Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleiftechnik

M. Pschyklenk

Seminar Sensoren12.07.2010

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Gliederung

● Grundlagen Körperschall

● Grundlagen Sensorik

● Auswahl geeigneter Sensorik

● Hauptanwendung: Die Anschnitterkennung

● Beispiel: Kalibrierung einer Schleifscheibe

● Beispiel: Simultanschleifen

● Körperschallsensoren – Abrichtvorgänge

● Quellenverzeichnis

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Körperschall

Ein elastischer Festkörper kann neben Normalspannungen auch Schubspannungen aufnehmen.Deshalb können sich im allseitig unbegrenzten Festkörper zwei verschiedene Arten von Körperschallwellen ausbreiten, nämlich:

- Longitudinalwellen und - Transversalwellen .

Diese Wellen breiten sich unabhängig voneinander aus. Die Schallgeschwindigkeit ist nicht abhängig von der Frequenz, sondern wird durch die Dichte, den Schubmodul (Transversalwellen) und den Elastizitätsmodul (Longitudinalwellen) beeinflusst.

Abb1. Körperschallausbreitung in Körpern [1]

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Körperschall

Die Körperschall-Schwingungen liegen außerhalb des menschlichen Hörbereichs bei etwa 20 kHz bis 1 Mhz.

Diese Schwingungen liefern Aussagen über den Zerspanprozess und werden sensorisch erfasst. Sie können zudem mittels eines Diagnose- und Monitoringsystems zeitnah analysiert, bewertet und visualisiert werden.

Abb2. Freuquenzbereich des Körperschalls[2]

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technikGrundlagen Körperschall

Körperschall entsteht infolge der beim Spanabtrag in Werkzeug oder Werkstückwirkenden Kräfte und führt in den angeregten Maschi nenelementen zu messbarenSchwingungen

Körperschallentstehung beim Schleifen

→→→→ "Spanabtrag" im Werkzeug/Werkstück

Abb3. Entstehung von Körperschall beim Schleifen [3]

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Sensorik

Die Messbereiche der Sensoren werden aus Resonanzgr ünden beschränkt.

Gängige Frequenzbereiche sind 50 – 400 kHz oder 100 – 900 kHz

Sensoreigenschaften:

● hoch empfindlich● sehr kompakte, robuste Bauweise● kühlmittelresistent● temperaturunempfindlich● wasserdicht● überlastsicher

A: Piezoelektrisches Element

B: Dämpfungsmasse

C: Membran und Koppelelement

Abb4. Aufbau eines Körperschallsensors [1]

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Sensorik

Ladungsaufnehmer

→ Aufgrund der hohen Impedanz sind diese konventionellen Sensoren bezüglich Leitungslängen (Kabelkapazität), Feuchtigkeit, Erdschleifen und elektromagnetischer Störfelder für den industriellen Einsatz problematisch.

Abb5. Prinzipschaltung eines Ladungsaufnehmers [4]

• Die von einem piezoelektrischen Sensor abgegebene Ladung wird im Ladungsverstärker in eine proportionale Spannung umgewandelt

• Ein Ladungsverstärker besteht im Wesentlichen aus einem invertierenden Spannungsverstärker mit hoher innerer Verstärkung und kapazitiver Gegenkopplung

• Der Eingang ist meist mit einem MOSFET bestückt, um den nötigen hohen Isolationswiderstand und einen möglichst geringen Leckstrom zu

gewährleisten

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Sensorik

ICP Technik (Integrated Circuit Piezoelectric)

→ Hervorragend geeignet für den industriellen Einsatz, auch für dynamische Messaufgaben

Abb6. Prinzipschaltung eines ICP Sensors [5]

• Der Sensor beinhaltet neben dem eigentlichen Piezoelement einen zusätzlichen Impedanzwandler

• Das so erhaltene niederohmige Spannungssignal wird zum Verstärker weitergeleitet

• Unproblematischer Umgang bezüglich Leitungslänge,

Kabelkapazität etc…

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Sensorik

SEA-Mini, Fa. Nordmann ASK, Fa. MPM

ASM (Rotor/Stator), Fa. MPMRingsensor (Rotor/Stator), Fa. Dittel

Abb7. Ring-Sensor, Dittel[5]

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Grundlagen Sensorik

SEH (Hydrophon), Fa. Nordmann

• Die Funktion des AE-Fluid-Sensors beruht auf dem Prinzip der Schallwellenübertragung über einen Flüssigkeitsstrahl

• Als Flüssigkeit zur Schallübertragung dient der ohnehin schon in der Werkzeugmaschine vorhandene Betriebskühlschmierstoff

• Der Messstrahl kann so unmittelbar und somit unverfälscht an den Zerspanprozess auf das Werkzeug, das Werkstück oder auf deren Halterungen gerichtet werden

• Aufgrund der elektrischen und akustischenEntkopplung des AE-Fluid-Sensors von der Werkzeugmaschine werden maschineneigene Stör- und Nebengeräusche wirkungsvoll unterdrückt.

