Kombination von Sensorik und Motorik nach menschlichem Vorbild

Sanft wie von menschlicher Hand werden durch eine Neuentwicklung des Fraunhofer IFF die Gewichte eines Prüfgeräts aus dem Bau bereich bei dessen Kalibrierung aufgefangen: Der »Variable Steifigkeitsaktor« sorgt für lupenreine, präzise Messergebnisse – und entlastet die Mitarbeiter von schwerer körperlicher Arbeit.

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Das Unternehmen Zorn Instruments GmbH & Co. KG entwickelt und fertigt Mess- und Prüfgeräte für ausgewählte Anwendungsfelder, darunter das Leichte Fallgewichtsgerät ZFG, mit dem in einer Schnellprüfung die Tragfähigkeit von Baugrund ermittelt werden kann. Mit dem Gerät kann ein Gewicht, das senkrecht an einer Stange geführt wird, ausgeklinkt und auf eine gefederte Bodenplatte mit Sensoren fallengelassen werden. Dabei prägt es eine Kraft auf den Boden ein und liefert Messwerte über die Verdichtung des Untergrunds.

In einem manuellen Prüfstand werden diese ZFG im Rahmen der Produktion, Reparatur und Wartung kalibriert: Ein Vorgang, bei dem ein Mitarbeiter die Fallgewichte von bis zu 15 Kilogramm Masse, die nach dem Aufprall von der gefederten Platte wieder entlang der Führungsstange nach oben geworfen werden, von Hand abfangen und bis zu einem Meter weiter hochheben muss. Um verwertbare Messungen durchführen zu können, darf das Gewicht in diesem Vorgang kein zweites Mal nach unten fallen und es dürfen beim Auffangen keine Erschütterungen durch harte Anschläge entstehen. Das Gewicht muss zuverlässig und sanft nach dem ersten Aufschlag gefangen werden. Die Messungen werden wiederholt, die Werte abgeglichen, die Einstellungen nachjustiert. Wieder und wieder. Allein das Einsetzen eines neuen Tellerfederpakets in einem Leichten Fallgewichtsgerät erfordert bereits vor dem eigentlichen Kalibriervorgang das Vorbelasten durch mindestens einhundert Stöße.

Manueller Prüfstand für Fallgewichtsgeräte in der Firma Zorn Instruments. Foto: Zorn Instruments, Danny Kurz
Bei diesem Prüfvorgang muss ein Mitarbeiter die Fallgewichte von bis zu 15 Kilogramm Masse handhaben. Foto: Zorn Instruments, Danny Kurz


Um seine Mitarbeitenden durch eine automatisierte Lösung von einem solchen, in der Wiederholung körperlich stark belastenden Arbeitsschritt zu befreien und zudem Abläufe effektiver zu gestalten, wandte sich das Stendaler Unternehmen an das Fraunhofer IFF.

Fraunhofer IFF entwickelt Aktor zum feinfühligen Fangen von dynamischen Objekten

Rasch zeigte sich zu Projektbeginn, dass der Einsatz eines Roboters keine Option war. Abgesehen von den hohen Investitionskosten von etwa 20.000 bis 25.000 Euro, die für kleine und mittelständische Unternehmen in der Regel deutlich zu hoch sind, haben entsprechende Roboter nur eine Traglast von fünf Kilogramm.

Um die »technologische Lücke« für das sensitive Handhaben von hochdynamischen Nutzlasten zu füllen, wurde für den Kalibrierungsprozess ein linearer Steifigkeitsaktor zur Aufnahme des Fallgewichts entwickelt, in dem zwei Magnetgreifer integriert sind. Die Auffangvorrichtung des Aktors wird durch einen Linearantrieb senkrecht, parallel zur Führungsstange des leichten Fallgewichtsgerätes, bewegt. Die an der Auffangvorrichtung implementierten Magnetgreifer nehmen das unten liegende Fallgewicht auf und ziehen es zur festgelegten Fallhöhe hoch. Dort wird das Fallgewicht ausgeklinkt und fällt an der Führungsstange des Leichten Fallgewichtsgeräts nach unten. In der Bodenplatte ist ein Beschleunigungssensor verbaut, der unmittelbar beim Aufprall Informationen über die Masse, die aufgetroffen ist und nun zurückgeworfen wird, liefert. Der Aktor mit den Magnetgreifern kehrt zwischenzeitlich an den zuvor berechneten Umkehrpunkt des wieder hochschnellenden Fallgewichts zurück und wird dort vorpositioniert, um es aufzunehmen.


An diesem Punkt sind fast keine Beschleunigungskräfte mehr vorhanden, so dass die Geschwindigkeit kurzzeitig gegen Null geht und ein sensitives Auffangen der Masse realisierbar ist. Minimale Abweichungen gegenüber dem berechneten Umkehrpunkt führen jedoch zu Fehlern beim Auffangen: Ist der Punkt niedriger, misslingt es, liegt er höher, führt der härtere Anschlag zu einer Verfälschung der Messdaten des Beschleunigungssensors.

Um das zu verhindern, werden auch Daten einbezogen, die eine federgelagerte taktile Messspitze an der Auffangvorrichtung in Nähe der Magnetgreifer liefert. Eine Regelung bindet diese Messdaten ein, um den Prozess des Fangens feinfühlig zu gestalten. Ähnlich wie der Mensch beim Fangen eines Gegenstands auf die Energie, die er entgegen nimmt, reagiert, variiert so auch der Aktor beim Fangen des Gewichts automatisch die Steifigkeit und nimmt es sanft auf. Unter Verwendung neuronaler Netze ist das System zudem selbstoptimierend.

(Text gekürzt. Den vollständigen Artikel finden Sie in IFFOCUS »Digitaler Zwilling: Engineering der Zukunft«.)

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