DE19932838A1

DE19932838A1 - Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Stosswelle in einem schlagbeanspruchten ferromagnetischen Bauteil

Info

Publication number: DE19932838A1
Application number: DE19932838A
Authority: DE
Inventors: Roland Schaer; Peter Farbo; Hans Boeni; Andrey Jarosevic
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2001-01-18
Also published as: DE50001682D1; EP1069417B1; JP2001056266A; EP1069417A3; KR20010049760A; EP1069417A2; US6356077B1

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren und die darauf beruhende Einrichtung zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Stoßwelle in einem durch Schlag oder schlagähnliche Belastung beanspruchten ferromagnetischen Bauteil, insbesondere Werkzeug wie zum Beispiel Bohrer, bei dem das Bauteil mit einem Magnetfluss beaufschlagt wird, dessen Änderungsgeschwindigkeit aufgrund der Schlageinwirkung als Mess-Spannung erfasst wird, sieht vor, den Stoßwellenverlauf aus einer additiven Überlagerung der Mess-Spannung der integrierten Mess-Spannung zu ermitteln. DOLLAR A Aufgrund der Erfindung lassen sich bei der Messung des zeitlichen Verlaufs der Stoßwelle Wirbelstromeinflüsse weitgehend kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Stosswelle in einem schlagenden oder durch Schlag beanspruchten ferromagnetischen Bauteil, insbesondere Werkzeug, bei dem das Bauteil mit einem magnetischen Fluss beaufschlagt wird, dessen Ände rungsgeschwindigkeit bei Schlagwirkung auf das Bauteil mittels einer dem Bauteil zugeordneten Messeinrichtung als Mess-Spannung erfasst wird.

Die Kenntnis des zeitlichen Verlaufs der Stosswelle(n) in einem Bauteil, insbe sondere in einem Werkzeug, ist beispielsweise zur Optimierung der techni schen Eigenschaften, zum Test sowie zur Antriebsprogrammierung, aber auch zur Qualitätskontrolle von schlagenden Abbaugeräten wie Bohrhämmern erfor derlich. Zur Messung solcher Stosswellen werden heute fast ausschließlich Dehnmessstreifen verwendet. Die Applizierung solcher Messstreifen auf einen Messstab oder den Schaft eines Werkzeugs ist sehr aufwendig. Sofern es sich außerdem um ein rotierendes Werkzeug handelt, ist eine Messung nur mit einer aufwendigen Übertragungselektronik möglich. Zudem sind Dehnmess streifen, vor allem deren elektrische Anschlüsse, sehr empfindlich gegen Vibra tionen.

Zur Messung statischer oder quasi statischer Kräfte sind Sensoren, welche auf dem magnetoelastischen Prinzip (ME) beruhen, eine mögliche Alternative zu Dehnmessstreifen (vgl. LIT. [1]). Unter dem magnetoelastischen Effekt (vgl. LIT. [2] und [3]) der Umkehrerscheinung, der Magnetostriktion, versteht man die Änderung von magnetischen Eigenschaften, etwa der Permeabilität jir, bei einer mechanischen Beanspruchung. Letztere hat unter anderem zur Folge, dass sich ein induzierter magnetischer Fluss in einem ferromagnetischen Material in Abhängigkeit von der angelegten mechanischen Spannung ändert.

Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt qualitativ den Einfluss einer Druck spannung auf die bekannte Magnetisierungs-Hysteresekurve. Zur Messung der in dem Bauteil wirkenden mechanischen Spannung wird das belastete Bauteil 1 (vgl. Fig. 2) mittels einer durch einen Wechselstrom I beaufschlagten Magne tisierungsspule 2 mit einem Wechselfeld magnetisiert. Der dabei entstehende Wechselfluss erzeugt in einer zweiten Spule, der Messspule 3, eine elektrische Spannung, welche proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des magneti schen Flusses ist. Aus dem Amplitudenverhältnis der Mess-Spannung U zum Strom I in der Erregerspule 2 kann die mechanische Spannung - und damit die Last, unter welcher das Bauteil 1 steht - berechnet werden.

Zur Messung von sich schnell ändernden mechanischen Spannungen, wie dies bei einer Stosswelle der Fall ist, kann die Magnetisierung auch mit einem Gleichfeld erfolgen (vgl. LIT.[4], [5]). Mit der Messspule 3 wird dann die Ände rungsgeschwindigkeit der mechanischen Spannung, das heißt mathematisch ausgedrückt die erste Ableitung der Stosswelle, erfasst. Durch eine einfache Integration (in 4) erhält man den Spannungsverlauf der Stosswelle.

Die sehr schnellen Magnetflussänderungen beim Stosswellendurchgang durch das Bauteil 1 induzieren aber im elektrisch leitenden Material des Bauteils - beispielsweise in einem Bohrer - Wirbelströme. Diese Wirbelströme ihrerseits beeinflussen wiederum den Magnetfluss und damit den Verlauf der Span nung U an den Klemmen der Messspule 3. Dieser Effekt ist ausführlich in LIT.[6] beschrieben. Da sich die Wirbelströme wegen Stromverdrängungseffek ten vor allem im oberflächennahen Bereich des Bauteils 1 ausbreiten, wird dort vorgeschlagen, Wirbelstromeffekte durch Einkerbungen am Werkzeug umfang zu reduzieren.

