Ganzheitlicher Blick auf die Kraftmesstechnik

Aus der modernen Produktion der Industrie 4.0 ist die Kraftmesstechnik nicht mehr wegzudenken. Sie ist ein zentraler Baustein, wenn es darum geht, im Spannungsfeld zwischen Kosten einerseits und Qualitätsansprüchen andererseits die richtigen Weichen zu stellen. Für die Entwickler von Kraft- und Drehmomentmesstechnik wie GTM stellen sich neue Herausforderungen. 

In der automatisierten Fertigung ist Sensorik zum Messen von Kräften und Drehmomenten ein integraler Bestandteil. Das Ziel: gleichbleibend hohe Qualität sicherstellen, sie dokumentieren und dabei die Abläufe mit Blick auf die Kosten so effizient wie möglich gestalten. Ein weiteres Einsatzfeld von Kraftmesstechnik sind Prüfstände zum Testen neuer Werkstoffe, Strukturen und Verfahren. Auch hier sind alle Schlüsselbranchen vertreten, die ihre neuen Designs und Lösungen buchstäblich auf den Prüfstand stellen, bevor die Serienfertigung beginnen kann. 

Was beide Bereiche verbindet: Die bewährten, aber in die Jahre gekommenen Abläufe und Verfahren müssen sich der immer schneller fortschreitenden Entwicklung anpassen. Größter Faktor ist die Digitalisierung, auch der wachsende Kostendruck spielt eine große Rolle. Je nach Branche zeigen sich unterschiedliche Schwerpunkte – im Kern finden sich universell erscheinende Schnittmengen, die Treiber für notwendige Innovationen sind. Dazu einige Beispiele. 

Steter Wandel, neue Herausforderungen 

Die rasch fortschreitende Digitalisierung hat viele gewohnte Abläufe stark verändert. Ein Beispiel ist die Industrie 4.0 mit ihren automatisierten und immer stärker vernetzten Produktionsmethoden. Ein anderes Beispiel ist die Miniaturisierung von Elektronik und allgemein Technologie, verbunden mit immer stärkeren Performance-Schüben. Auch das Miteinander hat sich gewandelt. So gleicht sich das Nutzerverhalten im Bereich B2B immer stärker dem B2C-Bereich an. Mit Blick auf Informationsbeschaffung und Kaufentscheidungen hat es sich in den letzten Jahren signifikant in Richtung digitaler Medien verschoben. Nutzer erwarten heute eine digitale Präsenz der Anbieter, die sowohl ansprechend als auch effizient ist, und das zu jeder Zeit an jedem Ort. 

Die demografischen Entwicklungen sind und bleiben herausfordernd: Überall werden gut ausgebildete Fachkräfte gesucht, gleichzeitig gehen erfahrene Fachleute in den Ruhestand – und Unternehmen laufen Gefahr, mit ihnen jahrzehntelanges Know-how zu verlieren. Die Globalisierung zeigt, dass der Wettbewerb Randbedingungen hat, die sich je nach Region stark unterscheiden. Gesetze und Bürokratie können Abläufe genauso vereinfachen wie behindern – was für das eine Unternehmen profitabel ist, kann für das andere den Ausstieg bedeuten. 

Der ganzheitliche Blick zeigt: Unternehmen müssen sich mit ihren bewährten Technologien und Lösungen immer weiterentwickeln, um erfolgreich zu bleiben. Im Bereich Kraftmesstechnik hat GTM bereits damit begonnen, bewährte Lösungen weiterzudenken. Ein Beispiel aus der Praxis ist die dezentrale Messkette: Ihr Aufbau löst sich dank neuer, hochperformanter Messverstärker mehr und mehr vom konventionellen, klassischen Aufbau und weist einen neuen Weg mit neuen Möglichkeiten.

Die klassische Messkette? 

Die klassische Kraftmesskette besteht im Kern aus einem DMS-Kraftaufnehmer, einer mechanischen Anbindung in die Anwendung in Zug, Druck oder Zug/Druck und einer Messleitung zu einem Schaltschrank mit installiertem DMS-Messverstärker. Dieser Aufbau hat sich über Jahrzehnte hinweg entwickelt und etabliert. Seine Vorteile: Präzision, Integration, Austauschbarkeit. 

Vielen erscheint der „Klassiker“ noch immer als interessanter Ansatz, denn: Sowohl Hersteller als auch Kunden verfügen (noch!) über großes Know-how bezüglich der verwendeten Technologien, wie Mechanik oder die elektrische Anbindung über das mV/V-Signal. Klassische Aufnehmer können z.B. sehr einfach parallelgeschaltet und als Summensignal ausgegeben werden. Auch für Sonderfälle wie beim Einsatz in erweiterten Temperaturbereichen gibt es eine Fülle von Praxiserfahrungen, die zu guten Ergebnissen führen. 

Doch das wandelt sich: So gibt das mV/V-Signal das Kraftaufnehmer-Signal nicht auf Newton skaliert aus – dafür ist ein weiterer, nachgelagerter Schritt nötig. Das bedeutet zusätzlichen Zeitaufwand und Expertenwissen. Durch die unterschiedlichen Komponenten einer klassischen Messkette – einschließlich der Fülle an Varianten – steigt für Kunden die Vielfalt der Einkaufsgüter. Daraus folgt ein hoher Aufwand für Ersatzteilbeschaffungen und die Systempflege. Zudem muss jemand über das erforderliche Know-how verfügen: über die verwendeten Varianten, eventuelle Alternativen und auch für die Fehlersuche bei Störungen. Fehlt ein solcher Spezialist – sei es durch Ruhestand oder den Fachkräftemangel –, wird es schnell kritisch. 

