Kraftaufnehmer werden in Prüfständen, Pressen, Fügevorrichtungen, Waagen und Maschinen häufig bis nahe an ihren Nennbereich belastet. Im normalen Betrieb funktioniert die Messung zuverlässig. Eine blockierte Mechanik, ein harter Endanschlag, ein herunterfallendes Werkzeug oder eine unerwartete Stoßbelastung kann den Sensor jedoch innerhalb kürzester Zeit überlasten.
Eine Überlast muss nicht zum sichtbaren Bruch des Messkörpers führen. Bereits eine geringe bleibende Verformung kann den Nullpunkt verschieben, die Kennlinie verändern oder die Wiederholbarkeit verschlechtern. Der Kraftaufnehmer liefert anschließend weiterhin ein Signal, misst aber möglicherweise nicht mehr zuverlässig.
Mechanische Anschläge können die Bewegung begrenzen, bevor der Messkörper seinen zulässigen Verformungsbereich überschreitet. Sie sind besonders sinnvoll, wenn Überlastungen nicht vollständig ausgeschlossen werden können oder eine elektronische Abschaltung bei schnellen Lastspitzen zu spät reagieren würde.
Inhaltsverzeichnis
- Warum Kraftaufnehmer durch Überlast beschädigt werden
- Nennkraft, Gebrauchskraft und Bruchkraft unterscheiden
- Typische Ursachen mechanischer Überlast
- Wie ein mechanischer Überlastanschlag funktioniert
- Anschlag und Spalt richtig auslegen
- Überlastschutz für Druck- und Zugkräfte
- Dynamische Kräfte und Stoßbelastungen berücksichtigen
- Querkräfte, Biegemomente und Torsion vermeiden
- Gewollten Überlastpfad vom Kraftnebenschluss unterscheiden
- Steifigkeit der Umgebungskonstruktion beachten
- Mechanischen und elektronischen Schutz kombinieren
- Transport- und Montageschutz vorsehen
- Inbetriebnahme und Funktionsprüfung
- Was nach einer Überlast zu prüfen ist
- Wartung und Sichtprüfung
- Typische Konstruktions- und Montagefehler
- Praxisbeispiel: Druckkraftmessung an einer Fügevorrichtung
- Benötigte Angaben für die Auslegung
- Welche Produkte eignen sich?
- Fazit
- Häufige Fragen
Warum Kraftaufnehmer durch Überlast beschädigt werden
Viele elektrische Kraftaufnehmer arbeiten mit Dehnungsmessstreifen oder Dünnfilm-Sensorik. Die Kraft verformt einen metallischen Messkörper innerhalb eines genau definierten elastischen Bereichs. Die sehr kleine Verformung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Solange die Belastung innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt, kehrt der Messkörper nach der Entlastung weitgehend in seine ursprüngliche Form zurück. Wird die Grenze überschritten, kann eine plastische Verformung entstehen.
Mögliche Folgen sind:
- bleibende Nullpunktverschiebung,
- veränderte Empfindlichkeit beziehungsweise Spanne,
- schlechtere Linearität,
- abweichende Hysterese,
- schlechtere Wiederholbarkeit,
- Risse oder Materialermüdung,
- Beschädigung von DMS, Leiterbahnen oder Klebeverbindungen,
- vollständiger mechanischer Bruch.
Ein Kraftaufnehmer kann äußerlich unbeschädigt aussehen und trotzdem außerhalb seiner ursprünglichen Spezifikation liegen. Ein noch vorhandenes Ausgangssignal ist deshalb kein ausreichender Nachweis dafür, dass der Sensor die Kraft weiterhin korrekt misst.
Nennkraft, Gebrauchskraft und Bruchkraft unterscheiden
Die Datenblätter von Kraftaufnehmern enthalten je nach Hersteller verschiedene Belastungskennwerte. Die verwendeten Begriffe und Bezugsgrößen müssen für den konkreten Sensor geprüft werden.
| Kennwert | Bedeutung | Praxisrelevanz |
|---|---|---|
| Nennkraft Fnom | Oberer Wert des vorgesehenen Messbereichs | Innerhalb dieses Bereichs gelten die spezifizierten messtechnischen Eigenschaften |
| Zulässige Gebrauchskraft | Maximal zulässige Belastung, bei der kein bleibender Schaden entstehen soll | Keine empfohlene Dauerbelastung für den normalen Messbetrieb |
| Grenzkraft beziehungsweise sichere Überlast | Herstellerspezifische Belastungsgrenze oberhalb der Nennkraft | Nur als Schutzreserve und nicht als zusätzlicher Messbereich betrachten |
| Bruchkraft | Belastung, bei der ein mechanisches Versagen zu erwarten ist | Darf nicht als nutzbare Betriebsreserve verwendet werden |
| Nennmessweg | Verformungsweg des Messkörpers bei Nennkraft | Wichtige Grundlage für die Auslegung eines mechanischen Anschlags |
Eine hohe Bruchkraft bedeutet nicht, dass der Sensor nach jeder Belastung unterhalb dieses Werts weiterhin genau misst. Zwischen dem Ende des spezifizierten Messbereichs und dem mechanischen Bruch kann bereits eine bleibende messtechnische Veränderung auftreten.
