Kraftmessen

  1. Definition und Charakterisierung von Kraft
  2. Arten und Darstellung von Kräften
  3. Ziele und Einsatzgebiete der Kraftmessung
  4. Physikalische Grundlagen der Kraftmessung
  5. Arten / Methoden der Kraftmessung
  6. Messprinzipien und Verfahren der Kraftmessung
  7. Berechnung der Kraftmessung
  8. Umsetzung der Kraftmessung
  9. Dienstleistungen für Kraftmessung
  10. Weiterbildungen für Kraftmessung

 

Definition und Charakterisierung von Kraft

Kraft ist eine physikalische Größe, die auf ein Objekt einwirkt und dessen Bewegung oder Zustand ändert. Sie ist eine vektorielle Größe, die aus dem Betrag und der Richtung besteht und in alle drei Raumrichtungen wirken kann, siehe Abbildung 1. Die Charakterisierung von Kräften hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich ihrer Richtung, ihres Betrags, ihrer Dauer und ihres Einflusses auf die Bewegung des Objekts. Kräfte können entweder eine beschleunigende oder eine verlangsamende Wirkung haben. Die Wechselwirkung von Kräften und Bewegungen wird durch die Gesetze der Mechanik beschrieben, einschließlich des Newtonschen Gesetzes der Bewegung. Sie ist somit eine Wechselwirkungsgröße, die immer zwischen zwei oder mehreren Körpern wirkt. Wenn die Kräfte entgegengesetzt und gleich stark sind, heben sie sich auf (Kräftegleichgewicht). Andernfalls gilt, dass sie zu einer resultierenden Kraft zusammengefasst werden können, die mithilfe eines Kräfteparallelogramms ermittelt wird. Es gilt, dass Kräfte nur an ihren Wirkungen erkennbar sind, die wiederum vom Betrag, der Richtung und dem Angriffspunkt abhängig sind. Durch die Durchführung von geeigneten Kraftmessungen kann die Wirkung von Kräften bestimmt und überwacht werden.

Physikalische Kräfte

Abbildung 1: Kraft als vektorielle Größe wirkt in alle Richtungen [Quelle: Alluris]

Arten und Darstellung von Kräften

Kräfte können in verschiedene Arten unterteilt werden, wie z.B. Gravitationskraft, elektromagnetische Kraft, Reibungskraft, Adhäsions- und Kohäsionskraft sowie die Zerspankraft. Letztere besteht aus mehreren Komponenten, die sich sowohl im Betrag als auch in der Richtung unterscheiden lassen. Kräfte sind in der Lage Bewegungs- und Formänderungen von Körpern (elastische oder plastische Verformung) oder deren Zerstörung hervorzurufen. Sie können z.B. grafisch durch Vektoren dargestellt werden, die den Betrag und die Richtung der Kraft darstellen. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Kraftmessgeräten oder Kraftsensoren, die eine Echtzeit-Kraftmessung ermöglichen und dabei den quantitativen Verlauf der Kräfte auf einem Display oder Computerbildschirm anzeigen.

 

Ziele und Einsatzgebiete der Kraftmessung

Kräfte können Auswirkungen auf die Leistung und Sicherheit des Prozesses, die Qualität des Bauteils sowie dem Werkzeugverschleiß haben. Durch Kraftmessungen können somit Prozesse optimiert, die Qualität von Produkten sichergestellt und folglich Leistungsverbesserungen, wie z.B. erhöhtes Standzeitvermögen der Werkzeuge, erreicht werden. Die Kraftmessung kommt in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz, wie z.B. in der Zerspanung, Materialprüfung, Medizintechnik sowie in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie. In diesen Anwendungen wird die Kraftmessung genutzt, um beispielsweise die Kräfte zu messen, die auf das Werkzeug und Bauteil, dem menschlichen Körper oder dem gesamten System wirken, um sicherzustellen, dass sie den geforderten Standards entsprechen.

