Fertigung. Vom Sensor zum Transmitter. Robuste Industriesensoren durch Elektronikintegration

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1 Fertigung Vom Sensor zum Transmitter Robuste Industriesensoren durch Elektronikintegration A. Kirchheim, D. Otter, D. Kobler, K. Bräuer, A. Lehmann, G. Schaffner Kistler Gruppe, Winterthur Modellierung Maschinenbau Informatik ifm2007 Internationales Forum Mechatronik September 2007 Winterthur, Schweiz Mechatronik Aktorik Sensorik Prozessrechentechnik Elektrotechnik Elektrotec Sonderdruck d-05.08

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3 Vom Sensor zum Transmitter Robuste Industriesensoren durch Elektronikintegration A. Kirchheim, D. Otter, D. Kobler, K. Bräuer, A. Lehmann, G. Schaffner Kistler Gruppe, Eulachstr. 22, 8408 Winterthur, Schweiz 1 Einleitung Piezoelektrische Sensoren eignen sich Dank hoher Auflösung, grossem Messbereich und grossem Überlastschutz besonders gut zur Überwachung und Analyse von Fertigungsprozessen. Neue, kompakte und leistungsfähige Elektronikbauteile ermöglichen zunehmend die Integration der Auswerteelektronik direkt im Sensor. Durch konsequente Miniaturisierung kann heute in Kraft- und Dehnungstransmittern eine sehr flexible programmierbare Elektronik eingesetzt werden. So können die grossen Vorteile piezoelektrischer Sensoren mit den Vorteilen einfacher Industriesensoren verbunden werden. Kristallgitter unbelastet belastet 2 Piezoelektrische Messkette Heute werden piezoelektrische Kraft- und Dehnungssensoren nicht nur in sehr vielen Gebieten der Forschung sondern auch verstärkt in der Produktion direkt oder als OEM-Kompo nenten in Produktionsmaschinen verwendet. Sie erfassen dynamische Änderungen bis zu höchsten Frequenzen und messen auch mit Erfolg quasistatisch. Zu den vielseitigen Anwen dungsmöglichkeiten gehören u.a. die Messung von Fügekräften beim Einpressen, Clinchen oder Nieten. Bei solchen Anwendungen in der Fertigung werden für eine Kraft messung sogenannte Press Force Sensoren verwendet, eine häu fige Bauform von piezoelektrischen Kraftsensoren, wie in Bild 1a und 1b dargestellt. Der spezielle, patentierte Aufbau vom Press Force Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass der Sensor axial vorgespannt ist. Besonders für kleine Druckkräfte ist eine solche Vorspannung des Sensors Voraussetzung für eine gute Linearität des Ausgangssignals. Dass Messelement des Press Force Sensors besteht aus einem ringförmigen Paar Quarzscheiben, welches auf Druck empfindlich ist. Die druckempfindliche Richtung der Kristallscheiben ist so ausgerichtet, dass, in Abhängigkeit der Höhe der Druckkraft, ein der Kraft proportionales Ladungssignal abgegeben wird, das in einem Ladungsmeter (Ladungsverstärker) in eine proportionale elektrische Spannung umgewandelt wird. Bedingt durch das piezoelektrische Messprinzip und die hohe Steifheit des Press Force Sensors erfolgt die Messung praktisch ohne Wegänderung. Kristallelemente Bild 1a: Piezoelektrischer Longitudinaleffekt Montagegewinde K Innenzentriersitze D2 Montagegewinde P Freier Durchgang D3 Steckerschutz Steckeranschluss Piezoelektrisches Messelement Bild 1b: Aufbau eines vorgespannten Kraftmesselementes (Press Force Sensor) Zur einfachen Montage, z.b. in Pressenstössel besitzt der Sensor Adaptionsflansche und spezielle Montagegewinde. 3

