Verbesserte Prüftechnik für Antriebssysteme

Antriebstechnik, Heft 10/1999
Autoren: Kaj Sellschopp, W. Melder, B. Raabe (ZAE)

Ausgangssituation

Der Kosten- und Qualitätsdruck zwingt den mittelständischen Getriebebau zur Erweitung der Prüftechnik. Standardkomponenten aus Hard- und Software erleichtern die Umsetzung eines flexiblen Prüftechnikkonzeptes bei ZAE.

Winkelgetriebe als Produktionsschwerpunkt

ZAE in Hamburg ist ein mittelständisches Unternehmen, welches mit rund 160 Mitarbeitern jährlich über 30.000 Antriebe und Getriebe produziert. (Bild 1)

Typischer Getriebemotor mit Stirnradschneckenradstufe

Bild 1: Typischer Getriebemotor mit Stirnradschneckenradstufe aus dem Standardprogramm

Hinzu kommen in nennenswertem Umfang Radsätze, welche die Kunden in eigene Getriebe einbauen. Die Fertigungstiefe im Getriebebau von ZAE ist im Vergleich zu anderen Industriebereichen hoch. Der Eigenfertigungsanteil beträgt über 72 %: Motoren, Steuerungen und Antriebselemente wie Kupplungen und Riemen werden zum überwiegenden Teil zugekauft und mit Getrieben zu kompletten Antriebssystemen kombiniert. Der Produktionsschwerpunkt besteht aus einem variantenreichen Standardprogramm auf Basis von vier Winkelgetriebe-Baureihen, die in Baukastensystemen gefertigt werden. Das Standardprogramm setzt sich aus einstufigen Schneckengetrieben, einstufigen Kegelradgetrieben sowie mehrstufigen Stirnrad-Schneckengetrieben und Schnecken-Stirnradgetrieben zusammen. Hiermit kann ein breites Spektrum von Kundenanforderungen im Drehmomentbereich von 30 - 27.000 Nm mit einer Übersetzungsspanne 1:1 bis weit über 1000:1 abgedeckt werden. Neben dem Standardprogramm produziert ZAE in zunehmendem Maße kundenspezifische Sondergetriebe unterschiedlichster Bauformen, vom einstufigen Schnecken- oder Stirnradgetriebe bis hin zu mehrstufigen Sondergetrieben mit zahlreichen Antriebskomponenten. (Bild 2)

Spektrum der von ZAE hergestellten Zahnradgetriebe

Bild 2: Das Spektrum der von ZAE hergestellten Zahnradgetriebe

Diese werden zum Teil in größeren Serien gefertigt. In der Vergangenheit wurden überwiegend Leistungsgetriebe entwickelt und produziert, die in Maschinen und Anlagen aller Art zum Einsatz kommen. Heute nehmen die Anforderungen bezüglich übertragbarer Leistung und Übertragungsverhalten weiter zu. Auf diese Anforderungen, die aus steigenden Maschinen- und Anlagenleistungen zum einen und wachsendem Qualitätsbewußtsein der Anlagenerbauer und -betreiber zum anderen resultieren, stellt sich ZAE über den gesamten Produktionsprozess ein.

Zusammenhänge zwischen Kosten- und Qualitätsansprüchen

Um der allgemeinen Kostenentwicklung von Konsum- und Industriegütern entgegenzutreten, sind Maschinen- und Anlagenbetreiber gezwungen, die Stückkosten zu reduzieren und die Gesamtnutzungsdauer ihrer Anlagen zu erhöhen. Moderne Produktionsmittel müssen demzufolge immer preiswerter, schneller und langlebiger sein. In gleichem Maße verlangt der Endverbraucher in vielen Bereichen nachweisbare Qualitätsverbesserungen der Produkte.

