Ausbau und Weiterentwicklung computergestützter Prüftechnik

Antriebstechnik, Heft 04/2004
Autor: Dipl.-Ing. Kaj Sellschopp (ZAE)

1. Ausgangssituation

Die Firma ZAE-AntriebsSysteme produziert als mittelständisches Unternehmen in Hamburg zahlreiche hochwertige Antriebe für den gesamten Maschinen- und Anlagenbau /1,2,3/. Zahnradgetriebe werden mit Reglern, Antriebsmotoren, Kupplungen, weiteren Antriebselementen und Maschinenbaukomponenten zu kompletten Antriebssystemen kombiniert. In den letzten Jahren verzeichnete ZAE eine zunehmende Komplexität der Anwendungen, einhergehend mit steigenden Qualitätsanforderungen und wachsendem Preisdruck. In vielen Fällen lassen sich gestellte Anforderungen nur noch durch die Entwicklung kundenspezifischer Antriebslösungen realisieren. Neben der Einhaltung von Kostenzielen wird kundenseitig in vielen Fällen der klare Nachweis technischer Produkteigenschaften verlangt. Die genannten Entwicklungen führen dazu, dass Ressourcen von Werkstoffen, Schmierstoffen, Fertigung und Montage künftig noch besser genutzt werden müssen. Die notwendigen Schritte hierzu können nicht mehr alleine über theoretische Ansätze aus Lehrbüchern und Normen genommen werden. Selbst wenn aktuelle Forschungsergebnisse, beispielsweise aus der Forschungsvereinigung Antriebstechnik, in vielen Fällen weiterhelfen können, so sind diese vielfach lediglich richtungweisend, ersparen jedoch nicht den Prüfstandversuch. Diese Erkenntnisse haben bei ZAE in den neunziger Jahren zur Ausarbeitung eines Prüftechnikkonzeptes geführt, welches nun konsequent umgesetzt wurde /4/. Bei der Realisierung standen neben technischen Notwendigkeiten vor allem auch die Kosten im Vordergrund. Für die Investitionen konnten nicht wie in Großunternehmen Millionenbeträge und zahlreiche Mitarbeiter zur Verfügung gestellt werden. Die gesetzten Ziele wurden durch umfangreiche Eigenentwicklungen, durch engagierten Einsatz von Mitarbeitern und Studenten /5,6,7,8,9/, sowie durch weitgehende Verwendung von Standardkomponenten erreicht. Hervorzuheben ist in diesem Zusammen auch die gute Unterstützung durch die Zulieferer, insbesondere für elektrische Antriebe, Messhardware und Messsoftware.

2. Systematisierung der Prüfaufgaben

Ausgangsbasis für die Entwicklung des Prüftechnikkonzeptes war die Systematisierung der Prüfaufgaben, einschließlich einer Bestimmung der notwendigen Kapazitäten und der technischen Merkmale der Einrichtungen. Nach der Aufstellung eines Zeit- und Kostenplanes wurde mit der Umsetzung des Konzeptes begonnen.

Aus der Analyse der notwendigen Mess- und Prüfaufgaben ergaben sich drei Gruppen von Prüfständen, die im Laufe von mehreren Jahren zu entwickeln und aufzubauen waren.

Die eine Gruppe sind Leistungsprüfstände, wie sie bereits in der Firma vorhanden waren. Diese Prüfstände dienen der Untersuchung von Getrieben unter dynamischer Belastung. Sie ermöglichen typischerweise die Untersuchung von Leistungsgetrieben /10/ und deren Merkmale bezüglich

  • Bruchlast
  • Zeitfestigkeit
  • Dauerfestigkeit
  • Wirkungsgrad
  • Erwärmung
  • Schwingungsverhalten
  • Geräuschemission
  • Massenträgheitsmomente

Eine weitere Gruppe bilden die Funktionsprüfstände, die insbesondere zur Untersuchung von Positionier- und Stellantrieben eingesetzt werden /11,12/. Sie dienen gleichzeitig begleitenden Messungen bei der Durchführung von Dauerversuchen im Hinblick auf

  • Verdrehspiel, Verschleiß
  • Gleichlauf, Einflankenwälzprüfung
  • Grundreibung
  • Verdrehsteifigkeit
  • Dämpfung
  • Selbsthemmung
  • Anlauf- und Langsamlaufwirkungsgrad

Insbesondere für Wälzlager und dynamische Dichtungen müssen gelegentlich separate Untersuchungen durchgeführt werden. Deshalb werden bei ZAE zusätzlich Komponentenprüfstände eingesetzt, um die Eigenschaften dieser Maschinenelemente beurteilen zu können hinsichtlich

  • Beanspruchbarkeit
  • Reibung
  • Temperaturen

Ausgehend von dieser Aufteilung der Prüfaufgaben wurden die einzelnen Prüfstände definiert und anhand der Anforderungslisten konzipiert und aufgebaut.