Auch die Überlastwerte für Zug- und Druckrichtung können unterschiedlich sein. Bei bidirektionalen Kraftaufnehmern müssen deshalb beide Richtungen separat geprüft werden.
Typische Ursachen mechanischer Überlast
Überlastungen entstehen nicht nur durch einen falsch gewählten Messbereich. Häufig liegt die Ursache in der realen Maschinenbewegung oder in einem unerwarteten Betriebszustand.
Typische Beispiele sind:
- Werkzeug fährt gegen einen festen Endanschlag,
- Prüfling blockiert während eines Press- oder Fügevorgangs,
- Zylinder erzeugt bei vollem Betriebsdruck eine höhere Kraft als erwartet,
- Bauteil wird schlagartig eingespannt,
- Last fällt auf eine Wägeplattform,
- Werkzeug oder Adapter wird auf den Sensor fallen gelassen,
- Motor oder Spindel läuft nach dem Abschaltsignal weiter,
- Druckspeicher oder Schwungräder liefern zusätzliche Energie,
- Bedienperson verwendet einen falschen Prüfablauf,
- Transport- oder Montagekräfte wirken auf den Sensor.
Auch Querkräfte können den Messkörper mechanisch überlasten, obwohl die axial angezeigte Kraft noch unterhalb der Nennkraft liegt. Der Schutz muss daher nicht nur den erwarteten Zahlenwert, sondern den vollständigen Kraft- und Bewegungsablauf berücksichtigen.
Wie ein mechanischer Überlastanschlag funktioniert
Ein mechanischer Überlastanschlag begrenzt den möglichen Verformungsweg der Messzelle oder der angeschlossenen Konstruktion.
Im normalen Messbereich besteht ein definierter Spalt zwischen dem beweglichen Bauteil und dem Anschlag. Die vollständige Kraft fließt durch den Kraftaufnehmer.
Erst wenn die Bewegung den zulässigen Grenzweg erreicht, berührt die Konstruktion den Anschlag. Die zusätzliche Last wird anschließend ganz oder teilweise über den stabileren Überlastpfad geführt.
Ein korrekt ausgelegter Anschlag erfüllt damit zwei Anforderungen:
- Er beeinflusst die Messung bis zur vorgesehenen Maximalkraft nicht.
- Er begrenzt die Sensorverformung, bevor eine schädliche Überlast entsteht.
Mögliche Ausführungen sind:
- einstellbare Anschlagschrauben,
- Distanzhülsen und Anschlagflächen,
- integrierte Anschläge im Kraftaufnehmer,
- separate Überlastplatten,
- vorgespannte Federpakete mit Endanschlag,
- mechanische Bypass-Konstruktionen,
- Zug- und Abhebesicherungen mit begrenztem Bewegungsweg.
Anschlag und Spalt richtig auslegen
Der notwendige Anschlagspalt darf nicht pauschal festgelegt werden. Er hängt unter anderem ab von:
- Nennmessweg des Kraftaufnehmers,
- zulässigem Überlastweg,
- Steifigkeit von Grundplatte und Lastaufnahme,
- Verformung von Schrauben und Adaptern,
- Temperaturausdehnung,
- Fertigungstoleranzen,
- Verschleiß und Setzverhalten,
- gewünschter Auslöseschwelle.
Als konstruktives Prinzip wird der Anschlag häufig auf einen Weg knapp oberhalb des normalen Nennmesswegs eingestellt. Der genaue Wert muss jedoch aus den Herstellerdaten und der Verformung der vollständigen Konstruktion abgeleitet werden.
Der Anschlag muss ausreichend steif sein. Gibt die Anschlagkonstruktion selbst stark nach, kann der Kraftaufnehmer trotz Kontakt weiter verformt und überlastet werden.
Bei der Einstellung ist eine kontrollierte Belastung der vollständigen Messeinrichtung sinnvoll:
- Kraftaufnehmer korrekt montieren und elektrisch anschließen.
- Normalen Nullpunkt ohne Kontakt zum Anschlag prüfen.
