Dehnungssensoren Grosse Kräfte clever und einfach messen

Von Stefan Brönnimann, Business Unit Leiter Kraft-/Dehnungssensoren bei Baumer

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Dehnungssensoren sind eine intelligente Alternative zur Kraftmessung, besonders bei grossen Kräften. Sie sind deutlich leichter in Maschinen und Anlagen zu integrieren und von Blechbearbeitung bis Thermopressen vielseitig einsetzbar. Wo bringen die smarten Kraftmesser den grössten Nutzen?

Dehnungssensoren von Baumer sind eine intelligente Alternative zur konventionellen Kraftmessung mit Kraftsensoren. Der äusserst kompakte DST20 (Mitte unten) findet sogar bei sehr beengtem Bauraum Platz.
Dehnungssensoren von Baumer sind eine intelligente Alternative zur konventionellen Kraftmessung mit Kraftsensoren. Der äusserst kompakte DST20 (Mitte unten) findet sogar bei sehr beengtem Bauraum Platz.
(Bild: Baumer)

Kräfte misst man mit einem Kraftsensor, ist doch klar. Oder? Tatsächlich ist das nicht so offensichtlich, wie es auf den ersten Blick scheint. Denn Dehnungssensoren können in vielen Fällen eine intelligente Alternative zur konventionellen Kraftmessung sein. Gerade bei grossen Kräften sind sie oft die kosteneffizientere und leichter integrierbare Alternative. Im Folgenden erklären wir, wie Dehnungsmessung funktioniert, in welchen Bereichen sie eine interessante Alternative zu Kraftsensoren ist und wo die Vorteile liegen.

Kraftmessung mit Kraftsensoren

Kraftmessung ist in vielen industriellen Anwendungen eine gängige Methode, um Maschinen und Anlagen zu überwachen. Kraftsensoren messen den Pressdruck in der Blechbearbeitung, die Belastung der Lager an Förderanlagen, die Kräfte zwischen Walzen und vieles mehr. Für zahlreiche Anwendungen sind Kraftsensoren die richtige Lösung. Bei höheren Kräften ab 10 000 Newton, die auch grös­sere und teurere Kraftsensoren erfordern, können aber Dehnungssensoren aus verschiedenen Gründen die bessere Wahl sein (siehe Absatz «Vorteile Dehnungsmessung gegenüber Kraftmessung»).

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Dehnungsmessung als Alternative – wie funktioniert das?

Im Gegensatz zu Kraftsensoren, die man direkt in den Kraftfluss installieren muss, sind Dehnungssensoren einfach an dem beanspruchten Maschinenteil montiert.

Ein Dehnungssensor ermittelt also nicht die direkt einwirkende Kraft, sondern erfasst die Verformungen, die bei der Belastung einer Maschinen­struktur auftreten. Dabei misst er die Dehnung zwischen den Aufschraubflächen. Aus dieser Dehnung kann die Kraft abgeleitet werden, da die beiden Grössen proportional zueinander sind. Bei grossen Kräften verschaffen die kompakten und schnell installierten Dehnungssensoren Anwendern enorme Vorteile.

Die aufschraubbaren Dehnungssensoren von Baumer sind einfach zu montieren und können kleinste Dehnungen im Mikrometerbereich abgreifen. Sie werden mit Standardschrauben fest auf dem Bauteil fixiert und sind nach der Installation sofort einsatzbereit.

Zahlreiche Einsatzmöglichkeiten

Wo können Dehnungssensoren wie der DST53/76 konventionelle Kraftsensoren ersetzen oder Kraftmessung erst ermöglichen? Die Anwendungsmöglichkeiten gehen weit über den Werkzeugmaschinen- und Anlagenbau hinaus und erstrecken sich über zahlreiche Branchen und Applikationsbereiche. Dehnungssensoren liefern beispielsweise bei der Regelung der Haltekraft, der Prozessüberwachung oder der Blechdickenmessung schnell aussagekräftige Messergebnisse. Dank der miniaturisierten Bauform ermöglicht der Baumer DST20 die Messung von grossen Kräften selbst bei limitierten Platzverhältnissen.

