Sensorik Aufpresssensoren für die Dehnungsmessung

Herkömmliche Sensoren für die Dehnungsmessung werden häufig aufgeklebt. Diese Technik ist jedoch zeitaufwendig und lediglich für den Einsatz in einer Anwendung geeignet.

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Herkömmliche Sensoren für die Dehnungsmessung werden häufig aufgeklebt. Diese Technik ist jedoch zeitaufwendig und lediglich für den Einsatz in einer Anwendung geeignet.

Wiederverwendbare Aufpresssensoren zur punktuellen oder dauerhaften Dehnungsmessung sind Klebedehnmessstreifen weit überlegen. Sie messen die Oberflächen­deh­nung in Sekundenschnelle, eignen sich für unterschiedlichste Anwendungen und sind bereits nach nur fünf ­Einsätzen amortisiert.

Bei industriellen Fertigungsprozessen und Verfahren wirken hohe Kräfte auf Maschinenteile wie beispielsweise Holme oder C-Rahmen von Pressen, Stanzen, Spritzgiess- und Druckgiessmaschinen. Um zu erfassen, wie stark die Anlagen beansprucht werden, und um Schäden durch Überlastung beziehungsweise eine Werkstoffermüdung zu verhindern, ist eine turnusmässige oder sogar kontinuierliche Überwachung dieser Kräfte erforderlich. Zu diesem Zweck kommen Kraft-, Druck- und Drehmomentaufnehmer zum Einsatz. Sie basieren auf der Erfassung selbst geringster dehnender und stauchender Verformungen durch Dehnmessstreifen (DMS), die auf diese Formabweichungen mit einer Änderung ihres elektrischen Widerstands reagieren. Diese Änderung kann über einen Verstärker in ein Ausgangssignal von 0 … 10 V oder 4 … 20 mA umgewandelt und in die Steuerung eingebunden werden.

Typischerweise werden klassische DMS in einem komplexen Prozess auf die zu überprüfenden Bauteile aufgebracht. So müssen die Flächen zunächst aufwendig gereinigt und angeschliffen werden, bevor der DMS mit einem Spezialklebstoff aufgeklebt und anschliessend verdrahtet wird. Danach ist in der Regel noch das Aufbringen einer schützenden Paste oder Folie erforderlich sowie — nicht zu vergessen — das Kalibrieren des Verstärkers. Unterläuft dem Anwender bei dieser zeitaufwendigen Prozedur ein Fehler, sind Zeit und Material verloren. Alle Arbeitsschritte müssen wiederholt werden. Die Handhabung eines klassischen Klebe-DMS erfordert daher nicht nur viel Zeit, sondern auch sehr viel Erfahrung. Ein weiterer Nachteil eines klassischen DMS: Er ist nur einmal verwendbar. Jede Messung erfordert daher einen neuen DMS.

Aufpressen statt aufkleben

Aufpresssensoren sind eine effiziente Alternative zum Klebe-DMS. Genau wie DMS messen sie die Oberflächendehnung direkt an der Montageposition. Sie werden nicht aufgeklebt, sondern wahlweise aufgeschraubt (für die kontinuierliche Überwachung) oder für die kurzzeitige Messung von Magneten so kräftig auf die Oberfläche gepresst, dass Reibschluss entsteht. Dabei muss die betroffene Metalloberfläche vor der Anwendung weder gereinigt noch geschliffen werden. Auch ein gesonderter Schutz durch Pasten oder Folien entfällt, da der DMS nicht nur lose in ein Elastomerkissen eingebettet, sondern auch durch das Sensorgehäuse geschützt ist.

Der Reibschluss zwischen eingebettetem DMS und Bauteiloberfläche ersetzt bei Aufpresssensoren den üblicherweise verwendeten Klebstoff. Die Anpresskraft wird dabei durch Edelstahlbänder, Magnete oder Ringspanner erzeugt. Ansonsten verhält sich der aufgepresste DMS genauso wie ein aufgeklebter DMS. Er misst die Belastung in Sekundenschnelle und erreicht dabei Genauigkeiten < 0,5 Prozent. Doch anders als herkömmliche DMS können die kleinen, kompakten Aufpresssensoren im Dauereinsatz am Gerät verbleiben, da sie die Maschinenstruktur nicht zusätzlich belasten. Magnetdehnungssensoren für Kurzeitmessungen können ohne Einbussen mehrfach verwendet werden. Zudem fällt die Sensormontage auch weniger erfahrenen Anwendern leicht. Denn wurde der DMS-Sensor nicht korrekt angebracht, kann er einfach abgenommen und neu montiert werden — ohne negative Auswirkungen auf den DMS. Darüber hinaus verfügen beispielsweise die patentierten Aufpresssensoren der Sensormate AG über einen Standard-k-Faktor von 2,0. Eine ­Kalibrierung des Verstärkers wie bei geklebten DMS ist daher hinfällig. Die Sensoren benötigen lediglich einen zyklischen Reset, der im Bereich von wenigen Millisekunden liegt.

Aufpresssensoren sparen Zeit und Aufwand

All diese Eigenschaften der Aufpresssensoren erleichtern und beschleunigen die Dehnungsmessung massgeblich. So liegt der zeitliche Aufwand für den Einsatz eines Aufpress-DMS mit maximal fünf Minuten weit unter dem für einen geklebten DMS, für dessen Anwendung in der Regel 45 bis 100 Minuten benötigt werden. Die Befestigung der Aufpresssensoren für die kontinuierliche Messung richtet sich nach dem jeweiligen Bauteil, der Messaufgabe und dem Sensortyp. Auf ebenen Oberflächen werden die Sensoren verschraubt, auf gebogenen Oberflächen wie Wellen mit Bändern fixiert oder bei der Anbringung in Bohrungen über einen Exzenter verspannt. Magnetdehnungssensoren für die kurzzeitige Messung werden einfach an der fraglichen Bauteilstelle aufgesetzt.

