IKWI-Transfer - Neuartige Anwendungsfelder innovativer Kraftmess- und Wägetechnik - Ilmenau

Die InnoProfile-Initiative "Innovative Kraftmess- und Wägetechnik durch Anwendung mechatronischer Konzepte“ (2006-2011) will ihr regionales Innovationsprofil mit dem folgenden Vorhaben stärken und weiterentwickeln:

Die InnoProfile-Transfer-Initiative

Der Fokus des Transferprojektes liegt auf digital geregelten Wägesystemen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK-Systeme). Auf Basis der EMK-Systeme werden im Rahmen des Vorhabensneuartige Anwendungsfelder dieser Technologie, wie die hochgenaue Messung von Neigungen oder Kraft-Weg-Kennlinien, erschlossen.

Zudem soll die Leistungsfähigkeit und der Funktionsumfang von klassischen EMK-Waagen durch den Einsatz von digitalen Reglerkonzepten erweitert werden. Benötigt werden diese Geräte von metrologischen Instituten im klassischen Maschinenbau, in der Biotechnologie, in der Bionikbranche, in der Mikrosystemtechnik sowie in der Pharmazie, Medizintechnik und in der Geologie.

Beispielsweise kann man mit dem System zur hochgenauen Neigungsmessung kleinste Verkippungen von Gebäuden detektieren. Zudem besteht in Forschungsinstitutionen ein Bedarf an hochauflösenden Geräten zur Messung und Vorgabe hochgenauer Kraft-Weg-Kennlinien, wobei die Messergebnisse auf die internationale Definition der SI-Einheiten Länge und Kilogramm rückführbar und somit international vergleichbar sein sollen.
 

Die Ziele

Die Forschungsarbeiten sollen neue Anwendungsfelder bzw. potenzielle Produkte hervorbringen, welche den bisherigen Funktionsumfang und den Einsatzbereich klassischer EMK-Waagen deutlich erweitern, beispielsweise für Neigungsmessungen und Positionsbestimmungen.

Die Kooperation zwischen der TU Ilmenau und den Unternehmen basiert auf zwei wesentlichen Säulen: Zum einen wird mit der Unternehmensbeteiligung der Praxisbezug der durchgeführten Arbeiten gesichert. Durch eine enge Kooperation mit regionalen Unternehmen sollen die Forschungsergebnisse für Firmen nutzbar gemacht werden und zu neuen und innovativen Lösungen, Produkten und Produktlinien führen. Zum anderen erfolgt eine Anbindung der Unternehmen an den internationalen Stand der Wissenschaft auf den spezifischen Gebieten und beschleunigt damit auch ein Reagieren auf neue technologische Möglichkeiten und Trends.

Darüber hinaus erweitert die TU Ilmenau ihre Kooperationen mit Unternehmen und bildet Studierende, Auszubildende und Doktoranden auf dem Gebiet der Kraftmess- und Wägetechnik aus, was schließlich auch den messtechnisch ausgerichteten Unternehmen der Region zu Gute kommt.
 

Die thematischen Schwerpunkte

 

1. Modulare Elektronik Während im vorhergehenden InnoProfile-Projekt auf kostenintensive, kommerziell verfügbare Messgeräte zurückgegriffen werden musste, ist die Erforschung einer modularen und optimal adaptierbaren Elektronik zur volldigitalen Regelung und Steuerung von EMK-Wägesystemen ein Schwerpunkt des Transferprojektes. Prinzipiell dient eine solche Elektronik zur hochgenauen und schnellen digitalen Erfassung und Regelung der elektrischen Signale einer EMK-Waage. Deren technologische Umsetzung erfolgt im Rahmen des Vorhabens grundlegend auf Basis von digitalen Signalprozessoren und hochgenauen Analog/Digital- sowie Digital/Analog-Wandlern. Basierend auf dem geplanten modularen Design ist das gewählte Konzept der digitalen Mess- und Regelelektronik in einer Vielzahl weiterer Anwendungen einsetzbar und damit auch für regionale Unternehmen abseits der Kraftmess- und Wägetechnik von hoher Bedeutung. Diese Elektronik soll beispielsweise bei der Bearbeitung der weiteren Forschungsschwerpunkte, wie dem Positionier- und Kraftmesssystem sowie dem Referenzinklinometer, zum Einsatz kommen.