4 Aber die Kraft kann auch indirekt und sehr einfach über die Dehnung in der belasteten Struktur dargestellt werden (siehe Bild 2a und 2b). Prinzip des Schubeffekts Angriff der Kraft unbelastet Bild 2a: Piezoelektrischer Schubeffekt 10 kn Bild 2b: Aufbau eines piezoelektrischen Dehnungssensors belastet Dehnungssensoren können wie Dehnungsmessstreifen (DMS) die Oberflächendehnung direkt proportional zur Be las tung auf Strukturen messen. Die zu messende Dehnung auf der Maschinenoberfläche wird, über Reibung, auf ein schubempfindliches Sensorelement übertragen. Hierzu wird der Sensor mit einer M6-Schraube mit 10 kn auf der Struktur verschraubt. So ist es möglich, Dehnungen bis 800 με in belasteten Maschi nenstrukturen zu messen. Das kraft- bzw. dehnungsproportionale Ladungssignal wird bei den oben beschriebenen Sensoren in einem externen Ladungsverstärker aufbereitet und dem Mess-PC, einer SPS oder anderen Kontrolleinheiten zugeführt. Bild 3 zeigt die piezo elek trische Messkette, bestehend aus Sensor, Kabel und Industrieladungsverstärker einschliesslich Blockdiagramm. Für den Einsatz im industriellen Fertigungsumfeld ist der Mehrkanal-Industrieladungsverstärker (ICAM, Industrial Charge Amplifier Manufacturing) in einem robusten, dichten Gehäuse integriert (Schutzart IP65). Er kann flexibel an verschiedene Prozesse angepasst werden und verfügt über eine ausreichend hohe Genauigkeit und Linearität. Weitere Merkmale sind: Grosser, einstellbarer Messbereich (± pc) Integrierter Spitzenwertspeicher mit programmierbarer Funk tionalität Robuste serielle Kommunikationsschnittstelle (RS-232C) Offset-, Verstärkungs- und Filter-Werte über Setup-Menü wählbar Automatische Nullpunkt-Kompensation Das Kernstück des Ladungsverstärkers (Q/U-Wandler) ist in Dick schicht-keramiktechnologie implementiert. Der Gesamtprint ist ein Multilayer Starrflex-Print aus FR4 mit SMD- Bestückung (Bild 4 und 5). Dieser verfügt über einen 8-bit Mikrokontroller mit integriertem 12-bit AD-Wandler (25 MIPS; 12-bit ADC, 100 ksps; 12-bit DAC; 32 kb Flash; TQFP64). Q/U-Wandler Reset U o = Q C r R t Sensor Kabel C r U o Q C t Press Force Sensor Messbereich 70 kn R i C c Dehnungssensor Anschlusskabel Adapter ICAM <800 με Bild 3: Piezoelektrische Messkette bestehend aus Sensor, Kabel und Ladungsverstärker (Signalaufbereitung) 4

5 An die Elektronik im Transmitter werden erhöhte Anforderungen bezüglich der Miniaturisierung gestellt; aus diesem Grund wurde die Technik des Ladungsverstärkers konsequent weiterentwickelt: Das Q/U-Wandler-Modul wurde direkt auf dem Substrat (Laminat) integriert Die Schaltung wurde auf die notwendige Komplexität reduziert (kundenspezifisch) Die mechanische Konstruktion wurde optimiert Bild 4: Blockdiagramm Ladungsverstärker ICAM Bild 5: Ladungsverstärker Starrflex-Print (geklappt) 3 Miniaturisierung und Integration der Elektronik Durch Forderungen nach einfacher Integrierbarkeit und robustem Aufbau wurde die Signalvor ver ar bei tung bereits im Sensorgehäuse integriert. Ergebnis ist ein homogenes Messsystem mit hohem Integrationsgrad mit robustem Anschlusskabel (M12-Steckverbindung) für das rauhe Produktionsumfeld. Die gesamte Messkette ist zusammengefasst an die eigentliche Messstelle verlagert und bildet somit ein System, den sogenannten Transmitter (Dehnungstransmitter Typ 9238A..., Press Force Transmitter Typ 9337A...) wie in Bild 6 dargestellt. Die Transmitter-Elektronik ist in SMD-Technologie auf einem starren Multilayer-Print aus speziellem FR4-Laminat (hochisolierend) ausgeführt. Herzstück ist auch hier ein 8-bit Mi kro - kontroller mit integriertem 12-bit AD-Wandler (100 MIPS; 12-bit ADC, 100 ksps; 12-bit DAC; 128 kb Flash; TQFP64). Realisiert ist dies auf zwei Printflächen in Scheibenform mit nur ø25 mm (entspricht 980 mm 2 ; siehe Bild 6). Die Miniaturisierung hat pro Kanal eine Flächenreduktion um einen Faktor grösser als 3 gebracht; gleichzeitig wurde aber auch noch eine erhöhte Flexibilität durch die Digitalisierung des Signals erreicht (Blockdiagramm in Bild 7). Die Digitalisierung bringt eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Signalskalierung und der Signalinvertierung. Der Preis hierfür liegt im erhöhten Bedarf an Rechenleistung (digitale Signal verarbeitung), die aber heute sehr preiswert mit Microcon trollern mit erhöhten Leistungen zu bekommen ist. Bild 7: Blockdiagramm Press Force Transmitter Messbereich 70 kn ICAM inside Ladungsverstärker Dehnungstransmitter <800 με Press Force Sensor Anschlusskabel Adapter ICAM Dehnungssensor Messbereich 70 kn <800 με Bild 6: Standardmesskette (piezoelektrisch) im Vergleich zum Transmitter 5

