Leistungs- und Effizienztests von Aktuatoren

Das Unternehmen LOGICDATA wurde 1994 gegründet und hat seinen Sitz in der kleinen Stadt Deutschlandsberg im Süden Österreichs. Inzwischen beschäftigt es über 330 Mitarbeiter in Österreich, Slowenien, China, Kroatien und den USA. Im Jahr 2021 fusionierte das Unternehmen mit dem chinesischen Hersteller JIECANG, um Kräfte zu bündeln und das gemeinsame Wachstum zu fördern. LOGICDATA nutzt eine breite Palette intelligenter Elektronik-, Mechatronik- und eingebetteter Softwarelösungen, um verstellbare Wohn- und Büromöbel herzustellen.

Tests von Aktuatoren

LOGICDATA testet eingebettete Aktuatoren für die Höhenverstellung von Bürotischen. Der Antrieb der ausfahrbaren Beine, besteht im Wesentlichen aus einem bürstenlosen Gleichstrommotor, einem Getriebe und einem Spindelsystem mit integrierter Bremse, das mit Geschwindigkeiten von bis zu 80 mm/s arbeitet.

Mit der steigenden Nachfrage nach kundenspezifischen Anpassungen führt die Unternehmensstrategie "Eine Vision. Ein Anbieter" zu mehr Modularität und einem wachsenden Produktportfolio. Um eine dauerhaft stabile Funktionalität zu gewährleisten, müssen neue Prototypen in kurzer Zeit analysiert und verifiziert werden. LOGICDATA führt mehr als 200 Tests für einen neuen Aktuator durch um dies zu gewährleisten.

Das Unternehmen muss sicherstellen, dass die beteiligten Komponenten unter verschiedenen Last- und Geschwindigkeitskombinationen reibungslos und leise bewegt werden. Mittlerweile werden verteilte Komponenten installiert, bei denen in jedem Tischbein ein Aktuator mit integrierten Dehnungsmessstreifen-Sensoren verbaut wird. Dies gewährleistet eine größere Empfindlichkeit während der vertikalen Bewegung. Dieser Intelligente Systemschutz (ISP) minimiert Systembeschädigungen und erkennt Kollisionen effektiv.

Die Lösung für den Testbetrieb

Der Maschinenbauexperte, Andreas Pichler führte uns durch sein Labor mit vielen professionellen Testaufbauten. "Es ist unerlässlich, die Effizienz jeder einzelnen Komponente der gesamten Energiekette zu analysieren", sagt er, "damit wir alle Leistungsverluste kennen und somit Optimierungspotenziale identifizieren können." Zu diesem Zweck hat LOGICDATA einen spezifischen Prüfstand für die Wirkungsgradprüfung von Aktuatoren entwickelt.

Ingenieure klemmen das zu testende Gerät (DUT) in einen gelben Prüfstandshalter und schließen es elektrisch an. Der DEWE-43 im Schrank misst alle 3-Phasen-Motorspannungen und -ströme, den Abstand, die Kraft (Drehmoment) und die Geschwindigkeit, z. B. 38 mm/s -  für Hochgeschwindigkeitsanwendungen bis zu 80 mm/s. Die DewesoftX-Software ermöglicht die Echtzeitberechnung der Effizienz, indem sie die mechanische Leistungsabgabe mit der elektrischen Leistungsaufnahme vergleicht.

Die Gegenkraft wird auf einem Bedienfeld pneumatisch eingestellt, um verschiedene Lasten zu simulieren. Darüber hinaus vergleichen die Ingenieure das resultierende Stützdrehmoment mit der angewandten Kraft, was auch Erkenntnisse über die Effizienz des integrierten Spindelsystems liefert. Auf diese Weise bewerten sie das entscheidende selbsthemmende Verhalten des Aktuators, zum Beispiel wenn jemand auf dem Schreibtisch sitzt, darf er sich nicht nach unten bewegen. Der Aufbau ermöglicht auch Anpassungen für Tests verschiedener Kundenvorgaben.

