an der Technikakademie der Stadt Braunschweig

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1 an der Technikakademie der Stadt Braunschweig Fachrichtung Mechatronik vorgelegt von: Patrick Gallun ME11T Robert Höhne ME11T Betreuende Lehrkraft der TAB: Herr StR Dipl. -Ing. Magnus Peusch Betreuer des DLR: Herr Dipl. -Ing. Romuald Bassimba Itomba Herr Dipl. -Ing. Hannes Wagner Braunschweig, den , Jahrgang 2011/2012 Patrick Gallun & Robert Höhne, Das Copyright bezieht sich nicht auf verwendete Bilder von öffentlichen Quellen

2 Inhaltsverzeichnis Deckblatt. Inhaltsverzeichnis.1 1. Einleitung Aufgabenstellung Beschreibung des IST-Zustandes Beschreibung des SOLL-Zustandes Planung Systemanforderungen Konzept Durchführung Tests Ergebnisse... 6 Patrick Gallun & Robert Höhne 1

3 1. Einleitung Die folgenden Seiten enthalten eine Zusammenfassung der Projektarbeit Störarme Signalübertragung SAMBA, zur Erlangung des Staatlich geprüften Technikers von Patrick Gallun und Robert Höhne an der Technikakademie der Stadt Braunschweig in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt. 2. Aufgabenstellung Die Abteilung für Sicherheitskritische Systeme und Systems Engineering des Instituts für Flugsystemtechnik beschäftigt sich mit der Zustandsüberwachung von elektromechanischen Aktuatoren die zukünftig zur Betätigung der Steuerflächen in Verkehrsflugzeugen verwendet werden sollen. Hierbei liegt der Fokus auf der Überwachung der mechanischen Komponenten solcher Systeme, da deren Verschleiß dazu führen kann, dass sich die Steuerflächen nicht mehr betätigen lassen und damit die Sicherheit des Flugzeuges nicht mehr gewährleitet werden kann. Hierzu werden Sensorsysteme entwickelt und analysiert, die im Kern auf einer piezoresistiven und druckempfindlichen Dünnschicht basieren. Das Verhalten der Sensoren kann im Prinzip als druckveränderlicher Widerstand beschrieben werden. Diese Sensorsysteme sind im Lastpfad des Aktuators angeordnet und ermöglichen die Vermessung der Lastverteilung im Aktuator. Aus der Änderung der Lastverteilung läßt sich auf den Zustand der Aktuatorkomponenten schließen. Die Sensorsysteme sind als drei oder mehrlagiges Dünnschichtsystem aufgebaut, dessen Schichten sich wie folgt ergeben: piezoresistiver Kohlenwasserstoff, metallische Elektrode, diamantharte Deckschicht. Mit der hohen Temperaturbeständigkeit sowie der geringen Schichtdicke von wenigen μm und dem sich daraus ergebenden Sensorgewicht eignet sich dieser Sensor insbesondere für Luftfahrtanwendungen. Dementgegen steht jedoch die geringe Empfindlichkeit der Sensoren was zu sehr kleinen Änderungen der Meßgröße im Schadensfall führt. (DLR, 2012) SAMBA Beschreibung des IST-Zustandes Die Integration von piezoresistiven Dünnschichtsystemen, die direkt in der Laufbahn von Lagern die Belastungen detektieren, ist ein Arbeitsgebiet, mit dem sich die Gruppe Mikro- und Sensortechnologie am Fraunhofer IST schon seit Jahren beschäftigt. Da die Lasten in den Wälzflächen jedoch derart hoch sind, dass die sensorischen Schichten vor Erreichen der für die Luftfahrt geforderten Aktuatorlebensdauer verschleißen würden, wurde am Fraunhofer IST ein Anwendungsfall mit dem Schichtsystem auf dem Außenring und außerhalb der Hauptlastbereiche untersucht. Diese neuen Sensorsysteme wurden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Flugsystemtechnik des deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) innerhalb des europäischen Projektes»More Open Electrical Technologies«(MOET) entwickelt und am DLR hinsichtlich der erforderlichen Empfindlichkeit und Anwendbarkeit für die Zustandserkennung getestet. (Biehl, 2011) Patrick Gallun & Robert Höhne 2

