Diplomarbeit - Marc Richter Darmstadt, 10. Juni 2003 Konstruktion einer sensorintegrierten Werkzeugaufnahme zur Messung der Radialkraftkomponenten auf Basis von Dehnungsmessstreifen

ValidierungAusblickWirkprinzipDMSProblem 2 Futter WZ HSK Sensorintegrierte Werkzeugaufnahme Multiaxiale Schnittkraftmessung auf Piezobasis Geteilter Aufbau, zentrisch verspannt Erwartung Eigenfrequenz: 1750 Hz Eigenfreq. real: 800 Hz Sensor (Piezo) 5000,- € Aufgabe / Anforderungen: DMS-basierte, ungeteilte, steife, günstige Werk- zeugaufnahme mit Schwerpunkt auf Radialkraft- messung Problemstellung

3 UVUV UMUM U M = (+  1 –  2 +  3 –  4 ) 4 k U V + – – ValidierungAusblickWirkprinzipDMSProblem - + U M [V] - + U M [V] 4 DMS-Grundlagen Wheatstone‘sche Brückenschaltung Vorzeichen aus Messgleichung Zug/Druck ist zu beachten Signalverviel- fachung möglich Signalkompensa- tion möglich  Analyse und Syn- these der Effekte  Systematische Kombination zu neuartigen Wirkprinzipien

z [N] MBMB Q BB BB QQ F 4 ValidierungAusblickWirkprinzipDMSProblem Wirkprinzip Querkraftmessung: Physik. Effekt Mechanisches Ersatzmodell Kragbalken Radiale Schnittkraft verursacht Querkraft und Biegemoment F ~ Q F ~  M B /  l Feste Einspannung Auskragende Werkzeugaufnahme Werkzeug

z FxFx MBMB BB BB FxFx + –  B, max BB BB DMS 2 (–) DMS 1 (+) DMS 3 (+) DMS 4 (–) 5 ValidierungAusblickWirkprinzipDMSProblem Wirkprinzip Querkraftmessung: Biegung Biegemoment: Linearer Verlauf Normalspgn. linear über d. Querschnitt Zug- und Druckseite Steigungs- dreieck Kompensiert: WZ-Länge Temperatur Zug/Druck Torsion

z FxFx Q QQ FxFx DMS 2 (–) DMS 1 (+) DMS 3 (+) DMS 4 (–) 6 ValidierungAusblickWirkprinzipDMSProblem Wirkprinzip Querkraftmessung: Schub Querkraft: Konstant über der Länge Schubspgn. parabol. über Querschnitt Max. Schub in der Mitte Hauptspgn. unter ± 45° Kompensiert: WZ-Länge Temperatur Zug/Druck Torsion

Kraftmessdose Prüfkörper Messrechner Pneumatik- zylinder 7 ValidierungAusblickWirkprinzipDMSProblem Validierung: Versuchsaufbau Werkzeug- Dummy Prüfkörper mit Torsions- und zwei x,y-Messbrückenpaaren (beide Wirkprinzipien) Definierte Torsion durch Drehmomentschlüssel Definierte Kraft Beliebiger Winkel einstellbar Werkzeuglänge simulierbar durch Angriffspunkt Hier nicht kompensiert aus Platzgründen: Biegebasiert: Zug/Druck Schubbasiert: Torsion Sechskant

Validierung: Ergebnisse biegebasiert 8 ValidierungAusblickWirkprinzipDMSProblem Validierung: Ergebnisse Querkraft-basiert F extern Qx Mess. Qy Mess. T Mess. Validierung: Bewertung Biegebasiertes Messprinzip: Guter Signal-Rausch-Abstand Akzeptable Linearität Inakzeptable Übersprechneigung (~ 30 %) Schubbasiertes Messprinzip: Geringfügig schlechteres Rauschverhalten Akzeptable Linearität Deutlich geringere Übersprechneigung (< 10 %) Fazit DMS-Messbrücken: Hohe Übersprechneigung Etwa 500% höhere Eigenfrequenzen (Messung Prüfling: 3950 Hz)

9 ValidierungAusblickWirkprinzipDMSProblem Systematische Entwicklung zweier neuartiger DMS-Messverfahren Eignung der Verfahren experimentell validiert Auf Basis der Messdaten ein Verfahren ausgewählt  Umsetzung in einen produktiv einsetzbaren Prototyp  Exakte Bestimmung der Übersprechneigung u. Linearität Zusammenfassung und Ausblick