Piezoelektrische Sensoren

Präzise und zuverlässig

Der Drehmomentsensor liefert Daten mit einer Auflösung von bis zu 0,1 Nmm bei einer Drehgeschwindigkeit von bis zu 180°/s. Bild: Schuhriemen Maschinenbau GmbH
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In ihren Sondermaschinen für die Prüfung von Bedienelementen in Fahrzeugen setzt die Schuhriemen Maschinenbau GmbH auf Kraft- und Drehmomentsensoren von Kistler. Die piezoelektrischen Komponenten bieten bei der automatisierten Qualitätssicherung die von Automobilherstellern geforderte Präzision.

Viele Autofahrer schätzen das in den Bordcomputer integrierte Navigationssystem, lässt es sich doch mit nur einem Knopf, dem Drehsteller, steuern: Verschiedene Funktionen weiterer Bordsysteme, wie Klimaanlage und Radio, lassen sich damit durch Drehen, Kippen oder Drücken bedienen. Um die Qualität dieser Bedienelemente zu sichern, setzt die Automobilindustrie auf End-of-Line-Prüfautomaten: Diese kommen am Ende der Fertigungslinie zum Einsatz und ermöglichen selbst bei grossen Stückzahlen eine automatische Haptik-Prüfung der multifunktionalen Schalter.

Gebaut werden die Haptik-Prüfautomaten von spezialisierten Sondermaschinenbauern wie der Schuhriemen Maschinenbau GmbH. Das Familienunternehmen ist seit über 20 Jahren am Markt tätig und liefert seine Maschinen weltweit an Automobilbauer. «Der Schlüssel zum Erfolg heisst Geschwindigkeit. Die Zykluszeiten sind bei uns oft kürzer als bei den Mitbewerbern. Das wird natürlich honoriert», so Hans-Julius Schuhriemen, Geschäftsführer der Firma. Dabei werden die Sondermaschinen zwar meist vom Endkunden, also dem Automobilbauer, erworben – erster Ansprechpartner für Hans-Julius Schuhriemen ist jedoch in der Regel der Automobilzulieferer, der die Qualitätsvorgaben des Autoherstellers umzusetzen hat und deshalb auf nachweislich hohe Qualität angewiesen ist.

Auflösungen bis 0,02 N/0,002 mm

In Sachen Messtechnik und Automatisierung kooperiert das im rheinland-pfälzischen Sommerloch ansässige Unternehmen seit Jahren mit dem Ingenieurbüro Borrmann GmbH aus dem nahen Ingelheim. «Seit 1990 setzen wir in den Maschinen Sensoren von Kistler ein. Entscheidend sind für uns Vorteile wie Überlastsicherheit, breiter Messbereich, Steifigkeit und vor allem die Langlebigkeit», betont Andreas Borrmann, Inhaber des Ingenieurbüros.

Im aktuellen Projekt war die Aufgabe, eine automatisierte Prüfung der Kippen-Drehen-Drücken-Bewegung am Drehsteller einer zentralen Bedieneinheit zu realisieren. Der von der Schuhriemen Maschinenbau GmbH gebaute Prüfautomat besteht aus acht Stationen, an denen bis zu 450 Prüfmerkmale erfasst werden. Ein mittels Rundtakt-Tisch realisierter Zyklus dauert etwa 20 Sekunden, was einer Jahresproduktion von über 300000 Bedienelementen entspricht. An drei der acht Stationen kommen dabei piezoelektrische Kraft- oder Drehmomentsensoren von Kistler zum Einsatz: Ein piezoelektrischer Drehmoment-Sensor mit einer Auflösung bis 0,1 Nmm prüft an Station vier die Anzahl der Rastungen sowie die Rastmomente beim Drehen des Drehstellers. Werte ausserhalb der festgelegten Grenzwerte weisen dabei auf Montage- oder Materialfehler hin.

Station fünf ist für die Prüfung von vertikalen Druckkräften vorgesehen. Mit den Sensoren von Kistler werden dabei Auflösungen von 0,02 N (Kraft) beziehungsweise 0,002 mm (Weg) erreicht. Eine hohe Auflösung und Genauigkeit ist auch in Station sieben gefordert, in der die Haptik-Messung der Kippbewegung stattfindet. Welche Herausforderungen waren hier konstruktiv zu meistern? «Der Drehsteller ist deutlich grösser als bisher. Dadurch treten bei horizontalen Bewegungen störende Querkräfte in vertikale Richtung auf. Diese werden mittels vertikale Ausgleichselemente kompensiert», erläutert Andreas Borrmann: «Solch eine Konstruktion ist schwierig. Da ist man froh, wenn man zwischen verschiedenen Produkt- und Einbauvarianten wählen kann.»

Langlebige Sensorik

Mit den von der Schuhriemen Maschinenbau GmbH seit 1989 entwickelten End-of-Line-Testern wurden bis heute über 1 Milliarde Haptik-Prüfungen an KFZ-Bedienelementen durchgeführt. Bereits seit 1990 kommt dabei Sensortechnologie von Kistler zum Einsatz, die sich in verschiedenen Projekten immer aufs Neue bewährt: «Wir sind sehr zufrieden mit den Produkten, so dass wir bei jedem neuen Auftrag bis auf weiteres Kistler-Sensoren einsetzen», versichert Hans-Julius Schuhriemen.

Da die Produktvarianten bei den Endkunden in der Automobilindustrie immer schneller wechseln, sind die End-of-line-Prüfautomaten durchschnittlich sieben bis acht Jahre im Einsatz. Dann werden die Maschinen verschrottet, da sich die Umrüstung als Geschäftsmodell nicht rechnet. «Nur die Sensoren werden vorher ausgebaut und zur Instandhaltung eingelagert», so Hans-Julius Schuhriemen.

Sensoren von Kistler nutzen den piezoelektrischen Effekt: Wird ein entsprechend bearbeiteter Quarz mechanisch belastet, erzeugt er eine elektrische Ladung, die direkt proportional zur einwirkenden Kraft ist. Diese lässt sich mittels Ladungsverstärker, den Walter P. Kistler 1950 patentieren liess, einstellen und als Messgrösse nutzbar machen – unabhängig von Dehnung oder Auslenkung. Daraus ergeben sich neben der Proportionalität entscheidende Vorteile gegenüber anderen Technologien wie kurze Messwege (bis mehrere Kilo-Newton pro Mikrometer), weite Messbereiche, Robustheit und lange Lebensdauer. Piezoelektrische Sensoren lassen sich zudem flexibel an die relevanten Messbereiche anpassen. Weitere Vorteile der Piezotechnologie sind die hohe Ausgangsspannung (5 oder 10 V bei ICP-Ausgang), der breite Betriebstemperaturbereich (–73 bis 204° C) sowie die niedrigen Beschaffungs- und Lebenszykluskosten.