6 4 Konfigurieren und Messen Die vorgestellten Transmitter sind sämtlich über RS-232C konfigurierbar. Zum einen können Grundeinstellung und Justage per Terminalprogramm erfolgen, zum anderen aber auch über das wesentlich komfortablere PC-Tool "ManuWare". Im Gegensatz zu den Kraftsensoren ist dieses Verfahren bei den Dehnungssensoren aber kaum geeignet, da der Zusammenhang von Kraft und resultierender Dehnung meistens nicht bekannt ist. Hier führt die zweite Methode, das Teach-In-Verfahren, zum Ziel (Bild 11). Setup Ladungs- Press Force Dehnungs- Elektromechanisches verstärker ICAM Transmitter transmitter NC-Fügemodul (Piezo) Bild 8: Aktuell von ManuWare unterstützte Kistler-Produkte Grundsätzlich wird ManuWare solche Kistler-Produkte unterstützen, bei denen ein Setup via serielle Schnittstelle möglich ist und wo Messdaten analog oder seriell übertragen werden können. Nützliche Features von ManuWare sind die Funktionen Mess datenvisualisierung und -export (Bild 9). Kistler setzt damit seine Philosophie "measure & analyse" konsequent um. So können z.b. Messgrössen über der Zeit dargestellt und in gängigen Exportformaten* abgelegt werden. Eine Statusmaske signalisiert ausserdem die logischen Zustände sämtlicher Steuersignale von und zum Transmitter. Bild 10: Selbsterklärende Setup-Prozeduren führen den Anwender durch die gesamte Transmittereinstellung. Hier wird die Abbildung der mechanischen Eingangsgrösse (Kraft in N) auf das elektrische Ausgangssignal (Spannung in mv) festgelegt. Dehnungstransmitter Referenz-Messkette "Kraft" Bild 9: Die Visualisierung von Messgrössen und das Melden von Signalzuständen sind wichtige Hilfsmittel bei jeder Inbetriebnahme Zur Messbereichs-Skalierung werden verschiedene Verfahren angeboten. Eine Methode ist das blosse Eintippen der Sensordaten nach Kalibrierprotokoll. Kräfte oder andere mechanische Grössen müssen dabei nicht eingeleitet werden (Bild 10). Bild 11: Die Dehnung am Transmitter entspricht der am Referenzmessgerät abgelesenen Kraft. Die Skalierung erfolgt hier durch Teach-In. *) In Vorbereitung 6

7 5 Applikation Zur Überwachung und Analyse von Fertigungsprozessen eigenen sich piezoelektrische Sensoren dank hoher Auflösung, grossem Messbereich und grossem Überlastschutz besonders gut. Aber es kommt nicht nur auf die Performance des Sensors selbst an, sondern auch auf die richtigen Montagestelle im Kraftfluss der Maschine. Bild 12 zeigt Einbaubeispiele an einer Presse (C-Gestell), wie sie häufig in der Montage beispielsweise zum Einpressen benutzt wird. Wegsensor Bild 13: Press Force Transmitter in Presse montiert. Typischer Einpress vorgang gegen Anschlag Direkte Kraftmessung Indirekte Kraftmessung Direkte Kraftmessung Kraftnebenschlussmessung Bild 12: Kraftmessung an einer Presse Es wird zwischen direkter und indirekter Kraftmessung bzw. der Kraftnebenschlussmessung unterschieden. Bei der direkten Kraftmessung wird die gesamte zu messende Kraft durch den Sensor geleitet und so sehr empfindlich mit hoher Auflösung gemessen. Bei der indirekten Kraftmessung wird die Kraft über die resultierende Dehnung gemessen, im Kraftnebenschluss ist der Sensor so in der Struktur positioniert, dass nur ein Teil des Kraftflusses durch den Sensor geht. Die indirekte Kraftmessung und die Kraftnebenschlussmessung sind weniger empfindlich, dafür sehr sicher gegenüber Überlast. Für die Überwachung von Fügeprozessen wird meist die Überwachung der Fügekraft über dem Fügeweg genutzt, sodass eine Wegmessung ebenfalls notwendig ist (Bild 13). Die beiden folgenden Bilder zeigen typische Kraftverläufe, wie sie beim Einpressen bzw. Widerstandsschweissen mit den beschriebenen Kraft- bzw. Dehnungstransmittern generiert werden. Die Transmitter verfügen über eine Elektronik, deren Leistungsfähigkeit, einfache Bedienung und Flexibilität bis jetzt nur aus der Labormesstechnik bekannt ist. Bild 14: Tischmaschine zum Widerstandschweissen mit montiertem Dehnungssensor auf der Elektrode und Dehnungstransmitter auf dem Maschinenkörper, Klemmkraft (quasistatisch) und Schweiss kraft (dynamisch) über einem Schweisszyklus 6 Zusammenfassung Durch eine neue, kompakte und leistungsfähige Elektronik kann die Auswerteelektronik direkt im Sensor integriert werden. Dadurch kann heute in Kraft- und Dehnungs transmittern eine sehr flexible programmierbare Elektronik eingesetzt werden. So können die grossen Vorteile piezoelektrischer Sensoren mit den Vorteilen einfacher Industriesensoren verbunden werden. 7 Literatur Bill, B.: Messen mit Kristallen: Grundlagen und Anwendungen der piezoelektrischen Messtechnik. Moderne Industrie, Landsberg/Lech: 2002 Tichy, J.; Gautschi, G.: "Piezoelektrische Messtechnik" Physi kalische Grundlagen Kraft-, Druck- und Beschleunigungsaufnehmer, Verstärker, Springer-Verlag, Berlin Heidel berg, New York 1980 Kirchheim, A.; Lehmann, A.; Schaffner, G.; Deuerling, R.; Thommes, H.; Hussmann, D.: Sichere Verbindungen durch Überwachung der Fügekräfte, 13. Paderborner Symposium Fügetechnik Mechanisches Fügen und Kleben, Paderborn, November

