Gleich was der Kilometerstand eines Autos anzeigt: Durchgesessene Sitze werden von Autofahrern nicht toleriert. Neue Sitzschäume werden deshalb auf ihre Dauerfestigkeit getestet. Dazu gibt es zwar Standard-Prüfsysteme, diese lassen sich aber nur schwer an neue Prüfverfahren anpassen. Abhilfe schafft hier ein eigens entwickelter, flexibler Sitzschaumprüfstand.

Autofahrer erwarten eine hohe Qualität und Lebensdauer ihres Fahrzeugs – auch bei hoher Laufleistung. So ist es nur folgerichtig, dass auch durchgesessene Sitze nicht akzeptiert werden. Die Aufgabe für Entwickler besteht deshalb darin, Sitze zu konstruieren, die einerseits komfortabel sind, andererseits eine hohe Lebensdauer garantieren. Um die Dauerfestigkeit neuer Sitzschäume beurteilen zu können, hat die Industrie Prüfnormen entwickelt. Diese Normen ermöglichen es, die Belastungen eines ganzen Sitzlebens in vergleichsweise kurzer Zeit zu simulieren. Unter bestimmten klimatischen Bedingungen werden dabei Schaumteile über definierte Zeiträume (Tage oder Wochen) zyklisch be- und entlastet. Zu definierten Zeitpunkten erfolgt die Ermittlung von Kennwerten, die dann eine Aussage über das Lebensdauerverhalten des Prüflings erlauben.
Die am Markt verfügbaren Standardsysteme für Schaumstoffdauerprüfungen decken zwar die Anforderungen der bestehenden Normen ab, sind jedoch hinsichtlich der Adaption an neue Prüfverfahren und -methoden wenig flexibel. Deshalb beauftragten Automobilhersteller und Zulieferer das Unternehmen A-Solution damit, einen Sitzschaumprüfstand zu entwickeln, der auf Standardkomponenten basiert. Dieser soll nach verschiedenen, aktuellen Normen automatisiert prüfen, gleichzeitig aber auch mit geringem Aufwand an neue Prüfanforderungen angepasst werden können. Kernelemente des Prüfstands sind die Applikationssoftware Diadem von National Instruments und ein von A-Solution entwickelter Diadem-Ethercat-Treiber. Dieser stellt eine Echtzeitanbindung unterschiedlicher Hardware mit Ethercat-Schnittstelle an Diadem her. Diadem übernimmt dabei sämtliche in der Applikation benötigten Softwarefunktionen: Benutzerführung bei der Eingabe der Prüfparameter, Ablaufsteuerung, Messdatenerfassung und -ausgabe, Regelung der Eindruckkraft, Visualisierung, Datenspeicherung und Reportgenerierung.

Die einzelnen Prüfschritte

Die Diadem-Applikation erlaubt eine Abfolge von bis zu zehn Prüfschritten. Diese umfassen die Konditionierung, die Eindrückhärtezahl-Messung (EHZ-Messung), die Dauerschwingversuchprüfung (DSV-Prüfung) sowie eine Prüfung gemäß ISO3385.
Die Konditionierung ermöglicht die Einstellung parametrierbarer Klimabedingungen während der Prüfung. Dabei wird zuerst eine Solltemperatur in der Klimakammer eingestellt, anschließend die vorgegebene Feuchte. Ist diese ebenfalls erreicht, beginnt eine Wartezeit, während derer die eingestellten Klimaparameter gehalten werden, um einen stabilen Zustand des Prüflings zu erreichen.
Die EHZ-Messung dient zur Ermittlung der Härte des Prüflings. Dabei wird der Prüfstempel dreimal mit einem maximalen Eindrückweg und anschließend einmal mit dem vorgegebenen Messeindrückweg in den Prüfling gepresst. Beim letzten Eindrücken erfolgt die Aufzeichnung des Kraft-Weg-Verlaufs. Die Eindrückvorgänge beginnen jeweils am Nullpunkt, der bei Anliegen einer definierten Vorkraft ermittelt worden ist.
Bei der DSV-Prüfung wird der Prüfling zyklisch kraftgeregelt belastet, indem der Prüfstempel entsprechend einer vorgegeben Anzahl von Lastwechseln mit einer definierten Sollkraft in den Prüfling eindrückt. Der Sollkraftverlauf ist sinusförmig, wobei Offset, Amplitude und Frequenz der Sollfunktion aus Vorgaben für Eindrückkraft und Belastungsfrequenz resultieren. Über eine vorgegebene Anzahl von Perioden werden Kraft, Weg, Klimakammertemperatur und -feuchte sowie Prüflingstemperatur erfasst.
Die ISO-3385-Prüfung beinhaltet eine zyklische, Weg-geregelte Belastung des Prüflings mit kraftabhängiger Offset-Korrektur. Dabei wird der Prüfstempel mit einem definierten Sollweg in den Prüfling eingedrückt. Der Sollwegverlauf ist sinusförmig, wobei Amplitude und Frequenz der Sollfunktion aus Vorgaben für Eindrückweg und Belastungsfrequenz resultieren. Der Offset des sinusförmigen Kraftverlaufs wird dabei während der Prüfung nachgeregelt, sodass der Umkehrpunkt stets bei der parametrierten maximalen Eindrückkraft liegt. Die aktuelle Abweichung des Offsets zu dem Offset bei Beginn der Messung kann an der Anzeige „Wegdifferenz“ abgelesen werden. Die Datenerfassung entspricht der für die DSV-Prüfung beschriebenen.

