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Mit PC-basierter Steuerung Kräfte an der Nachweisgrenze messen

Mehrkomponenten- Kalibrierung

Mehrdimensionale Kraftsensoren zu kalibrieren, gilt als Königsdisziplin der Mess- und Prüftechnik. In seinem Ansatz kombiniert GTM nicht nur einen bisher unangetasteten Messbereich, Aufbau und Größe der Messeinrichtung, sondern auch ein neuartiges Automatisierungskonzept: PC-basierte Steuerung, Ethercat und Servoantriebstechnik steuern und regeln die Krafteinleitung über einen Hexapoden, während Präzisionsmessklemmen Kräfte und Momente in Echtzeit erfassen.

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Eine neuartige Mehrkomponenten-Bezugsnormalmesseinrichtung verringert die Messunsicherheit um den Faktor fünf.

Bereits 2005 war GTM Testing and Metrology weltweit das erste nach DIN EN ISO/IEC17025 akkreditierte Laboratorium für Mehrkomponenten-Messtechnik. Seitdem werden in Bickenbach bei Frankfurt nicht mehr nur Kraft- und Drehmomentaufnehmer kalibriert, sondern auch Mehrkomponentenaufnehmer.

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Die Messtechnikklemmen lassen sich auf Hutschienen montieren und nahtlos in die Steuerungsarchitektur integrieren.

Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten: Der Betrag der Kraft wird für jede einzelne Komponente sehr genau bestimmt; die weiteren Größen wie Kraftangriffspunkte, Kraftrichtung und Hebelarme dagegen lediglich möglichst genau geschätzt. Diese Messungen finden auf einaxialen Messeinrichtungen statt. "Eine andere Möglichkeit ist, den Kraftvektor vollständig zu messen", zeigt Daniel Schwind, Geschäftsführer und technischer Direktor bei GTM, einen zweiten in der Metrologie viel diskutierten Ansatz auf. Der Vorteil: Die Messunsicherheit ergibt sich dann allein aus dem Messaufbau. Bei GTM ist man überzeugt, dass sich diese vollständige Vektormessung langfristig an staatlichen Instituten wie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und in der Industrie etablieren wird. Demzufolge war als Ergänzung zur seit 2005 betriebenen, manuellen Mehrkomponenten-Bezugsnormalmesseinrichtung, die Investition in eine neue, vollautomatische Anlage für GTM ein logischer Entwicklungsschritt.

Mit seiner Messeinrichtung hat GTM eine technologische Schneise in metrologisch schwieriges Terrain geschlagen. Denn alle bisherigen Mehrkomponenten-Kalibrierverfahren haben an der ein oder anderen Stelle Schwachpunkte, sei es die erreichbare Messunsicherheit oder der Kalibrieraufwand. "Die Mehrkomponenten-Bezugsnormalmesseinrichtung, so wie wir sie realisiert haben, war Terra Incognita," so Daniel Schwind. Dementsprechend war zum Teil Grundlagenforschung notwendig. Diese Arbeiten an der Vergleichsmessung und der Nachweis liefen im Vorfeld und teils auch parallel zur Entwicklung der Messeinrichtung. "Die Diskussionen mit dem Begutachter über unser Verfahren und die Rückführung unserer Messeinrichtung bei der Akkreditierung waren sehr fruchtbar", erinnert sich Torsten Hahn, Stellvertretender Leiter des Kalibrierlabors. Die Überlegungen zur Messeinrichtung begannen bereits Mitte 2016, als die Anfragen für Mehrkomponenten-Kalibrierung so sehr stiegen, dass sich alle Aufträge auf der bestehenden Messeinrichtung und mit dem bisherigen Kalibrierverfahren gar nicht mehr realisieren ließen. Denn der bis dato manuelle Kalibrierprozess ist sehr aufwändig: Der Kalibriergegenstand muss exakt in der Messeinrichtung eingebaut werden, und für die Messungen in der Messeinrichtung mehrmals umgebaut werden. Der gesamte Kalibriervorgang ist damit mit viel Rüstzeit verbunden. "Bislang dauerte so eine Kalibrierung rund zwei Tage", so Marcel Richter, Director Product Management & Marketing bei GTM. Auf der neuen Messeinrichtung reduziert sich der Zeitaufwand erheblich, konkret auf das Einspannen des Prüflings, die Konfiguration der Messeinrichtung an den Kalibriergegenstand und das Konfigurieren des automatischen Kalibriervorgangs in der Bediensoftware. "Durch die Integration aller Komponenten kann die Kalibrierung vollautomatisch über Nacht erfolgen", zeigt Torsten Hahn einen Riesenvorteil gegenüber dem bisherigen Ablauf auf.

Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 3 (HMI) 2023 - 05.04.23.
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