Zusammenhänge von Kosten- und Qualitätsdruck

Bild 3: Zusammenhänge von Kosten- und Qualitätsdruck

Die Antriebstechnik, die einen wesentlichen Bestandteil vieler Maschinen und Anlagen ausmacht, bietet oft entscheidende Ansatzpunkte für die Optimierung von Systemen. Es ist daher nicht verwunderlich, dass viele Antriebstechnikhersteller von ihren Kunden aufgefordert werden, bei der Entwicklung optimierter Antriebslösungen unterstützend mitzuwirken. Gerade im Hinblick auf das Leistungs- und Übertragungsverhalten lassen sich durch enge Zusammenarbeit oft verbesserte Lösungen entwickeln. 

Dank verbesserter Mess- und Prüfmöglichkeiten können bestehende Potenziale auf dem Prüfstand gezielt quantifiziert und genutzt werden. Von besonderem Nutzen erschien zum Zeitpunkt der Planung entsprechender Prüfeinrichtungen bei ZAE die Verwendung der Standardsoftware DIA/DAGO von GfS, Aachen, die bereits in vergleichbaren Anwendungen ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis gestellt hatte. Durch die Integration der Funktionen zum Messen, Steuern, Regeln und Speichern von Messwerten sowie zum anschließenden Analysieren, Dokumentieren und Archivieren der Ergebnisse bot sich DIA/DAGO als universelles und außerordentlich leistungsfähiges Softwarewerkzeug an.

Bedeutung der Prüftechnik

Wird in vielen Unternehmensbereichen heute schon intensiv an Verbesserungen der Wettbewerbsfähigkeit gearbeitet, so scheuen sich bisher viele mittelständische Unternehmen in hinreichendem Umfang in Prüftechnik zu investieren. Das Problem, dem sich viele Entwicklungsingenieure bei der Beantragung ausgesetzt sehen, ist die Frage nach der "Rentabilität" eines Prüfstandes. Mit dem Versuch einer Kosten-Nutzenrechnung findet nicht selten ein guter Ansatz ein frühes Ende. Dabei fallen hier zahlreiche Argumente ins Gewicht, die in Geld nicht bewertbar sind. Bei ZAE führten eine ganze Reihe von Überlegungen zur richtigen Entscheidung, Investitionen in diesem Bereich zu tätigen. Es muss hierbei deutlich gemacht werden, dass die Prüftechnik weitaus mehr ist, als zwei oder drei Prüfstände für die Entwicklungsabteilung. Bei ZAE wird unter dem Begriff Prüftechnik ein Gesamtsystem zur Planung, Durchführung, Erfassung, Dokumentation und Auswertung von zahlreichen Einzelprüfungen verstanden. An diesem System wird derzeit kontinuierlich weiterentwickelt. Ziel ist ein völlig neues und innovatives Prüftechnikkonzept für Entwicklung, Produktion, Qualitätswesen und Vertrieb vorweisen zu können, mit dem Entscheidungen auf allen Unternehmensebenen fundiert unterstützt werden können.

Dabei ist hervorzuheben, dass die bereits entstandenen und die noch entstehenden Prüfstände von der Firma selbst geplant und gebaut werden. Die Investitionen setzen sich damit aus den erbrachten Eigenleistungen und den zugekauften Komponenten, wie elektrische Antriebe, Messtechnik und Hard- und Software für die Prüfstandsrechner zusammen. Diese Vorgehensweise hat sich bereits bewährt und ist dank ausgereifter Grundkomponenten und guter Beratung seitens der ausgewählten Lieferanten möglich.

Neuer Leistungsprüfstand für Getriebe

ZAE hat vor etwa drei Jahren mit der Planung eines umfassenden Prüftechnikkonzeptes begonnen. Alte Prüfanlagen, die nicht mehr dem Stand der Technik entsprachen, wurden abgebaut. Im gleichen Zuge wurde mit der Entwicklung und Erbauung neuer Prüfstände begonnen. Bestehende Leistungsprüfstände decken heute den Bereich Leistungsprüfung bis 15 kW und maximal 3500 Nm ab.

