Entwicklung eines drahtlosen, energieautarken, sensorischen Systems für bewegliche Werkzeugmaschinenkomponenten

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein drahtloses, energieautarkes Sensorsystem zur Messung von Kraftmaxima in einem Stanzprozess entwickelt. Zur Energieversorgung wird ein Energy Harvesting-Konzept entworfen, in dem über ein Piezoelement aus der Verformung des Stößels eines Stanzwerkzeuges Energie gewandelt sowie in einem Superkondensator gespeichert wird. Das Sensorsystem nimmt den Betrieb zur Messwertaufnahme periodisch selbständig auf und deaktiviert sich nach erfolgter Datenübertragung automatisch zum Energiesparen. Das Messkonzept besteht aus einem zweiten Piezoelement in Verbindung mit einem Ladungsverstärker. Der Maximalwert des Kraftverlaufes kann von einem Mikrocontroller ermittelt und mittels Bluetooth Low Energy drahtlos über eine verbindungslose, unidirektionale Funkübertragung energieeffizient an einen Empfänger gesendet werden. Zum Test des Sensorsystems wird ein Prüfstand zum Nachbilden des Stanzprozesses aufgebaut. Mit diesem kann die Machbarkeit des energieautarken Betriebs des Sensorsystems nachgewiesen sowie die Performance des Systems analysiert werden.

In the course of this thesis, a wireless, energy self-sufficient sensor system for measuring the maximum force in a punching process is developed. For the energy supply, an energy-harvesting concept is designed, in which energy is converted from the deformation of the ram of a punching tool via a piezoelectric element, and stored in a supercapacitor. The sensor system powers up periodically to record measurement values and deactivates itself automatically to save energy after the data transmission has been completed. The measuring concept consists of a second piezoelectric element in conjunction with a charge amplifier. The maximum value of the force curve can be determined by a microcontroller and transmitted wirelessly to a receiver via an energy efficient, connectionless, unidirectional radio transmission using Bluetooth Low Energy. To test the sensor system, a test stand is set up to simulate the punching process. This enables the feasibility of the energy self-sufficient operation of the sensor system to be proven and the performance of the system to be analyzed.