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Fortsetzung: Eine kraftsensitive Schleifspindel ist die Lösung

Für die Untersuchung der Sensitivität der sensorischen Schleifspindel wurden mit dem Piezoaktor Lastkollektive radial auf die Spindelwelle aufgebracht und synchron die Belastung und die Messsignale der Dehnungsmesstreifen kontinuierlich gemessen. Die Belastung wurde stufenweise erhöht, wobei die Spindelwelle auf einen konstanten Rotationswinkel von φ = 0° für die Belastung in X-Richtung und auf φ = 90° für die Belastung in Y-Richtung ausgerichtet wurde. In Bild 4 sind exemplarisch die DMS-Signale U für die DMS 1 (blau) und DMS 2 (grün) sowie die aufgebrachte Belastung F (schwarz) über der Zeit für die jeweilige Belastungsrichtung dargestellt. In Bild 4a ist für die Belastung in X-Richtung zu erkennen, dass die DMS-Signale U beider DMS dem stufenförmigen Verlauf der Belastung F folgen. Dabei ist das Signal des DMS 1 um 375 Prozent höher als das des DMS 2. Im Gegensatz dazu weist der DMS 2 bei Belastung in Y-Richtung (Bild 4b) ein um 320 Prozent höheres Signal als DMS 1 auf. Folglich liegt eine richtungsabhängige Sensitivität der DMS vor, welches sich anhand der auf der Spindelwelle um 90° versetzten Anordnung beider DMS begründen lässt (Bild 4b).

Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass eine kontinuierliche Messung der Belastung mittels einer kontaktlosen Datenübertragung möglich ist und ein proportionaler Zusammenhang zwischen der äußeren Belastung und der gemessenen Widerstandsänderung bei den Halbleiter DMS vorliegt. Um aus den gemessenen DMS-Signalen später die Prozesskräfte rekonstruieren zu können, wird ein Proportionalitätsfaktor benötigt. Der Proportionalitätsfaktor ist dabei ein Maß für die Sensitivität der DMS bezüglich einer äußeren Belastung. Jedoch liegt im gezeigten Fall eine Richtungsabhängigkeit der Sensitivität der DMS und somit des Proportionalitätsfaktors vor, was die Komplexität der Kraftrekonstruktion signifikant erhöht. Daher wird im Folgenden eine Methode beschrieben, mit der diese Richtungsabhängigkeit der Sensitivität mittels einer Sensorfusion eliminiert werden kann.

Richtungsabhängige Sensitivität der sensorischen Schleifspindel

Zur Ermittlung der Proportionalitätsfaktoren zwischen DMS-Signal und äußerer Belastung und somit der Sensitivität werden die vorher gemessenen DMS-Signal- und Kraftverläufen (Bild 4) bei den einzelnen Belastungsstufen extrahiert und in Beziehung zueinander setzen. In Bild 5 sind die gemessenen DMS-Signale U über der eingestellten Belastung F für die Belastung in X-Richtung (5a) und die Y-Richtung (5b) dargestellt. Die Verläufe der einzelnen Messpunkte der DMS-Signale weisen einen linearen Zusammenhang auf, sodass eine Approximation mit einer Funktion ersten Grades vorgenommen werden kann.

Für den DMS 1 ergibt sich bei einer Belastung in X-Richtung eine Sensitivität von m_DMS1 = 0,0017 (mV/V)/N. Der DMS 2 weist in der Richtung eine um 77 Prozent geringere Sensitivität von m_DMS2 = 0,0004 (mV/V)/N auf.

In Y-Richtung hingegen hat der DMS 1 eine um 72 Prozent geringere Sensitivität n_DMS1 = 0,0006 (mV/V)/N als der DMS 2 mit n_DMS2 = 0,0021 (mV/V)/N. Die Tatsache, dass die Amplitude des Signals von DMS 2 bei Belastung in X-Richtung geringer ist als bei DMS 1, ist darauf zurückzuführen, dass in der Biegeachse nur geringe Scherdehnungen auftreten. Diese Scherdehnungen werden vor allem durch die um 90° versetzten DMS gemessen.

Die Annäherung der Verläufe der Messdaten mit einer Funktion ersten Grades weist eine hohe Regressionsgüte von R2 > 0,97 auf. Daher ist die Beschreibung des proportionalen Zusammenhangs durch eine Funktion ersten Grades zulässig. Weil sich die Sensitivitäten m_DMS1 und n_DMS2 der einzelnen DMS 1 und DMS 2 um 23,5 Prozent unterscheiden, ist jedoch eine einfache Verrechnung der Messsignale der DMS zur Rekonstruktion der Belastung nicht möglich. Um den Einfluss von Störgrößen und Kopplungseffekten zu reduzieren und die Sensitivität richtungsunabhängig zu bestimmen, ist eine Sensorfusion notwendig.

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