 

Physikalische Grundlagen der Kraftmessung

Die Kraftmessung beruht auf dem Newtonschen Gesetz, wonach eine Kraft F auf einen Körper eine Beschleunigung a hervorruft, welche wiederum eine Änderung der Geschwindigkeit v bewirkt. Durch die Messung dieser Änderung der Geschwindigkeit kann die auf den Körper wirkende Kraft berechnet werden. Die Messung der Kraft kann durch verschiedene Methoden erfolgen, wie z.B. durch die Dehnung von Federn oder die Verformung von Dehnungsmessstreifen sowie Piezokristallen. Die gemessene Kraft wird in Newton (N) angegeben. Wirkt eine Kraft F im senkrechten Abstand von einer festen Drehachse, so entsteht ein Drehmoment M. Die Leistung, die eine Kraft bei einer bestimmten Geschwindigkeit erzeugt, kann durch Multiplikation der Kraft mit der Geschwindigkeit berechnet werden und wird in Watt (W) gemessen.

 

Arten / Methoden der Kraftmessung

Unter Kraftmessung versteht man die Ermittlung der zwischen zwei Körpern wirkenden Kraft. Hierzu werden mechanische, hydraulische oder elektronische Kraftaufnehmer verwendet, die je nach Bauart auch als Kraftmesser, Kraftmessdose, Kraftsensor oder Dynamometer bezeichnet werden. Mehrachsige Kraftaufnehmer bieten die Möglichkeit die X-, Y-, und Z-Komponenten und ggf. das jeweilige Drehmoment auszuwerten, siehe Abbildung 1.

Hydraulische Kraftmessung

Bei dieser Methode wird die Kraft durch die Druckänderung in einem hydraulischen System gemessen.

Optische Kraftmessung

Diese Methode nutzt optische Prinzipien, z.B. die Reflektion von Licht, um die Kraft zu messen.

Akustische Kraftmessung

Hierbei wird die Kraft durch die Ausbreitung von Schallwellen gemessen, die durch die Krafteinwirkung erzeugt werden.

Elektrische Kraftmessung

Die elektrische Kraftmessung beruht auf der Messung der elektrischen Eigenschaften eines Körpers oder Sensors, die sich durch die Krafteinwirkung verändern. Dabei können unterschiedliche Messprinzipien zum Einsatz kommen, wie z.B. der piezoelektrische oder der piezoresistive Effekt. Beim piezoelektrischen Effekt erzeugt die Krafteinwirkung auf einen piezoelektrischen Kristall eine elektrische Ladung, die proportional zur aufgewendeten Kraft ist. Mithilfe eines Verstärkers sowie einer Messkarte wird die erzeugte Ladung verstärkt, sodass eine proportionale Kraft berechnet werden kann. Beim piezoresistiven Effekt hingegen verändert sich der elektrische Widerstand eines Materials unter Krafteinwirkung. Dieser Effekt wird z.B. bei Dehnungsmessstreifen genutzt, die auf den zu messenden Körper aufgeklebt werden. Durch die Verformung des Körpers ändert sich die Länge des Dehnungsmessstreifens und somit auch sein Widerstand. Dieser Widerstandsunterschied kann folglich gemessen werden. Die elektrische Kraftmessung bietet den Vorteil, dass die Messergebnisse einfach elektronisch verarbeitet und weitergeleitet werden können. Weiterhin ist sie sehr präzise und kann auch bei hohen Frequenzen eingesetzt werden, weshalb sie u.a. bei der Prozessüberwachung von Zerspanungsoperationen eingesetzt wird.