Sonderbauform: Hydrophon

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Auswahl geeigneter Sensoren

Prozessüberwachung

SchleifenAbrichten

Visualisierung und Auswertung

stehendes Werkzeug rotierendes Werkzeug stehende

Werkstückaufnahme

rotierende

Werkstückaufnahme

Visualisierung oder

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Auswahl geeigneter Sensoren

2x SEH-Sensor

2x ASK-Sensor

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Hauptanwendung: Die Anschnitterkennung

Schleifzyklus ohne Anschnitterkennung

Niedrige Zustellgeschwindigkeit

→ lange Taktzeit

→ hohe Fertigungskosten

Hohe Zustellgeschwindigkeit

→ Scheibe wird deformiert

→ Qualitätsprobleme

Schleifzyklus mit Anschnitterkennung

VSchr

.

VLuft

→ Wirtschaftlichkeit

→ Qualitätsabsicherung

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Hauptanwendung: Anschnitterkennung

Schleifscheibe

Werkstück

CNC

VLuftVSchr

.

Auswertegerät

Körperschall

20 kHz – 2 MhzKörperschallsensor mit integriertem Vorverstärker

Meßbereich:

ca. 100 – 900 kHz

Körperschallverstärker

Arbeitsbereich:

ca. 100 – 500 kHz

→→→→ Filterung

→→→→ Glättung

→→→→ lin. und log. Verstärkung

Ausgangssignal: 0 - 10 V DC

(Wiederholungsrate ca. 10 kHz)

Schaltschwelle –graphisch einstellbar

Anfeuerlinie –

Zeitpunkt des Kontaktes

Systematik: Umschaltung VLuft / VSchr.

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Hauptanwendung: Anschnitterkennung

Funktion: Vorschubgeschwindigkeits-Umschaltung V Luft / VSchr.

Körperschallsignal

Leistungssignal

Weg – X-Achse

VLuft

VSchr.

Umschaltpunkt

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik

Weitere Optionen der Anschnitterkennung:

● Kollisionsüberwachung (Crash Control): Eine Kollision des Werkzeuges wird schnellst möglich erkannt und ist die Grundlage für eine Vermeidung bzw. Minimierung weiterer Schäden.

● Untermaßerkennung: Wird bis zu einem bestimmten Punkt kein Kontakt erkannt, wird der Schleifzyklus abgebrochen und das zu kleine Werkstück ausgesondert

● Prozessvisualisierung: Der Prozessverlauf wird auf einem Display visualisiert. Prozesstechnologen werden Aussagen über den Prozessverlauf möglich. Damit kann der Prozess beobachtet und eine Prozess- und Fehleranalyse durchgeführt werden.

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Beispiel: Kalibrierung einer Schleifscheibe

Sensor:

im Wuchtapparat intergriert

Sensor:

Rotor/Stator

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Beispiel: Simultanschleifen

1. Kontakt 2. Kontakt

3. Innen- und Außenspindel: simultane Zustellung

Werkstück

InnenspindelAußenspindel

Hydrophon

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Beispiel: Simultanschleifen

1. Kontakt Außenspindel

→ Rückzug

2. Kontakt Innenspindel

→ Rückzug

3. Innen- und Außenspindel verfahren gleichzeitig bis zur der durch Anschnitterkennung ermittelten Position

→ Nur ein Körperschallsensor nötig!

Leistung Spindel 1

Leistung Spindel 2

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Körperschallsensoren - Abrichtvorgänge

Automatisiertes Abrichten einer CBN Schleifscheibe

Abb8. Automatisiertes Abrichten [6]

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Körperschallsensoren - Abrichtvorgänge

Weitere Körperschallsensor Anwendungen beim Abricht en von Schleifscheiben:

• Teachen des Abrichtwerkzeugs

• Finden von Schleifscheibenfehlern (Kantenausbrüche, Löcher)

• Zustandsüberwachung von Abrichtwerkzeugen

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik Quellenverzeichnis

[1] Einführung in die Beschleunigungsmessung und Körperschallanalyse, Dr. Th. Petzsche, Kistler Instrumente GmbH, Ostfildern Nov. 2003

[2] www.dittel.com

[3] Basisseminar Schleiftechnik, WZL Aachen GmbH, 12.2007

[4] Kistler, http://www.kistler.com/ch_dede/Technology_ChargeAmplifiers/Ladungsverstaerker.html

[5] http://www.dittel.com/werkzeugmaschinen-produktgruppen.php?idpg=4&idp=34

[6] Hohe Sensibilität Entwickeln, Adalbert Sporer, www.dittel.com

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Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleif technik

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!