreten, die infolge der Werkstückbearbeitung durch das Werkzeug hervorgerufen werden. In dieser Bohrung 12 ist der Sensor mit seiner Außenhülse 13 eingesetzt, die im we­ sentlichen zylindrisch ausgeführt ist und im unteren Bereich einen Schlitz aufweist. Diese Außenhülse besitzt am oberen Ende einen Flansch 13a, der an der Außenseite des Maschinenelementes anliegt. Die Außenhülse kann jedoch auch in Form einer Tief­ lochmontage in die Bohrung 12 versenkt sein. Im vorliegenden Fall sitzt der Flansch 13a in einer Erweiterung der Bohrung 12 und weist einen zusätzlichen Dichtungsring 14 auf, der verhin­ dern soll, daß Kühlflüssigkeit oder ähnliches in die Bohrung 12 eindringt.
In die Außenhülse 13 ist eine Innenhülse 14 eingestzt, deren unteres Ende im Bereich des Schnittes II-II konisch ausgebil­ det ist. Durch diese Konizität wird bewirkt, daß bei einer Re­ lativbewegung der Innenhülse 14 in die Außenhülse 13, erleich­ tert durch die endseitige Schlitzausbildung der Außenhülse 13, die Außenhülse 13 sowie die Innenhülse 14 fest an der Bohrungs­ wand 12a angepreßt werden. Eine entsprechende Spreizung der Au­ ßenhülse läßt sich jedoch im unteren Bereich auch dadurch be­ wirken, daß das dortige Hülsenmaterial entsprechend geschwächt ist. Ebenso kann umgekehrt auch die Außenhülse an ihrem Innen­ mantel zum Ende hin konisch zulaufend ausgebildet sein, während die Innenhülse 13 zylindrisch verläuft. Zwischen den sich ge­ genüberliegenden Planflächen 14a der Innenhülse liegt der erste piezoelektrische Wandler 10 fest eingespannt. Wie bereits zuvor beschrieben, steht der zweite piezoelektrische Wandler 11 in mechanischem Kontakt zum Wandler 10. Der Übersichtlichkeit hal­ ber sind die Zuleitungen zum Wandler 10 in Fig. 3 nicht darge­ stellt, sondern nur die mit dem Wandler 11 verbundenen Leitun­ gen 15. Die Innenhülse 14 kann, wie im vorliegenden Fall darge­ stellt, entweder geschlitzt oder auch als geschlossener Mantel mit entsprechend nachgiebigem Material ausgeführt sein. Zur spielfreien Verspannung des Sensors in der Bohrung 12 ist fer­ ner eine Spannmutter 16 vorgesehen, die auf einem Gewinde 17 der Innenhülse aufgeschraubt ist. Die Spannmutter 16 stützt sich unter Zwischenlage einer Unterlegscheibe am Flansch 13a der Außenhülse 13 ab. Wird die Spannmutter 16 angezogen, so be­ wegt sich die Innenhülse 14 relativ zur Außenhülse 13 in axi­ aler Richtung, wodurch mit Hilfe der Keil- oder konischen Flä­ chen 14 der piezoelektrische Sensor 10 in der Bohrung 12 fest eingespannt wird. Die an dem Bohrungsinnenmantel 12a auftreten­ den Dehnungen und Stauchungen bzw. Radial- und Tangentialkräfte wirken somit auf den Wandler 10 und bewirken eine Änderung der Schwingung in der Frequenz- und/oder der Amplitude, die mit Hilfe des weiteren piezoelektrischen Wandlers 11 aufgenommen und als Ausgangssignal gemessen werden können. Weitere Ausfüh­ rungsbeispiele der Art der Sensoreinspannung in eine Bohrung sind in der DE 34 07 620 beschrieben.

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung der Kraftwirkung in einem mechanisch belasteten Maschinenteil oder dergleichen mittels eines piezoelektrischen Wandlers, der in einer Bohrung (12) des Maschinenteiles unter Vorspannung kraftschlüssig einliegt, dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausnutzung des reziproken piezoelektrischen Ef­ fektes der (erste) piezoelektrische Wandler (10) in Schwingungen versetzt und die durch die Kraftwirkun­ gen (F(t)) erzeugte Schwingungsänderung (S(t)) gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsänderung (S(t)) an einem in berührendem Kontakt an dem piezoelektrischen Wandler (10) anliegenden weiteren piezoelektrischen Wandler (11) als Spannungsände­ rung (UA(t)) gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsänderung (S(t)) als Amplituden­ und/oder Frequenzänderung gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der (erste) piezoelektrische Wand­ ler (10) in Resonanzschwingung versetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der oder die piezoelektrischen Wand­ ler (10, 11) aus Quarz, einem Titanat, insbesondere Blei-, Zirkonat- oder Barium-Titanat, oder einem Betapolyvinyli­ denfluorid (PVDF) bestehen.
6. Vorrichtung zur Messung der Kraftwirkung einem mechanisch belasteten Maschinenteil oder dergleichen, mit einem in einer Bohrung dieses Maschinenteiles unter Vorspannung kraftschlüssig eingesetzten piezoelektrischen Wand­ ler (10), dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (10) mit einer regelbaren Spannungsquelle verbun­ den ist und an einem weiteren piezoelektrischen Wand­ ler (11) berührend anliegt, der mit einer Spannungsmeßein­ richtung verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere piezoelektrische Wandler (11) mit einem Ver­ stärker zur Signalaufbereitung verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste piezoelektrische Wandler (10) entweder unmittelbar an einem konisch verlaufenden Innenmantel­ stück (14) einer außen im wesentlichen zylindrischen Au­ ßenhülse (13) oder mittelbar in einer spreizbaren Innen­ hülse (14), die in der Außenhülse (13) einliegt, lösbar befestigt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Außenhülse (13) an ihrem unteren Ende geschlitzt ist und die ebenfalls in ihrem unteren Bereich geschlitzte Innenhülse (14) an ihrem Innenmantel gegenüberliegende Planflächen (14a) aufweist, zwischen denen der erste piezoelektrische Wandler (10) unter me­ chanischer Vorspannung gehalten wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die im wesentlichen außen zylindrische Außenhülse (13) an ihrem unteren Ende einen Innenkonus aufweist, daß der erste piezoelektrische Wandler (10) mit einer in der Hülse koaxial angeordneten Schraubspindel verbunden ist, daß eine mit der Schraubspindel zu deren axialen Bewegung in Eingriff stehende Schraubeinrichtung im Inneren der Außenhülse (13) axial unverschiebbar dreh­ bar gehalten ist und daß der erste piezoelektrische Wandler (10) diametral gegenüberliegende Krafteinleitungsele­ mente aufweist, die mit dem Innenkonus der Außenhülse (13) zu deren verspannenden Spreizung unmittelbar in Eingriff bringbar sind.
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