- Vorgesehene maximale Betriebskraft kontrolliert aufbringen.
- Verbleibenden Abstand zum Anschlag prüfen beziehungsweise einstellen.
- Last vorsichtig bis zum vorgesehenen Eingriffspunkt erhöhen.
- Entlasten und Nullpunkt sowie Wiederholbarkeit kontrollieren.
- Eingriffspunkt und Einstellmaß dokumentieren.
Eine Einstellung allein anhand einer theoretischen Zeichnung kann unzureichend sein, wenn sich Grundrahmen, Plattform oder Adapter stärker verformen als angenommen.
Überlastschutz für Druck- und Zugkräfte
Druckbelastung
Bei Druckkraftaufnehmern lässt sich ein Überlastanschlag häufig durch eine parallele Anschlagfläche oder eine einstellbare Schraube realisieren. Sobald der definierte Weg erreicht ist, stützt sich die Lastaufnahme auf der festen Umgebungskonstruktion ab.
Dabei muss sichergestellt sein, dass:
- die Kraft weiterhin möglichst zentrisch eingeleitet wird,
- die Anschlagflächen parallel sind,
- kein seitlicher Versatz entsteht,
- der Anschlag die Messzelle im Normalbetrieb nicht berührt,
- die Anschlagkonstruktion die maximale Fehlerlast sicher aufnehmen kann.
Zugbelastung
Ein Überlastschutz in Zugrichtung ist konstruktiv anspruchsvoller. Möglich sind beispielsweise Zuganker, Fanglaschen oder ineinandergreifende Bauteile mit definiertem Freigang.
Der Fangmechanismus muss die Last übernehmen, bevor der zulässige Zugweg des Kraftaufnehmers überschritten wird. Gleichzeitig darf er bei normaler Belastung keinen Teil der Kraft übertragen.
Wechselnde Zug- und Druckbelastung
Bei bidirektionalen Anwendungen werden häufig zwei getrennte Bewegungsgrenzen benötigt:
- ein Anschlag für Druckrichtung,
- eine Fang- oder Begrenzungseinrichtung für Zugrichtung.
Spiel, Hysterese und mögliche Richtungswechsel müssen dabei berücksichtigt werden. Ein Schutz, der in Druckrichtung funktioniert, schützt den Sensor nicht automatisch gegen Zugüberlast.
Dynamische Kräfte und Stoßbelastungen berücksichtigen
Eine statisch berechnete Kraft reicht für die Auslegung nicht aus, wenn sich Massen schnell bewegen oder schlagartig abgebremst werden.
Die Bewegungsenergie beträgt vereinfacht:
E = ½ × m × v2
Je kürzer der Weg ist, auf dem diese Energie abgebaut wird, desto höher kann die entstehende Spitzenkraft sein. Ein harter metallischer Anschlag kann deshalb zwar den Sensorweg begrenzen, gleichzeitig aber eine sehr hohe Stoßkraft in die Umgebungskonstruktion einleiten.
Bei dynamischen Anwendungen können zusätzlich sinnvoll sein:
- Federpakete,
- Elastomerdämpfer,
- hydraulische Stoßdämpfer,
- reduzierte Verfahrgeschwindigkeit vor der Endlage,
- mechanische Kupplungen oder Rutschkupplungen,
- Druckbegrenzung bei hydraulischen oder pneumatischen Antrieben.
Ein Dämpfungselement darf die Kraftmessung im vorgesehenen Messbereich nicht unkontrolliert verändern. Wird es dauerhaft in den Kraftfluss integriert, müssen seine Federsteifigkeit, Hysterese und Temperaturabhängigkeit bewertet werden.
Bei wiederkehrenden Lastspitzen ist außerdem die Ermüdungsfestigkeit wichtig. Eine Belastung unterhalb der einmaligen Überlastgrenze kann bei sehr vielen Lastwechseln trotzdem zu einem vorzeitigen Ausfall führen.
Querkräfte, Biegemomente und Torsion vermeiden
Ein axialer Anschlag schützt nicht automatisch gegen falsche Krafteinleitung. Querkräfte, Biegemomente und Torsion können den Messkörper bereits beschädigen, bevor der axiale Anschlag erreicht wird.
Typische Ursachen sind:
- nicht fluchtende Gewinde,
- schief stehende Zylinder oder Spindeln,
- unebene Auflageflächen,
- seitlich wandernde Werkzeuge,
- verspannte Maschinenrahmen,
- starre Leitungen oder Kabel,
- Verdrehung beim Anziehen von Befestigungen,
- zu große oder zu schwere Adapter.