Mechanische Kraftmessung

Die mechanische Kraftmessung beruht auf der Verformung eines Körpers unter Krafteinwirkung. Dabei können verschiedene Messprinzipien zum Einsatz kommen, wie z.B. die Federwaage oder die Druckmessdose. Bei der Federwaage wird die Kraft durch die Verformung einer Feder gemessen, die an einem Gehäuse befestigt ist. Durch die Krafteinwirkung wird die Feder gestreckt oder gequetscht, wodurch sich ihre Länge oder ihr Durchmesser ändert. Diese Verformung ist proportional zur aufgewendeten Kraft, so dass die Kraft durch eine Skala abgelesen werden kann. Bei der Druckmessdose wird die Kraft durch die Verformung eines zylinderförmigen Körpers gemessen, der aus einem drucksensitiven Material besteht. Durch die Krafteinwirkung ändert sich der Druck innerhalb des Zylinders, wodurch sich dessen Durchmesser ändert. Diese Verformung kann durch eine Messuhr oder einen Sensor erfasst werden. Die mechanische Kraftmessung ist oft einfach und robust und kann auch in rauen Umgebungen eingesetzt werden. Allerdings sind die Messergebnisse oft weniger präzise als z.B. bei den elektrischen Messmethoden, und es kann schwierig sein, die Verformungen des Körpers exakt zu messen.

Je nach Anforderungen an Genauigkeit, Messbereich und Umgebung können unterschiedliche Methoden zur Kraftmessung eingesetzt werden. Die Wahl des Messprinzips hängt oft auch von den Kosten, dem Messaufwand und der Messbarkeit von Messunsicherheiten ab.

 

Messprinzipien und Verfahren der Kraftmessung

Elastische Verformung mit Wegmessung

Die Kraftmessung durch elastische Verformung und Wegmessung erfolgt durch die Verwendung eines Kraftaufnehmers, der eine Feder oder einen Dehnungsmessstreifen enthält. Die Kraft, die auf den Kraftaufnehmer ausgeübt wird, verursacht eine elastische Verformung der Feder oder des Dehnungsmessstreifens, die aufgrund des Hook’schen Gesetzes proportional zur aufgewendeten Kraft ist. Die Verformung des Kraftaufnehmers wird durch eine entsprechende Änderung des Weges gemessen, den der Kraftaufnehmer aufgrund der Krafteinwirkung zurücklegt. Dies kann z.B. durch die Verwendung von Wegmesssensoren wie Potentiometern, Linear- oder Winkelsensoren erreicht werden. Die Messgenauigkeit hängt von der Empfindlichkeit des verwendeten Wegmesssensors ab. Je genauer der Wegmesssensor, desto präziser kann die Kraftmessung durchgeführt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass die Verformung des Kraftaufnehmers in der Regel sehr gering ist und eine sehr hohe Auflösung des Wegmesssensors erforderlich sein kann.

Elastische Verformung mit Widerstandsmessung

Die Kraftmessung durch elastische Verformung und Widerstandsmessung basiert auf der Verwendung von Dehnungsmessstreifen (DMS), die an einem Kraftaufnehmer angebracht sind. Wenn eine Kraft auf den Kraftaufnehmer ausgeübt wird, verursacht sie eine Verformung des Materials, an dem die Dehnungsmessstreifen angebracht sind, was zu einer Änderung des Widerstands der Dehnungsmessstreifen führt. Durch Messung dieser Widerstandsänderung kann die aufgewendete Kraft bestimmt werden. Die Widerstandsänderung kann durch eine Brückenschaltung bzw. Wheatstone-Brückenschaltung gemessen werden, die eine äußerst präzise Messung der Widerstandsänderung ermöglicht. Die Messgenauigkeit hängt von der Empfindlichkeit der Dehnungsmessstreifen und der Genauigkeit der Widerstandsmessung ab. Daher ist eine geeignete Kalibrierung des Messsystems unerlässlich, um genaue Messungen zu gewährleisten. Die Kraftmessung durch elastische Verformung und Widerstandsmessung wird häufig in der Materialprüfung, der Strukturüberwachung und der Messtechnik eingesetzt. Wenn hohe Kräfte gemessen werden müssen, ist die Empfindlichkeit bei geringeren Kräften eingeschränkt. Die Messung erfolgt meistens driftfrei im Gegensatz zu piezoelektrischen Messungen, wo nur quasistatisch gemessen wird. Zudem erfordert die DMS basierte Messung stets eine Nachgiebigkeit der Messzelle, was auf Kosten der Steifigkeit geht.