Anpassung der Messaufgabe

Bis dahin unterscheidet sich der Diadem-basierte Sitzschaumprüfstand nicht grundsätzlich von den marktüblichen Prüfmaschinen, auch wenn viele dieser Systeme nur einen der genannten Prüfschritte beherrschen. Ein wesentlicher Vorteil dieser auf Standardsoftware basierenden Lösung kommt dann zum Tragen, wenn es darum geht, neue Prüfvorschriften zu implementieren – sei es, weil sich die gesetzlichen Vorschriften ändern oder herstellerspezifische Prüfungen durchgeführt werden müssen. Die offen gestaltete Diadem-Applikation kann in jeder Hinsicht modifiziert werden. Durch Anpassung der Messaufgabendefinitionen, der sogenannten DAC-Schaltpläne, können mittels grafischer Konfiguration neue Prüfalgorithmen implementiert werden. Mittels Script-Programmierung in Visual Basic Script ist die Umsetzung neuer Auswerte- und Analysefunktionen möglich. Neue Anforderungen an die Gestaltung der Prüfberichte können grafisch-interaktiv im Diadem-Report erfüllt werden.

Kernkomponente Ethercat

Der Aufbau der Hardware und deren Verbindung untereinander sind entscheidend für die Funktionalität des Gesamtsystems. Der Prüfstand basiert deshalb auf dem Industrial-Ethernet-Standard Ethercat. Die Entwickler haben alle zeitkritischen Hardware-Komponenten nach ihrer optimalen Anbindung an diesen Bus ausgewählt. Die analogen und digitalen Signale werden über ein Ethercat-Slave-Chassis NI 9144 und die zugehörigen IO-Modulen der C-Serie erfasst und ausgegeben. Das Aufbringen definierter Kräfte auf die Prüflinge übernimmt ein Linearstellzylinder von A-Drive (Baureihe GSM). Der mechanische Prüfaufbau, die Aktorik und Sensorik sind in eine Klimakammer Vötsch VC³ 4100 integriert, die – da hier keine Echtzeitanforderungen bestehen – über eine Ethernet-Schnittstelle an die Prüfstandssteuerung angebunden ist.
Die Schnittstelle zwischen der Applikationssoftware und dem Bussystem muss Daten mit hohen Erfassungsraten und in Echtzeit übertragen, um die geforderten Reaktionszeiten bei der Regelung sicherzustellen. Das ermöglicht der Diadem-Ethercat-Treiber von A-Solution. Dank Busscan-Funktion wird die Ethercat-Topologie automatisch erkannt. Die Einbindung des Treibers in Diadem erlaubt Datenerfassungsraten größer 20 kHz bei gleichzeitiger Interrupt-gesteuerter Signalausgabe ebenfalls im Kilohertz-Bereich. Beim hier beschriebenen System genügt eine Abtastrate von 1 kHz für Erfassung und Ausgabe zur Erfüllung der Prüfaufgabe. Der Zugriff auf den Treiber erfolgt im einzelwertbasierten Diadem-Software-Takt, sodass Steuerungs- und Regelungsaufgaben gut umgesetzt werden können. Der dem Treiber zugrundeliegende Ethercat-Master benutzt dabei handelsübliche Ethernet-Controller, was im konkreten Fall ermöglicht, die komplette Applikation auf einem Notebook-PC zu betreiben. Das Problem der Synchronisation unterschiedlicher Hardware entfällt, da die Daten aller Busteilnehmer in einem Telegramm übertragen werden. Verteilte Messstellen stellen ebenfalls kein Problem dar, da die Fast-Ethernet-Physik Abstände zwischen zwei Teilnehmern von bis zu 100 Metern erlaubt. Somit muss die Bedienung der Applikation nicht im beengten und lauten Prüfstandsumfeld erfolgen. Vielmehr kann diese in eine ruhige Büroumgebung verlagert werden, ohne dass sich hieraus ein negativer Einfluss auf Signalqualität oder Echtzeitverhalten ergibt.

Zusammenfassung

Mit dem Sitzschaumprüfstand hat A-Solution den Kunden ein System zur Verfügung gestellt, das die flexible Lösung variierender Prüfaufgaben mittels Standard-Hard- und -Software-Komponenten ermöglicht. Signalerfassung und -ausgabe über den Diadem-Ethercat-Treiber und Hardware mit Ethercat-Schnittstelle sichern den Betrieb eines verteilten, Windows-basierten Systems in Echtzeit. Die offene Softwarestruktur basierend auf Diadem ermöglicht dem Kunden die Anpassung des Systems an künftige Anforderungen. Dank des Prüfstands ist die Beurteilung neuentwickelter Sitzschaum-Materialien flexibler und – da alle Prüfungen mit einer Anlage durchgeführt werden können – kostengünstiger als mit den üblicherweise eingesetzten Prüfmaschinen möglich.