Geeignete Gegenmaßnahmen sind:
- plane und ausreichend harte Montageflächen,
- zentrische Krafteinleitung,
- Gelenkköpfe oder Pendelauflagen,
- verdrehsichere Montage,
- separate Führungen für Querbewegungen,
- kurze und steife Kraftpfade,
- spannungsfreie Kabel- und Leitungsführung.
Gelenkköpfe können kleinere Winkelabweichungen ausgleichen. Sie kompensieren jedoch keinen großen seitlichen Versatz und ersetzen keine korrekt ausgerichtete Mechanik.
Gewollten Überlastpfad vom Kraftnebenschluss unterscheiden
Ein mechanischer Anschlag erzeugt im Überlastfall bewusst einen zweiten Kraftweg. Im normalen Messbereich darf dieser Weg jedoch nicht aktiv sein.
Berührt der Anschlag bereits während der normalen Messung die Konstruktion, fließt ein Teil der Kraft am Sensor vorbei. Dieser unerwünschte Kraftnebenschluss führt häufig zu:
- zu niedriger Anzeige,
- nichtlinearer Kennlinie,
- schlechter Wiederholbarkeit,
- abweichenden Werten bei steigender und fallender Last,
- temperaturabhängigen Messfehlern.
Auch Verschmutzung kann den freien Spalt überbrücken. Späne, Produktreste, Korrosion oder verhärtetes Schmiermittel können dazu führen, dass der Anschlag zu früh eingreift.
Der Anschlagbereich sollte deshalb:
- gegen grobe Verschmutzung geschützt,
- für Kontrolle und Reinigung zugänglich,
- korrosionsbeständig ausgeführt,
- eindeutig einstellbar und sicherbar
sein.
Steifigkeit der Umgebungskonstruktion beachten
Der Anschlag reagiert nicht nur auf die Verformung des Kraftaufnehmers. Auch Grundplatte, Lastplatte, Adapter, Schrauben und Maschinenrahmen bewegen sich unter Belastung.
Ist die Umgebungskonstruktion zu weich, kann Folgendes passieren:
- Der Anschlag greift zu früh ein und begrenzt den normalen Messbereich.
- Die Grundplatte biegt sich, ohne dass der Sensor ausreichend geschützt wird.
- Der Anschlag berührt nur einseitig und erzeugt ein Biegemoment.
- Die Schaltschwelle verändert sich abhängig von der Lastposition.
Besonders bei Plattformwaagen und großen Lastaufnahmen ist die Durchbiegung der Plattform zu berücksichtigen. Ein mittig eingestellter Anschlag kann sich bei außermittiger Belastung anders verhalten.
Der Überlastschutz muss daher an der realen Konstruktion geprüft werden und nicht nur am ausgebauten Kraftaufnehmer.
Mechanischen und elektronischen Schutz kombinieren
Ein elektronischer Grenzwert kann den Antrieb abschalten, ein Ventil schließen oder eine Warnung auslösen. Er ist eine wichtige Ergänzung zum mechanischen Schutz.
Eine elektronische Abschaltung besteht typischerweise aus:
Kraftaufnehmer → Messverstärker → Grenzwertauswertung → Steuerung → Aktorabschaltung
Bei der Bewertung sind alle Verzögerungen zu berücksichtigen:
- mechanische Reaktionszeit des Sensors,
- Filterung im Messverstärker,
- Abtastrate des Analogeingangs,
- SPS-Zykluszeit,
- Programmlaufzeit,
- Abschaltzeit des Ventils oder Antriebs,
- mechanischer Nachlauf.
Bei langsamen Prozessen kann eine elektronische Abschaltung rechtzeitig reagieren. Bei einem harten Stoß oder einer schnell blockierenden Presse kann die schädliche Spitzenkraft bereits auftreten, bevor die Maschine zum Stillstand kommt.
Eine robuste Schutzstrategie kann deshalb mehrere Ebenen enthalten:
| Schutzebene | Funktion |
|---|---|
| Ausreichend gewählter Messbereich | Reserve für reguläre Prozessschwankungen |
| Voralarm | Frühe Warnung bei ungewöhnlich hoher Kraft |
| Elektronische Abschaltung | Stoppt den Prozess vor einer länger anhaltenden Überlast |
| Mechanischer Anschlag | Begrenzt den Verformungsweg bei schnellen oder nicht beherrschten Ereignissen |
| Mechanische Bruchsicherung | Verhindert unkontrolliertes Lösen oder Abstürzen bei Bauteilversagen |
Ein normaler Kraftaufnehmer und ein einfacher SPS-Grenzwert sind nicht automatisch Bestandteile einer sicherheitsgerichteten Steuerung. Für Personenschutz oder gesetzlich geforderte Sicherheitsfunktionen muss die vollständige Sicherheitskette entsprechend ausgelegt und bewertet werden.
