Eckdaten

Die kleinen Steckverbindungen der Minimax-Familie von Fischer Connectors eignen sich für den Einsatz in Kraftsensoren ideal, da sie den mechanischen Aufbau nicht belasten und eine schnelle und einfache Montage gewährleisten. Die Steckverbinder-Familie bietet neben der höchsten Signaldichte auch eine äußerst robuste Signalübertragung, frei von Störungen bei Vibrationen und Kabelbewegungen.

Die DMS-Technologie liefert seit Jahren bewährte Ergebnisse bei der Überwachung von Kräften und Drehmomenten in Maschinen und Anlagen. Die dabei eingesetzten Kraftsensoren, Drehmomentsensoren sowie Mehrachsen- und Mehrkomponenten-Sensoren für Kraft und Drehmoment werden immer komplexer, um dem steigenden Bedarf an höherer Präzision und Leistungsfähigkeit gerecht zu werden. Analoge Technologien bieten einen enormen Geschwindigkeitsvorteil bei der Umsetzung der Signale. So können neben einer hohen Präzision reflexartige Reaktionszeiten gerade bei schnellen Maschinenprozessen und Robotern erreicht werden. Dabei müssen die Sensoren immer schneller und gleichzeitig mit hoher Robustheit die analogen und sensiblen Kleinsignale aus dem Prozess heraus zum Steuerrechner führen. Besonders bei Sensoren mit kleinen mechanischen Abmessungen und mehreren integrierten Dimensionen ist dies eine große Herausforderung, insbesondere an die Steckverbindung zwischen Sensoreinheit und Übertragung. An diesen Stellen sind die Übergänge besonders empfindlich auf Störungen, wie zum Beispiel Maschinenvibrationen oder Bewegungen an den Lötstellen. Zusätzlich soll die Verbindung für die Installation und beim Service einfach trennbar und wieder ansteckbar sein. Hier erweisen sich die Steckverbindungen von Fischer Connectors als besonders stabil und Kontaktsicher.

Bild 1a und b: Aus der Robotik: Sensor K6D von ME-Meßsysteme und Minimax-Anschlussdose von Fischer Connectors.

Bild 1a und b: Aus der Robotik: Sensor K6D von ME-Meßsysteme und Minimax-Anschlussdose von Fischer Connectors. Fischer Connectors

DMS-Sensoren in der Kraftmesstechnik

Die Kraft-/Momenten Sensoren K6D bestehen aus sechs unabhängigen DMS-Sensoren, die mit Dehnungsmessstreifen in Vollbrückenschaltung ausgerüstet sind. Aus den sechs Sensorsignalen werden durch eine Berechnungsvorschrift die Kräfte in den drei Achsen des Raumes (Fx,Fy,Fz) sowie die drei Momente um diese drei Achsen (Mx,My,Mz) berechnet. Der Messbereich des Mehrkomponenten-Sensors wird bestimmt durch:

  • die Messbereiche der sechs unabhängigen Kraftsensoren
  • die geometrische Anordnung der sechs Kraftsensoren beziehungsweise über den Durchmesser des Sensors.
Bild 1 b:

Bild 1 b: ME-Meßsysteme

Die einzelnen Signale der sechs Kraftsensoren können nicht unmittelbar durch die Multiplikation mit einem Skalierungsfaktor einer Kraft oder einem Moment zugeordnet werden.

Die Berechnungsvorschrift lässt sich mathematisch exakt durch das Kreuzprodukt aus der Kalibriermatrix mit dem Vektor der sechs Sensorsignale beschreiben.

Wesentliche Vorteile dieser Funktionsweise sind:

  • eine besonders hohe Steifigkeit
  • eine besonders gute Trennung der sechs Komponenten („geringes Übersprechen“).

Durch den Einsatz der Minimax-Steckverbindung von Fischer Connectors werden die einzelnen Sensorsignale (6 × 4 Signalleitungen) mit höherer Robustheit übertragen, da bei der Kabelkonfektionierung die einzelnen Litzen mehrfach vergossen und der Kabelmantel durch spezielle Moldingtechnologien so umspritzt werden, dass bei Vibrationen und Kabelbewegungen keinerlei Widerstandsveränderungen mehr auftreten.

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.

Bei größeren Sensoren 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 noch höhere Robustheit haben. Für die Familie der sechsfachen Kraft/Momenten-Sensoren hat sich hier das System „Ultimate“ von Fischer Connectors bewährt, am Beispiel mit bis zu 27 Pins in der Größe „13“.

Geht es auch kleiner?

Bild 2: Ultimate-Stecker mit Kabel und 27 Kontakten.

Bild 2: Ultimate-Stecker mit Kabel und 27 Kontakten. Fischer Connectors

Die kleinsten Mehrfachsensoren, wie der 3-Achsen-Kraft-Momenten-Sensor K3R oder der 3-Achsen-Kraftsensor K3D von ME-Meßsysteme messen zum Beispiel die Kräfte in den drei Achsen X,Y und Z und benötigen zwölf Anschlüsse. Hier bietet Fischer Connectors innerhalb der Minimax-Serie einen noch kleineren Steckverbinder an, dessen Kontaktblock noch einmal von 8 auf 6 mm Durchmesser reduziert wurde. Die zur Verfügung stehenden zwölf Kontakte bieten für alle drei Messkanäle dieselben Vorteile wie in der Familie K6D und sind erstmals auf der Messe Sensor&Test im Juni 2018 in Nürnberg zu sehen.

Vorteile robuster und analoger Sensortechnologie

Weitere Vorteile durch den Einsatz robuster und analoger Sensortechnologie sind eine schnelle Kollisionserkennung, kurze Reaktionszeiten sowie hohe Genauigkeit und Präzision.

