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Dehnungssensorik Retrofit: Piezoelektrische Sensoren als Frühwarnsystem für Maschinen

Redakteur: Sariana Kunze |

Maschinen vor Überlast bewahren sowie Prozesse genau überwachen, das können piezoelektrische Dehnungssensoren leisten. Als Frühwarnsystem für die Fertigung sind sie dank einfacher Montage und digitaler Signalauswertung für das Retrofitting bestehender Anlagen geeignet.

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
Hans Turck GmbH & Co. KG
ELMEKO GmbH + Co. KG
Kistler Instrumente AG
Dehnungssensoren von Kistler dienen als Frühwarnsystem, da sie die aufgewendete Kraft und den Prozessverlauf von Maschinen und Werkzeugen überwachen.
Dehnungssensoren von Kistler dienen als Frühwarnsystem, da sie die aufgewendete Kraft und den Prozessverlauf von Maschinen und Werkzeugen überwachen.
(Bild: Kistler)

Im Zuge der Digitalisierung dringen Sensoren immer stärker in die industrielle Fertigung vor und erobern nach und nach auch solche Bereiche, die vor allem mechanisch geprägt sind. Zu diesen gehören zum Beispiel die Stanz- und Presstechnik, die Umformtechnik oder die Fügetechnik. Um hier die Möglichkeiten zur Prozessüberwachung zu erweitern, bieten sich Dehnungssensoren an, die entweder direkt auf der Maschine montiert oder als Messdübel in Werkzeuge integriert werden können. Auch das Unternehmen Kama aus Dresden, welches Maschinen zum Ausstanzen von Faltverpackungen und Drucksachen entwickelt sowie Falt- und Klebemaschinen für den weiteren Prozessschritt, wollte seine Fertigung genauer überwachen und teure Maschinenstillstände vermeiden.

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„Eine Frage, die sich mir in der Entwicklung schon früh stellte, war: Wie können wir unsere Anlagen noch besser schützen und Stillstandzeiten vermeiden? Es ist ja im wahrsten Sinne des Wortes ‚heavy metal‘, bei 7,5 t Gewicht sind auch die Stanzkräfte entsprechend groß“, erklärt Raik Freudenberg, Teamleiter Elektro- und Automatisierungstechnik bei Kama. „Eine erste Idee war es, Dehnmessstreifen (DMS) einzusetzen. Die Kraft wird in der Maschine von Zugstangen aufgebracht, die praktisch wie eine große Feder wirken. Bei der großen Dynamik und der eher geringen Dehnung kommen sie mit DMS jedoch nicht ans Ziel. So kamen wir auf Kistler, die robuste piezoelektrische Dehnungssensoren mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit bieten.“

Die Sensoren schlagen Alarm

Piezoelektrische (PE) Oberflächendehnungssensoren von Kistler ermöglichen die hochauflösende Messung der Dehnung einer Struktur. Diese wird durch Haftreibung als Schubkraft an das Messelement übertragen. Die Messung erfolgt dabei dauerfest (kein Kriechen), überlastsicher, robust (Schutzart IP67) und störungsresistent, etwa gegenüber Temperatureinflüssen. Die kompakten Sensoren können an geeigneter Stelle mit nur einer Schraube direkt an der Maschine befestigt werden. Treten unregelmäßige Kraftspitzen auf, wird dies sofort registriert, ohne dass die Sensoren selbst Gefahr laufen, beschädigt zu werden – bei Überlast „rutschen“ sie solange auf der Oberfläche, bis eine Entlastung erfolgt. Dank hoher Eigenfrequenz und weitem Messbereich spielt es keine Rolle, ob die auftretenden Kräfte sehr klein oder sehr groß sind. Piezoelektrische Oberflächendehnungssensoren bieten so ein Frühwarnsystem für Maschinenschutz, das Stillstände reduziert. Um wertvolle Prozessdaten auch bei einzelnen Montageschritten zu gewinnen, bietet Kistler auch Dehnungssensoren, die als Messdübel direkt in das Werkzeug integriert werden. Damit können beispielsweise Anwendungen in der Stanztechnik und der Umformtechnik effektiv überwacht und optimiert werden. Die hohe Empfindlichkeit der Dehnungsmessdübel von Kistler erfasst kleinste Materialverformungen auch unter hohen dynamischen und quasi statischen Lasten.

BUCHTIPPDas Buch „Industriesensorik“ beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Digitale Signalauswertung vereinfacht Messkette

„Wir bieten die integrierte Prozessüberwachung den Kunden als Option an. Über 90 Prozent entscheiden sich dafür, Tendenz steigend“, sagt Steffen Pieper, Geschäftsführer von Kama. „Neben dem Maschinenschutz erhält der Bediener den Zusatznutzen, ein Gefühl für die benötigte Kraft zum Stanzen zu bekommen, was die Inbetriebnahme erleichtert“, ergänzt Freudenberg. Sobald im Prozess etwas nicht stimmt, schlagen die Sensoren Alarm. Zum Beispiel kann es passieren, dass ein Kartonbogen oder Teile davon in der Maschine verbleiben, während der nächste bereits zugeführt wird. Dann steigen die Kräfte deutlich an, ohne Eingriff fährt sie sich schnell fest.

Seit diesem Jahr bietet Kistler auch einen Ladungsverstärker an, der PE-Signale digitalisiert und mit dem sich beliebige piezoelektrische Sensoren in die Steuerungsumgebung einbinden lassen. Somit gibt es die Möglichkeit, auch PE-Dehnungssensoren per Industrial Ethernet mit der Maschinensteuerung zu verbinden. Der Umweg über ein analoges Auswertesystem entfällt und die Vernetzung mit übergeordneten Systemen wird vereinfacht.

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