Datenerfassungssystem DEWE-43A

Der DEWE-43A wiegt weniger als ein Kilogramm und ist so klein, dass er in eine Hand passt. Das Datenerfassungsgerät ist sehr leicht, um eine maximale Portabilität zu gewährleisten, zugleich aber robust und leistungsfähig. Jede Einheit wird aus einem massiven Aluminiumblock CNC-gefräst und verfügt über je 8 High-Speed-Analog- und SuperCounter-Eingänge. Zudem bietet das Gerät ein unübertroffenes Preis-Leistungs-Verhältnis

DEWE-43A ist für eine Vielzahl dynamischer Datenerfassungsanwendungen geeignet. Das Gerät ist mit der fortschrittlichen Datenerfassungs-, Aufzeichnungs- und Analysesoftware DewesoftX ausgestattet. DewesoftX wurde um eine konkrete Kernphilosophie herum entwickelt: eine einzige Software für alle Testanwendungen. Die Kombination mit dieser Software macht DEWE-43A praktisch zum Schweizer Taschenmesser für Test- und Messanwendungen.

Standardzähler, die in den gängigen DAQ-Systemen verfügbar sind, liefern Resultate nur mit ganzzahliger Auflösung, z.B. 1, 1 oder 2, 2. Dadurch hinken ihre Ausgaben immer um einen Wert hinter den analogen Sensordaten her, ein echtes Problem in Anwendungen wie Rotations- oder Torsionsschwingungen, bei denen bereits eine Phasenverschiebung von einem Messwert die Ergebnisse verändern kann.

Die SuperCounter® Technologie löst dieses Problem, indem sie Gleitkommawerte wie 1,37, 1,87 und 2,37 extrahiert und sie präzise in der Zeit mit dem Rest der erfassten Daten synchronisiert. Ein SuperCounter® besteht aus zwei Zählern. Das Eingangssignal wird parallel zu beiden Zählern geführt, und der zweite Zähler misst die genaue Zeit der steigenden Flanke. Dadurch wird der echte Zählerwert mit den analogen Werten berechnet und perfekt synchronisiert.

Die Dewesoft SuperCounter®-Technologie ist mit verschiedensten Encodern, Zahnradsensoren, induktiven Näherungssensoren usw. kompatibel. DEWE-43A und andere Dewesoft-Systeme wie SIRIUS, MINITAURs und KRYPTON können mit einem oder mehreren SuperCounter-Eingängen konfiguriert werden.

Das Datenerfassungssystem DEWE-43A unterstützt auch den Sensorstandard TEDS (Transducer Electronic Data Sheet). Diese Technologie ermöglicht es den Ingenieuren, vor Ort schnell Testanordnungen zu erstellen und verschiedene Arten von Tests durchzuführen, wie:

• Motorleistungstests, 

• Lebensdauertests, 

• Beschleunigungs-/Verzögerungsprofiltests.

Darstellung der Messdaten und Erstellen von Berichten

Logicdata gestaltete die DewesoftX-Benutzeroberfläche, indem der Messbildschirm in zwei Hälften geteilt wurde. Auf der linken Seite befindet sich eine schematische Darstellung des gesamten Aktuators, mit Motor und Getriebe oben und Spindelsystem mit Teleskopmechanismus unten. Unterschiedliche Farben visualisieren die gemessenen Werte: elektrische und mechanische Leistung, Kraft, Drehmoment, Effizienz, Abstand und Fahrgeschwindigkeit. Die Einheit, z. B. mm/s, macht eine zusätzliche Kanalbeschreibung überflüssig, was zu einem vereinfachten, sehr aufgeräumten Setup führt.

Die rechte Seite des Bildschirms zeigt sogenannte Header-Informationen, z. B. den durchgeführten Test, welche Designrevision, mit welchen Testkriterien und wer für den Test verantwortlich war. Die Testparameter können durch Steuerkanäle modifiziert und in einer kleinen Skizze angezeigt werden. Die Software speichert die Header-Daten gemeinsam mit den Messdaten für spätere Reproduzierbarkeit.

Das Dewesoft-Setup zeigt bereits während des Tests Echtzeit-Ergebnisse an, die in einer Tabelle zur sofortigen Auswertung dargestellt werden. Die Software aktualisiert den Bericht kontinuierlich. Er ist bereits fertig, wenn die Ingenieure den Test abschließen - eine Funktion, die viel Zeit spart.