Hier einige Beispiele, bei denen mit Dehnungssensoren von Baumer Kräfte smart und präzise gemessen werden:

  • Der Biegeprozess kann mit Dehnungssensoren überwacht und zu Qualitätszwecken protokolliert werden.
  • Die Stanzkraft überwachen Dehnungssensoren, um frühzeitig eine Abnutzung der Form- und Stanzwerkzeuge zu erkennen. Beliebte Anwendungen sind Thermopressen oder Stanz- und Prägemaschinen.
  • In Fügeprozessen überwachen Dehnungssensoren kontinuierlich die Kraft, damit die erstellte Verbindung die hohen Anforderungen an Stabilität und Langlebigkeit erfüllt.
  • Die Anpresskraft stellen Dehnungssensoren fest, zum Beispiel an Schweisszangen für Roboter beim Aluminiumschweissen.
  • Zur Werkzeugüberwachung eignen sich die aufgezeichneten Messdaten des Dehnungssensors. Hieran lassen sich Abnutzungen von Komponenten erkennen oder Maximalbelastungen auslesen.
  • In Haltevorrichtungen überwachen Dehnungssensoren die Kraft, mit der das Material fixiert wird. Somit kann es mit maximaler Geschwindigkeit bewegt werden, ohne dass es verrutscht oder Abdrücke darauf entstehen.
  • Die Lastüberwachung können Dehnungssensoren übernehmen, etwa an führerlosen Gabelstaplern. Sie zeigen an, ob sich die Ladung während der Fahrt ändert.
  • Durch Überwachung der Bauteilbelastung vermeiden Dehnungssensoren frühzeitige Ausfälle wegen Überbeanspruchung von Maschinenkomponenten.
  • Den optimalen Pressdruck können Dehnungssensoren messen. Eine Anwendung sind Wurst-Abfüllmaschinen. Mithilfe von Dehnungssensoren werden die Verschlussclips exakt so stark verpresst, dass sie dichthalten, aber die Wursthaut nicht verletzen.
  • Für die Schwingungsdämpfung, etwa bei grossen Autobetonpumpen, liefern robuste Dehnungssensoren das Basissignal.
  • Bei der automatischen Blechdickenmessung werden mit den hochempfindlichen Dehnungssensoren Abweichungen der Blechdicke detektiert und kompensiert. Der Sensor erkennt exakt den Touch-Down-Punkt, also den Moment, wenn der Werkzeugstempel das Blech berührt und die Biegekraft ansteigt. Das stellt jederzeit die höchstmögliche Winkelgenauigkeit des Werkstückes sicher.

Vorteile Dehnungsmessung gegenüber Kraftmessung

Dehnungssensoren können bei höheren Kraftbereichen und grossen Konstruktionen die bessere Wahl sein als Kraftsensoren. Als wichtigste Vorteile haben sich im Praxisalltag diese Punkte herausgestellt:

  • Keine aufwendige Bauteilanpassung: Bei der direkten Kraftmessung muss der Sensor dort sitzen, wo die Kraft einwirkt. Um den Sensor zu integrieren, muss das Bauteil daher aufwendig angepasst werden. Ein aufschraubbarer Dehnungssensor dagegen lässt sich deutlich einfacher integrieren und ist schneller einsatzbereit. Warum? Die Kraft wird nicht direkt im Kraftfluss gemessen, sondern aus der Oberflächendehnung des beanspruchten Maschinenteils ermittelt. Der Dehnungssensor wird einfach ohne weiteren Umbau auf der Oberfläche des entsprechenden Bauteils im Kraftnebenfluss aufgeschraubt.
  • Schneller einsatzbereit: Weil ein Dehnungssensor einfach an der passenden Stelle aufgeschraubt wird, ist er schneller einsatzbereit als ein Kraftsensor, der immer Konstruktionsaufwand erfordert.
  • Ein einziger Sensor für unterschiedliche Bereiche: Dehnungssensoren decken aufgrund des Mess­prinzips mit nur einem Sensor unterschiedliche Kraftbereiche ab. Man kann – anders als bei Kraftsensoren – mit dem gleichen Dehnungssensor die Presskraft bei kleinen und grossen Pressen messen, obwohl die Kräfte der verschiedenen Pressen deutlich variieren.
  • Geringere Kosten bei gleicher Leistung: Die Messwerte von Baumer-Dehnungssensoren sind so genau wie die von Kraftsensoren. Zugleich können die Kosten von Dehnungssensoren je nach Grös­se des entsprechenden Kraftsensors deutlich geringer ausfallen. Ab Messwerten von 20 kN wird der Sensorkörper des Kraftsensors grösser als ein Dehnungssensor. Bei beispielsweise 400 kN ist das mechanische Teil um ein Mehrfaches teurer als ein Dehnungssensor. Dehnungssensoren sind aufgrund des geringeren Materialaufwands darum auch ressourcenschonender.
  • Langlebigkeit: Baumer-Dehnungssensoren sind wie Kraftsensoren dauerfest.
  • Einfache Funktionstests möglich: Bei bestehenden Maschinen oder neuen Projekten können einfach erste Funktionstests durchgeführt werden für die spätere Serienintegration. SMM

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