Piezoelektrischer Effekt

Neben den Kraftaufnehmern auf DMS-Basis werden Sensoren auf Basis des piezoelektrischen Effekt eingesetzt. Piezoelektrische Sensoren sind häufig deutlich steifer als DMS basierte Sensoren, da bei diesen kein Körper mechanisch verformt werden muss, um eine Änderung zu messen. Die einwirkende Kraft verursacht eine Verschiebung der Gitterstruktur, welche positive und negative Gitterbausteine verschiebt, siehe Abbildung 2.

Kristall mit Molekülgitter

Abbildung 2: Kristall mit Molekülgitter ohne Krafteinwirkung (links); Kristall mit Molekülgitter mit Krafteinwirkung (rechts) [Quelle: HBM]

Es entsteht ein elektrisches Dipolmoment, wobei die eingeleitete Kraft proportional zur resultierenden Ladungsverschiebung und der verstärkten Spannung ist. Der nutzbare Messbereich erstreckt sich hierbei um mehrere Größenordnungen. So kann mit einem Piezo-Kraftmesselement, dessen Messbereich über 200kN erstreckt auch eine so geringe Ansprechschwelle erreicht werden, dass wenige Newton sicher gemessen werden können. Je nach Material kann auch in hohen Betriebstemperaturen noch zuverlässig Kräfte gemessen werden. Neben dem Vorteil, dass sie unter Last nur minimal verformt werden, können diese auch sehr flach gebaut werden, siehe Abbildung 3. Weiterhin sind diese prädestiniert für präzise mehrdimensionale Messungen von Druck- und Zugkräften sowie Drehmomenten, sowohl bei hochdynamischen als auch quasi-statischen Vorgängen.

Darstellung von piezoelektrischen Kraftsensoren

Abbildung 3: Piezoelektrische Kraftsensoren [Quelle: Kistler, HBM]

 

 

 

 

 

 

Querschnitt eines Kraftsensors

Abbildung 3: Aufbau eines Kraftsensors [Quelle: Kistler, HBM]

 

Berechnung der Kraftmessung

Mechanische Kraftmessung durch Verformung

Bei dieser Methode wird die aufgewendete Kraft durch die Verformung einer Feder oder eines Dehnungsmessstreifens gemessen. Die Kraft F kann durch die folgende Gleichung berechnet werden:

F = k * Δl

wobei k die Federkonstante ist und Δl die Verformung des Kraftaufnehmers in Richtung der Kraft ist.

Elektrische Kraftmessung durch Widerstandsmessung

Bei dieser Methode wird die aufgewendete Kraft durch die Messung der Widerstandsänderung eines Dehnungsmessstreifens bestimmt.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Genauigkeit der Kraftmessung von verschiedenen Faktoren wie der Kalibrierung, der Empfindlichkeit des Sensors und der Messumgebung abhängt. Daher sollten bei der Durchführung von Kraftmessungen geeignete Verfahren zur Gewährleistung der Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messungen verwendet werden.

Kraftmessung durch piezoelektrische Kraftaufnehmer

Bei der piezoelektrischen Kraftmessung sorgt die Krafteinwirkung für eine Ladungsverschiebung, die gemessen und verstärkt wird. Im Anschluss kann diese als proportionale Spannung ausgegeben werden.

Es ist wichtig, die Empfindlichkeit des Sensors zu kalibrieren, um genaue Messungen zu gewährleisten. In der piezoelektrischen Kraftmessung werden oft Vorverstärker oder Signalaufbereiter verwendet, um das Signal zu verstärken und zu filtern, um eine genaue Messung zu gewährleisten.

Geräte für Kraftmessung

In der Forschung und Entwicklung liefern Kraftmessungen eine wichtige Datenbasis, um die Werkzeugsysteme und Maschinen perfekt auf den Zerspanungsprozess abzustimmen. Des Weiteren können Zerspankraftmessungen genutzt werden, um die Prozesse und Zerspanungsstrategien zu bewerten und Verbesserungspotentiale zu identifizieren. Im Bereich der Zerspanung kommen im Wesentlichen Dynamometer zum Einsatz, siehe Abbildung 4.

