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Die Erfindung betrifft eine mechanische Komponente
mit mehreren Verschleißsensoren
zur Erfassung des Betriebszustandes hinsichtlich von Verschleiß der Komponente.
Sie betrifft ferner ein Werkzeug und eine Wendeschneidplatte.
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Derartige mechanische Komponenten
können
Teile von Werkzeugen oder Maschinenbauteile oder ähnliches
darstellen und an vielen Stellen Einsatz finden. Sie unterliegen
während
des Betriebes Belastungen, die sehr unterschiedlich sind und oft
in extremer Weise nur lokal auftreten. Dabei können die Belastungen je nach
Anwendung verschiedener Natur sein, beispielsweise mechanisch, thermisch,
elektrisch oder chemisch. Alle diese Belastungen führen bei Überschreitung
der spezifischen Grenzwerte zum Verschleiß oder zur Deformation, beispielsweise
zum Bruch oder ähnlichem
der Bauteile. Es ist daher wünschenswert,
durch eine integrierte Zustandssensorik die jeweiligen Belastungszustände zu messen
und damit eine geeignete Steuerung der Maschinen, Komponenten oder
Werkzeuge vorzunehmen.
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So wird beispielsweise in der
DE 35 35 473 A1 ,
der
DE 35 35 474 A1 und
der
EP 0 217 242 A2 vorgeschlagen,
zum Erkennen von Grenzverschleiß oder
Schneidenbruch bei Werkzeugen eine isolierte Leiterbahn in den Schneid-
oder Verschleißwerkstoff einzubetten.
Diese Leiterbahn ist dabei Teil eines Schaltkreises, der durch Auslösen eines
Signals zum Abbrechen des Bearbeitungsvorganges dient. Nach Abtragen
durch Verschleiß oder
nach Zerstörung
der isolierenden Deckschicht wird die Leiterbahn unterbrochen oder
es kommt eine leitende Verbindung zwischen Leiterbahn und Werkstück zustande
und das gewünschte
Signal wird abgegeben.
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Weiterentwickeltere Indikatoren sind
beispielsweise aus der
EP
0 258 215 B1 bekannt. Diese zeigt eine Wendeschneidplatte
mit Temperatur- und Verschleißsensoren.
Eine Anordnung von Leiterbahnen ist vorgesehen, welche mit dem Abtrag
der Deckschicht nach und nach durchtrennt werden. Die Struktur besteht
aus einer Vielzahl von Leiterschleifen, wobei zur Verschleißbestimmung
jeweils überprüft wird,
ob eine einzelne Schleife noch Strom führt oder nicht.
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Im Sinne einer hohen Auflösung sollte
die Zahl der Leiterschleifen möglichst
groß sein,
andererseits kann jedoch nur eine beschränkte Zahl von Kontaktstellen
zu Signalübertragung
bereitgestellt werden. Die Kontaktanzahl wird dadurch beschränkt, dass
aufgrund der unter Umständen
anspruchsvollen Arbeitsumgebung mit Metallspänen, Kühlschmiermitteln, Vibrationen
und ähnlichen
Einflüssen
etwaige Kontaktierungen äußert robust
ausgelegt sein müssen,
was zu Mindestgrößen dieser
Kontaktstellen führt.
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Auch die
EP 0 685 297 A1 beschreibt
ein Werkzeug für
Umform- und Zerspannungsvorrichtungen, bei dem Verschleißsensoranordnungen
mit mehreren Leitern vorgesehen sind. Dabei werden Oberflächenbeschichtungen
vorgesehen, um die zum Teil hohen Anforderungen an die Komponenten oder
Werkzeuge mit diesen Komponenten erfüllen zu können. Durch die spezifischen
Materialeigenschaften dieser Schichten aus den Oberflächenbeschichtungen
kann die Widerstandsfähigkeit
der Komponenten gegen Belastungen thermischer, mechanischer und
sonstiger Form erhöht
werden. In diesem Zusammenhang sind insbesondere Hartstoffschichten
zu nennen, die eine breite Anwendung im Bereich der Schneidwerkzeuge
erlangt haben. Die Verschleißsensoranordnungen
werden dabei in Dünnschichttechnologie
aufgetragen.