Am Beispiel eines dieser Prüfstände soll beschrieben werden, was mit Standardkomponenten und einer universellen PC-Prüfstands-software realisierbar ist. Der bereits vor drei Jahren entwickelte Leistungsprüfstand wurde unter Ausnutzung der Fähigkeiten der Standardsoftware DIA/DAGO realisiert. Als besonders wirtschaftlich stellten sich dabei drei Faktoren heraus: Die Prüfstandsautomatisierung war durch eigene Fachkräfte durchführbar, schnelle Anpassungen an neue Prüfaufgaben ist ohne größeren Programmieraufwand möglich, und die Einbindung später hinzugefügter Messtechnikkomponenten ist dank der großen Zahl von Treibern schnell realisierbar.

Neuer Leistungsprüfstand bei ZAE

Bild 4: Neuer Leistungsprüfstand bei ZAE

Ziel der Entwicklung des in Bild 4 gezeigten Prüfstandes war es, einen möglichst universell einsetzbaren Leistungsprüfstand zu erbauen, der bereits eine Vielzahl von Standard-Messprogrammen bietet. Dabei wurde eine bereits vorhandene Grundplatte verwendet, die um einen verschiebbaren Vorbautisch erweitert wurde. Die Stative für Motor und Bremse sind frei zueinander positionierbar und lassen durch ihre stabilen Zweisäulenführungen Achshöhen von bis zu 600 mm zu. Die Prüflingaufspannung erfolgt über ein frei verstellbares Spannkreuz und einen höhenjustierbaren Aufspanntisch.

Die Konzeption des Prüfstandes

In Bild 5 wird schematisch die Konzeption des Prüfstandes gezeigt.

Schema Konzeption des Prüfstandes

Als Antrieb dient hier ein drehzahlgeregelter Drehstrom-Servomotor. Der Umrichter liefert den aktuellen Drehzahl-Istwert an den Prüfstandsrechner. Die Bremse ist eine preiswerte, durch eine zentrale Wasserkühlung gekühlte Scheibenbremse. Die Drehmomentmessung erfolgt im Strang auf beiden Seiten über statische TB1-Messflansche. Die verwendeten Trägerfrequenz-Messverstärker werden über eine RS232-Schnittstelle von der Standardsoftware gesteuert. So werden z. B. für jeden ausgewählten Prüflauf die exakten Werte für Verstärkungs-, Sensor-, Filter- oder Speisespannungseinstellungen vor dem Start der Prüfung an die Verstärker "hinuntergeladen". Auch der Nullabgleich ist auf diese Weise automatisierbar. Des weiteren verfügt der Prüfstand über zwei Temperaturmessstellen. Die Pt100-Stabthermometer können in das Getriebe eingeschraubt werden und erlauben eine kontinuierliche Temperaturverfolgung. Kernstück des Prüfstandes bildet der Prüfstandsrechner, der die Prüfabläufe steuert und die Messwerte erfasst, speichert und auswertet. Der Rechner übernimmt dabei folgende Grundfunktionen:

  • Menügeführte Programm- und Parameterauswahl
  • Ansteuerung und Regelung von Motor und Bremse
  • Erfassung und Speicherung von Messwerten (Drehzahl, Drehmomente, Temperaturen)
  • Automatische Einstellung von Drehmomentmessbereichen
  • Automatischer Abgleich der Messketten vor dem Prüflauf
  •  Überwachung von Grenzwerten
  • Anzeige, Auswertung und Ausgabe von Ergebnissen

Mögliche Prüfprogramme

Die anwenderspezifischen Prüfstandsprogramme erlauben standardmäßig bereits eine Vielzahl durchführbarer Test- und Prüfoperationen. In Bild 6 ist die Programmstruktur insgesamt dargestellt.

