Um Gewicht einzusparen, setzen Luft- und Raumfahrtunternehmen zunehmend auf exotische Materialien. Diese Materialien sind zwar fester und leichter, aber auch schwieriger zu bearbeiten. Bei unsachgemäßer Handhabung und Bearbeitung können sie splittern, brechen oder verbrennen. Da es sich bei vielen um Verbundwerkstoffe handelt, können Schäden im Inneren auftreten, die nur mit teuren Inspektionstechniken erkannt werden können.
Kohlefaser ist ein gutes Beispiel dafür. Sie wird in der Regel zu einem Verbundwerkstoff mit einem sehr hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht kombiniert und ist außergewöhnlich steif und fest – aber auch spröde. Um sie für sekundäre Betriebsvorgänge in Position zu halten, muss die Spannkraft sehr sorgfältig kontrolliert werden, um eine Beschädigung oder sogar Zerstörung der Teile zu vermeiden.
Problem
Ein Hersteller von Maschinen mit Präzision für die Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelte Spezial-CNC-Maschinen zum Bohren von Löchern in lange, dünne Verbundwerkstoffteile aus Kohlefaser. Aufgrund der Beschaffenheit der Teile mussten diese an beiden Enden mit Servomotoren geklemmt werden. Da jedoch gewisse Längenabweichungen der Teile unvermeidbar waren, bestand bei der Bewegung der Klemmen in feste Positionen die Gefahr, dass das Werkstück beschädigt wurde oder herunterfiel. Um dies zu vermeiden, wollten die Maschinenkonstrukteure die Klemmen so manövrieren, dass eine vorgegebene Belastung erreicht wurde.
Um die Automatisierungszykluszeit zu minimieren, bewegten diese Motoren die Klemmen schnell, bevor sie auf 1/10 Zoll pro Sekunde verlangsamten. Servomotoren können eine Kraft von 200 bis 300 Pfund aufbringen, daher musste die Maschine den Beginn des Klemmvorgangs erkennen und die Servomotoren stoppen, bevor die Kräfte zu hoch wurden.
Lösung
Dieses Problem stellte OMEGA vor drei Herausforderungen. Erstens musste eine Druckkraftmesszelle in das Servoklemm-System der automatisierten Maschine integriert werden. Zweitens mussten die Millivolt-Ausgangssignale verstärkt und aufbereitet werden, um eine Beeinträchtigung der Genauigkeit zu vermeiden, da die Maschinensteuerung weit von der Wägezelle entfernt war. Und drittens musste all dies schnell genug geschehen, um die Anforderungen der Automatisierungssteuerung an Geschwindigkeit und Zykluszeit zu erfüllen.
Zur Messung der Klemmkraft schlug OMEGA den Einsatz von Subminiatur-Wägezellen der Serie LC201 vor. Mit einem Durchmesser von nur 19 mm (0,75") und einer Dicke von 6,4 mm (1/4") messen diese Zellen sowohl Druck- als auch Zugkräfte bis zu 500 N (metrische Modelle) oder 300 Pfund. Ein vieradriges, abgeschirmtes Kabel überträgt sowohl die Erregerspannung als auch die Millivolt-Ausgangssignale. Zur einfachen Installation werden die Wägezellen mit zwei Bolzen für die Montage und einer Konstruktion aus Edelstahl zum Schutz vor Beschädigungen geliefert.
Um die Ausgangssignale der Wägezellen an die Maschinensteuerung zu übertragen, war ein Signalwandler erforderlich. Herkömmliche DIN-montierte Signalwandler verfügten jedoch nicht über die Geschwindigkeit, die für Präzision bei der Bewegungssteuerung erforderlich ist. Daher empfahl OMEGA den neuen Hochgeschwindigkeits-Signalwandler IN-UVI. Mit einer Ansprechzeit von 200 μS würde dieser Wandler sicherstellen, dass die Steuerung die Klemmbewegung stoppt, bevor das Werkstück beschädigt wird.
Der IN-UVI ist ein Inline-Wheatstone-Brücken-Signalkonditionierer in einem kompakten IP65-Edelstahl-Gehäuse. Er ist ideal bei begrenztem Platzangebot und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis, sodass Millivolt-Signale von der Wägezelle über größere Entfernungen gesendet werden können. Eine Versorgungsspannung von 22 bis 32 VDC versorgt die Wägezelle mit einer von zwei vom Benutzer wählbaren Erregerspannungen und verstärkt das Millivolt-Ausgangssignal entsprechend den Anforderungen der Steuerung.
Ergebnisse
Die Wägezellen- und Signalaufbereitungslösung von OMEGA erfüllte die Anforderungen des Kunden vollständig. Mittlerweile wurden mehr als 20 Maschinen mit diesem Klemmkraftregelsystem ausgestattet. Jedes System verwendet zwei LC201-300-Pfund-Wägezellen (für Redundanz) und zwei IN-UVI-Signalkonditionierer. Sie arbeiten mit hoher Geschwindigkeit und liefern die für eine Präzision der Klemmkraft erforderlichen Signale. Dies hat zu einer schnelleren Reaktion, einer höheren Zuverlässigkeit und vor allem zu einer Verringerung der Beschädigung von Werkstücken geführt.
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