Motorleistungs- und Lebensdauertests

Vor jeder Produktfreigabe muss LOGICDATA auch wissen, wie sich die Leistung des Aktuators im Laufe seiner Lebensdauer verändern wird. Daher bezieht das Unternehmen mehrere unterschiedliche Leistungsmessungen in einen Aktuator-Lebensdauertest ein.

Verwendete Ausrüstung:

• DEWE-43A: Datenerfassungssystem

• DewesoftX: Datenerfassungssoftware

• DSI-V-200: Adapter für ±200-V-Messbereichserweiterung

• LEM LTSR 15-NP Stromsensor

• KR110a 2000 N Ring-Torsionskraftsensor

• ME TD110a 20 Nm Drehmomentsensor

• KM26z 500 N Push-Pull-Wägezelle

• K+C Präzisions-Glasmessstab M5 linearer Abstandssensor (2x)

• SICK-DBS60E Winkelgeber

Während der Aktuator über seine Lebensdauer mit einer definierten Last belastet wird, wird ständig die Stromaufnahme gemessen. Die Ingenieure greifen die Kommunikation zwischen der Steuerbox und dem Aktuator ab und messen bei jeder Umdrehung des Motors den Spannungsspitzenwert.

Die in der DewesoftX-Datenerfassungssoftware eingerichtete Zählfunktion ermöglicht eine schnelle Berechnung der Motordrehzahl.

Die Testingenieure kennen die Last, die der Aktuator bewegen muss, und montieren darunter einen Kraftsensor. Sie können dann die ausgehende mechanische Arbeit des Aktuators berechnen. Diese Informationen ermöglichen die Berechnung des Aktuator-Wirkungsgrades. Am Ende des Lebensdauertests vergleichen die Ingenieure die Ergebnisse desselben Aktuators über seine Lebensdauer und notieren etwaige Veränderungen.

Fazit

Der Wirkungsgrad-Prüfstand ist nur einer von mehreren Prüfständen, die von LOGICDATA betrieben werden. Andere Tests umfassen Spindeltests, Dauerprüfungen für die Produktfreigabe und Tests in einer Schallkammer. Darüber hinaus wird jeder Aktuator in separaten End-of-Line-Prüfständen sofort nach der Produktion überprüft.

Die Portabilität und Flexibilität des DEWE-43-Systems sind wesentliche Merkmale für die Messungen von LOGICDATA. Die nahtlose Integration von Datenerfassungshardware und -software bietet eine beispiellose Benutzerfreundlichkeit.

Die DewesoftX DAQ-Software berechnet kundenspezifisch erstellte mathematische Formeln in Echtzeit. Eine Funktion, die den Ingenieuren einen Live-Blick auf die Ergebnisse ermöglicht und es ihnen erlaubt, gemessene Parameter während des Tests anzupassen.

"Die Entwicklung des neuen und mechanisch komplexeren Spindelsystems wäre ohne den Prüfstand unmöglich gewesen", sagt Herr Andreas Pichler. "Wir haben die nächste Generation von Inline-Antriebsaktuatoren geschaffen, die eine hohe Flexibilität bei Geschwindigkeits- und Lastkombinationen ermöglichen. Unsere DMDinline- und DCDinline-Antriebe werden verschiedenste Kundenerwartungen erfüllen und einen neuen Standard in der Branche setzen. Wir haben das Dewesoft-Setup kontinuierlich für eine schnelle Auswertung in dieser umfangreichen Produktentwicklung optimiert. Mit schnellerem Fortschritt macht die Arbeit auch mehr Spaß!"

Derzeit arbeitet LOGICDATA mit der C++-Skriptoption im Dewesoft-Mathemodul, um ihre Testeinrichtung noch weiter zu vereinfachen und weitere Funktionen einzuführen. Die Vereinfachung erhöht die Effizienz der Tests und liefert die gewünschten Ergebnisse bereits bei der ersten Messung, was am Ende des Tages viel Zeit und Geld spart.

"Mein Fazit zu Dewesoft: Sie kommen schnell zu Messdaten, wenn später eine detailliertere Analyse erforderlich ist, macht es Sinn, tiefer einzusteigen."