Dargestellung Programmstruktur

Für die Eingabe der Protokolldaten gibt es eine spezielle Eingabemaske. Hier werden Protokollnummer, Getriebedaten, Betriebsparameter, Prüfer und Datum eingegeben. Diese Daten werden mit jedem Messdiagramm ausgegeben. Ein weiterer Baustein sind Funktionen, zur Messkettenüberwachung und -anpassung. Hiermit können Messbereiche automatisch oder manuell eingestellt, sowie Nullabgleich und Kalibrierung durchgeführt werden. Mit Hilfe von speziell entwickelten Tests können Motor- und Bremsenregler optimiert werden. Über frei wählbare Sollwertsprünge kann das Verhalten der PID-Regler überprüft und optimiert werden.

Die Belastungsversuche ermöglichen die Simulation zahlreicher anzutreffender Betriebszustände. So können Bruchlasten exakt ermittelt werden, Dauerlastversuche mit unterschiedlichen Einschaltdauern gefahren oder der Warmlauf eines Getriebes beobachtet werden. Hinzu kommt die Möglichkeit, Belastungskollektive mit maximal fünf Stufen vorzugeben und abzufahren. Wirkungsgrade und Reibmomente können von dem System in unterschiedlichen Modi gemessen werden. Neben stationären Messungen sind interessante drehzahl- und drehmomentabhängige Auswertungen möglich. Auch Anlaufwirkungsgrade können mit dem Prüfstand gemessen werden. Über einen Beschleunigungsversuch lassen sich gleichzeitig die reduzierten Massenträgheitsmomente eines Getriebes messtechnisch bestimmen.

Als stellvertretendes Beispiel für mögliche Messungen zeigt Bild 7 das Ergebnis einer drehmomentabhängigen Wirkungsgradmessung.

Drehmomentabhängige Wirkungsgradmessung

Bild 7: Ein automatisch erstelltes Protokoll enthält neben Messdaten auch beschreibende Informationen

Das Drehmoment wird bei konstanter Drehzahl kontinuierlich über eine Rampe variiert. Während dieses Vorganges wird der Wirkungsgrad über eine Drehmomentbilanz zeitgleich berechnet und gespeichert. Anschließend erfolgt eine Glättung der Messwerte und die graphische Darstellung von Abtriebsdrehmoment und Wirkungsgrad in einem Diagramm, das alle erforderlichen Informationen enthält.

Die Prüfstands-Software

Möglich werden diese Abläufe durch den anwenderspezifischen Zuschnitt der Funktionen der Standardsoftware, für den sich der Begriff Customizing durchgesetzt hat (Bild 8). DIA/DAGO bietet eine Vielzahl von Treibern für PC-Messhardware, darunter auch serielle, parallele und Feldbus-Geräte, mobile Einheiten und PCMCIA-Karten zur Messwerterfassung. Dieses System hat sich bei ZAE bereits so gut bewährt, daß GfS-Software auch für die anstehenden Projekte eingesetzt werden soll. Mit der neueren Software DIAdem – Die PC-Werk-statt wurde die Konfiguration durch den Anwender noch einmal deutlich vereinfacht. Diese erfolgt graphisch interaktiv unter Windows und unterstützt auch die Einbindung von Datenbanken und anderen Windows-Programmen.

Im Offline-Betrieb zeichnen Analyse- und Darstellungsfunktionen für technisch-wissen-schaftliche Daten die Standardsoftware aus. DIAdem und DIA/DAGO heben sich damit deutlich von den aus dem Office-Bereich bekannten Tabellenkalkulationsprogrammen ab; beispielsweise sind Datenkanäle mit mehreren Millionen Messwerten ohne weiteres zu bearbeiten. Tabellen, Hintergrundgrafiken, Achsensysteme und Texte auf der Auswertegrafik erhöhen die Aussagekraft und führen zu fehlerfreier Beurteilung der Ergebnisse.

Darstellung Funktionsweise Software DIAdem

Bild 8: Die Software DIAdem bietet umfassende Schnittstellen, um die Standardparameter durch Customizing auf die Applikation zuzuschneiden.