Kalibrierung, Berechnungen, Praxisbeispiele

Viele Anwendungen erfordern, dass nur eine Achse des Kraft-/ Momenten-Sensors zu 50 bis 100 Prozent ausgenutzt wird, während die übrigen Achsen des Sensors nur bis 10 Prozent oder sogar nur bis ein Prozent des Messbereiches ausgenutzt werden. Ein Beispiel zeigt das Bild des Testsystems eines Sportschuhherstellers. ME Meßsysteme bietet ein spezielles Kalibrierverfahren „Matrix-Plus“, um auch in diesen anwendungsspezifischen Arbeitspunkten eine optimale Genauigkeit zu gewährleisten.

Bild 3: 3-Achsen Kraft-Momenten Sensor K3R.

Bild 3: 3-Achsen Kraft-Momenten Sensor K3R. ME Meßsysteme

Die Aufgaben der Kalibriermatrix sind die Minimierung des Messfehlers in der belasteten Messachse und die Minimierung des Übersprechens in den übrigen (unbelasteten) fünf Achsen. Bei der Standard-Kalibrierung kann sich bei einer geringen Ausnutzung einiger Messachsen der Fehler durch Übersprechen in diesen Messachsen relativ stark auswirken, obwohl er – bezogen auf 100 Prozent des Messbereiches – deutlich unter ein Prozent beträgt.

Erweiterte Kalibrierung „Matrix-Plus“

ME-Meßsysteme hat ein neues Kalibrierverfahren entwickelt, das die Anzeige in der belasteten Messachse und die Anzeige in den unbelasteten Messachsen optimiert. Das Kennlinienfeld des 6-Achsen-Sensors wird durch zwei Matrizen abgebildet. Matrix A beschreibt die liniearen Zusammenhänge, Matrix B die nichtlinearen Zusammenhänge.

Matrix-Plus mit „Standard-Nebenbedingungen“: Bei der Ermittlung der Matrizen werden spezielle Bedingungen definiert, damit die Messfehler auch bei geringer Ausnutzung des Messbereichs minimal werden. Mathematisch werden Lasten von 100, 80, 60, 40 und 20 Prozent optimiert.

Bild 4: Ein 3-Achsen Kraftsensor K3D.

Bild 4: Ein 3-Achsen Kraftsensor K3D. ME-Meßsysteme

Matrix-Plus mit „siumliertem Arbeitspunkt: Es ist sogar möglich, bei der Ermittlung der Matrizen den Einsatzfall (Arbeitspunkt) zu berücksichtigen: Dieses Verfahren wird als „simulierter Arbeitspunkt bezeichnet. Dadurch können in der Regel Genauigkeiten von ein bis 0,2 Prozent vom Istwert erreicht werden. Mathematisch wird neben der tatsächlichen Kalibrierlast 100 Prozent auch der anwendungsspezifische Lastvektor berücksichtigt.

Matrix-Plus mit „Kalibrierung im Arbeitspunkt“: Alternativ ist auch eine Kalibrierung im Arbeitspunkt der Anwendung möglich. Bei der kundenspezifischen Kalibrierung werden die tatsächlichen Lasten und Hebelverhältnisse der kundenspezifischen Anwendung verwendet. In diesem Fall können Genauigkeiten von 0,5 bis 0,1 Prozent vom Ist-Wert erreicht werden. Für die Kalibrierung müssen unter Umständen geeignete Vorrichtungen gefertigt werden, um die speziellen Hebelverhältnisse der Anwendung abzubilden. Dadurch können im Einzelfall zusätzliche Kosten und Lieferzeiten entstehen.

Vorteile der steckbaren Lösungen

Bild 5: Der Steckverbinder Typ Minimax.

Bild 5: Der Steckverbinder Typ Minimax. Fischer Connectors

Durch die steckbare Lösung von Fischer Connectors werden Maschinenrüstzeiten kürzer und der Installationsaufwand geringer. Zudem werden Kalibrierungen und Nachkalibrierungen beziehungsweise Überwachung und Justage der Systeme einfacher möglich. Weiterhin reduzieren sich die Servicekosten. Außerdem wird das  System robuster und selbst die Installation des Stecksystems kann „blind“ und verpolsicher erfolgen und wird über 5000 Steckzyklen garantiert.

Anforderungen an das Kabel vom Sensor zum Verstärker

Bild 6: Anwendungsbeispiel: Messung des Dämpfungs- und Stabilisierungsverhaltens eines Laufschuhs.

Bild 6: Anwendungsbeispiel: Messung des Dämpfungs- und Stabilisierungsverhaltens eines Laufschuhs. ME-MEßsysteme

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 ergibt sich dann die höchste Vibrationsfestigkeit.

Anforderungen an den Steckverbinder

Bild 7: Minimax-Stecker mit 24 Anschlüssen  mit Umspritzung (Molding) am Kabel.

Bild 7: Minimax-Stecker mit 24 Anschlüssen mit Umspritzung (Molding) am Kabel. Fischer Connectors

Die sehr kleinen Steckverbinder der Minimax-Serie ermöglichen eine äüßerst robuste Signalübertragung. Selbst Maschinenvibrationen haben keinen Einfluss auf die Übertragungswiderstände und damit auf die Signalstabilität. Wo sonst eine Beeinträchtigung bei Kabelbewegungen direkt an den 24 Lötstellen zu messen ist, wird durch ein wasserdichtes Molding eine robuste und signalstabile Verbindung gewährleistet, die ausschließlich die Sensorsignale im µV-Bereich an die Auswerteelektronik überträgt.