 

Darstellung des stehendes Mehrkomponenten-Dynamometers

Abbildung 4: Stehendes Mehrkomponenten-Dynamometer zur Aufnahme der Prozesskräfte beim Fräsen [Quelle: Kistler]

Mehrkomponenten-Dynamometer

Abbildung 4: Stehendes Mehrkomponenten-Dynamometer zur Aufnahme der Prozesskräfte beim Drehen [Quelle: Kistler]

Rotierendes Mehrkomponenten-Dynamometer

Abbildung 4: Rotierendes Dynamometer zur Aufnahme der Zerspankräfte beim Bohren [Quelle: Kistler]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die stationären und rotierenden piezoelektrischen Dynamometer erfassen präzise die Zerspankräfte während des Bearbeitungsprozesses. Anhand der ermittelten Prozesskräfte können Anwender die optimalen Werkzeuge, Spannvorrichtungen, Kühlschmiermittel und Werkstoffe für ihre Zerspanungsprozesse bewerten und auswählen. Auf diese Weise tragen die Daten dazu bei, die Qualität und Kosteneffizienz der Werkzeuge und Zerspanungsprozesse zu steigern und die Lebensdauer der Zerspanungswerkzeuge zu verlängern.

 

Umsetzung der Kraftmessung

Für die Kraftmessung gibt es verschiedene Gütekriterien, die eine genaue und zuverlässige Messung gewährleisten. Hier sind einige wichtige Gütekriterien für die Kraftmessung:

  • Genauigkeit: Die Genauigkeit ist ein wichtiges Gütekriterium für die Kraftmessung. Sie beschreibt, wie nah die gemessene Kraft an dem tatsächlichen Wert liegt. Eine hohe Genauigkeit ist notwendig, um sicherzustellen, dass die Messung präzise und zuverlässig ist.
  • Wiederholbarkeit: Die Wiederholbarkeit beschreibt, wie gut eine Messung wiederholt werden kann.
  • Linearität: Die Linearität beschreibt, ob die Messung proportional zur aufgebrachten Kraft erfolgt. Ein linearer Zusammenhang zwischen der aufgebrachten Kraft und der gemessenen Kraft ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Messung zuverlässig ist.
  • Hysterese: Die Hysterese beschreibt, ob die Messung beeinflusst wird, wenn die aufgebrachte Kraft zuerst erhöht und dann verringert wird. Eine zu große Hysterese kann zu ungenauen Messungen führen und sollte daher vermieden werden.
  • Stabilität: Die Stabilität beschreibt, ob die Messung über einen längeren Zeitraum stabil bleibt. Eine stabile Messung ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Messung zuverlässig ist.
  • Reproduzierbarkeit: Die Reproduzierbarkeit beschreibt, ob die Messung unter verschiedenen Bedingungen, wie zum Beispiel verschiedenen Testbedingungen oder mit verschiedenen Messgeräten, reproduzierbar ist.

Diese Gütekriterien sind wichtig, um sicherzustellen, dass die Kraftmessung zuverlässig und genau ist. Weiterhin ist zu beachten, dass ein möglichst geringes übersprechen der anderen Kraftrichtungen vorliegt sowie eine gute Ankopplung gegeben ist, sodass der Kraftfluss möglichst isoliert durch den Sensor geht. Eine Ausnahme stellen große Kräfte dar, da hier die Sensoren auch im Kraftnebenfluss verwendet werden. Es ist daher wichtig, bei der Auswahl von Messgeräten und Messmethoden auf diese Kriterien zu achten.

