Wer möchte heute noch auf die komfortable Bedienführung des Navigationssystems über einen Drehsteller-Knopf verzichten?

Bild: Kistler

Hochintegrierte Haptik-Prüfautomaten für Kfz-Bedienelemente Präzision auf (Dreh-)Knopfdruck

19.04.2018

Beim Bau von Sondermaschinen für die haptische Prüfung von Drehstellern setzt Schuhriemen Maschinenbau auf piezoelektrische Sensoren von Kistler, um die von den Automobilherstellern geforderte Präzision bei der automatisierten Qualitätssicherung zu gewährleisten.

Viele Autofahrer schätzen die komfortable Bedienführung moderner Bordcomputer über einen einzigen Knopf, den sogenannten Drehsteller. Verschiedene Funktionen wie das Navigationssystem, die Klimaanlage oder das Radio lassen sich damit durch Drehen, Kippen oder Drücken intuitiv bedienen. Um die Qualität der multifunktionalen Schalter zu sichern, setzt die Automobilindustrie auf End-of-Line-Prüfautomaten: Diese Sondermaschinen, die am Ende der Fertigungslinie zum Einsatz kommen, ermöglichen eine automatische Haptik-Prüfung, die auch bei großen Stückzahlen die geforderte Qualität gewährleistet.

Bewährte Prüftechnologie

Gebaut werden die Haptik-Prüfautomaten von spezialisierten Sondermaschinenbauern wie Schuhriemen Maschinenbau. Das Familienunternehmen ist seit über 20 Jahren am Markt tätig und liefert seine Maschinen weltweit an Automobilbauer. „Der Schlüssel zum Erfolg heißt Geschwindigkeit. Die Zykluszeiten sind bei uns oft kürzer als bei den Mitbewerbern. Das wird natürlich honoriert“, erklärt Hans-Julius Schuhriemen, Geschäftsführer der Firma. Zwar werden die Sondermaschinen meist vom Endkunden, also dem Automobilbauer, erworben – erster Ansprechpartner für Schuhriemen ist jedoch in der Regel der Automobilzulieferer, der die Qualitätsvorgaben des Autoherstellers umsetzen muss und deshalb auf nachweislich hohe Qualität angewiesen ist.

In Sachen Messtechnik und Automatisierung kooperiert Schuhriemen seit vielen Jahren mit dem Ingenieurbüro Borrmann aus Ingelheim. „Seit 1990 setzen wir in den Maschinen Sensoren von Kistler ein. Entscheidend sind für uns Vorteile wie Überlastsicherheit, breiter Messbereich, Steifigkeit und vor allem die Langlebigkeit“, betont Andreas Borrmann, Inhaber des Ingenieurbüros. Und Hans-Julius Schuhriemen ergänzt: „Sicherheit und Zuverlässigkeit der Anlagen haben im Automotive-Bereich absoluten Vorrang. Maschinenstillstand ist unbedingt zu vermeiden. In all den Jahren unserer Zusammenarbeit hatten wir keinen Defekt bei einem Kistler-Sensor.“

Vorsprung dank piezoelektrischer Sensorik

Sensoren von Kistler basieren auf dem piezoelektrischen Effekt: Wird ein entsprechend bearbeiteter Quarz mechanisch belastet, erzeugt er eine elektrische Ladung, die direkt proportional zur einwirkenden Kraft ist. Diese lässt sich mittels eines Ladungsverstärkers regulieren und als Messgröße nutzbar machen – unabhängig von der Dehnung oder der Auslenkung. Daraus ergeben sich (neben der Proportionalität) entscheidende Vorteile gegenüber anderen Technologien, beispielsweise kurze Messwege (bis mehrere kN/µm), weite Messbereiche, eine hohe Robustheit und eine lange Lebensdauer. Piezoelektrische Sensoren bestechen durch ihre hohe Flexibilität in Bezug auf die Anpassung an den relevanten Messbereich.

Weitere Pluspunkte der Piezotechnologie sind die hohe Ausgangsspannung (5 oder 10 V bei ICP-Ausgang), der breite Betriebstemperaturbereich (–73 bis 204°C) sowie die niedrigen Beschaffungs- und Lebenszykluskosten.

