Eine bewährte Methodik, um dabei zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, ist die Dehnungsmessstreifen-, kurz DMS-Technologie. Da die Sensoren jedoch sehr klein sind, muss auch die Verbindungstechnik entsprechend minimiert sein. Gleichzeitig ist auch bei Vibrationen eine stabile Datenübertragung erforderlich.
Zuverlässige Messdaten für effizienten Betrieb
Für den sicheren und effizienten Betrieb von Anlagen und Maschinen in der Robotik, der Medizintechnik oder der Automobilindustrie sind zuverlässige Messdaten unerlässlich. Besonders wichtig sind Daten, aus denen hervorgeht, welche Kräfte und Momente an Achsen wirken. Dafür setzen die K6D-Sensoren von ME-Meßsysteme auf eine Kombination aus sechs unabhängigen DMS-Sensoren. Diese sind mit Dehnungsmessstreifen in Vollbrückenschaltung ausgerüstet. Anhand der sechs Sensorsignale werden die Kräfte in den drei Achsen des Raums sowie die drei Momente um diese Achsen gemäß einer Berechnungsvorschrift präzise berechnet. Dabei sind die Ansprüche an Präzision der Messung und Reaktionszeiten der Sensoren in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen.
Da analoge Technologien einen enormen Geschwindigkeitsvorteil bei der Umsetzung der Signale bieten, wird in der Praxis meist darauf gesetzt. Sie können neben einer hohen Präzision auch sehr niedrige Reaktionszeiten erreichen. Dies ist gerade bei schnellen Maschinenprozessen und Robotern essenziel. Dabei müssen die Sensoren die analogen und sensiblen Kleinsignale aus dem Prozess heraus immer schneller zum Steuerrechner übertragen. Besonders bei Sensoren mit kleinen mechanischen Abmessungen und mehreren integrierten Dimensionen ist dies eine große Herausforderung – insbesondere an die Steckverbindung zwischen Sensoreinheit und Übertragung. Die Anschlussstelle zwischen Steckverbinder und Sensor ist die kritischste im ganzen System. Durch Maschinenvibrationen oder Bewegungen an den Lötstellen können Steckverbinder die Verbindung verlieren. Die Ergebnisse sind: Fehler in den Messungen und Maschinenstillstand zur Behebung. Dies gilt es zu vermeiden.
Wenig Platz, viele Kontakte
Besonders kritisch ist die Verbindungssituation bei Kraft-Momenten-Sensoren wie den K6D-Sensoren von ME-Meßsysteme. Für den Anschluss der Dehnungsmessstreifen sind insgesamt 24 Kontakte (6 x 4) erforderlich. Durch die zunehmende Miniaturisierung müssen die Steckverbinder sehr klein und gleichzeitig leistungsstark sein. Die sichere Übertragung der DMS-Signale ist bisher nur mit einem Steckverbinder pro DMS möglich. Deshalb bestand die Herausforderung bei Kraft-Momenten-Sensoren darin, alle 24 Kontakte in einem Steckverbinder zu integrieren. Gleichzeitig sollte das Gewicht der Steckverbinder reduziert werden, um höchste Kontaktsicherheit auch bei großen Beschleunigungen und Vibrationen zu gewährleisten. Es wäre zwar technisch möglich, die Elektronik in den Sensor zu integrieren und dadurch die Kontaktzahl zu reduzieren. Allerdings würden in diesem Fall nicht die gleichen Leistungsmerkmale erreicht wie mit einer externen Elektronik.
„Wir haben in der Vergangenheit verschiedene Steckverbinder unterschiedlicher Hersteller getestet“, erklärt Dr. Holger Kabelitz, Geschäftsführer der ME-Meßsysteme GmbH. „Dabei hatten wir immer die gleichen Probleme: Die Steckverbinder waren entweder vibrationsanfällig, nicht wasserdicht, zu schwer oder aufwendig in der Montage. Alles in allem haben sie unseren Ansprüchen und denen der Anwendung nicht genügt. Als wir dann auf die Steckverbinder der Fischer Minimax Serie stießen, hatten wir unsere Lösung gefunden“, berichtet Kabelitz.
Kleiner Stecker, große Wirkung
In den 6-Achsen-Kraftsensoren kommen die leistungsfähigen und robusten MP11-Steckverbinder der Fischer-Minimax-Serie zum Einsatz. Das Besondere dabei ist, dass bei der Kabelkonfektionierung die einzelnen Litzen mehrfach vergossen und der Kabelmantel durch spezielle Moldingtechnologien so umspritzt wurde, dass keinerlei Widerstandsveränderungen bei Vibrationen und Kabelbewegungen mehr auftreten. Das Kabel vom Sensor zum Verstärker muss ein stabiles Widerstandsverhalten bei thermischer und mechanischer Beanspruchung aufweisen, was in der Regel durch einen besonderen, schleppkettenfähigen Kabelaufbau erreicht und durch das Moldingverfahren am Stecker unterstützt wird. Zusammen entsteht so eine sehr hohe Vibrationsfestigkeit.
Ebenso sicher und robust funktioniert bei diesem Stecksystem das Anschließen und Trennen des Verbindungskabels. Dies bedeutet für die Servicetechniker eine enorme Zeitersparnis bei Montage, Installation und im Service beziehungsweise beim Kalibrieren des Systems. „Darüber hinaus überzeugen die Fischer Minimax Steckverbinder durch ihr geringes Gewicht, die sehr kompakten Abmessungen und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Flüssigkeiten nach IP68“, erklärt Dr. Holger Kabelitz.
Da ME-Meßsysteme mit den drei-Achsen-Kraft-Momenten-Sensor K3R und dem drei-Achsen-Kraftsensor K3D auch noch kleinere Mehrfachsensoren im Portfolio hat, suchte das Unternehmen auch hier nach einer Lösung mit den gleichen Ansprüchen. „Der K3R und K3D messen die Kräfte an der X-, Y- und Z-Achse. Dafür sind zwölf Anschlüsse notwendig, jeweils 4 pro DMS“, erklärt Kabelitz. „Da diese Anwendung noch kleiner ist als beim K6D benötigten wir auch hier eine Speziallösung.“ Auch hier konnte Fischer Connectors mit den Steckverbindern der Minimax Serie helfen. „Für so kleine und spezielle Anwendungen haben wir den Kontaktblock noch einmal von 8 auf 6 mm Durchmesser reduziert“, berichtet Martin Wimmers, Geschäftsführer der Fischer Connectors GmbH. Die zur Verfügung stehenden zwölf Kontakte bieten dabei für alle drei Messkanäle dieselben Vorteile wie in der Familie K6D. Selbst die kleinsten Steckverbinder der Minimax Serie ermöglichen eine äußerst robuste Signalübertragung. Auch Maschinenvibrationen haben keinen Einfluss auf die Übertragungswiderstände und damit auf die Signalstabilität.
Zusammenarbeit auch bei größeren Sensoren
Die Zusammenarbeit von ME-Meßsysteme und Fischer Connectors zahlt sich auch bei größeren Sensoren aus. Hier können Stecksysteme mit größeren Durchmessern eingesetzt werden, da der mechanische Einfluss auf die Belastbarkeit des Sensors geringer ist. Ebenso werden hierbei auch Kabel eingesetzt, die größere Leitungsquerschnitte und damit eine noch höhere Robustheit haben. Für die Familie der sechsfachen Kraft-Momenten-Sensoren hat sich hier das System „Ultimate“ von Fischer Connectors bewährt, zum Beispiel mit bis zu 27 Pins in der Größe „13“.
Kontakt:
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