Kurzzeitmessungen mit Magnetsensoren

Magnetsensoren werden häufig in Kunststoffspritzgiessmaschinen, Druckgiessanlagen sowie Pressen zur Messung und Einstellung der korrekten Schliess- beziehungsweise Presskraft eingesetzt. Sie sollten möglichst gleichmässig über die Holme verteilt sein. Eine grosse Rolle spielt dabei die Parallelität der Aufspannplatten und der Werkzeughälften. Bei Abweichungen kann es in den einzelnen Holmen zu unterschiedlichen Zugbeanspruchungen kommen. Im Extremfall kann das zu Überlastungen eines Holms und dadurch zu Holmrissen oder sogar zu Holmbrüchen führen. In jedem Fall leiden bei starker Nichtparallelität die Maschine sowie die Qualität der gefertigten Produkte. So führen beim Spritzgiessen unterbelastete Holme bei Mehrfachkavitäten-Werkzeugen zu höheren Teilgewichten und zu Toleranzfehlern. Für die hoch genaue Messung der Holmdehnung sowie die Erfassung selbst feinster Holmrisse bieten sich Magnetdehnungssensoren wie der QE1008-W von Sensormate mit drahtloser Signalübertragung an. Durch eine intelligente Anordnung von in der Regel acht Sensoren werden Biegeeffekte kompensiert und Abweichungen von der gleichmässigen Belastung der Holme einfach und schnell erkannt. Integrierte Verstärker, das Wireless-Modul sowie eine spezielle Software zur Darstellung der Dehnung beziehungsweise der Schliesskraft auf dem PC sorgen für eine hohe Benutzerfreundlichkeit.

Für die Dehnungsmessung auf planen, ferromagnetischen Oberflächen hält das Unternehmen ebenfalls einen speziellen Magnetdehnungssensor bereit. Der Sensor QE1010, das «Stethoskop des Ingenieurs», eignet sich für Zug- und Druckmessungen, zur Überprüfung von FEM-Berechnungen und für Spannungsanalysen, liefert sekundenschnelle Ergebnisse und misst sogar zuverlässig durch Farbschichten hindurch.

Aufpresssensoren für dauerhafte Messungen

Aufpressdehnungssensoren für die kontinuierliche Messung sind besonders klein und leicht. Damit ist eine zusätzliche Belastung der Maschinenstrukturen ausgeschlossen. Sensormate bietet für nahezu jeden Einsatz geeignete Sensortypen an. So entwickelten die Schweizer die Messlanze ML1018 für die Dehnungsmessung in tiefen Löchern, beispielsweise in Bohrlöchern von Holmen oder Rahmen von Pressen, Spritzguss- und Druckgussmaschinen. Die Messlanze ist mit einem kalibrierten Digitalverstärker ausgestattet und gibt dem Anwender ein Ausgangssignal von 0 … 10 V. Dieses Signal kann zur Auswertung in die Steuerung der Maschine integriert werden. Die beiden DMS an der Sensorspitze der Lanze werden extrem fest an die Bohrlochwand gedrückt und messen dort die Dehnung so präzis wie ein geklebter DMS.

Der direkten Messung der Oberflächendehnung auf planen Oberflächen von Pressen, Spritzgiess- und Druckgussmaschinen dienen die Aufpressdehnungssensoren der Baureihe SB. Die Reihe umfasst Sensoren mit oder ohne Verstärker sowie für dynamische Anwendungen oder schnell laufende Pressen. Dabei messen die SB-Sensoren selbst kleinste Dehnungen an steifen Strukturen präzis in jede Richtung. Ihr massives Aluminiumgehäuse besitzt die Schutzart IP 54. Damit eignen sich die Sensoren auch für raue industrielle Umgebungen. Einige Sensoren dieser Baureihe verfügen über eine vergossene und damit geschützte Elektronik.

Speziell für die zyklische Dehnungsmessung, beispielsweise der Schliesskraftmessung an Pressen, wurde der Messring AN1068 entwickelt. Er wird um den Holm gelegt, dort mit einem Moment von 3 Nm verspannt und an den Verstärker angeschlossen. Zur Vorbereitung reicht die Reinigung der Messstelle mit einem Lösungsmittel, da sie frei von losem Material sein muss. Der externe Verstärker erlaubt den Reset durch Tastendruck oder mit einem Resetsignal.

Für die dauerhafte Messung der direkten Oberflächendehnung an Säulen und Holmen von Pressen sowie Spritz- und Druckgussmaschinen entwickelte Sensormate den Dehnungsaufnehmer GE1029. Er wird paarweise montiert, wobei beide Module zur Biegungskompensation genau gegenüberliegen müssen. Die Montage erfolgt mit zwei rostfreien Stahlbändern. Damit lässt sich der Dehnungsaufnehmer an diverse Holmdurchmesser zwischen 30 und 500 mm anpassen. Fräsungen oder Bohrungen sind nicht erforderlich. Neben der Grundversion, die einen externen Verstärker benötigt, bietet Sensormate mit dem GE1029-A seit Kurzem auch eine Variante mit integriertem Verstärker an, der ein Spannungsausgangssignal erzeugt.

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Für die Messung von Beanspruchungen an Anlagen sind Dehnmessstreifen bestens geeignet.

Aufpresssensoren verringern den zeitlichen Aufwand enorm und reduzieren so Kosten.

Aufpressdehnungssensoren für kontinuierliche Messungen sind besonders klein und leicht.

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