Das Portfolio von Kistler umfasst eine große Bandbreite von piezoelektrischen Sensoren für die Messgrößen Kraft, Weg, Druck, Drehmoment und Beschleunigung. Auch beim Einbau lässt Kistler seinen Kunden viel Flexibilität: Die Messung kann entweder direkt (gesamte Kraft), teilweise (ein Teil der Kraft), indirekt (Kraft wird zum Beispiel am C-Gestell gemessen) oder kombiniert (zum Beispiel gemeinsam mit der Temperatur) erfolgen.

Integrierte Prüfung

Im aktuellen Projekt bestand die Aufgabe darin, eine automatisierte Prüfung der Kippen-Drehen-Drücken-Bewegung am Drehsteller einer zentralen Bedieneinheit zu realisieren. Der zu diesem Zweck von Schuhriemen gebaute Prüfautomat besteht aus acht Stationen, an denen bis zu 450 Prüfmerkmale erfasst werden. Ein mittels Rundtakt-Tisch realisierter Zyklus dauert etwa zwanzig Sekunden, was einer Jahresproduktion von über 300.000 Bedienelementen entspricht. An drei der acht Stationen kommen dabei piezoelektrische Kraft- oder Drehmomentsensoren von Kistler zum Einsatz:

  • An Station 4 prüft ein piezoelektrischer Drehmomentsensor mit einer Auflösung bis 0,1 Nmm die Anzahl der Rastungen sowie die Rastmomente beim Drehen des Drehstellers. Prüfergebnisse außerhalb der festgelegten Grenzwerte weisen dabei auf Montage- oder Materialfehler hin.

  • Station 5 ist für die Prüfung von vertikalen Druckkräften vorgesehen. Dank der Oversampling-Funktionalität der Kistler-Sensoren werden in diesem Prüfgang Auflösungen von 0,02 N (Kraft) beziehungsweise 0,002 mm (Weg) bei einer Betätigungsgeschwindigkeit von 10 mm/s erreicht. „Die hohe Auflösung und Genauigkeit sind ein entscheidender Grund, Kistler-Produkte in unseren Maschinen einzusetzen“, zeigt sich Hans-Julius Schuhriemen überzeugt.

  • Das gilt auch für Station 7, bei der eine Haptik-Messung der Kippbewegung ansteht. Hier gab es einige Herausforderungen konstruktiv zu meistern: „Der Drehsteller ist deutlich größer als bei bisherigen Produkten. Dadurch treten bei horizontalen Bewegungen störende Querkräfte in vertikaler Richtung auf. Diese werden mittels vertikalen Ausgleichs-Elementen kompensiert“, erläutert Andreas Borrmann. „Solch eine Konstruktion ist durchaus schwierig. Da ist man froh, wenn man bei Kistler eine große Auswahl zwischen verschiedenen Produkt- und Einbauvarianten hat.“

Maschinen wechseln, Sensoren bleiben

Mit den von Schuhriemen seit 1989 entwickelten End-of-Line-Testern wurden bis heute über eine Milliarde Haptik-Prüfungen an Kfz-Bedien­elementen durchgeführt. Die in den Testern eingesetzte Sensortechnologie von Kistler hat sich dabei immer wieder aufs Neue bewährt: „Wir sind sehr zufrieden mit den Produkten, so dass wir bei jedem neuen Auftrag bis auf Weiteres wieder Kistler-Sensoren einsetzen werden“, erläutert Hans-Julius Schuhriemen. Angesichts der immer schneller wechselnden Produktvarianten in der Automobilindustrie ist ein End-of-Line-Prüf­automat momentan etwa sieben bis acht Jahre im Einsatz. Anschließend werden die Maschinen verschrottet, da sich die Umrüstung laut Hans-Julius Schuhriemen als Geschäftsmodell nicht rechnet. „Nur die Sensoren werden vorher ausgebaut und zur Instandhaltung eingelagert.“

Bildergalerie

  • Für die Überprüfung der horizontalen Kippkraft kommt ein Kistler-Sensor vom Typ 9311 zum Einsatz. Da bei der horizontalen Kippbewegung Querkräfte wirken, müssen diese mittels mechanischer Ausgleichselemente kompensiert werden.

    Bild: Kistler

  • Bei der Haptik-Prüfung mittels des Kistler-Drehmomentsensors vom Typ 9039 werden Daten mit einer Auflösung von bis zu 0,1 Nmm bei einer Drehgeschwindigkeit von bis zu 180° pro Sekunde aufgenommen.

    Bild: Kistler

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