Präzise Kalibrierung für komplexe Kräfte
Entwicklung individueller, maßgeschneiderter MKA-Kalibrierverfahren
Daniel Schwind, Leiter Metrologie
In vielen Anwendungen der Industrie und Metrologie bilden Kraft-Momenten-Sensoren respektive Mehrkomponentenaufnehmer (MKA) die Grundlage, auftretende Kräfte und Momente richtig zu erfassen, Prozesse reproduzierbar durchzuführen und Produkte sicherer herzustellen. In vielen Unternehmen wächst dafür das Bewusstsein, und sie investieren in die Entwicklung neuer MKA. Ein richtiger Schritt mit viel Raum für Optimierung.
In der Metrologie sind Mehrkomponentenaufnehmer noch vergleichsweise jung, ihre Entwicklung verläuft sehr dynamisch. Obwohl sie in vielen Anwendungen eine zunehmend wichtigere Rolle spielen, ist die nötige Infrastruktur noch immer unterentwickelt und konnte bisher kaum Schritt halten: Verbindliche Richtlinien fehlen ebenso wie Bezugsnormale zur erforderlichen Kalibrierung. Das ist ein nicht zu unterschätzendes Hindernis für die Entwicklung neuer MKA, denn idealerweise sollten Unternehmen dabei auf Möglichkeiten zur metrologischen Rückführung und zur zielgerechten Kalibrierung zurückgreifen können.
Ein weiterer Aspekt: Jedes Kalibrieren kostet Geld, deswegen ist es allein schon aus ökonomischen Gründen wichtig, ein Kalibrierverfahren für MKA zur Verfügung zu haben, das allen benötigten Anforderungen entspricht. „Allerdings ist der industrielle Einsatz der MKA so vielschichtig, dass ein `universelles´ Kalibrierverfahren, das sich auf den ersten Blick aufdrängt, in den meisten Fällen nicht den wirtschaftlichen Erwartungen gerecht wird“, erläutert Marcel Richter, Kaufmännischer Geschäftsführer, die Herausforderung. „Hier lautet das Motto: So wenig wie möglich, so viel wie nötig, wobei der erste Teil davon noch recht einfach umzusetzen ist. Für das `so viel wie nötig´ stehen wir von GTM Testing and Metrology mit unserer Erfahrung ein.“
Als ein führendes Unternehmen der MKA-Metrologie bietet GTM eine Lösung für die Herausforderung, für Kunden ein individuelles, maßgeschneidertes MKA-Kalibrierverfahren zu entwickeln und zu liefern. Zwei Beispiele verdeutlichen, wie unterschiedlich die Einsatzfälle von Kraft-Momenten-Sensoren sein können und welche unterschiedlichen Anforderungen an die Kalibrierverfahren daraus resultieren können.
Anwendungsbeispiel Robotik
Heute sind bereits rund vier Millionen Industrieroboter weltweit im Einsatz, mit zunehmender Tendenz. Grund ist deren Flexibilität in der Produktion, die sich bei immer weiter verkürzenden Produktlebenszyklen, zunehmenden Konfigurationsmöglichkeiten der Produkte und unter dem steigenden Rationalisierungsdruck mit einer höheren Wirtschaftlichkeit der Produktionsprozesse bemerkbar macht. Roboter verpacken, schweißen, schleifen, beschichten und montieren – die Anwendungsgebiete wachsen stetig und damit auch die Anforderungen an die Roboter. Zur Erfüllung dieser Anforderungen sind die Roboter mit entsprechenden Sensoren ausgestattet, unter anderem oft mit Kraft-Momenten-Sensoren. Die Kräfte und Momente sind in den produktionsunterstützenden Robotern vergleichsweise gering, insbesondere sind die Momente klein im Verhältnis zu den Kräften. Beim zweiten Beispiel sind die Gegebenheiten ganz anders gelagert.
Anwendungsbeispiel Reifenprüfung
Ein Auto hat vier Reifen. Regional vielleicht sogar acht – vier für den Sommer und vier für den Winter. Jährlich kommen weltweit mehr als 1,2 Milliarden Autoreifen neu in den Markt. Allein diese enorme Zahl verdeutlicht, warum dem Bindeglied zwischen PKW und Straße eine so große Bedeutung zuzumessen ist: je kleiner der Rollwiderstand eines Reifens, umso weniger Energieverbrauch, weniger Emissionen und höhere Reichweite. Um in der Reifenentwicklung die Leistungsfähigkeit beurteilen zu können, gibt es eine Vielzahl verschiedener Reifenprüfstände, die für die jeweils zu untersuchenden Eigenschaften zugeschnittene Kraft-Momenten-Sensoren enthalten. Dass hier die Anforderungen gänzlich spezifisch sind, ergibt sich aus folgender Überlegung: Der Reifen muss ein hohes Fahrzeuggewicht tragen können, bei Kurvenfahrten und beim Bremsen einen hohen Grip aufweisen und beim Abrollen möglichst gar keinen Widerstand aufweisen. Für die in den Prüfständen auftretenden Kräfte und Momente bedeutet dies, dass diese in den verschiedenen Richtungen sehr unterschiedlich ausfallen. Kraft/Kraftverhältnisse und Moment/Momentenverhältnisse von 1:10 sind die Regel. Diese beiden Beispiele zeigen: Es ist unmöglich, ein wirtschaftliches MKA-Kalibrierverfahren für alle industriellen Einsatzbereiche zu etablieren.
