Kraftsensitive Führungssysteme auf Basis direktabgeschiedener bauteilindividueller Sensorik

Abstract

Kräfte stellen eine wichtige Informationsquelle für die Prozess- und Zustandsüberwachung in Werkzeugmaschinen dar. Die Messung der Kräfte durch strukturintegrierte Sensorik bietet den Vorteil das keine Einschränkung des Arbeitsraums und der Steifigkeit der Maschine auftreten. Der Einsatz von strukturintegrierter Sensorik in Standardkomponenten bietet hohes Potential sowohl für die Neukonstruktion als auch für die Integration in bestehende Maschinenkonstruktionen. Hier sind insbesondere Führungswagen von Linearführungen geeignet, weil diese funktionsbedingt im Kraftfluss zwischen dem Werkzeug/Werkstück-Kontakt sowie dem Maschinenbett liegen. Um die gestellten Anforderungen an Führungssysteme in Werkzeugmaschinen zu erfüllen, sind die Führungswagen hoch steife Komponenten, auf denen nur geringe Dehnungen auftreten. Daher ist für die verwendeten Dehnungsmesstreifen (DMS) eine hohe Sensitivität erforderlich. In diesem Projekt wurden daher direktabgeschiedenen Sensoren (Dehnung und Temperatur) verwendet. Das Herstellungsverfahren für diese Sensoren ist jedoch bisher noch nicht industrietauglich. Gemeinsam mit den Anwendungspartnern Bosch Rexroth AG und Fooke GmbH wurde im Rahmen dieses Vorhabens die Dünnfilmsensortechnologie und eine intelligente Signalverarbeitung erarbeitet, die eine in Führungswagen von Profilschienenführungen integrierte Kraftmessung ermöglicht. Um die industrielle Anwendbarkeit direktabgeschiedener Sensoren zu steigern, wurde durch das Institut für Mikroproduktionstechnik (IMPT) eine Prozesskette zur Direktabscheidung von Dehnungsmessstreifen (DMS) inklusive Temperatursensoren erforscht. Durch bauteilindividuelle Sensorlayouts und -materialien sowie den Verzicht auf herkömmliche Klebstoff- und Trägerfolienzwischenschichten konnte die Sensitivität gesteigert werden. Es wurden Chrom-Vollbrücken-DMS entwickelt, auf den Führungswagen appliziert und untersucht. Durch das IFW wurde hierzu eine Methode zur automatisierten, simulationsbasierten Sensorpositionierung erforscht. Zudem wurden die Führungswagen im Einsatz, einzeln und im Verbund aus vier Führungswagen, analysiert. Hierbei standen insbesondere die auftretenden Störsignale, z.B. durch den Wälzkörperumlauf und Zwangskräfte zwischen den Führungsschienen, im Fokus. Es wurden nachfolgende Eigenschaften erreicht: Die direktabgeschiedenen DMS weisen eine Unsicherheit bezüglich der gemessenen Dehnung von 20 nm/m auf. Dieses entspricht einer Messunsicherheit von ±250 N bei den untersuchten Führungswagen. Eine dezentrale Datenvorverarbeitung mit einer modellbasierten Sensorfusion und Signalverarbeitung ermöglicht den Einsatz von vier sensorischen Führungswagen im Wagenverbund und resultiert in einer dynamischen Kraftauflösung von σF ±2.000 N. Das mittlere Abweichungsquadrat (RMSE) des Wagenverbunds unter wechselnden externen Lasten wurde durch einen Least-Squares Ansatz zur Kalibrierung von ±3.000 N auf ±800 N reduziert.