Das bereits erwähnte Customizing wird in DIA/DAGO und DIAdem mittels Autosequenzen (Makros) realisiert. In Verbindung mit einem Maskengenerator sowie der Möglichkeit, eigene Variablen zu definieren, steht dem Anwender hiermit ein leistungsfähiges Werkzeug für nahezu beliebige Automatisierungsaufgaben zur Verfügung. Autosequenzen stellen eine Abfolge von Systembefehlen dar und müssen nicht programmiert werden. Der Anwender arbeitet zur Erstellung nicht mit einem Compiler, sondern kann wesentliche Teile seiner Autosequenzen im sogenannten Teach-In-Modus - einfach durch vormachen - erstellen. 

Weitergehende Aktionen, die von der neuen Software DIAdem ausgeführt werden können, jedoch derzeit am Prüfstand nicht genutzt werden, sind Alarmierungen. Diese können in Form von Farbumschlag, Signalausgabe oder Textmeldungen sowie Telefon- und e-mail-Botschaften erfolgen. Unter Berücksichtigung von Benutzerrechten ist die Quittierung von Alarmen auf verschiedenen Ebenen möglich. Eine weitere Neuheit stellt die Synchronisation von Messdaten mit Videoaufnahmen vom Prüfling dar. Diese Betrachtungsmethode kann neben der sachlichen Beurteilung der Messwerte zu erweiterten Erkenntnissen über das Verhalten des Prüflings führen.

Weiterentwicklungen der Prüftechnik

Zusätzlich zu den bestehenden Prüfeinrichtungen entstehen bei ZAE derzeit weitere Prüfstände mit modernster Technik. Parallel wird ein System zur Prüfdatenverwaltung entwickelt, das die Speicherung und das schnelle Auffinden von Ergebnissen ermöglicht. Die wesentlichen Komponenten des Prüftechnikkonzeptes und deren Möglichkeiten sind in Bild 9 dargestellt.

Neues Prüftechnik-Konzept ZAE

Bild 9: Komponenten und Möglichkeiten des neuen Prüftechnik-Konzepts bei ZAE

Die Endkontrolle der fertig montierten Antriebe hat bei ZAE schon immer einen hohen Stellenwert eingenommen. Jeder ausgelieferte Antrieb wird einer abschließenden Kontrolle unterzogen. Um die Möglichkeiten in diesem Bereich weiter zu verbessern, erhält die Montage in diesem Jahr eigene Prüfmöglichkeiten zur Überprüfung der Endproduktqualität hinsichtlich Grundreibmomente, Verdrehspiel, Gleichlauf und Geräuschpegel.

Für den Entwicklungsbereich sollen neben Leistungsprüfungen in Zukunft auch Untersuchungen zum Übertragungsverhalten ermöglicht werden. Ein spezieller Funktionsprüfstand erlaubt die Durchführung von Messungen wichtiger Eigenschaften wie Grundreibmomente, Anlaufwirkungsgrad, Verdrehspiel und Verschleiß, Gleichlauf, Verdrehsteifigkeit sowie auch Dämpfungsverhalten.

Bild 10 zeigt den schematischen Aufbau der Prüfdatenbank, mit der das Anlegen, Ändern, Auffinden, Betrachten und Drucken von Prüfprotokollen ermöglicht wird. Die Daten werden so gespeichert, dass eine gezielte maschinelle Auswertung über Schlüsselfelder erfolgen kann.

