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Sensitivitätssteigerung mittels Sensorfusion

Um die Sensitivität der Kraftrekonstruktion aus den DMS-Signalen zu steigern, wird eine Sensorfusion der vier DMS-Signale vorgenommen. Mittels einer gewichteten Verrechnung aller DMS-Signale in einer Sensorfusion (Gleichung 1 und Gleichung 2) mit den angepassten Gewichtungsfaktoren a bis h lässt sich die Sensitivität je Belastungsrichtung erhöhen und aneinander angleichen. Ein Angleichen der Sensitivitäten des fusionierten DMS-Signals in X-Richtung DMS_X und Y-Richtung DMS_Y hat den Vorteil, dass mittels einer richtungsunabhängigen Sensitivität die Komplexität der Kraftrekonstruktion verringert wird.

• (Gl. 1) DMS_X=(a· DMS 1-b·DMS 3)-(c·DMS 2+d·DMS 4);

• (Gl. 2) DMS_Y=(e· DMS 2-f·DMS 4)-(g· DMS 1+h·DMS 3).

Die Sensorfusion der DMS-Signale in X-Richtung DMS_X und in Y-Richtung DMS_Y sind in Bild 5a exemplarisch für die Belastung in X-Richtung dargestellt. Für das fusionierte DMS-Signal DMS_X ergibt sich ein Sensitivitätsfaktor von m_DMS,X = 0,0026 (mV/V)/N und somit eine Steigerung der Sensitivität in X-Richtung um 53 Prozent. Für das fusionierte DMS-Signal DMS_Y wird ein Sensitivitätsfaktor von m_DMS,Y = 0,0025 (mV/V)/N bestimmt und somit auch die Sensitivität in Y-Richtung um 19 Prozent gesteigert. Die beiden fusionierten Sensitivitäten weichen um 3,9 Prozent voneinander ab, sodass die Abweichungen zu vernachlässigen sind und eine richtungsunabhängige Sensitivität angenommen werden kann.

In Bild 6b sind die Verläufe der fusionierten DMS-Signale in Gelb und Blau und der Kraftverlauf in Schwarz der identischen Messung aus Bild 4a dargestellt. Es wird deutlich, dass durch die Fusion der Messsignale eine höhere Amplitude für das Messsignal in X-Richtung bei Belastung in X-Richtung erreicht wird. Zudem werden die Störeinflüsse für das Messsignal in Y-Richtung durch die Fusion reduziert. Dies ist an den geringen Amplituden des Messsignals des fusionierten DMS_Y (Bild 6b) im Vergleich zum Messsignal DMS 2 (Bild 4a) zu erkennen. Es ist festzuhalten, dass mit der Sensorfusion eine Auflösung der Kraftrekonstruktion von σ = 3,7 N erreicht wird.

Dies entspricht der minimalen Kraft, die eindeutig detektiert werden kann, ohne dass sich das Rauschen der beiden Signalplateaus überlagern. Die Ergebnisse der Sensorfusion zeigen somit auf, dass durch die Verrechnung mehrerer DMS-Signale eine höhere Sensitivität für die Kraftrekonstruktion erzielt wird. Zudem wird die Richtungsabhängigkeit der Sensitivität eliminiert, sodass eine allgemein gültige Sensitivität für die Kraftrekonstruktion genutzt werden kann.

Abschließende Zusammenfassung und Ausblick in die Zukunft

Die vorgestellten Ergebnisse zeigen die messtechnische Untersuchung zur Kraftrekonstruktion auf Basis von strukturintegrierten Halbleiter-Dehnungsmessstreifen in einer Schleifspindel. Es wurde ein linearer Zusammenhang zwischen der Belastung und dem DMS-Signal identifiziert und die Sensitivität als Proportionalitätsfaktor bestimmt. Zudem wurde gezeigt, dass mittels einer Sensorfusion die Sensitivität weiter gesteigert werden und eine direkte Umrechnung der DMS-Signale in eine äußere Belastung erfolgen kann. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die entwickelte sensorischen Schleifspindel eine Kraftrekonstruktion auf Basis von Halbleiter-Dehnungsmessstreifen zulässt und eine Messung einer externen radialen Belastung auf die Spindelwelle mit einer Auflösung von σ < 3,7 N ermöglicht. Zukünftig wird die sensorische Schleifspindel in die Werkzeugschleifmaschine „VHybrid260“ von Vollmer Werke Maschinenfabrik GmbH montiert und die Kraftmessung unter realen Bedingungen erforscht.

Danksagung

Das Transferprojekt „Produktivitätssteigerung beim Werkzeugschleifen mithilfe einer fühlenden Spindel“ wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer 417859800. Die Autoren danken der DFG für die finanzielle Unterstützung zur Durchführung des Projektes. Des Weiteren danken die Autoren der Vollmer Werke Maschinenfabrik GmbH für die Unterstützung der Arbeiten sowie der Siglinde Vollmer Stiftung Förderung der fachlichen Arbeit. (pk)

* Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena (1959) ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover, Dr.-Ing. Heinrich Klemme (1987) leitet am IFW den Bereich Maschinen und Steue-rungen und M.Sc. Henning Buhl (1995) leitet am IFW die Abteilung Maschinenkomponenten.

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