Transport- und Montageschutz vorsehen
Kraftaufnehmer können bereits vor der Inbetriebnahme beschädigt werden. Stöße während Transport und Montage wirken häufig unkontrolliert und ohne aktive Messwertüberwachung.
Sinnvolle Schutzmaßnahmen sind:
- Transportsicherungen,
- starre Montage-Dummys anstelle der Messzelle,
- Montage des Sensors erst am endgültigen Aufstellort,
- mechanische Entlastung während Schweiß- und Richtarbeiten,
- elektrischer Anschluss und Messwertkontrolle während der Montage,
- Schutz vor fallenden Werkzeugen,
- keine Nutzung des Sensors als Montageauflage.
Wird eine Waage oder Maschine mit eingebauten Kraftaufnehmern transportiert, können Vibrationen und harte Stöße deutlich höhere Spitzen erzeugen als der spätere Normalbetrieb.
Inbetriebnahme und Funktionsprüfung
Vor dem regulären Betrieb sollte die vollständige mechanische und elektrische Messkette geprüft werden.
- Sensor identifizieren: Nennkraft, zulässige Überlast, Messrichtung und Nennmessweg kontrollieren.
- Montage prüfen: Auflageflächen, Gewinde, Gelenkköpfe und Ausrichtung kontrollieren.
- Nullsignal beobachten: Sensor während des Anziehens der Befestigungen elektrisch überwachen.
- Freigang prüfen: Sicherstellen, dass der Überlastanschlag unbelastet und im normalen Messbereich nicht berührt wird.
- Last langsam erhöhen: Mehrere definierte Prüfpunkte bis zur maximalen Betriebskraft anfahren.
- Anschlag kontrollieren: Eingriffspunkt mit einem geeigneten Verfahren überprüfen.
- Grenzwerte testen: Voralarm und Abschaltung der Steuerung kontrollieren.
- Entlasten: Rückkehr zum Nullpunkt und Wiederholbarkeit prüfen.
- Dokumentieren: Spaltmaß, Anschlagposition, Grenzwerte und Prüfergebnisse festhalten.
Ein absichtlicher Überlasttest darf nur durchgeführt werden, wenn Sensor, Anschlag und Prüfaufbau ausdrücklich dafür ausgelegt sind. Die zulässigen Herstellergrenzen dürfen nicht zu Versuchszwecken überschritten werden.
Was nach einer Überlast zu prüfen ist
Nach einer vermuteten Überlast sollte der Kraftaufnehmer nicht einfach tariert und weiterverwendet werden. Eine elektronische Nullstellung kann eine bleibende mechanische Veränderung verdecken.
Zu prüfen sind:
- Nullsignal vor und nach dem Ereignis,
- Sichtbare Verformung oder Risse,
- Beschädigung von Gewinden und Auflageflächen,
- Zustand von Kabel und Stecker,
- Wiederholbarkeit bei mehreren gleichen Lasten,
- Empfindlichkeit an mindestens einem bekannten Referenzpunkt,
- Verhalten in Zug- und Druckrichtung,
- Funktion des mechanischen Anschlags.
Hinweise auf eine mögliche Beschädigung sind:
- neuer Nullpunktversatz,
- reduzierte Spanne,
- sprunghaftes Signal,
- unterschiedliche Werte bei wiederholter Belastung,
- langsame Rückkehr zum Nullpunkt,
- ungewöhnliche Hysterese.
Bei relevanten Abweichungen sollte der Sensor außer Betrieb genommen und durch den Hersteller oder ein geeignetes Kalibrierlabor geprüft werden.
Nach einer erheblichen Überlast ist eine Kalibrierung an mehreren steigenden und fallenden Kraftpunkten sinnvoll. Nur dadurch lässt sich beurteilen, ob Nullpunkt, Empfindlichkeit, Linearität und Hysterese weiterhin innerhalb der geforderten Grenzen liegen.
Wartung und Sichtprüfung
Ein mechanischer Überlastschutz bleibt nur zuverlässig, wenn Spalt, Anschlagflächen und Befestigungen erhalten bleiben.
Bei wiederkehrenden Kontrollen sollten geprüft werden:
- freier Spalt im unbelasteten Zustand,
- fester Sitz der Einstellschrauben,
- Sicherung gegen selbstständiges Verstellen,
- Verschleiß oder plastische Verformung der Anschlagflächen,
- Schmutz, Späne oder Korrosion im Spalt,
- Risse und lockere Verschraubungen,
- Nullpunkt und Referenzwert des Sensors,
- Funktion von Alarm und Abschaltung.