3. Standardisierung der Getriebeprüfstände

Bei der Konzeption der Prüfstände wurde bereits darauf wertgelegt, den Grundaufbau von Mechanik, Hard- und Software nach Möglichkeit einheitlich zu gestalten.

Alle rechnergesteuerten Prüfstände wurden nach dem gleichen Grundschema entworfen und erhielten wo es möglich war gleiche Komponenten. Dies begünstigt die Inbetriebnahme, eine schnelle Fehlerbehebung und nötigenfalls einen Austausch von Baugruppen. Beispielhaft werden hier zwei der realisierten Prüfstandkonzepte beschrieben. 

Bild 1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau eines Leistungs- und Funktionsprüfstandes bei ZAE. Es lässt sich erkennen, dass die Strukturen beider Prüfstände sehr ähnlich sind, auch wenn die Anforderungen an die Antriebe und die Messsysteme sich deutlich unterscheiden.

Aufbauschema Leistungsprüfungen

Bild 1: Aufbauschema Leistungsprüfungen

 

Aufbauschema Funktionsprüfungen

Bild 2: Aufbauschema Funktionsprüfungen

Bei dem Leistungsprüfstand in Bild 1 wurden als Antriebe zwei Drehstrom-Asynchronmotoren der Firma Siemens sehr erfolgreich zum Einsatz gebracht. Der Antriebsmotor mit einer maximalen Drehzahl von 5000 U/min ist stets drehzahlgeregelt, der Generator hingegen wird ausschließlich drehmomentgeregelt betrieben. Die Qualität der Regelungen, insbesondere diejenige für das Drehmoment, übertrifft nach einigen Optimierungsschritten die anfänglich seitens ZAE gestellten Anforderungen. Das schaltbare Zwischengetriebe mit Einspritzschmierung und vier Gängen wurde von ZAE selbst entwickelt und gebaut und erlaubt Drehmomente bis zu 10000 Nm. Die Befestigung des Prüflings erfolgt über ein flexibles Spannkreuz. Die Getriebewellen sind über Gelenkwellen und hydraulisch gespannte Adapter verbunden. Die Drehmomente werden über zwei rotierende Messflansche der Firma Hottinger Baldwin Messtechnik erfasst. Die Drehzahlen werden sinnvollerweise über die vorhandenen Geber der Motoren gemessen. Zusätzlich verfügt der Prüfstand über vier Pt100-Stabthermometer, sowie zwei Öldruckschalter zur Überwachung der Einspritzschmierung.

Der Schaltschrank wurde von Siemens gemäß Vorgaben mit einer Zwischenkreiskopplung ausgeführt und ist zudem voll rückspeisefähig. Die Antriebe ermöglichen den 4-Quadrantenbetrieb. Die Trägerfrequenz-Meßverstärker von  Hottinger Baldwin Messtechnik sind in weiten Bereichen einstellbar und ermöglichen eine bedarfsgerechte Einstellung vom Prüfstandrechner aus über eine RS232-Schnittstelle. Für die Temperaturmessung werden Messverstärkerkarten der Firma Bedo-Systems verwendet.

Bei dem Prüfstand-PC handelt es sich um einen gewöhnlichen Büro-PC, der lediglich mit zwei Messkarten bestückt wurde /13/. Als Entwicklungssoftware für die Prüfstände wird bei ZAE ausschließlich DIAdem aus dem Hause National Instruments eingesetzt. Diese Software ermöglicht die Programmierung sämtlicher hier benötigter Funktionen, wie Messbereicheinstellungen, Messkettenabgleich,  Motoransteuerung, Messwerterfassung und Überwachung der Anlage.

