Mit neuen messtechnischen Komponenten die Fertigungsoptimierung vorantreiben

Winterthur, April 2020 – Der Weg zu Industrie 4.0 und smarten Fabriken erfordert eine Digitalisierung der piezoelektrischen Messkette. Kistler entwickelt deren Bausteine – etwa das Prozessüberwachungssystem maXYmos – nicht nur kontinuierlich weiter, sondern schafft auch Innovationen wie den neuen digitalen Ladungsverstärker mICA mit IO-Link-Konnektivität.

In vielen Industrien werden Messgrößen wie Druck, Kraft, Drehmoment oder Beschleunigung mit Hilfe von piezoelektrischen Quarzsensoren gemessen. Ermöglicht hat dies die Erfindung des analogen Ladungsverstärkers im Jahr 1950. Er übersetzt die minimale elektrische Ladung der Quarzkristalle in gängige Messgrößen. Mit zunehmender Automatisierung und Digitalisierung werden Sensoren in der Fertigung immer wichtiger, da sie zwingend erforderlich sind für eine zuverlässige Datenlage in der Industrie 4.0.

Herausforderung Übertragungsrate gemeistert

Als zentraler Baustein der piezoelektrischen Messkette müssen auch Ladungsverstärker an die neuen Bedingungen und Anforderungen angepasst werden. Die direkte Übersetzung der analogen Messsignale in digitale Daten ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur intelligenten Messkette im Sinne von Industrie 4.0. Auch bei Ladungsverstärkern weisen digitale Lösungen Vorteile gegenüber der analogen Technik auf: Zum einen ermöglichen sie einen durchgängigen Datenaustausch mit übergeordneten Systemen ohne zusätzliche Komponenten. Zum anderen entfallen bei digitalen Signalen die im analogen Betrieb üblichen Störgrößen durch induktive oder kapazitive Einkopplungen, da die Digitalisierung des analogen Rohsignals bereits im Verstärker erfolgt.

Kistler hat mit dICA (digital Industrial Charge Amplifier) als erster Anbieter weltweit eine solche Lösung vorgestellt: Der digitale Ladungsverstärker Typ 5074A kommuniziert über industrielles Ethernet und verfügt über einen sehr weiten Messbereich von 20 bis 1.000.000 pC. Bis zu vier Kanäle bieten ein hohes Maß an Flexibilität und Kontrolle: Sie lassen sich einzeln und zeitlich präzise ansteuern, sodass verschiedene Prozesse parallel über einen dICA laufen können. Vor allem aber bietet der Ladungsverstärker eine Erfassungsrate von bis zu 50 kSps pro Kanal und ermöglicht damit die Echtzeitübertragung von Messdaten bei Zykluszeiten bis 100 μs.

Zukunftsweisende Konnektivität via IO-Link

Gerade wenn Sensorik an beweglicher Automatisierungstechnik wie etwa Roboterarmen im Einsatz ist, kommt es bei jedem zusätzlichen Bauteil auf Größe und Gewicht an. Deshalb sind hier kleine und leichte digitale Ladungsverstärker gefragt, da sie gegenüber kompakten analogen weitere Hardware einsparen. Außerdem stehen bei vielen solcher Anwendungen hohe Übertragungsraten und weite Messbereiche mit vielen Kanälen nicht im Vordergrund. Speziell für solche Applikationen und als Alternative zum 5074A hat Kistler den Ladungsverstärker Typ 5028A entwickelt: Mit nur einem Messkanal punktet er nicht nur durch Kompaktheit und geringes Gewicht, sondern kommuniziert zusätzlich effizient über IO-Link.