Das Prüfintervall sollte sich nach Belastung, Dynamik, Verschmutzung und Bedeutung der Messstelle richten. Nach einem dokumentierten Überlast- oder Stoßereignis ist eine zusätzliche Kontrolle erforderlich.
Typische Konstruktions- und Montagefehler
Der Anschlag berührt bereits im normalen Messbereich
Ein Teil der Kraft fließt am Sensor vorbei. Messwert, Linearität und Wiederholbarkeit werden verfälscht.
Der Anschlagspalt wird pauschal übernommen
Nennmessweg, Konstruktionssteifigkeit und Toleranzen unterscheiden sich. Der Anschlag greift zu früh oder zu spät ein.
Nur die axiale Überlast wird betrachtet
Querkräfte oder Biegemomente beschädigen den Sensor, ohne dass der axiale Anschlag reagiert.
Die Anschlagplatte ist zu weich
Die Platte biegt sich unter Last und begrenzt den Sensorweg nicht ausreichend.
Der Anschlag ist nur einseitig angeordnet
Beim Eingriff entsteht ein zusätzliches Biegemoment.
Verschmutzung im Anschlagspalt wird nicht berücksichtigt
Späne oder Produktreste erzeugen einen vorzeitigen Kraftnebenschluss.
Elektronische Abschaltung wird als alleiniger Schutz verwendet
Bei schnellen Stoßbelastungen tritt die maximale Kraft vor dem Stillstand der Maschine auf.
Ein zu großer Sensor wird als einfache Lösung gewählt
Der Überlastschutz verbessert sich, aber Auflösung und relative Messgenauigkeit im tatsächlichen Arbeitsbereich können schlechter werden.
Nach einer Überlast wird nur neu tariert
Eine bleibende Kennlinienänderung bleibt unentdeckt.
Die Maschine wird mit ungeschützten Messzellen transportiert
Stöße und Schwingungen beschädigen die Sensoren bereits vor der Inbetriebnahme.
Praxisbeispiel: Druckkraftmessung an einer Fügevorrichtung
In einer automatischen Fügevorrichtung wird ein Kunststoffbauteil mit einer elektrischen Spindel eingepresst. Die normale Prozesskraft beträgt maximal 8 kN. Bei fehlerhaft eingelegten Bauteilen kann die Spindel jedoch gegen eine praktisch starre Blockade fahren.
Die Anlage verwendet einen Druckkraftaufnehmer mit 10 kN Nennkraft. Erste Versuche zeigen kurzzeitige Kraftspitzen von mehr als 12 kN, bevor die SPS den Antrieb abschaltet.
Die bisherige Schutzstrategie besteht nur aus einem Softwaregrenzwert bei 9 kN. Zwischen dem Erreichen dieses Werts und dem Stillstand wirken jedoch:
- Filterzeit des Messverstärkers,
- SPS-Zykluszeit,
- Reaktionszeit des Antriebs,
- kinetische Energie von Spindel und Werkzeug.
Die Konstruktion wird deshalb angepasst:
- Der Kraftaufnehmer wird auf einer steifen und plan bearbeiteten Grundplatte montiert.
- Ein einstellbarer, symmetrischer Druckanschlag wird parallel zum Sensor angeordnet.
- Der Anschlag bleibt bis oberhalb der maximalen regulären Prozesskraft frei.
- Die Steuerung reduziert bereits ab 7 kN die Verfahrgeschwindigkeit.
- Bei 8,5 kN wird ein Voralarm ausgelöst.
- Bei 9 kN erfolgt die elektrische Abschaltung.
- Der mechanische Anschlag begrenzt den weiteren Weg bei einem nicht rechtzeitig gestoppten Prozess.
Nach der Einstellung wird die Messkette mit definierten Referenzkräften geprüft. Bis 8 kN zeigt der Sensor keine erkennbare Beeinflussung durch den Anschlag. Bei einer simulierten Blockade übernimmt die Anschlagkonstruktion die weitere Last, bevor der zulässige Sensorweg überschritten wird.
Das Beispiel zeigt, dass ein mechanischer Anschlag nicht anstelle der Prozessüberwachung eingesetzt wird. Er bildet die letzte Schutzebene für den Fall, dass Regelung oder Abschaltung die dynamische Kraftspitze nicht ausreichend begrenzen.