Entwicklung neuer Kalibrierverfahren für MKA
2005 war das GTM-Laboratorium weltweit das erste Labor mit einer Akkreditierung für Mehrkomponentenaufnehmer nach DIN EN ISO/IEC 17025 – der Richtlinie, in der die Anforderungen an die Kompetenz von Kalibrierlaboratorien definiert sind. Dazu mussten entsprechende Verfahren und Bezugsnormale selbst entwickelt werden. Die daraus resultierende langjährige Erfahrung nutzt GTM heute, um als Dienstleister in Kooperation mit anderen Unternehmen die metrologische Infrastruktur zur Kalibrierung von Mehrkomponentenaufnehmern weiterzuentwickeln.
„Auf dieser Grundlage können wir neue Kalibrierverfahren für MKA entwickeln, die jeweils optimal auf die Anforderungen des Kunden abgestimmt sind. Zum Gesamtpaket gehören die Erprobung des Verfahrens, die Überführung in das akkreditierte System bis hin zur Fertigung der benötigten Kalibriereinrichtungen, die an den Kunden übergeben werden. Idealerweise läuft dieser Prozess im Rahmen einer umfassenden Zusammenarbeit zwischen uns und unserem Kunden, mit einem wechselseitigen Austausch beider Partner von Beginn an“, so Marcel Richter.
Vertraulichkeit und Exklusivität als Basis
Der erste Schritt einer solchen Kooperation ist eine Vereinbarung unter den Partnern, dass ihre Innovationen und deren Nutzen Dritten nicht zugänglich werden. Alle Informationen, Anforderungen und Lösungen werden exklusiv gehandelt. Für GTM bedeutet das: Sämtliche Daten und Informationen stehen einzig im Rahmen dieser Zusammenarbeit zur Verfügung, sie werden nicht im Rahmen anderer Kooperationen weiterer Kunden von GTM verwendet.
Im nächsten Schritt geht es darum, die Anforderungen und Ziele präzise zu definieren. Oft zeigt sich dabei, dass ein Kunde naturgemäß seine Anwendungen zwar sehr genau kennt, diese aber nur unzureichend in die richtigen metrologischen Parameter umsetzen kann. Diese wiederum sind den GTM-Metrologen wohlbekannt, und so gilt es, aus den geschilderten Anforderungen und dem metrologischen Stand der Technik die Ziele zu definieren, die zur Entwicklung eines neuen Kalibrierverfahrens und der benötigten Kalibriereinrichtung führen. Dabei spielen die Nennlasten, Messbereiche und Genauigkeit der MKA eine wichtige Rolle. Ebenso relevant ist aber auch, ob zum Beispiel gemischte Belastungen zu berücksichtigen sind oder ob eine Konformitätsaussage hinsichtlich einer Herstellerspezifikation zu treffen ist.
„Dabei kann man die aktive Rolle des Kunden über den Verlauf des gesamten Prozesses gar nicht stark genug betonen“, erklärt Marcel Richter. „Je mehr und enger sich die Experten beider Seiten austauschen, desto schneller gelangt die Entwicklung des neuen Kalibrierverfahrens ans Ziel. Tatsächlich ist diese Form der Kooperation in der Messtechnik nicht die Ausnahme, sondern schon jetzt die Regel.“
GTM-Hexapode zum vollautomatischen Kalibrieren von MKA
Insbesondere in Bezug auf die Belastungen der Kraft-Momenten-Sensoren kann GTM mit einem wohl einzigartigen Merkmal punkten: der neu entwickelten und 2022 akkreditierten MKA-Bezugsnormalmesseinrichtung. Mit ihr lassen sich Kalibrierungen ausführen, in denen momentenfreie Kräfte, kräftefreie Momente und nahezu alle beliebigen Kombinationen der Kräfte und Momente ausgeübt werden können. Während der Kalibrierung können die Belastungsfälle anwendungsnah zu den tatsächlich in der Anwendung erwarteten Belastungsfällen ausgeführt werden. Der große Vorteil dabei ist, dass damit die Einschränkungen entfallen, die bei Verwendung von einaxialen Messeinrichtungen zwangsläufig existieren.
„Abschließend ist mir eine Sache noch wichtig“, ergänzt Marcel Richter: „Bei der Entwicklung neuer MKA-Kalibrierverfahren geht es uns nicht darum, ausschließlich Produkte von GTM zu kalibrieren. Wir bieten diese Dienstleistung vielmehr allen Entwicklern und Herstellern von Kraft-Momenten-Sensoren an, die Experten in der Anwendung ihrer Produkte sind und Unterstützung in den metrologischen Aspekten benötigen. Vor allem eine Erfahrung aus vergangenen Kooperationen zeigt sich immer wieder: Je früher die Zusammenarbeit beginnt, desto mehr Entwicklungszeit kann eingespart werden. Unsere Kunden können auf unser Know-how vertrauen und darauf, dass wir schnell erste Kalibrierergebnisse liefern.“