Bei dem zweiten Beispiel, dem Funktionsprüfstand in Bild 2, ist das Grundschema identisch. Auch hier werden zwei Drehstrom-Asynchronmaschinen als Antriebe verwendet, die jedoch jede für sich über Servo-Umrichter lage-, drehzahl- oder drehmomentgeregelt betrieben werden können. Die Antriebe stammen von der Firma Baumüller, welche ebenfalls ein ausgezeichnetes Regelverhalten aufweisen. Die Maschinen arbeiten jeweils über spielarme Planeten-Zwischengetriebe, so dass die Prüfdrehzahlen begrenzt sind auf maximal 200 U/min, jedoch Drehmomente statisch und dynamisch bis über 1500 beziehungsweise über 6000 Nm möglich sind. Da die Wellenanbindung spielfrei erfolgen muss, werden keine Gelenkwellen, sondern drehstarre Stahllamellenkupplungen eingesetzt. Die Drehmomente werden auf beiden Achsen über feststehende Messflansche von Hottinger Baldwin Messtechnik erfasst. Die zu messenden Winkellagen beziehungsweise Drehzahlen der Wellen werden mittels hochauflösender Messsysteme der Firma Heidenhain gemessen.

Der Schaltschrank wurde nach den Wünschen von ZAE von der Firma Baumüller geliefert. Auch hier wurde eine Zwischenkreiskopplung realisiert. Auf einen rückspeisefähigen Stromrichter wurde verzichtet, zumal der alleinige generatorische Betrieb einer Achse nicht zu erwarten ist. Der Zwischenkreis erhielt dennoch einen großzügig bemessenen Bremswiderstand zur Absicherung. Genau wie bei dem anderen Prüfstand auch, wird ein bewährtes Messverstärkersystem von Hottinger Baldwin Messtechnik verwendet. Zur Erfassung der Winkellagen kommt eine Zählerkarte mit einer Zähltiefe von 32 bit je Achse und Software-Reset zum Einsatz.

Der Prüfstand-PC bietet gemäß unserem Standard dieselben Grundfunktionen wie der des Leistungsprüfstandes.

4. Prüfstandsoftware und lokales Netzwerk

Prüfstandsoftware und lokales Netzwerk

Bild 3: Prüfstandsoftware und lokales Netzwerk

Die von ZAE selbst entwickelte Prüfstandsoftware verwendet DIAdem als Basis. Der grundlegende Aufbau des Systems ist in Bild 3 gezeigt. Über so genanntes Costumizing können mittels Autosequenzen ganze Progammstrukturen einschließlich Windowsoberflächen programmiert werden. Auch Schnittstellen zu anderen Windows-Programmen sind über verschiedene Wege realisierbar.

Berichte und Messdaten werden zentral im Netzwerk gespeichert. Eine Paradox-Datenbank unterstützt die Suche nach Berichten und Messergebnissen. Dies ist prinzipiell von jedem Rechner im Netzwerk aus möglich.

Alle Prüfstände bieten eine stets erweiterbare Zahl von Messmöglichkeiten. Jede dieser Messmöglichkeiten ist in einem eigenen Programm (Messmodul) definiert und kann über ein Menü aktiviert werden. Diese Module enthalten alle notwendigen Funktionen, um Messdaten zu erzeugen, zu laden, zu verarbeiten, darzustellen, zu speichern und gegebenenfalls zu löschen. Welche Teile eines Moduls ausgeführt werden, wird über eine Steuervariable aus dem aufrufenden Programmteil bestimmt.

Für eine Messung werden Messprogramme (DAC-Schaltpläne) benötigt, die direkt über das betreffende Modul aktiviert werden. Neben den Prüfparametern werden Messkettenkalibrierungen, Offsetwerte und Grenzwerte zur Prüfstandüberwachung als Variablen in das Messprogramm übernommen.   Auch die DAC-Schaltpläne sind bei ZAE standardisiert. Bei der Programmierung können somit alle benötigten Funktionen aus einem übersichtlichen Basis-Schaltplan übernommen werden, was Zeit spart und die Dokumentation erleichtert.

Die Darstellung der Messergebnisse erfolgt mittels vordefinierter Layouts, die bestimmte Textelemente und Diagramme enthalten. Diese Layouts sind wie auch die Schaltpläne den jeweiligen Modulen zugeordnet und werden von diesen aktiviert.