Benötigte Angaben für die Auslegung
Für die Auswahl eines Kraftaufnehmers und die Planung des Überlastschutzes werden mindestens folgende Angaben benötigt:
- Messrichtung: Zug, Druck oder Zug und Druck,
- minimale und maximale reguläre Kraft,
- kurzzeitige Lastspitzen,
- mögliche Fehler- und Blockierkräfte,
- statische oder dynamische Belastung,
- Geschwindigkeit und bewegte Masse,
- erwartete Lastwechselzahl,
- Nennkraft und zulässige Überlast des Sensors,
- Nennmessweg beziehungsweise Verformungsweg,
- Einbauraum und vorhandene Mechanik,
- Steifigkeit der Grund- und Lastplatten,
- mögliche Querkräfte und Biegemomente,
- gewünschter mechanischer Eingriffspunkt,
- vorhandene elektronische Abschaltung,
- Umgebungstemperatur, Verschmutzung und Schutzart,
- erforderliche Genauigkeit und Kalibrierung,
- Personen- oder Maschinenschutzanforderungen.
Eine aussagekräftige Anfrage könnte beispielsweise lauten:
Druckkraftaufnehmer für eine elektrische Fügevorrichtung, regulärer Messbereich 0 bis 8 kN, mögliche Blockierkraft bis 20 kN, dynamische Belastung, maximaler Bauraum 50 mm, Ausgang 0–10 V, mechanischer Überlastanschlag erforderlich, Grenzwertabschaltung über SPS und Kalibrierung der vollständigen Messkette.
Welche Produkte eignen sich?
Kraftsensoren und Kraftmessgeräte
Die Kategorie Kraftsensoren / Kraftmessgeräte umfasst unterschiedliche Lösungen für Kraft-, Last-, Weg-, Drehmoment- und Maschinenmessungen.
Für Kraftmessaufgaben stehen abhängig von der Anwendung unter anderem zur Verfügung:
- Druckkraftaufnehmer,
- Zug-/Druckkraftaufnehmer,
- S-förmige Wägezellen,
- Ringkraftaufnehmer,
- Miniatur-Kraftaufnehmer,
- Kraftmessachsen und Zugmesslaschen,
- Dehnungsaufnehmer,
- Sensoren mit mV/V, 4–20 mA, 0–10 V oder digitalen Signalen.
Bei der Auswahl sollten Messbereich, Überlastfähigkeit, Krafteinleitung, Nennmessweg, Ausgangssignal und mechanische Schutzkonstruktion gemeinsam betrachtet werden.
WIKA F1226 Miniatur-Druckkraftaufnehmer
Der WIKA Typ F1226 ist ein kompakter Druckkraftaufnehmer für Anwendungen mit begrenztem Einbauraum.
Miniatur-Kraftaufnehmer sind besonders empfindlich gegenüber Montagefehlern. Während der Montage sollte das Ausgangssignal überwacht werden, damit Vorspannungen oder eine unbeabsichtigte Überlast früh erkannt werden.
Für die konkrete Anwendung müssen Auflagefläche, zentrische Krafteinleitung und ein gegebenenfalls erforderlicher externer Anschlag abgestimmt werden.
WIKA F2304 Zug-/Druckkraftaufnehmer
Der WIKA Typ F2304 ist für axiale Zug- und Druckkraftmessungen in Maschinen und Anlagen vorgesehen.
Typische Anwendungen sind:
- Spindelpressen,
- Hubzylinder,
- Stanzen und Pressen,
- Schweißzangen,
- Maschinenüberwachung und Überlastkontrolle.
Bei wechselnder Zug- und Druckbelastung müssen die Anschlüsse spielfrei und fluchtend ausgeführt werden. Der mechanische Überlastschutz ist für beide Kraftrichtungen getrennt zu bewerten.
Spezialkraftaufnehmer und Dehnungsaufnehmer
Die Kategorie Spezialkraftaufnehmer / Dehnungsaufnehmer enthält Lösungen für Anwendungen, bei denen Standardbauformen nicht in den vorhandenen Bauraum oder Kraftpfad passen.
Sonderlösungen können sinnvoll sein bei:
- sehr begrenztem Einbauraum,
- hohen oder ungewöhnlichen Kräften,
- bestehenden Maschinen, die nicht grundlegend umgebaut werden können,
- besonderen Kraftpfaden,
- redundanter Kraftüberwachung,
- integriertem mechanischem Überlastschutz.
Ein Dehnungsaufnehmer wird auf ein vorhandenes Maschinenbauteil montiert und erfasst dessen Verformung. Nach einer Kalibrierung kann diese Verformung einer Kraft zugeordnet werden. Dadurch lässt sich eine bestehende Struktur teilweise ohne direkten Eingriff in den Hauptkraftfluss überwachen.