Schematischer Aufbau der geplanten Prüfdatenbank

Bild 10: Schematischer Aufbau der geplanten Prüfdatenbank

Die Datenflut bewältigen

Der Einsatz von Rechnern zur Messwerterfassung und – verarbeitung führt schnell zu einer immensen Datenflut, deren Bewältigung Mechanismen zur Verwaltung der Ergebnisse erfordert. Standardmäßig organisiert DIAdem Informationen in einem Dateisystem mit unterschiedlichen Dateitypen und Verzeichnissen mittels Bibliotheks- und Anwenderpfaden. Hierdurch können Daten beispielsweise nach Projekten, Prüflingstypen, Prüfverfahren u.s.w. geordnet werden. Reicht dies für die Datenverwaltung nicht aus, weil Zusatzkommentare oder Kenngrößen berücksichtigt werden sollen, kann DIAdem mit einer externen Datenverwaltung verknüpft werden. Sofern firmeninterne Datenbanken genutzt werden sollen, stehen in der Autosequenzsprache von DIAdem die Befehle zur Nutzung des SQL/ODBC-Standards zur Verfügung.

Existiert noch keine Datenverwaltung bietet DIABASE von GfS eine sehr allgemein einsetzbare Versuchsverwaltung und erspart dem Anwender die Programmierung einer eigenen Datenverwaltung und deren Anbindung an DIAdem. Neben den eigentlichen Daten ist auch die Organisation und Zuordnung von Methoden (Autosequenzen) zu deren Erfassung und Verarbeitung von zentraler Bedeutung. DIABASE beschränkt sich dabei ausschließlich auf Verwaltungsaufgaben; die eigentlichen Anwendungen sind vollständig auf DIAdem-Seite realisiert. Diese strikte Trennung ermöglicht die Anpassung an ein breites Spektrum von Anwendungen.

Prüftechnik im Produktionsprozess

In naher Zukunft soll eine deutlich bessere Integration der Prüftechnik in den Produktionsprozess erfolgen. Ein solches System kann in letzter Konsequenz gemäß Bild 11 aufgebaut sein. Es entspricht einem übergeordneten Regelkreis des Produktionsprozesses, der die Transparenz im Unternehmen deutlich verbessert. Beobachtet werden neben den Prüfergebnissen wirtschaftliche Produktionsdaten, Qualitätsdaten und Beanstandungen der Kunden. Dies bedeutet nicht zuletzt eine Ausweitung des bereits bestehenden Qualitätssicherungssystems nach DIN 9001 bei ZAE.

Integration der Prüftechnik in den Produktionsprozeß der Zukunft

Bild 11: Integration der Prüftechnik in den Produktionsprozeß der Zukunft

Zusammenfassung

Ein Großteil der Bestrebungen in der Entwicklung bei ZAE konzentriert sich neben der Produktentwicklung auf die Schaffung von Grundlagen zur besseren Erfüllung der Marktbedürfnisse, die durch das Spannungsfeld zwischen Kostenreduzierungen einerseits und Qualitätssteigerung andererseits gekennzeichnet sind. Neben den Möglichkeiten der eigentlichen Produktoptimierung stellt sich der Betrieb der Forderung, schneller auf Kundenanfragen reagieren zu können und noch flexibler in den Liefermöglichkeiten zu sein. Dies betrifft sowohl Standard- wie auch in zunehmenden Maße Sonderlösungen, die neben Einzelgetrieben auch ganze Antriebssysteme umfassen.

Um die Kosten für die notwendige Modernisierung der Prüftechnik zu reduzieren wurden überwiegend Standardkomponenten eingesetzt, die über einen Zeitraum von drei Jahren verteilt beschafft wurden. Als ein Baustein zur Kosteneindämmung hat sich hierbei die Standardsoftware zur Prüfstandsautomatisierung und Messwertanalyse und Dokumentation herausgestellt. Die automatische Übernahme einer aussagekräftigen Grafikauswertung eines Prüflaufes von DIAdem in das Formular des Prüfberichtes, der in Word erstellt wird, ist dafür ein bezeichnendes Beispiel. Die Verknüpfung von Messdaten aus der physikalischen Welt mit der Office-Welt verhilft so zur Akzeptanz von Standardsoftware in Bereichen, in denen Lösungen bisher grundsätzlich individuell programmiert wurden.

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