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In der
DE 43 12 354 C1 werden die Verschleißsensoren
durch Stifte gebildet, die Reihenschaltungen aus Widerständen oder
Parallelschaltungen aus Kapazitäten
aufweisen, wobei jeder der Leiter mit einem unterschiedlichen Abstand
von der dem Verschleiß ausgesetzten
Oberfläche
angeordnet ist und diese dadurch nacheinander durchtrennt werden.
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Eine ähnliche Konzeption wird in
der
DE 43 08 272 C1 für die Verschleißermittlung
in Bremsbelägen
vorgesehen.
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Die
EP 0 396 585 B1 schlägt ein Schneidwerkzeug vor,
bei dem Leiter in Beziehung zueinander angeordnet sind. Die Leiter
sind elektrisch parallel angeordnet und erstrecken sich zu Kontaktplatten mit
Kontaktvorrichtungen, die elektrische Signale von dem Werkzeug zu
einem Signalprozessor überfragen sollen.
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Alle diese durchaus interessanten
Vorschläge
haben den Nachteil, zwar eine Aussage über das gesamte Ausmaß des Verschleißes machen
zu können,
nicht aber über
die Art und Form desselben; ferner ist auch die Auflösung, also
die Genauigkeit der Verschleißangabe,
unbefriedigend.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, hier
mechanische Komponenten, etwa Wendeschneidplatten, vorzuschlagen,
bei denen genauere Angaben gemacht werden können.
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Dies wird durch eine mechanische
Komponente mit mehreren Verschleißsensoren zur Erfassung des
Betriebszustandes hinsichtlich von Verschleiß der Komponente erreicht,
bei der die Verschleißsensoren
so angeordnet sind, dass sie Angaben über eine zweidimensionale Lokalisierung
eines Verschleißereignisses
ermöglichen.
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Bei einem Werkzeug mit mehreren Verschleißsensoren
zur Erfassung des Betriebszustandes hinsichtlich von Verschleiß der Komponente
wird dies dadurch erreicht, dass die Verschleißsensoren so angeordnet sind,
dass sie Angaben über
eine zweidimensionale Lokalisierung eines Verschleißereignisses
ermöglichen.
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Bei einer Wendeschneidplatte mit
mehreren Verschleißsensoren
zur Erfassung des Betriebszustandes hinsichtlich von Verschleiß der Komponente wird
dies dadurch erreicht, dass die Verschleißsensoren so angeordnet sind,
dass sie Angaben über eine
zweidimensionale Lokalisierung eines Verschleißereignisses ermöglichen.
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Durch die ortsauflösende Anordnung
der Verschleißsensoren
ist eine detailliertere Feststellung möglich, wo in dem Belastungsbereich
der Verschleiß in
welcher Form fortschreitet.
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Bevorzugt werden dabei die Verschleißsensoren
als Leiterstrukturen eines elektrischen Leitersystems ausgebildet.
Insbesondere werden die Verschleißsensoren in einer Gruppe zusammengeschaltet,
die über
zwei Kontaktstellen mit einer Auswerteausrichtung verbunden ist.
Besonders bevorzugt werden dabei die Verschleißsensoren als Widerstände mit
abgestuften Widerstandswerten ausgebildet, wobei die Abstufungen
so vorgesehen sind, dass bei jeder möglichen parallelen Kombination
der Einzelwiderstände
jeweils ein anderer Gesamtwiderstand einstellbar ist.
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Dadurch entsteht ein Aufnehmer mit
einer quasi digitalen Auswertung. Mit dem Durchtrennen einer einzelnen
Leiterbahn wird genau ein Widerstand aus einer Anordnung mehrerer
parallel geschalteter Widerstände
entfernt bzw. eine der parallelen Leitungen entfällt. Dieses Durchtrennen findet in
dem Bereich statt, in dem der Verschleiß fortschreitet.
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Durch den Fortfall der einen parallelen
Leitung erhöht
sich sprunghaft der Gesamtwiderstand des Netzwerkes.
