Bild 01: Die Mehrkomponentenaufnehmer von GTM (rechts Messplattform Serie MPF, links Serie MKA) messen gleichzeitig mehrere Kräfte und Momente entlang verschiedener Vektorachsen. (Quelle: GTM Testing and Metrology)
Die Realität in Maschinen, Prüfständen und Anlagen ist selten ideal, und Kräfte wirken nie nur in einer einzigen Richtung. Das weiß auch Paul Zolnierek (Bild 2), einer der beiden Geschäftsführer von GTM [1]: „Ein klassischer, linearer Kraftsensor, wie er in konventionellen Prüfanordnungen vorkommt, misst hochpräzise, aber nur in eine Richtung. Allerdings treten in der Praxis fast immer Querkräfte und Momente auf, die außerhalb der idealen Kraftrichtung wirken. Das lässt sich kompensieren oder miteinbeziehen, bloß ignorieren darf man es nicht.“
Kräfte und Momente in drei Raumachsen messen
Einachsige Kraftsensoren messen seit Jahrzehnten präzise und haben sich bewährt. Doch sie bilden nur einen Ausschnitt des tatsächlichen Kraftgeschehens ab. Anders die Mehrkomponentenaufnehmer (MKA): Sie können Kräfte und Momente in den drei Raumachsen erfassen (Bild 3) – und das bei bis zu sechs Komponenten gleichzeitig. Das Ergebnis ist ein vollständiges, physikalisch sauberes Bild des Systems, in dem sie integriert sind. Das ist besonders von Bedeutung in Prüfständen, in denen komplexe Belastungen wirken, wie es sie z. B. im Bereich Automotive für Reifen- und Fahrwerkstests gibt. Der Vorteil liegt darin, dass ein MKA, anders als ein einachsiger Sensor, auch Querkräfte und Momente misst, die immer auch einen Einfluss auf diejenige Kraft haben, die eigentlich von Interesse ist. „Sobald ich diese Querkräfte kenne, kann ich sie kompensieren“, erläutert P. Zolnierek. „Das geschieht über eine sogenannte Kompensationsmatrix, die alle Einflussgrößen mathematisch bereinigt. So bekomme ich den reinen, kompensierten Wert in der Achse, der mich interessiert (Bild 3).“
Diese Matrix wird mithilfe einer Hochpräzisions-Kalibrieranlage ermittelt. GTM hat dabei den Vorteil, eine der leistungsstärksten MKA-Kalibriereinrichtungen zu besitzen (Bild 4). Mit dem 4,5 m3 großen Prüfraum bietet sie genug Platz auch für größere Prüfstücke. Die Messunsicherheit der vollautomatisch arbeitenden MKA-Messeinrichtung liegt bei 0,1 %. Sie kann Kräfte von 4 kN bis 500 kN axial und von 2 kN bis 200 kN quer präzise messen, Momente können zwischen 2 kNm und 50 kNm erfasst werden. Die Hexapode, wie GTM die Einrichtung kurz nennt, ist ein wichtiger Bestandteil, wenn es darum geht, die Weichen in Richtung smarte Messtechnik zu stellen, vor allem mit Fokus auf die MKA.
Messgrößen korrekt erfassen
MKA erhalten eine immer größere Bedeutung und kommen in den aktuellen Schlüssel- und Hightech-Branchen vermehrt zum Einsatz. Besonders in der Automobilindustrie haben sie neue Maßstäbe gesetzt: Hier ermöglichen MKA-Plattformen, eine besondere Bauweise von Mehrkomponentensensoren, die vollständige Erfassung komplexer Belastungsszenarien an Reifen, Bremsen oder Fahrwerkskomponenten.
Ein stark wachsendes Feld ist die Robotik. Roboter, die Kräfte erfassen und interpretieren können, sind nicht nur präziser, sondern auch sicherer im Zusammenspiel mit Menschen. „Wenn ein Roboter weiß, welche Kräfte in welcher Richtung wirken, kann er sensibler reagieren – fast so, als hätte er ein Tastgefühl. Die Messung mit MKA ist ein Schlüssel, um Robotern echtes Feedback zu geben. Ein wirklich spannendes Feld“, so P. Zolnierek. Weitere Einsatzbereiche reichen von der Luft- und Raumfahrt über die Medizintechnik bis hin zu Forschung – etwa bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt oder in Fraunhofer-Instituten, wo Grundlagen für künftige Normen geschaffen werden.
Smarte und kosteneffizinte MKA-Messtechnik
"Was wir aktuell entwickeln und woran wir arbeiten, ist die konsequente Integration der nötigen Elektronik direkt in den Mehrkomponentensensor“, erläutert P. Zolnierek. Üblicherweise befinden sich in klassischen Messanordnungen die nötigen Messverstärker im Schaltschrank, mehrere Meter entfernt vom Aufnehmer. Das verursacht nicht nur Signalverluste, die zu verfälschten Ergebnissen führen können, sondern auch zu hohen Verkabelungskosten. „So eine Verkabelung ist keine Wald-und-Wiesen-Elektroleitung“, erklärt P. Zolnierek, „es sind hochpräzise Sensorleitungen, und bei sechs Achsen müssen Sie jede einzeln führen. 10 m Kabel pro Leitung, das summiert sich – finanziell und technisch.“ Wenn es aber gelingt, den Verstärker direkt in den Sensor zu integrieren, gibt es einen doppelten Spareffekt, nämlich für Kosten und Genauigkeitsverluste. Und noch dazu potenziell deutlich präzisere Ergebnisse.