8 Kistler weltweit Europa Deutschland Kistler Instrumente GmbH Daimlerstrasse Ostfildern Tel info.de@kistler.com Dänemark/Norwegen/Schweden Kistler Nordic AB Aminogatan Mölndal Tel info.se@kistler.com Finnland Kistler Nordic AB Särkiniementie Helsinki Tel sales.fi@kistler.com Frankreich Kistler France ZA de Courtabœuf 1 15, avenue du Hoggar Les Ulis cedex Tel info.fr@kistler.com Grossbritannien Kistler Instruments Ltd. 13 Murrell Green Business Park London Road Hook, Hampshire RG27 9GR Tel sales.uk@kistler.com Italien Kistler Italia s.r.l. Via Ruggero di Lauria, 12/B Milano Tel sales.it@kistler.com Niederlande Kistler B.V. Nederland Leeghwaterstraat DT Reeuwijk Tel sales.nl@kistler.com Österreich Kistler GmbH Lemböckgasse 49f 1230 Wien Tel sales.at@kistler.com Schweiz/Liechtenstein Kistler Instrumente AG Verkauf Schweiz Eulachstrasse Winterthur Tel sales.ch@kistler.com Tschechische Republik/Slowakei Kistler, s.r.o. Zelený pruh 99/ Praha 4 Tel sales.cz@kistler.com Asien Amerika d , Kistler Gruppe Japan Kistler Japan Co., Ltd. 23 rd floor, New Pier Takeshiba North Tower , Kaigan, Minato-ku Tokyo Tel sales.jp@kistler.com Volksrepublik China Kistler China Ltd. Room 925, Yuan Chen Xin Building No. 12 E1, Yuminlu Road Deshengmenwai Beijing Tel sales.cn@kistler.com Indien Kistler Instruments (Pte) Ltd. India Liaison Office 2B Century Plaza 560/562 Anna Salai Teynampet, Chennai Tel sales.in@kistler.com Hauptsitz Schweiz Kistler Gruppe Eulachstrasse 22, 8408 Winterthur Tel Fax info@kistler.com Republik Korea Kistler Korea Co., Ltd. Gyeonggi Venture Anyang Technical College Center , Anyang-Dong, Manan-Gu, Anyang-City, Gyeonggi-Do Tel sales.kr@kistler.com Singapur Kistler Instruments (Pte) Ltd. 50 Bukit Batok Street 23 #04-06 Midview Building Singapore Tel sales.sg@kistler.com Taiwan Kistler Representative Office in Taiwan Room 9, 8F, No. 6, Lane 180 Sec. 6, Mincyuan E. Road Taipei 114 Tel sales.tw@kistler.com Thailand Kistler Instrument (Thailand) Co., Ltd. 26/56 TPI Tower, 20th Floor Nanglingee Rd., (Chan Tat Mai Rd.) Thungmahamek, Sathorn Bangkok Tel sales.thai@kistler.com USA/Kanada/Mexiko Kistler Instrument Corp. 75 John Glenn Drive Amherst, NY Tel sales.us@kistler.com Australien Australien Kistler Instruments Australia Pty Ltd 5 Glenn Court Rowville, Victoria 3178 Tel sales.au@kistler.com Andere Länder Kistler Instrumente AG Export Sales Eulachstrasse 22, 8408 Winterthur Schweiz Tel sales.export@kistler.com