Mehrkomponentenaufnehmer Kräfte ganzheitlich messen

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GTM Testing and Metrology arbeitet aktuell daran, die Mehrkomponenten-Messtechnik „smart“ zu machen: Plug & Measure ermöglicht es Anwendern, sich voll und ganz auf das Messen zu konzentrieren.

Die Realität in Maschinen, Prüfständen und Anlagen ist selten ideal, und Kräfte wirken nie nur in einer einzigen Richtung. Das weiß auch Paul Zolnierek, einer der beiden Geschäftsführer von GTM: „Ein klassischer, linearer Kraftsensor, wie er in konventionellen Prüfanordnungen vorkommt, misst hochpräzise, aber nur in eine Richtung. Allerdings treten in der Praxis fast immer Querkräfte und Momente auf, die außerhalb der idealen Kraftrichtung wirken. Das lässt sich kompensieren oder miteinbeziehen, bloß ignorieren darf man es nicht, denn dann misst man im besten Fall nur einen Teil der Wahrheit.“

Einachsige Kraftsensoren sind seit Jahrzehnten präzise und bewährt, und es gibt viele Gründe, weshalb sie noch längst nicht ausgedient haben. Doch sie bilden nur einen Ausschnitt des tatsächlichen Kraftgeschehens ab. Anders die Mehrkomponentenaufnehmer (MKA): Sie können Kräfte und Momente in allen drei Raumachsen erfassen, bis zu sechs Komponenten gleichzeitig. Das Ergebnis ist ein vollständiges, physikalisch sauberes Bild des Systems, in dem sie integriert sind.

Die Ära der Mehrkomponentenaufnehmer ist da

Das ist besonders von Bedeutung in Prüfständen, in denen komplexe Belastungen wirken, wie es sie z.B. im Bereich Automotive für Reifen- und Fahrwerkstests gibt. Der Vorteil liegt darin, dass ein MKA, anders als ein einachsiger Sensor, auch Querkräfte und Momente erkennt und misst, die immer auch einen Einfluss auf diejenige Kraft haben, die eigentlich von Interesse ist. „Sobald ich diese Querkräfte kenne, kann ich sie kompensieren“, erläutert Paul Zolnierek. „Das geschieht über eine sogenannte Kompensationsmatrix, die alle Einflussgrößen mathematisch bereinigt. So bekomme ich den reinen, kompensierten Wert in der Achse, die mich interessiert.“

Diese Matrix wird mithilfe einer Hochpräzisions-Kalibrieranlage ermittelt. GTM hat dabei den Vorteil, eine der leistungsstärksten MKA-Kalibriereinrichtungen zu besitzen. Mit dem 4,5 m³ großen Prüfraum bietet sie genug Platz auch für größere Prüfstücke und hat einen außergewöhnlich weiten Messbereich. Sie arbeitet außerdem vollautomatisch, teils sogar „mannlos“ und über Nacht – derzeit einzigartig und eine GTM-Eigenentwicklung. Das spart viel wertvolle Zeit und Geld. Die Messunsicherheit der MKA-Messeinrichtung liegt bei 0,1 Prozent, ein Spitzenwert. Sie kann Kräfte von 4 bis 500 kN axial und 2 bis 200 kN quer präzise messen, Momente misst sie zwischen 2 und 50 kN·m. Die Hexapode, wie GTM die Einrichtung kurz nennt, ist ein wichtiger Bestandteil, wenn es darum geht, die Weichen in Richtung smarte Messtechnik zu stellen, vor allem mit Fokus auf die Mehrkomponentenaufnehmer.

Messen, was wirklich ist

Diese erhalten eine immer größere Bedeutung und kommen in den aktuellen Schlüssel- und Hightech-Branchen vermehrt zum Einsatz. Besonders in der Automobilindustrie haben sie neue Maßstäbe gesetzt: Hier ermöglichen MKA-Plattformen, eine besondere Bauweise von Mehrkomponentensensoren, die vollständige Erfassung komplexer Belastungsszenarien an Reifen, Bremsen oder Fahrwerkskomponenten.

Ein stark wachsendes Feld ist die Robotik. Roboter, die Kräfte „fühlen“ und interpretieren können, sind nicht nur präziser, sondern auch sicherer im Zusammenspiel mit Menschen. Paul Zolnierek: „Wenn ein Roboter weiß, welche Kräfte in welcher Richtung wirken, kann er sensibler reagieren – fast so, als hätte er ein Tastgefühl. Die Messung mit MKA ist ein Schlüssel, um Robotern echtes Feedback zu geben. Ein wirklich spannendes Feld!“ Weitere Einsatzbereiche reichen von der Luft- und Raumfahrt über die Medizintechnik und bis zur Wissenschaft und Forschung.