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Zum Auslesen des Verschleißzustandes
reichen zwei Kontaktstellen, unabhängig davon, mit welcher Auflösung die
Verschleißzone
letztlich bestimmt werden soll.
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Die geeignete Abstufung der Widerstandswerte
in den einzelnen Leitungen führt
zu einem präzisen
zweidimensionalen Bild der Verschleißzone. Der Ausfall einer der
Leitungen führt
zu einem sehr konkreten und vorhersehbaren Wert des Gesamtwiderstandes,
so dass rückrechnend
sofort aus dem Gesamtwiderstand ermittelt werden kann, welche der Leitungen
ausgefallen ist, wo also der Verschleiß eingetreten ist.
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Es entsteht eine Möglichkeit
der zweidimensionalen Lokalisierung eines Verschleißereignissen. Die
Form und Ausbreitung der Zone, welche sich bei verschiedenen Bearbeitungssituationen
deutlich ändert,
ist für
die Funktionsfähigkeit
des gesamten Systems nicht mehr von Belang; sie führt lediglich
und im Gegenteil zu unterschiedlichen, aussagekräftigen Werten. In einer bevorzugten
Ausführungsform
kann auch eine dreidimensionale Lokalisierung eines Verschleißereignisses
erfolgen, indem mehrere Lagen von der Verschleißsensorik und entsprechende
Isolationsschichten übereinander
angeordnet werden.
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Bei der beispielhaften Anwendung
auf dem Gebiet der Schneidwerkzeuge, zum Beispiel einer Wendeschneidplatte,
treten spezifische Verschleißerscheinungen
auf.
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Die sogenannte Kolkzone, also der
Bereich, in dem ein Verschleiß im
Bearbeitungsbereich eingetreten ist, variiert bedingt durch die
verschiedenen Bearbeitungsfälle
in Größe, Ausbreitungsrichtung, Ausbreitungsgeschwindigkeit
und Lage und kann durch die bis zu einem bestimmten Zeitpunkt bereits ausgefallenen
Leitungen auswerteseitig präzise
angegeben werden.
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Der Gesamtwiderstand kann nur diskrete Werte
annehmen. Es lässt
sich also mit sehr hoher Zuverlässigkeit
feststellen, welcher Gesamtwiderstand vorliegt (bzw. welcher Widerstand
abgetrennt wurde). Es kombiniert sich also der Vorteil von wenigen
Kontaktstellen, die wie eingangs erwähnt zu einer hohen Robustheit
des Systems und damit zu geringer Fehleranfälligkeit führt, mit einer fast digitalen Sicherheit
des Auslesens der nun besonders zuverlässig eintretenden Messwerte.
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Die Zuverlässigkeit lässt sich noch weiter erhöhen, wenn
die Widerstandswerte so gewählt
werden, dass eine thermische Änderung
der einzelnen Widerstände
immer zu einer kleineren betragsmäßigen Widerstandsänderung
führt als
eine verschleißbedingte
Widerstandserhöhung.
Dadurch können
die durch thermischen Einfluss im Stand der Technik eintretenden
Fehler minimiert werden.
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Eine weitere Steigerung der Zuverlässigkeit lässt sich
durch eine Verringerung der Kontaktstellenzahl dann erzielen, wenn
der Werkzeuggrundkörper
als Masseleitung eingesetzt wird. Dies erlaubt auch eine größere Freiheit
beim Design der Sensoren.
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Eine weitere Steigerung der Zuverlässigkeit wird
durch ein Abgleich der Verschleißsensoren mit dem Signal eines
zusätzlich
vorgesehenen Temperatursensors oder eines der vorhandenen Dünnschichtwiderstände mit
entsprechenden Ableitungen erreicht. Thermische Schwankungen der
Verschleißsensoren
lassen sich durch eine solche Kombination der Sensoren sehr gut
kompensieren, so dass weitere Möglichkeiten
der Auswertung entstehen.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn
die zur Temperaturmessung eingesetzten Temperatursensoren Thermistoren
sind und diese bevorzugt darüber
hinaus mittels einer Vierpunktmethode ausgewertet werden. Dadurch
wird der Einfluss durch Zuleitungen und Kontaktwiderständen minimiert
und der Ort der Messung ist eindeutig auf einen kleinen, lokal definierten
Bereich beschränkt,
Problematisch im Stand der Technik war gerade bei Temperatursensoren
nämlich,
dass auch die Temperatur der Zuleitungen und Kontaktwiderstände mit
in die Gesamtmessung einging und so letztlich lediglich ein integrales
Bild einer größeren Zone
entstehen konnte.