2. Kombiniertes Positionier- und Kraftmesssystem zur hochgenauen Ermittlung bzw. Vorgabe von Kraft-Weg-Kennlinien
In vielen Bereichen der Technik, der Medizin und der Biologie steht die hochgenaue Messung der Kraft-Weg-Kennlinien von kleinsten Messobjekten, wie beispielsweise Cantilevern oder Fasern, auf der Tagesordnung. Zur Lösung dieser Aufgaben sind unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Bei diesen Anordnungen kann jedoch nach dem Stand der Technik immer nur der Weg oder die Kraft gemessen bzw. eingestellt werden.

Während der Bearbeitung des Vorgängerprojektes zeigte sich, dass EMK-Wägesysteme, neben dem eigentlichen Einsatzfall zur Masse- bzw. Kraftbestimmung, in Verbindung mit einer digitalen Regelung auch als hochgenaue Positioniersysteme eingesetzt werden können. Ausgestattet mit einem elektrodynamischen Aktuator, einer hochpräzisen Linearführung und einem Positionssensor beinhaltet ein EMK-System bereits alle Komponenten, die zur gleichzeitigen Erzeugung und Messung einer Kraft sowie eines Stellweges notwendig sind. In Voruntersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass mit einem Serien-EMK-System eine Positionsauflösung im Subnanometerbereich und ein Verstellbereich von ca. 100 μm erreicht werden kann. Dieser Verstellbereich kann durch Kombination mit einer zusätzlichen Linearführung prinzipiell beliebig erweitert werden.

Das System zeichnet sich durch einen kompakten und kostengünstigen Aufbau aus und hat exzellente metrologische Eigenschaften. Zur rückführbaren Erfassung der Kraft-Wegkennlinie ist die Kombination mit einer zusätzlichen laserinterferometrischen Wegmessung möglich. Für dieses neuartige Verfahren wurde ein Patentantrag beim DPMA eingereicht.

3. Referenzinklinometer
In den vergangenen Jahren sind die Anforderungen an die Präzisionsmesstechnik stetig gestiegen. Ein Beispiel hierfür ist unter anderem die hochpräzise Winkelmesstechnik mit dem speziellen Teilgebiet der Neigungsbestimmung. Hierbei besteht die Aufgabe, Winkelabweichungen bezüglich der Horizontalen hochgenau zu erfassen. Im vorangegangenen InnoProfile-Projekt wurden beispielsweise verschiedene Untersuchungen zur Klärung von Störeinflüssen auf die Prototypkomparatorwaage CCL 1007 der Firma Sartorius Weighing Technology GmbH durchgeführt. Diese ist als die genauste Waage der Welt bekannt.

Als eine mögliche Störquelle wurden hierbei Neigungen des Wägesteines sowie des Fundamentes bzw. des gesamten Gebäudes identifiziert. Zum Nachweis dieser minimalen Verkippungen wurde ein vorhandenes EMK-Wägesystem mit einer festen Zusatzmasse versehen und in vertikaler Messrichtung betrieben. Da die mechanische Federkonstante eines derartigen EMK-Systems sehr gering ist, gleicht die Funktionsweise hierbei einem in einer Achse beweglichen Pendel. Mit dem Nulllageindikator des EMK-Systems konnten nun die geringen Winkelverkippungen des Wägesteines reproduzierbar nachgewiesen werden. Diese waren mit den kommerziell erhältlichen Geräten nicht erfassbar.

Bei Vorarbeiten wurde ein Prototyp aufgebaut und hierbei eine Winkelauflösung von 0,003‘‘ unter atmosphärischen Bedingungen erzielt. Diese Untersuchungen zeigen eindrucksvoll das hohe Potenzial des gewählten Messprinzips. Auf Basis dieses Konzepts werden im Rahmen des Transferprojekts die Grundlagen für ein hochpräzises Referenzinklinometer umfassend erforscht. 
 

 

Partner

  • driveXpert GmbH
  • PAARI Waagen- und Anlagenbau GmbH & Co. KG
  • Sartorius Weighing Technology GmbH
  • SIOS Meßtechnik GmbH

Kontakt

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Fröhlich
Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Prozessmesstechnik
Gustav-Kirchhoff-Straße 1
98693 Ilmenau
Tel.: 03677 69-2822
Fax: 03677 69-1412
E-Mail: thomas.froehlich[at]tu-ilmenau.de

Dr.-Ing. Michael Kühnel
Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Prozessmesstechnik
Gustav-Kirchhoff-Straße 1
98693 Ilmenau
Tel.: 03677 69-3188
Fax: 03677 69-1412
E-Mail: michael.kuehnel[at]tu-ilmenau.de
www.tu-ilmenau.de/ikwi/



Zum Beitrag "Höchste Präzision für minimale Bewegungen" aus der Rubrik "Im Blickpunkt"

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