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Wie MKA-Messtechnik „smart“ und kosteneffizienter wird

Doch worin besteht das Neue, an dem GTM aktuell arbeitet? „Was wir aktuell entwickeln und woran wir arbeiten, ist die konsequente Integration der nötigen Elektronik direkt in den Mehrkomponentensensor“, erläutert Zolnierek. Üblicherweise befinden sich in klassischen Messanordnungen die nötigen Messverstärker im Schaltschrank, mehrere Meter entfernt vom Aufnehmer. Das verursacht nicht nur Signalverluste, die zu verfälschten Ergebnissen führen können, sondern auch enorme Verkabelungskosten, denn: „So eine Verkabelung ist keine Wald-und-Wiesen-Elektroleitung“, so Zolnierek, „es sind hochpräzise Sensorleitungen, und bei sechs Achsen müssen Sie jede einzeln führen. Zehn Meter Kabel pro Leitung, das summiert sich – finanziell und technisch.“ Wenn es aber gelingt, den Verstärker direkt in den Sensor zu integrieren, gibt es einen gleich doppelten Spareffekt, für Kosten und Genauigkeitsverluste. Und noch dazu potenziell deutlich präzisere Ergebnisse.

Plug & Measure ist der Weg zur intelligenten Messtechnik

„Wir nennen unser Konzept Plug & Measure“, fährt Zolnierek fort. „Unser Kunde erhält ein All-inclusive-Gerät, komplett vorkalibriert und kompensiert, mit der größtmöglichen Präzision, die unsere MKA-Messeinrichtung bietet. Ein digitales Ausgangssignal liefert direkt die berechneten Messwerte. Damit nehmen wir dem Anwender viele Stolpersteine ab. Er muss keine Kompensationsmatrix mehr manuell einpflegen, keine Verstärker konfigurieren, man kann keine Leitungen verwechseln. Stromversorgung und digitale Schnittstelle anschließen – fertig. Das ist unser Weg zur intelligenten MKA-Messtechnik.“

Auch bei den sogenannten aufgelösten Systemen, die für besonders komplexe Messungen oder in großen Prüfständen zum Einsatz kommen, ist der von GTM verfolgte Ansatz vielversprechend und sogar leichter zu realisieren, denn: Solche Systeme sind größer als einzelne, monolithische MKA, mit Abmessungen bis zu 2 x 2 Meter groß. Typischerweise sind es OEM-Anwendungen, bei denen solche Messplattformen zum Einsatz kommen. Immer von GTM angepasst an die Bedürfnisse des Kunden, aber letztlich alle mit exakt der gleichen Funktion, nämlich alle Kräfte und alle Drehmomente in allen drei Achsen präzise zu erfassen. Paul Zolnierek: „Bisher war es so: Der Kunde bestellt bei uns seine Messplattform und erhält vereinfacht gesagt ein sehr großes Stück Metall, dazu ein Stück Papier mit den Werten für die Kompensationsmatrix. Diese Plattform schließt er dann an einen Messverstärker an. Bei den monolithischen MKA gehen wir bei GTM den Weg der sensornahen Lösung, bringen also die Elektronik so nah an den Sensor wie möglich. Bei den Messplattformen können wir aufgrund des großen Bauraums die Elektronik in der Plattform integrieren.“

Exkurs: Der digitale Kalibrierschein als Datenpaket

Stichwort Papier und Kompensationsmatrix: Es lohnt sich zu wissen, dass aktuell eine Entwicklung stattfindet, mit denen die Kraft- und Momentenmessung einen großen Sprung in Richtung Anwenderfreundlichkeit machen wird. Der digitale Kalibrierschein (DCC) wird perspektivisch den Papiernachweis ablösen. Nicht nur für GTM ist das ein logischer Schritt: Da die Sensoren ohnehin digital kommunizieren, können und sollten die Kalibrierdaten künftig direkt in der Elektronik abgelegt sein. „Technologisch ist das längst kein Hexenwerk mehr, sondern im Grunde ein digital abgelegtes, maschinell lesbares PDF“, so Zolnierek. „Die Kunst besteht jedoch darin, für alle Anwender weltweit verbindliche Normen zu finden. Da sind die beteiligten Akteure schon weit vorangeschritten, aber es ist noch ein Stück Weg zu gehen.“

Die Zukunft misst mehrdimensional

Auch Mehrkomponentenaufnehmer werden nicht über Nacht alle bestehenden Systeme ersetzen. Bei GTM geht man aber davon aus, dass die Zukunft den MKA gehört, denn sie liefern mehr Informationen und mehr Möglichkeiten, Prozesse zu verstehen und zu optimieren. Während einachsige Sensoren weiterhin in Anwendungen ihren Platz haben, in denen es um höchste Präzision oder um sehr große Kräfte geht, erschließen MKA neue Erkenntnisse über all das, was sich noch im Verborgenen befindet. „Wir werden weiterhin viele einachsige Sensoren verkaufen“, so der GTM-Chef, „aber wann immer sich die Gelegenheit bietet, stoße ich unsere Kunden zum Nachdenken an und frage sie, ob sie sich wirklich sicher sind, ihre Anlage vollständig zu kennen. Denn schaut man genauer hin, zeigt sich oft, dass Querkräfte oder Biegemomente eine größere Rolle spielen als vermutet. Und ein ums andere Mal lässt sich der Kunde überzeugen, es mit einem MKA-System zu versuchen.“ 

Marcel Richter ist Geschäftsführer der GTM Testing and Metrology GmbH.