Die Vernetzung der Rechner bietet neben den Vorteilen zentraler Datenhaltung die Möglichkeit, Daten auszutauschen, zu sichern und vor allem Prüfstände von anderer Stelle aus zu überwachen und zu steuern.

5. Beispiele für Ausführungen von Getriebeprüfständen

ZAE verfügt inzwischen über eine Reihe von Prüfständen, auf denen praktisch alle der genannten Prüfaufgaben bewältigt werden können. Beispielhaft sind in den Bildern 4 und 5 die oben bereits beschriebenen Prüfstände gezeigt.

In Bild 4 ist der Leistungsprüfstand abgebildet. Zu erkennen sind Antriebsmotor, Generator und Zwischengetriebe. Der Antriebsmotor steht auf einem hydraulischen Hebetisch und ist auf Rollen fahrbar. Auch die höhenverstellbare Aufspannung des Prüflings ist erkennbar. Im Hintergrund befinden sich die Schaltanlage und der Prüfstandrechner.

Leistungsprüfstand

Bild 4: Leistungsprüfstand

In Bild 5 ist der Funktionsprüfstand gezeigt. Die beiden Achsen sind auf beweglichen Stativen montiert. Ein Quertisch ermöglicht ein Verfahren der kleinen Achse. Die Führungen lassen sich spielfrei klemmen. Die bewährte, universelle Aufspannung des Prüflings findet sich auch hier wieder. Im Hintergrund sind auch auf diesem Foto die Schaltanlage und der PC-Schrank zu erkennen.

Funktionsprüfstand

Bild 5: Funktionsprüfstand

6. Beispiele für Messergebnisse

Bild 6 zeigt die Ergebnisse eines Dauerlastversuches mit einem Planetengetriebe bei konstanter Drehzahl und konstantem Drehmoment. Dieser Versuch reicht über 250 Stunden. Alle Messgrößen werden über die gesamte Prüfdauer gespeichert und im Diagramm dargestellt. Störungen und Veränderungen während des Prüfvorganges werden so sauber dokumentiert.

Dauerlastversuch

Bild 6: Dauerlastversuch

Bild 7 zeigt das Ergebnis einer lastabhängigen Wirkungsgradmessung eines kleinen Schneckengetriebes. Die Messung erfolgt bei konstanter Drehzahl, wobei das Drehmoment über eine Rampe kontinuierlich vom Programm gesteigert wird. Das Getriebe kann zuvor in dem Betriebspunkt über eine vorgegebene Zeit auf Beharrungstemperatur gebracht werden. Der Wirkungsgradverlauf in Abhängigkeit von der Auslastung des Getriebes ist deutlich sichtbar.

Lastabhängige Wirkungsgradmessung

Bild 7: Lastabhängige Wirkungsgradmessung

In Bild 8 sind die Resultate einer Verdrehspielmessung an einem Schneckengetriebe dargestellt. Der Prüfstand hat die Abtriebswelle eines Getriebes automatisch alle 36° positioniert. In den Positionen wird das Getriebe statisch mit definiertem Abtriebsmoment links- und rechtsdrehend belastet. Die Winkelmeßsysteme erlauben die Erfassung von örtlichen Spielen, die als Balken über der Winkelposition dargestellt werden.

Verdrehspielmessung

Bild 8: Verdrehspielmessung

Abschließend wird als weiteres Beispiel in Bild 9 das Wälzverhalten desselben Versuchsgetriebes  gezeigt. Der Prüfstand dreht das Getriebe mit sehr konstanter, niedriger Drehzahl und überstreicht einen vorgegebenen Drehweg der Abtriebswelle. Dabei werden kleinste Übersetzungsabweichungen durch die Winkelmesssysteme erfasst. Diese Abweichungen werden im Diagramm über der Abtriebswellenlage dargestellt. Kennwerte der Wälzabweichungen werden vom Programm über den Verlauf automatisch ermittelt.

Gleichlaufmessung

Bild 9: Gleichlaufmessung

7. Ausblick und zukünftige Entwicklungen

Das gesetzte Ziel der Fertigstellung und Einbindung der Prüftechnik in den Entwicklungs- und Produktionsprozess bei ZAE ist erreicht. Wenngleich die Prüfstände intensiv genutzt werden, so wird laufend in Modernisierungen, weitere Vereinheitlichungen, besseren Bedienkomfort und die Datenhaltung investiert.