 

Dienstleistungen für Kraftmessung

Es ist wichtig, bei der Umsetzung von Kraftmessungen einen professionellen Dienstleister zu engagieren, um sicherzustellen, dass die Messungen zuverlässig und präzise sind. Ein professioneller Dienstleister verfügt über das Wissen und die Erfahrung, um die korrekten Messgeräte auszuwählen, diese ordnungsgemäß zu installieren und zu kalibrieren und die Messdaten richtig zu interpretieren und zu analysieren. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Ergebnisse der Kraftmessungen vertrauenswürdig sind und für die Anwendung oder die Forschung geeignet sind. Einige der Dienstleistungen, die ein professioneller Dienstleister im Bereich der Kraftmessung anbieten kann, sind:

  • Auswahl der richtigen Messgeräte: Ein professioneller Dienstleister kann Ihnen dabei helfen, das richtige Messgerät für Ihre Anwendung auszuwählen. Dies beinhaltet die Berücksichtigung von Faktoren wie der Art der Kräfte, die gemessen werden müssen, der Genauigkeitsanforderungen, der Umgebungsbedingungen und anderer Faktoren.
  • Installation und Kalibrierung der Messgeräte: Ein Dienstleister kann Ihnen dabei helfen, die Messgeräte ordnungsgemäß zu installieren und zu kalibrieren, um sicherzustellen, dass die Messungen korrekt sind.
  • Durchführung von Messungen: Ein Dienstleister kann die Messungen für Sie durchführen und sicherstellen, dass die Messdaten korrekt erfasst werden.
  • Analyse der Messdaten: Der Dienstleister kann Ihnen dabei helfen, die Messdaten richtig zu interpretieren und zu analysieren, um die Ergebnisse zu erhalten, die Sie benötigen.
  • Beratung und Schulung: Durch die Auswahl geeigneter Dienstleister können Ihnen auch Beratungen und Schulungen angeboten werden, um Ihnen zu helfen, die Ergebnisse der Kraftmessung richtig zu verstehen und zu nutzen.

Insgesamt kann die Beauftragung eines professionellen Dienstleisters für die Kraftmessung dazu beitragen, dass die Messungen genau, zuverlässig und für Ihre Anforderungen geeignet sind. Eine Möglichkeit, Kraftmessungen und Schulungen durchzuführen, bietet das ISF, welches mit einem großen Bestand diversere Messsysteme, gepaart dem nötigen Wissen, unterschiedlichste Aufgaben absolvieren kann.

 

Weiterbildungen für Kraftmessung

Schulungen und Weiterbildungen für Kraftmessung sind sinnvoll, da sie ein tieferes Verständnis für die Technologie und die damit verbundenen Prozesse vermitteln können. Die Teilnehmer lernen, wie man Kraftmessgeräte bedient und kalibriert, um genaue Messergebnisse zu erzielen. Darüber hinaus können Schulungen und Weiterbildungen dazu beitragen, Fehler bei der Kraftmessung zu vermeiden um somit die Messunsicherheit zur reduzieren. Eine gute Möglichkeit, Schulungen und Weiterbildungen für Kraftmessung zu belegen, ist die wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP). Diese bietet im Rahmen der WGP-Produktionsakademie ein maßgeschneidertes Weiterbildungsangebot an. Des Weiteren kann am Institut für Spanende Fertigung (ISF), an der TU Dortmund, ein attraktives Angebot an Seminaren besucht werden, zu denen u.a. das WGP-Seminar gehört, indem den Teilnehmenden an den Basisprozessen wie dem Drehen, Bohren und Fräsen der Umgang mit geeigneter Messtechnik / Sensorik vermittelt wird, um ein breiteres Wissen im Bereich der Zerspanung zu erlangen. Insgesamt ist die Teilnahme an Schulungen und Weiterbildungen im Bereich Kraftmessung eine gute Investition in die berufliche Entwicklung und kann langfristig dazu beitragen, die Effizienz und Qualität in der Produktionstechnik zu verbessern und die Kosten zu senken.

 

Hier finden Sie das Seminar zur Prozess-, Werkzeug- und Maschinenanalyse der WGP-Produktionsakademie.