Zur Messung von mechanischen Spannungen in Bauteilen der genannten Art ist es auch bekannt, Streifen aus Materialien mit besonders ausgeprägtem elektroelastischem Verhalten (z. B. amorphe Metalle) auf das belastete Bauteil aufzukleben und die Magnetflussänderung in diesem Streifen zu erfassen. Nachteilig an dieser Methode ist aber, dass, ähnlich wie bei den Dehnmess streifen, ein aufwendiger Klebeprozess notwendig ist.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Ein richtung zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Stosswelle in einem schlag beanspruchten Bauteil, insbesondere einem Werkzeug, anzugeben.

Nach der Lehre des Patentanspruchs 1 wird dieses Problem bei einem Verfah ren zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Stosswelle in einem schlagen den oder durch Schlag beanspruchten ferromagnetischen Bauteil, insbeson dere einem Werkzeug, bei dem das Bauteil mit einem magnetischen Fluss beaufschlagt wird, dessen Änderungsgeschwindigkeit bei einer sich schlagartig ändernden Belastung mittels einer dem Bauteil zugeordneten Messeinrichtung als Spannung erfasst wird, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Stosswellenverlauf aus der additiven Überlagerung der Mess-Spannung und der integrierten Mess-Spannung gewonnen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Grundgedankens der Erfindung sind in abhängigen Patentansprüchen enthalten und werden nachfolgend weiter erläu tert.

Erfindungsgemäße Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 4 und 5 definiert.

Wie oben beschrieben, war es wegen der in dem Bauteil induzierten Wirbel ströme bisher nicht möglich, den Verlauf von Stosswellen mittels eines ME- Sensors exakt zu messen (vgl. LIT.[5]). Die Erfindung geht nun von dem Gedanken aus, dass es möglich sein müsste, die Auswirkungen der Wirbel ströme auf den Verlauf der Stosswelle durch ein mathematisches Modell oder eine Ersatzschaltung zu beschreiben. Hierbei wird von der Beobachtung aus gegangen, dass Wirbelströme Magnetflussänderungen entgegenwirken. Dies führt dazu, dass der Magnetfluss mit ansteigender Frequenz nicht mehr pro portional zur mechanischen Spannung in dem Bauteil ist, sondern immer mehr integrale Anteile davon enthält. In anderen Worten, es wurde beobachtet, dass die Mess-Spannung nicht mehr das reine Differential der Stosswelle ist, sondern mit steigender Frequenz zunehmend proportionale Anteile enthält.

Die Erfindung und vorteilhafte Ausführungsformen derselben werden nachfol gend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die bereits erläuterte Abhängigkeit des Verlaufs einer Magnetisie rungs-Hysteresekurve bei Anlegen beispielsweise einer mechani schen Druckspannung auf ein ferromagnetisches Bauteil;

Fig. 2 das bereits erläuterte Grundprinzip zur Bestimmung des Stoss wellenverlaufs bei Gleich- oder Wechselstrommagnetisierung des betreffenden Bauteils;

Fig. 3 ein einfaches Modell oder eine Ersatzschaltung zur Veranschau lichung der Wirkung von Wirbelströmen bei Stosswellenbeanspru chung eines ferromagnetischen Bauteils;

Fig. 4 ein Modell oder Ersatzschaltbild zur Rekonstruktion einer Stoss welle aus einer aufgenommenen Mess-Spannung;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für eine elektronische Schaltung zur Realisierung der Rekonstruktion der Stosswelle aus einer Mess- Spannung; und

Fig. 6 mit Teilfiguren A, B, C und D unterschiedliche Varianten zur Speisung einer Magnetisierungsspule und zur Gewinnung eines Messsignals.

Fig. 3 veranschaulicht ein Modell, mit welchem sich die Auswirkungen von Wir belströmen auf die Mess-Spannung beschreiben lassen. Im Prinzip handelt es sich dabei um ein Hochpassfilter mit der Grenzfrequenz

das sich auch als bandbegrenztes und mit 1/Gain verstärkendes Differenzierglied betrachten lässt.

Zur Rekonstruktion der Stosswelle aus der Mess-Spannung ist, wie Fig. 4 wie dergibt, die inverse Funktion zu verwenden. Diese Funktion lässt sich so inter pretieren, dass das Spannungssignal an der Messspule nur teilweise - also im Wesentlichen für Frequenzen unterhalb f_e - integriert wird, um die oben erläu terte Erkenntnis zu nutzen, dass die Wirbelströme bereits integrierend wirken.

Die Fig. 5 zeigt eine erprobte elektronische Schaltung zur Realisierung der Rekonstruktion der Stosswelle aus der Mess-Spannung gemäß dem Funktions- oder Ersatzschaltbild der Fig. 4. Ein Sensor - also insbesondere die Mess spule - liefert eine Mess-Spannung an den durch eine geringe Vorspannung U₁ auf einen bestimmten Ansprechpunkt gesetzten invertierenden Eingang eines als Integrator geschalteten Operationsverstärkers A₁. Der Ausgang des Verstär kers A₁ beaufschlagt wiederum den invertierenden Eingang eines bandbegren zenden Verstärkers A₂, dessen Ausgangssignal am invertierenden Eingang eines Summierverstärkers A₃ mit dem Messspulensignal zusammengeführt ist.