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Die Auskopplung der Signale kann
mittels galvanischer Kontakte erfolgen oder Vorteilhafterweise mit
telemetrischen Verfahren wie kapazitiven oder induktiven Verfahren.
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Von besonderem Vorteil ist es, dass
die beschriebenen, erfindungsgemäßen mechanischen Komponenten
auch mit nicht planaren Oberflächen realisierbar
sind. Hierzu werden fokussierende Strahlverfahren mit Nutzen angewandt,
wie beispielsweise direktschreibende Verfahren mit großer Tiefenschärfe, etwa
Laser-, Elektronen- oder lonenstrahllithographie. Ebenfalls geeignet
sind maskengestützte
Verfahren mit großer
Tiefenschärfe,
zum Beispiel die Röntgenstrahllithographie.
Die Strukturierung kann auch mit Hilfe von Fotomasken und scannen den
Verfahren, etwa mittels Laserscanner oder flexiblen Belichtungsmasken
durchgeführt
werden.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen mechanischen
Komponenten mit ihren Verschleißsensoren
und weiteren Elementen nach der Dünnschichttechnologie werden
bevorzugt CVD (chemical vapor deposition)- und PVD (physical vapor
deposition)-Verfahren angewandt. Die Schichtherstellung erfolgt
dabei vorzugsweise bei höheren,
der mechanischen Komponente angepassten Substrattemperaturen. Für Werkzeuge
aus Hartmetall kommen beispielsweise insbesondere Temperaturen von
100 °C bis
1200°C zum
Einsatz.
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Die Schichten werden durch spezielle,
gradierte Zwischenschichten an den Grundkörper angebunden, so dass sich
eine sehr gute Haftung ergibt. Hierzu werden bevorzugt ionenunterstützte Verfahren,
insbesondere metallionenunterstützte
Verfahren, eingesetzt.
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Die Kombination von isolierenden
und elektrisch leitenden Schichten wird erfindungsgemäß bevorzugt
so gewählt,
dass der Gesamtaufbau die für die
jeweilige Anwendung erforderliche Härte und Zähigkeit besitzt. Dabei kommen
als Isolatorschichten vorzugsweise Hartschichten zur Anwendung.
Geeignet sind beispielsweise kubisches Bornitrid, Al2O3, Diamant, Si3N
4. Für die Sensorschichten
werden Materialien mit guter Haftung und Langzeitstabilität eingesetzt,
z.B. Titan, Molybdän,
Chrom und/oder Chromnickel.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Figuren näher
beschrieben.
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Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
detailliertere Darstellung einer weiteren Ausführungsform;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
einer realisierbaren Anordnung;
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4 eine
Anordnung mit Temperatursensoren.
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1 zeigt
eine mechanische Komponente 10 mit 5 Verschleißsensoren 11, 12, 13, 14, 15.
Die Verschleißsensoren
bestehen jeweils aus einer elektrischen Leitung mit einem Widerstand 1, 2, 3, 4, 5. Diese
Widerstände
der Verschleißsensoren
sind miteinander parallel zu einem elektrischen Leitersystem verbunden
und über
zwei Kontaktstellen 20, 21 nach außen geführt. Nach
den üblichen
Regeln der elektrischen Schaltungen bildet das gesamte Leitersystem einen
Widerstand Rges.
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Die in 1 rein
schematisch dargestellte mechanische Komponente 10 sei
nun Verschleiß ausgesetzt,
der in mehr oder weniger beliebiger Richtung einsetzen kann. Zur
Verdeutlichung sei hier 2 herangezogen.
