Kraftsensitive Führungssysteme auf Basis direktabgeschiedener bauteilindividueller Sensorik

Kräfte stellen eine wichtige Informationsquelle für die Prozess- und Zustandsüberwachung in Werkzeugmaschinen dar. Die strukturintegrierte Kraftmessung ermöglicht die Messung von Kräften, ohne Maschineneigenschaften wie die Steifigkeit oder Arbeitsraumgröße negativ zu beeinflussen. Bisherige Ansätze zur strukturintegrierten Kraftmessung konnten sich allerdings nicht durchsetzen, da sie mit einem hohen Integrationsaufwand und Kosten verbunden sind.

Für Maschinenhersteller sind diese Entwicklungsaufwände oft nicht leistbar. Findet eine strukturintegrierte Kraftmessung mit verbreiteten und standardisierten Maschinenkomponenten statt, ist eine strukturintegrierte Kraftmessung ohne aufwendige Anpassung der Maschinenstruktur möglich. Infrage kommen dabei Komponenten, die im Kraftfluss zwischen dem Werkstück/Werkzeug-Kontakt und dem Maschinenbett liegen. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Genauigkeit sind diese Komponenten hochsteif ausgeführt. Die geringen Dehnungen, die durch die hohe Steifigkeit bedingt sind, haben die strukturintegrierte Kraftmessung mit solchen Komponenten bisher verhindert.

Zielsetzung des Projekts

Um die strukturintegrierte Messung von Kräften in Werkzeugmaschinen zu vereinfachen, erforschen wir die Fähigkeit von Profilschienenführungen zur strukturintegrierten Kraftmessung. Hierfür applizieren wir Dehnungsmessstreifen durch direktabgeschiedene Dünnfilmsensoren auf den Führungsschuhen und ergänzen sie mit einer integrierten Signalverstärkung. Dadurch werden die standardisierten Außengeometrien des Führungssystems beibehalten und gleichzeitig die Dehnungssignale in einem standardisierten Signalbereich der industriellen Steuerungstechnik bereitgestellt.

Durch die Direktabscheidung der Sensorstrukturen erreichen wir eine große Freiheit bei der Gestaltung des Sensorlayouts und der Anschlusspunkte. Außerdem verzichten wir auf alterungsbehaftete Polymerträgerfolien. Um die Güte der gemessenen Kraft zu steigern, erforschen wir Methoden der Sensordatenfusion und Selbstkalibrierung.

Vorteile

• Messung der Prozesskräfte – integrierte Überwachung aller Bearbeitungsprozesse ohne Veränderung der Maschineneigenschaften
• Identifikation von Schänden und Verschleiß – Bewertung des Komponentenzustandes (zum Beispiel nach Kollisionen)

Vorgehen

Im Projekt erforschen wir gemeinsam mit dem Institut für Mikroproduktionstechnik, der Bosch Rexroth AG und der Fooke GmbH eine kraftsensitive Profilschienenführung für die strukturintegrierte Kraftmessung. Durch bauteilindividuelle Sensorlayouts und -materialien sowie den Verzicht auf herkömmliche Klebstoff- und Trägerfolienzwischenschichten erhöhen wir die Messgenauigkeit. Durch Kompensationsansätze separieren wir außerdem die strukturimmanenten Zwangskräfte und die Prozesskräfte.

Sie haben auch Interesse an innovativen Lösungen für Ihre integrierte Sensorik?

Kontaktieren Sie Dennis Kowalke per E-Mail an kowalke@ifw.uni.hannover.de oder telefonisch unter +49 511 762 5506.