Für die dargestellten Bauelemente gelten beispielsweise folgende Werte:

U₁ = 75 mV
A₁, A₂, A₃ = OP-Verstärker (z. B. TL 084)
R₁, R₂, R₄, R₆, R₇ = 10 kΩ
U₂, U₃ = 15 V
R₄ = 10 MΩ
R₅ = 100 kΩ
C₁ = 100 nF
R₈ = 47 kLΩ

Zur Speisung der Magnetisierungsspule 2 sowie zur Gewinnung des Mess signals sind neben der anhand der Fig. 2 beschriebenen und in Fig. 6A noch mals schematisch mit Anwendung auf die Erfindung wiedergegebener Anord nung mit einer Magnetisierungsspule 2 und einer Messspule 3 auch andere Anordnungen im Rahmen der Erfindung möglich. So kann, wie die Fig. 6B bis 6D zeigen, die Messspule 3 weggelassen werden, da die Magnetflussänderung aufgrund einer Stosswelle ebenso in der Magnetisierungsspule 2 eine Span nung induziert. Das Messsignal lässt sich also auch an der Magnetisie rungsspule 2 abgreifen.

Wie die Fig. 6B veranschaulicht, kann zunächst die Stromquelle 5 gemäß Fig. 6A durch eine Spannungsquelle 6 mit Serieninduktivität 8 ersetzt sein. Die Serieninduktivität sollte dabei einige Größenordnungen über der Induktivi tät der Magnetisierungsspule 2 liegen.

Die Fig. 6C zeigt einen galvanisch entkoppelten hinsichtlich der Impedanz anpassbaren Abgriff des Messsignals über eine Transformatorkopplung mit der Serieninduktivität β.

Wird - wie die Fig. 6D veranschaulicht - die Magnetisierungsspule 2 über eine schnell regelbare Stromquelle 7 gespeist, so kann die über einen Regler 10 zugeführte Regelgröße direkt als Messsignal verwendet werden. Damit ergibt sich eine besonders einfache Variante für das Problem der Signalerfassung, die für manche Anwendungsfälle von besonderem Vorteil ist.

Literaturliste

LIT. [1] Jarosevic, A., et al.: Vorspannungsmessung an Baukonstruktio nen, Braunschweiger Bauseminar: Neue Technologien im Bau wesen, Braunschweig Nov. 12.-13., 1992, Heft 97, P. 71-82 LIT. [2] Seekircher, J.: Magnetoelastische Kraftsensoren mit amorphen Metallen, VDI Fortschritt-Berichte, Reihe

8

: Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik Nr. 266, VDI Verlag
LIT. [3] Boll, R.: Weichmagnetische Werkstoffe, 4. Auflage, ISBN 3-8009- 1546-4, Vacuumschmelze GMBH, 1990
LIT. [4] Hecker, R., Schröder, P.: Nutzung mechanischer u. elektro mechanischer Effekte zur Messung elastischer Wellen in Stäben, Technisches Messen tm 11 /95, R. Oldenburg Verlag
LIT. [5] Hecker, R.: Anwendung des magnetoelastischen Effekts zur Messung von Dehnwellen in stabförmigen Körpern schlagender Maschinen, Technisches Messen tm 6/88, 55. Jahrgang, 1988
LIT. [6] Malkinsky, L. M.: On the magnetoelastic sensor design for the impact energy measurement, Arbeitsbericht A-IF7-45/94, Konzern-Forschung, Hilti AG, Schaan 1994

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Stosswelle in einem schlagenden oder durch schlagähnliche Belastung beanspruchten ferro magnetischen Bauteil, insbesondere Werkzeug, bei dem das Bauteil mit einem magnetischen Fluss beaufschlagt wird, dessen Änderungsgeschwindigkeit bei Schlageinwirkung mittels einer dem Bauteil zugeordneten Messeinrichtung als Mess-Spannung erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Stosswellen verlauf aus der additiven Überlagerung der Mess-Spannung und der integrier ten Mess-Spannung gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Induzierung des Magnetflusses über eine das Bauteil umgebende Magnetisierungsspule (2) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Spannung an der Magnetisierungsspule (2) abgegriffen wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem die Induzierung des Magnetflusses über eine das Bauteil (1) umgebende Magnetisierungsspule (2) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneti sierungsspule (2) von einer Spannungsquelle (6) über eine in Serie liegende Induktivität (8 bzw. 8, 9) gespeist und die Mess-Spannung an der Serieninduk tivität abgreifbar ist.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem die Induzierung des Magnetflusses über eine das Bauteil (1) umgebende Magnetisierungsspule (2) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneti sierungsspule (2) durch eine geregelte Stromquelle (7) gespeist ist, deren Regelspannung als Mess-Spannung verwendet wird.