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Wiederum ist die mechanische Komponente 10 zu
erkennen, wobei hier zwei Gruppen von Verschleißsensoren dargestellt sind,
als V1 und V2 bezeichnet. Bei einer aus einer
beliebigen Richtung fortschreitenden Abnutzung der mechanischen
Komponente 10 durch Verschleiß werden zu einem unbestimmten
Zeitpunkt Teile der Leiterstruktur, die von den Gruppen von Verschleißsensoren V1 und V2 gebildet
ist, angegriffen und zerstört.
Es werden dann Abtrennungen in den Leiterbahnen stattfinden. Der Widerstand
einer solchen einzelnen Leiterbahn, die ja einen Verschleißsensor
repräsentiert,
steigt damit spontan auf unendlich, was in einer Parallelschaltung mehrerer
Widerstände
zu einer sprunghaften, diskreten, quasi digitalen Erhöhung des
Gesamtwiderstandes führt.
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Wählt
man dabei die Widerstände, R1, R2, R3, R4 und R5 jeweils
unterschiedlich, und zwar derart, dass eine Addition jeweils einer
beliebigen Zusammenstellung der verbleibenden Widerstände zu einem
unterschiedlichem Gesamtwiderstand führt, so kann aus diesem neu
entstehenden Gesamtwiderstand sofort rückgerechnet werden, welche
der Leiterbahnen wohl abgetrennt wurde. Dies gilt auch für mehrere
Leiterbahnen.
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Mit M ist dabei in 2 die Masseleitung angegeben,
die bevorzugt durch den Strukturgrundkörper selbst gebildet wird.
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3 schließlich zeigt
ein aktuell mögliches Aufbauen
einer solchen Gruppe von Verschleißsensoren aus mehreren verschiedenen
Dünnschichtwiderständen R1, R2, R3, R4 und R5 sowie
einer Masse M. Solche Netzwerke sind mit Dünnschichttechnologie
ohne weiteres zu realisieren. Natürlich sind auch beliebige andere
Anordnungen von Netzwerken möglich.
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4 zeigt
eine erfindungsgemäß mögliche Anordnung
von Temperatursensoren, hier Thermistoren, die mittels einer Vierpunktmethode
ausgewertet werden. Zu erkennen ist ein erster Temperatursensor 30 und
ein zweiter Temperatursensor 31. Die mechanische Komponente 10 ist
wiederum Verschleiß ausgesetzt,
wobei die hier gewählte
Anordnung der Sensoren davon ausgeht, dass es sich bei dem äußeren Rand
der mechanischen Komponente 10 um eine Schneidkante 40 handelt
. Die Kolkmitte wird bei 41 und das Verschleißmaximum
bei 42 angenommen. Die sieben nach unten führenden
Leiterbahnen sind die Anschlussleitungen für die Vierpunktmessung.
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Der Sensor 30 liegt direkt
im Bereich des Verschleißmaximums
und wird im Laufe des Betriebes zerstört, während sich der Sensor 31 außerhalb der
Ver schleißzone
befindet. Durch eine Kalibrierung von Temperatursensor 31 mit
Temperatursensor 30 liefert auch der verbleibende Temperatursensor 31 genaue
Informationen über
die Temperatur im Bereich der Kolkmitte.
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Bezugszeichenliste
- 1
- Widerstand
- 2
- Widerstand
- 3
- Widerstand
- 4
- Widerstand
- 5
- Widerstand
- 10
- mechanische
Komponente
- 11
- Verschleißsensor
- 12
- Verschleißsensor
- 13
- Verschleißsensor
- 14
- Verschleißsensor
- 15
- Verschleißsensor
- 20
- Kontaktstelle
- 21
- Kontaktstelle
- 30
- Temperatursensor
- 31
- Temperatursensor
- 40
- Schneidkante
- 41
- Kolkmitte
- 42
- Verschleißmaximum
- M
- Masse
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand
- R3
- Widerstand
- R4
- Widerstand
- R5
- Widerstand
- V1
- Gruppe
von Verschleißsensoren
- V2
- Gruppe
von Verschleißsensoren