Nicht zuletzt ist die klassische Messkette bekanntermaßen anfällig gegen elektromagnetische Einstrahlungen: Ohne Gegenmaßnahmen kann das ausgegebene mV/V-Signal verfälscht werden und die Gesamtperformance der Anwendung erheblich negativ beeinflussen. Speziell abgeschirmte Messleitungen schaffen Abhilfe, doch sind sie sehr kostspielig. Alternativen gibt es bereits ... 

Ein neuer Weg – die dezentrale Kraftmesskette 

Neue Entwicklungen im Bereich der DMS-Messverstärker erlauben es, die klassische Messkette neu zu denken: Der Schlüssel dafür sind kleine, kompakte und robuste Verstärkermodelle, die nah am Sensor installiert werden. 

Daraus folgt eine ganze Reihe an Vorteilen: Die buchstäblich „lange Leitung“ zu einem Schaltschrank entfällt, mögliche EMV-Einflüsse reduzieren sich drastisch. Hinter dem sensornahen Verstärker müssen keine teuren Spezialkabel mehr als Messleitung oder für die Speisung verwendet werden – zum Einsatz kommen handelsübliche Ethernetleitungen. Da Kraftmesssensor und Verstärker ab Werk mit den passenden Steckern ausgestattet sind, reduziert sich der Aufwand für die Verdrahtung nochmals. Die Ethernet-Schnittstelle gewährleistet die Standardisierung bei der Einbindung ins Leitsystem, sie gilt als zukunftssichere Lösung. 

Der integrierte Ansatz 

GTM verfolgt einen weiteren neuen Ansatz, bei dem der Messverstärker gleich im DMS-Kraftaufnehmer integriert ist. Damit ist es möglich, den Sensor vollumfänglich und zu jedem Zeitpunkt seines Betriebs zu überwachen und zu optimieren. Anwender erhalten Handlungsempfehlungen bei ungewöhnlichen Messwerten, dank integrierter Sensor-Diagnose ist der Zustand des Systems stets transparent. Eventuelle Störungen lassen sich leicht finden und beheben, Plug & Process-Funktionalität beschleunigt die Fehlerbehebung. 

Da Sensor und Verstärker eine Einheit bilden und auch die Schnittstelle integriert ist, reduziert sich der Aufwand für die Installation signifikant. Verkabelt wird mit konventionellen Ethernetleitungen, teure analoge Messleitungen sind überflüssig. Auch bei diesem Ansatz liefert der Aufnehmer das skalierte Signal in Newton. Ein weiterer, großer Kundenvorteil besteht darin, dass GTM die Komponenten für größtmögliche Präzision aufeinander abstimmt: Hysterese-Abweichungen können noch im Sensor verrechnet und kompensiert werden. 

Für diesen neuen Ansatz der Kraftmesstechnik gilt, wie bei der dezentralen Messkette, dass das nötige Know-how im Aufbau ist. Doch mit der neuen Generation an Fachkräften, die in die Unternehmen kommen, wird der Übergang vom klassischen mV/V-Umfeld in Richtung Ethernet fließend erfolgen. Auf Seiten der Anwender mag es Unsicherheit geben, wie sich bestehende (klassische) Messketten effizient umrüsten lassen. Aus Sicht von GTM ist der dezentrale Ansatz die perfekte Lösung, denn hier besteht die Möglichkeit, konventionelle mV/V-Aufnehmer weiterhin einzusetzen – kombiniert mit einem dezentralen DMS-Verstärker, nah am Sensor. 

Zwischen Tradition und integrierter Zukunft 

Die klassische Kraftmesskette hat nicht ausgedient, sie stellt weiterhin den Großteil der aktuellen Anwendungen in der Kraftmesstechnik. Allerdings erhält der dezentrale Ansatz immer mehr Aufmerksamkeit, denn er bietet klare Vorteile. Werden neue Kraftmesssysteme aufgebaut oder bestehende Systeme schrittweise erneuert, entscheiden sich Anwender zunehmend für den dezentralen Aufbau. Sie schätzen die Möglichkeit, neue Wege zu gehen und nutzen die Freiräume und Potenziale, die der neue Ansatz bietet. 

Neuland ist hingegen der integrierte Ansatz der Kraftmesstechnik. Aus Sicht von GTM stellt die Integration des Messverstärkers in den Kraftmesssensor den nächsten konsequenten Schritt in Richtung smarte Kraftaufnehmer dar. Technologisch sind alle nötigen Komponenten und das Know-how vorhanden. Nun braucht es mutige und progressive Anwender, die, Hand in Hand mit Herstellern wie GTM, Prototypen mit integriertem und hochperformantem Verstärker in ihren Anwendungen einsetzen und praktische Erfahrungen sammeln. Mit GTM hätten Unternehmen einen Partner an der Seite, um ein solches Pionier-Projekt für beide Seiten erfolgreich und auf Augenhöhe anzugehen – ein Gewinn vor allem für die Kraftmesstechnik der Zukunft. 

Autor: Marcel Richter, Kaufmännische Geschäftsführung bei GTM 

Bilder: GTM Testing and Metrology