Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleiftechnik M. Pschyklenk Seminar Sensoren 12.07.2010
Gliederung Grundlagen Körperschall Grundlagen Sensorik Auswahl geeigneter Sensorik Hauptanwendung: Die Anschnitterkennung Beispiel: Kalibrierung einer Schleifscheibe Beispiel: Simultanschleifen Körperschallsensoren Abrichtvorgänge Quellenverzeichnis Seite 2
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. Seite 3 Abb1. Körperschallausbreitung in Körpern [1]
Grundlagen Körperschall Die Körperschall-Schwingungen liegen außerhalb des menschlichen Hörbereichs bei etwa 20 khz bis 1 Mhz. Abb2. Freuquenzbereich des Körperschalls[2] 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. Seite 4
Grundlagen Körperschall Körperschall entsteht infolge der beim Spanabtrag in Werkzeug oder Werkstück wirkenden Kräfte und führt in den angeregten Maschinenelementen zu messbaren Schwingungen Abb3. Entstehung von Körperschall beim Schleifen [3] Körperschallentstehung beim Schleifen "Spanabtrag" im Werkzeug/Werkstück Seite 5
Grundlagen Sensorik Die Messbereiche der Sensoren werden aus Resonanzgründen beschränkt. Gängige Frequenzbereiche sind 50 400 khz oder 100 900 khz A: Piezoelektrisches Element B: Dämpfungsmasse C: Membran und Koppelelement Sensoreigenschaften: Abb4. Aufbau eines Körperschallsensors [1] hoch empfindlich sehr kompakte, robuste Bauweise kühlmittelresistent temperaturunempfindlich wasserdicht überlastsicher Seite 6
Grundlagen Sensorik Ladungsaufnehmer 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 Aufgrund der hohen Impedanz sind diese konventionellen Sensoren bezüglich Leitungslängen (Kabelkapazität), Feuchtigkeit, Erdschleifen und elektromagnetischer Störfelder für den industriellen Einsatz problematisch. Seite 7
Grundlagen Sensorik ICP Technik (Integrated Circuit Piezoelectric) 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 Abb6. Prinzipschaltung eines ICP Sensors [5] Hervorragend geeignet für den industriellen Einsatz, auch für dynamische Messaufgaben Seite 8
Grundlagen Sensorik SEA-Mini, Fa. Nordmann ASK, Fa. MPM Abb7. Ring-Sensor, Dittel[5] Ringsensor (Rotor/Stator), Fa. Dittel ASM (Rotor/Stator), Fa. MPM Seite 9
Grundlagen Sensorik Sonderbauform: Hydrophon 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 SEH (Hydrophon), Fa. Nordmann Aufgrund der elektrischen und akustischen Entkopplung des AE-Fluid-Sensors von der Werkzeugmaschine werden maschineneigene Stör- und Nebengeräusche wirkungsvoll unterdrückt. Seite 10
Auswahl geeigneter Sensoren Prozessüberwachung Abrichten Schleifen stehendes Werkzeug rotierendes Werkzeug stehende Werkstückaufnahme rotierende Werkstückaufnahme Visualisierung oder Visualisierung und Auswertung Seite 11
Auswahl geeigneter Sensoren 2x SEH-Sensor 2x ASK-Sensor Seite 12
Hauptanwendung: Die Anschnitterkennung Schleifzyklus ohne Anschnitterkennung Niedrige Zustellgeschwindigkeit lange Taktzeit hohe Fertigungskosten Hohe Zustellgeschwindigkeit Scheibe wird deformiert Qualitätsprobleme Schleifzyklus mit Anschnitterkennung Wirtschaftlichkeit Qualitätsabsicherung V Schr. V Luft Seite 13
Hauptanwendung: Anschnitterkennung Systematik: Umschaltung V Luft / V Schr. V Luft Schr. CNC Schleifscheibe Anfeuerlinie Zeitpunkt des Kontaktes Werkstück Körperschall 20 khz 2 Mhz Körperschallsensor mit integriertem Vorverstärker Körperschallverstärker Arbeitsbereich: ca. 100 500 khz Schaltschwelle graphisch einstellbar Meßbereich: ca. 100 900 khz Filterung Glättung Auswertegerät lin. und log. Verstärkung Ausgangssignal: 0-10 V DC (Wiederholungsrate ca. 10 khz) Seite 14
Hauptanwendung: Anschnitterkennung Funktion: Vorschubgeschwindigkeits-Umschaltung V Luft / V Schr. Körperschallsignal Weg X-Achse V Schr. Leistungssignal V Luft Umschaltpunkt Seite 15
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. Seite 16
Beispiel: Kalibrierung einer Schleifscheibe Sensor: Rotor/Stator Sensor: im Wuchtapparat intergriert Seite 17
Beispiel: Simultanschleifen Außenspindel 1. Kontakt Innenspindel 2. Kontakt Werkstück 3. Innen- und Außenspindel: simultane Zustellung Hydrophon Seite 18
Beispiel: Simultanschleifen 1. Kontakt Außenspindel Rückzug 2. Kontakt Innenspindel Rückzug Leistung Spindel 1 Leistung Spindel 2 3. Innen- und Außenspindel verfahren gleichzeitig bis zur der durch Anschnitterkennung ermittelten Position Nur ein Körperschallsensor nötig! Seite 19
Körperschallsensoren - Abrichtvorgänge Automatisiertes Abrichten einer CBN Schleifscheibe Seite 20 Abb8. Automatisiertes Abrichten [6]
Körperschallsensoren - Abrichtvorgänge Weitere Körperschallsensor Anwendungen beim Abrichten von Schleifscheiben: Teachen des Abrichtwerkzeugs Finden von Schleifscheibenfehlern (Kantenausbrüche, Löcher) Zustandsüberwachung von Abrichtwerkzeugen Seite 21
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 Seite 22
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 23