Fazit: Der Anschlag muss den Sensor schützen, ohne die Messung zu beeinflussen
Ein Kraftaufnehmer kann bereits durch eine kurze Lastspitze, eine blockierte Mechanik oder einen Montagefehler dauerhaft verändert werden. Ein äußerlich unbeschädigter Sensor muss danach nicht mehr innerhalb seiner ursprünglichen Spezifikation messen.
Ein mechanischer Anschlag begrenzt den Verformungsweg und übernimmt die zusätzliche Last, bevor der Messkörper beschädigt wird. Voraussetzung ist ein korrekt eingestellter Freigang: Im normalen Messbereich darf der Anschlag keinen Kraftnebenschluss erzeugen.
Der erforderliche Spalt muss aus dem Nennmessweg des Sensors, der zulässigen Überlast und der Verformung der vollständigen Konstruktion abgeleitet werden. Grundplatte, Lastaufnahme, Schrauben und Adapter müssen ausreichend steif sein.
Querkräfte, Biegemomente und Torsion benötigen eigene konstruktive Gegenmaßnahmen. Ein axialer Anschlag kann eine falsche Krafteinleitung nicht kompensieren.
Bei dynamischen Anwendungen sollte der mechanische Schutz mit Geschwindigkeitsreduzierung, elektronischen Grenzwerten und gegebenenfalls Dämpfung kombiniert werden. Die mechanische Begrenzung bildet dabei die letzte Schutzebene gegen schnelle oder nicht beherrschte Belastungen.
Nach einer Überlast reicht ein neuer Nullabgleich nicht aus. Nullpunkt, Empfindlichkeit, Wiederholbarkeit und Kennlinie müssen mit bekannten Referenzkräften geprüft werden.
Häufige Fragen zum Überlastschutz von Kraftaufnehmern
Wann ist ein mechanischer Überlastanschlag sinnvoll?
Er ist besonders sinnvoll, wenn unbekannte Lasten, Blockierzustände, Stoßbelastungen oder Bedienfehler nicht sicher ausgeschlossen werden können und eine elektronische Abschaltung möglicherweise zu spät reagiert.
Wie groß muss der Spalt zum Anschlag sein?
Der Spalt ist sensor- und konstruktionsabhängig. Er muss den normalen Nennmessweg einschließlich Toleranzen und Verformung der Umgebungskonstruktion freigeben, den Sensor aber vor einer schädlichen Überlast begrenzen.
Darf der Anschlag bei Nennkraft bereits anliegen?
In der Regel nicht. Er würde einen Teil der Kraft übernehmen und dadurch einen Kraftnebenschluss erzeugen. Der genaue Eingriffspunkt muss anhand der Herstellerdaten und der Anwendung festgelegt werden.
Reicht ein größer dimensionierter Kraftaufnehmer als Überlastschutz?
Eine höhere Nennkraft schafft zusätzliche Reserve, kann aber die nutzbare Auflösung und relative Genauigkeit im normalen Arbeitsbereich verschlechtern. Sensorbereich und Überlastschutz sollten deshalb gemeinsam ausgelegt werden.
Kann eine SPS-Abschaltung den mechanischen Anschlag ersetzen?
Bei langsamen Belastungen kann die elektronische Abschaltung ausreichend sein. Bei schnellen Stößen wirken jedoch Filter-, SPS-, Antriebs- und Nachlaufzeiten. Ein mechanischer Anschlag kann deshalb weiterhin notwendig sein.
Schützt ein Druckanschlag auch gegen Querkräfte?
Nein. Querkräfte, Biegemomente und Torsion können den Kraftaufnehmer unabhängig vom axialen Weg beschädigen. Dafür sind eine korrekte Führung und zentrische Krafteinleitung erforderlich.
Was ist nach einer Überlast zu tun?
Der Sensor sollte entlastet und auf Nullpunktverschiebung, sichtbare Schäden, Wiederholbarkeit und Empfindlichkeit geprüft werden. Bei relevanten Abweichungen ist eine mehrpunktige Kraftkalibrierung oder Herstellerprüfung erforderlich.
Warum kann Schmutz am Anschlag die Messung verfälschen?
Späne oder Ablagerungen können den freien Spalt überbrücken. Der Anschlag übernimmt dann bereits im normalen Messbereich einen Teil der Kraft.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl?
Benötigt werden reguläre und maximale Kräfte, mögliche Lastspitzen, Zug- oder Druckrichtung, Dynamik, Einbauraum, Krafteinleitung, mögliche Querkräfte, Nennmessweg, gewünschtes Ausgangssignal, elektronische Abschaltung sowie Anforderungen an mechanischen Schutz und Kalibrierung.