4 Abbildung 1 beschichteter Lagerring Abbildung 2 externer MOET Sensor Da die durch die Beschichtung der Lagerringe aufgebrachten Sensorstrukturen (siehe Abbildung 1) nur in geringer Anzahl funktionsfähig waren, wurde der MOET Sensor (siehe Abbildung 2) zu einer externen Variante weiterentwickelt. Dadurch lassen sich Sensorkörper in beliebiger Anzahl herstellen und an einem Aktuator platzieren, sofern ihre Funktionsfähigkeit geprüft und abgenommen wurde Beschreibung des SOLL-Zustandes Im Rahmen einer Projektarbeit soll diesen Sensoren ein Konzept beigefügt werden, welches die Messsignale zu einer Auswerteinheit überträgt. Um das Messsignal störungsarm vom Aktuator zu einer Auswerteeinheit zu übertragen ist eine Methode zur Signalerfassung und -übertragung zu entwickeln, umzusetzen und zu testen, die den Anforderungen die sich aus der Anwendung ergeben rechenschafft trägt. (DLR, 2012) 3. Planung Zur Sicherstellung eines reibungslosen Ablaufs wurde die Umsetzung wie in Abbildung 3 strukturiert und zu einem Gantt - Diagramm erweitert. Abbildung 3 MindMap Das Ergebnis soll durchaus den Einsatz im modernen Flugverkehr finden. Aufgrund der technischen und umweltspezifischen Einflüsse in der Luftfahrt ergeben sich folgende Systemanforderungen (siehe Seite 4). Patrick Gallun & Robert Höhne 3

5 3.1. Systemanforderungen Temperaturbeständigkeit von -40 C bis 85 C Übertragungslänge von 2m Belastungsauswertung im Bereich 0 45kN (16,667MN/m²) geeignetes Messsignal für gängige Auswerteinheiten (mv, ma, digital, ggf. Einheitssignale) Steckverbindungen auf Sensorseite Verpolungs- und Überlastschutz Versorgungsspannung 24V DC IP44, Schutz der Elektronik vor Berühren oder Beschädigungen (vergießen, Kapseln, Zugentlastungen, Stecker) Schutz vor Fremdeinstrahlungen (EMV- Schutz) Schutz vor Eigenstrahlung (EMV- Schutz) begrenzte Einbaugröße des Stahlgrundkörpers (Außenkante, max. Höhe der Elektronik 20mm) Auswertung bis 15 Wälzkörper bei maximal 2500min -1 kurzzeitige, maximale Belastbarkeit der Sensorstruktur von 10-15V, 5-10μA Elektronikplatine soll in vorgegebene Aussparung Platz finden (beim Testaufbau kann davon abgewichen werden) Da sich die Beschichtungstechnik der externen Sensoren noch in der Entwicklung befindet sollte das Konzept an eine Herstellungsstreuung anpassbar sein. Für die technische Auswertung des Konzeptes steht ein dspace Messsystem mit verschiedenen Messkarten und den Anwendungsprogrammen MATLAB und SIMULINK zur Verfügung. Als physikalische Schnittstelle zwischen dem Messsignalgeber und der dspace Messkarte sind BNC Stecker vorgesehen, wobei eine BNC Buchse aus dem dspace D-Sub 50-pol herauszuführen ist. Dadurch soll gewährleistet sein, dass in Zukunft auch weiter Nachbauten mit der dspace analysiert werden können. Zur Umsetzung der Projektarbeit werden bis zu 1000 vom DLR zur Verfügung gestellt Konzept Zur Generierung eines Messsignals wurde die in Abbildung 4 dargestellte Messbrücke verwendet. Abbildung 4 Messbrücke Patrick Gallun & Robert Höhne 4

6 Nach der Ausarbeitung mehrerer Konzepte wurde sich nach geeignetem Auswahlverfahren für die analoge Übertragung eines Einheitsstromsignals entschieden (siehe Abbildung 5). Abbildung 5 Blockschaltbild/Signalflussplan V - Spannungen verschiedener Potenziale A - Stromsignal Ω Widerstandsänderung 4. Durchführung Die Durchführung bestand aus der Komponentenauswahl, Bestellung und Montage der Bauteile zum Gesamtsystem (siehe Abbildung 6). Abbildung 6 Gesamtsystem Patrick Gallun & Robert Höhne 5

7 5. Tests Die Bewertung der Signalerfassung, -umwandlung und -übertragung erfolgte in verschiedenen Testaufbauten. Im ersten Test wurde eine sinusförmige Wechselspannung am Eingang der Messelektronik angelegt, die ein ideales Messbrückensignal simuliert. Beim zweiten Test wurde die Sensorstruktur mit statischen Lasten beaufschlagt und das resultierende Ausgangssignal des Gesamtsystems ausgewertet. Der letzte Test erfolgte mit dynamischen Belastungen aus einem Piezoaktuator. 6. Ergebnisse Im Verlauf der Tests wurde ein kritisches Temperaturverhalten des Systems erkannt, womit sich der Großteil der Dokumentation beschäftigt. Der ursprüngliche Fokus auf das Kraftsignal verlagerte sich zunehmend zur Thematik der Temperaturkompensation. Im Fortgang der Arbeiten entwickelten sich weitere Lösungsansätze, auf die ergänzend in einem weiterführenden Bericht eingegangen wird. Dieser Folgebericht bietet die Grundlage für weitere Forschungen auf diesem Gebiet. Braunschweig, den Patrick Gallun Robert Höhne Patrick Gallun & Robert Höhne 6