Vielen der nachfolgend genannten Ziele ist das Unternehmen mit der konsequenten Umsetzung von Entwicklungsschritten in den letzten Jahren ein großes Stück näher gekommen:

  • Beschleunigung und Effizienzverbesserung der Produktentwicklung
  • Gewinnung gesicherter Erkenntnisse für Auslegung und Projektierung
  • Erschließung von Ressourcen
  • Qualitätsabsicherung und Qualitätsverbesserung
  • Imageverbesserung und Schaffung von Kundenvertrauen
  • Kurzfristige Verfügbarkeit von Prüfeinrichtungen und Prüfergebnissen
  • Variabilität der Prüfeinrichtungen
  • Reproduzierbarkeit, Nachvollziehbarkeit und Dokumentation der Ergebnisse
  • Normung und Standardisierung  von Versuchsdurchführungen
  • Zeit- und Kosteneinsparungen durch kurze  Wege
  • Schutz für hausinternes know-how
  • Erbringung von Dienstleistungen für Kunden und befreundete Unternehmen
  • Teilnahme an öffentlich geförderten Projekten

Neben der Produktentwicklung und der Weiterentwicklung des Prüfbereiches wird bei ZAE auch permanent in anderen Bereichen daran gearbeitet, die Voraussetzungen für die Wettbewerbsfähigkeit auszubauen. Dazu zählen aktuell die Bereiche CAD, Berechnungen, Kalkulationen und neue Produktionstechnologien.

8. Literaturverzeichnis

/1/
Kataloge der ZAE-ANTRIEBSSYSTEME GmbH & Co KG
Hauptkatalog, Kegelstirnradgetriebe und Flachgetriebe

/2/
Sellschopp K., Schneckenstirnradgetriebe mit gutem Wirkungsgrad und hoher Lebensdauer, Antriebstechnik 38 (2000) Nr. 2 

/3/
N.N., Antriebstechnik für den reinen Musikgenuss, Der Konstrukteur 4/2001

/4/
Sellschopp K., Raabe B., Melder W., Verbesserte Prüftechnik für Zahnradgetriebe, Antriebstechnik 38 (1999) Nr. 1 

/5/
Vogt T., Konzeptentwicklung und Realisierung eines PC-gesteuerten Leistungsprüfstandes mit Energierückführung durch Zwischenkreiskopplung, Diplomarbeit, Fachhochschule Hamburg 1998

 /6/
Ebrahimi H., Konzeption und Realisierung einer Getriebeendprüfeinrichtung für die Montage unter besonderer Berücksichtigung kurzer Prüfzyklen in der Serie, Diplomarbeit, Fachhochschule Hamburg 1998

/7/
Petersen U., Konzeptentwicklung und Realisierung eines PC-gesteuerten Funktionsprüfstandes für die Ermittlung des Übertragungsverhaltens eines Getriebes, Diplomarbeit, Fachhochschule Hamburg 1999

/8/
Peiler, J., Konzeptentwicklung und Realisierung eines Lager- und Dichtringprüfstandes zur Untersuchung von Reibung und Standfestigkeit unter definierten axialen und radialen Belastungszuständen, Studienarbeit, Fachhochschule Hamburg 2001

/9/
Jameswise, V; Rittgerodt M., Konzeption und Realisierung eines Prüfprotokollverwaltungssystems auf der Grundlage festgelegter Strukturen für die Speicherung von Messergebnissen an Industriegetrieben, Diplomarbeit, Fachhochschule Hamburg 2002

/10/
Weck M., Moderne Leistungsgetriebe, Springer Verlag 1992

/11/
Gerstmann U., Robotergenauigkeit, Dissertation Universität Hannover, VDI-Verlag 1991

/12/
Kalender T., Statistische Modellierung von Präzisionsgetrieben in elektromechanischen Antriebssystemen, Dissertation Universität Hannover, VDI-Verlag 1994

/13/
Schumny H., Personal Computer in Labor, Versuchs- und Prüffeld
Springer Verlag 1990

/14/
GfS Systemtechnik, DIAdem – die PC-Werkstatt, 19. überarbeitete Auflage, 1995 - 2000

Zurück