Image-based and structure-integrated sensor for multiaxial measurement of structure deformations

Automated process chains in Industry 4.0 lead to increasing relevance for data acquisition to control forces and torques in many manufacturing processes. By measuring process forces and moments, it is possible to implement control approaches and, thus, more accurately obtain selected product characteristics. Moreover, the use of sensors is increasing to enable digital structural monitoring approaches and predictive maintenance. However, poor accessibility, error-prone measurement positions, or harsh environments typically prevent the use of external sensors for the accurate measurement of load conditions in load-bearing structures or process forces/moments in manufacturing machines. Structure and machine elements with integrated sensors permit the direct measurement of process forces and moments on the structural components or machine tools without affecting their mechanical functionality. According to the latest research, the integration of electromechanical transducers, such as strain gauge-based or piezoelectric transducers, into passive metallic structures by various methods, especially forming technology, has proven to be particularly promising. However, while these solutions have excellent potential, their widespread implementation is hampered by the limited performance of the sensors, such as high-resolution detection of the direction and magnitude of the applied loads, and their associated high cost. This dissertation undertakes an investigation into the viability of employing optical image-based measurement concepts for measuring structural deformation under external loads, with the aim of realizing cost-effective and, at the same time, multiaxial sensor load-bearing structures and machine elements. A specialized measurement concept is developed, and relevant system design parameters are identified in a systematic manner. In addition, a process design is investigated for the integration of sensitive optical elements into metallic structures by rotary swaging, taking into consideration the respective requirements for positional accuracy. The dissertation concludes by highlighting the overall potential of optical image-based sensors for the comprehensive detection of multiaxial loads in structures and machine elements, thereby paving the way for the widespread integration of sensor structures and machine elements in various application domains.

Mit der Automatisierung von Prozessketten in der Industrie 4.0 gewinnt die Datenerfassung zur Regelung von Kräften und Momenten in vielen Fertigungsprozessen zunehmend an Bedeutung. Durch die Erfassung von Prozesskräften und -momenten können Regelungsansätze umgesetzt werden, um ausgewählte Produkteigenschaften genauer zu erreichen. Darüber hinaus werden zunehmend Sensoren zur digitalen Strukturüberwachung und vorausschauenden Wartung eingesetzt. Allerdings verhindern schlechte Zugänglichkeit, fehleranfällige Messpositionen oder raue Umgebungsbedingungen in der Regel den Einsatz externer Sensoren zur genauen Messung von Belastungszuständen in Tragstrukturen oder von Prozesskräften/-momenten in Fertigungsmaschinen. Durch die Integration von Sensoren in Struktur- und Maschinenelemente können Prozesskräfte und -momente direkt an Bauteilen oder Maschinenwerkzeugen gemessen werden, ohne deren mechanische Funktionalität zu beeinträchtigen. Die Integration von elektromechanischen Wandlern, wie dehnmessstreifenbasierten oder piezoelektrischen Wandlern, in passive metallische Strukturen hat sich nach neuesten Forschungserkenntnissen durch verschiedene Verfahren, insbesondere der Umformtechnik, als besonders vielversprechend erwiesen. Eine breitere Anwendung dieser Lösungsansätze wird jedoch durch die begrenzte Leistungsfähigkeit der Sensoren, wie z. B. die hochauflösende Erfassung von Richtung und Betrag der aufgebrachten Lasten, und die damit verbundenen hohen Kosten behindert. In dieser Dissertation wird die Einsatzmöglichkeit von optischen, bildbasierten Messkonzepten zur Erfassung von Strukturverformungen unter externen Lasten untersucht, mit dem Ziel, kostengünstige und gleichzeitig mehrachsig sensorische Tragstrukturen und Maschinenelemente zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird ein spezielles Messkonzept entwickelt und es werden systematisch die relevanten Systemauslegungsparameter identifiziert. Weiterhin wird ein Prozessdesign zur Integration empfindlicher optischer Elemente in metallische Strukturen durch Rundkneten unter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit untersucht. Die Dissertation schließt mit der Betonung des Gesamtpotenzials optischer bildbasierter Sensoren zur Erfassung multiaxialer Belastungen in Strukturen und Maschinenelementen, wodurch der Weg für eine weitreichende Integration von Sensorsystemen und Maschinenelementen in verschiedenen Anwendungsbereichen geebnet wird.