Damit lässt sich der mICA (miniature Industrial Charge Amplifier) reibungslos in digitale Architekturen einbinden. Er besitzt sowohl analoge als auch digitale Schnittstellen und erlaubt über letztere einen direkten Datenzugriff. Dank IO-Link werden neue Parameter im Fall von Systemänderungen direkt übertragen. Zu beachten ist dabei, dass die Zykluszeit des Verstärkers mit derjenigen des übergeordneten Systems übereinstimmen muss, damit die Messkurve nicht verfälscht wird. Der mICA erreicht im digitalen Betrieb Zykluszeiten ab 0,6 ms und ist damit für die meisten industriellen Anwendungen schnell genug. Benötigt der Anwender höhere Übertragungsgeschwindigkeiten zur Erfassung oder Regelung sehr schneller Prozesse, kann dies der analoge Modus leisten: Hierfür verfügt der mICA über einen Reset-Operate-Eingang. 

Mit den beiden digitalen Ladungsverstärkern 5074A und 5028A ist bereits in vielen Bereichen eine Digitalisierung der Messkette möglich, auch wo dies bisher technisch oder wirtschaftlich nicht loh­nenswert schien. Ganz gleich ob maximal digital und schnell mit dICA oder maximal kompakt und flexibel mit mICA – digitale Messtechnik unterstützt smarte Fabriken und Industrie 4.0.

Prozessüberwachung auf neuestem Stand

Ähnliches gilt für messtechnische Systeme, die mit Hilfe von Sensordaten Vorgänge visualisieren und gegebenenfalls nachregeln. Das Prozessüberwachungssystem maXYmos von Kistler zählt heute zum Standard in vielen Branchen und für verschiedenste Anwendungen – zum Beispiel bei der Montage von Steckverbindern, der Assemblierung von medizintechnischen Produkten oder der Fertigung von Automobilbauteilen. Es kommt in den Varianten BL (Basic Level), TL (Top Level) und NC (Numeric Control) sowohl an Handarbeitsplätzen als auch in der hochautomatisierten Fertigung zum Einsatz.

maXYmos setzt zwei Größen X und Y zueinander in Beziehung – häufig Kraft/Weg oder Kraft/Zeit – und prüft mit Hilfe vom Anwender auswählbarer Bewertungskriterien deren gewünschten Verlauf im Bearbeitungs- oder Fertigungsprozess. Dank dieser Informationen erhöhen sich sowohl die Prozesstransparenz und als auch die Prozesssicherheit deutlich: Der Anwender kann auf Basis der von Sensoren gelieferten Daten den Prozess optimieren und zum Beispiel eine automatische Gut-Schlechtteil-Separierung einrichten – Produktqualität sowie Ressourcen- und Kosteneffizienz steigen. 

Mit der aktuellen Version 1.7 beherrscht maXYmos (in den Varianten TL und NC) erstmals OPC UA und sorgt damit für verbesserte Datendurchgängigkeit und Vernetzung mit übergeordneten Systemen. Durch die Speicherung der zu einem Produktzyklus gehörigen Daten in einem eignen OPC-UA-Event ist die Datenkonsistenz besonders gesichert. maXYmos kann nun außerdem direkt mit der Maschinensteuerung kommunizieren – etwa um Schlechtteile vollautomatisch zu separieren –, was insbesondere beim Einbau in hochautomatisierte Fertigungszellen von Vorteil ist.

Digitalisierung der Messkette setzt Potentiale frei

Kistler entwickelt seine Prozessüberwachungssysteme kontinuierlich weiter und hat kürzlich mit maXYmos TL ML eine neue branchenspezifische Variante für die Medizintechnik vorgestellt: Diese ist besonders für Messbereiche mit kleinen Kräften optimiert und verfügt über eine FDA-konforme Nutzerverwaltung zur Nachverfolgung sämtlicher Änderungen am Prozess. 

Mit den weiterentwickelten Prozessüberwachungssystemen der Reihe maXYmos wie auch den digitalen Ladungsverstärkern dICA und mICA eröffnet Kistler seinen Kunden erweiterte Spielräume und Optimierungschancen für die industrielle Fertigung. Die Digitalisierung insbesondere der piezoelektrischen Messkette wird auch künftig weiter vorangetrieben, um zusätzlichen Mehrwert beim Einsatz von Messtechnik in der Industrieproduktion zu bieten.