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Kupplung Mit intelligenter Kupplung zum vernetzten Antriebsstrang

Mit der intelligenten Kupplung von R+W Antriebselemente haben Anwender relevante Daten ihrer Applikation jederzeit im Blick. Wir zeigen, welche Technik dahintersteckt.

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Hinter der intelligenten Kupplung verbirgt sich eine aufgewertete Serienkupplung, welche durch eine integrierte Sensorik zusätzliche Messfunktionen bietet.
Hinter der intelligenten Kupplung verbirgt sich eine aufgewertete Serienkupplung, welche durch eine integrierte Sensorik zusätzliche Messfunktionen bietet.
(Bild: R+W/Cadera Design)

Im Bereich der Antriebstechnik können genaue Messungen von Drehmoment, Drehzahl, Vibration und Axialkräften eine große Herausforderung darstellen. Das Problem: Ein rotierender Antriebsstrang erschwert die Aufnahme von Messdaten, weil keine direkte Vernetzung durch ein Kabel möglich ist oder der benötigte Bauraum fehlt. Genau hier setzt die intelligente Kupplung von R+W an: Die integrierte Sensorik funktioniert kabellos. Sie erhebt die Messdaten direkt im Antriebsstrang und überträgt sie nahezu in Echtzeit auf Smartphone, Tablet, Computer oder direkt in die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) beim Kunden.

„Die intelligente Kupplung ist eine smarte Alternative zum Drehmomentaufnehmer“, erklärt Sascha Markert, Entwicklungsleiter bei der R+W Antriebselemente GmbH. „Mit einem Blick auf sein Handy oder Tablet hat der Bediener sämtliche dynamische Parameter und die für eine ununterbrochene Anlagenverfügbarkeit relevanten Daten jederzeit im Blick“, so Markert weiter. Dahinter verbirgt sich eine aufgewertete Serienkupplung, welche durch eine integrierte Sensorik zusätzliche Messfunktionen bietet. Sie misst Daten mit hoher Genauigkeit – zu einem fairen Preis.

Die intelligente Kupplung führt viele Rechenoperationen bereits auf der internen Messelektronik durch. Selbst bei einer geringen Übertragungsrate wird so eine hohe Abtastfrequenz gewährleistet.
Die intelligente Kupplung führt viele Rechenoperationen bereits auf der internen Messelektronik durch. Selbst bei einer geringen Übertragungsrate wird so eine hohe Abtastfrequenz gewährleistet.
(Bild: R+W)

Kupplung mit integrierter Messelektronik

Die Kupplung lässt sich, wie die rein mechanische Baureihe, einfach und flexibel in den Antriebsstrang integrieren. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Bauraum, den die Kupplung benötigt, da keine aufwändige Hilfskonstruktion für den Einbau nötig ist. Der Einsatz auf engstem Raum oder in mobilen Anwendungen wird durch eine Stromversorgung über einen integrierten Akku mit einer Ladung von 2000 Milliamperestunden (mAh) ermöglicht.

Falls eine konstante Datenmessung erforderlich ist, kann die intelligente Kupplung demnächst alternativ mit einer induktiven Stromversorgung eingebaut werden. Diese stationäre Variante verwendet eine kleine, an das Stromnetz angeschlossene Box, welche berührungslos mehrere Millimeter fest unter die Kupplung montiert wird. Die erforderliche Energie wird über integrierte Spulen nach dem Prinzip der Nahfeld-Telemetrie übertragen. Dabei ermöglicht die Sensorik Datenmessungen, ohne dass ein externer Messverstärker installiert werden muss. Die Sensoren messen Drehmoment, Drehzahl, Vibration sowie Zug- und Druckkräfte mit einer Abtastrate von 500 Hertz. Diese Daten werden direkt in der internen Elektronik verarbeitet und zeitgleich auf ein drahtlos verbundenes System übertragen.

Ergänzendes zum Thema
Sensoren der intelligenten Kupplung

Für die Aufnahme von Drehmoment, Drehzahl, Vibrationen, Zug- sowie Druckkräften werden unterschiedliche Sensoren benötigt. Mit Dehnungsmesstreifen, die in einer speziellen Brückenschaltung angeordnet sind, wird das Drehmoment ermittelt. Mit einer weiteren, optionalen Brückenschaltung können zusätzlich auch die Kräfte in axialer Richtung gemessen werden.

Anhand eines Beschleunigungssensors kann die Beschleunigung in drei Achsen aufgenommen werden. Daraus leitet der verbaute Mikrocontroller die Vibrationen ab. Für Drehzahlen kommt ein Drehratensensor zum Einsatz, der die Rotation in drei Achsen misst. Ein zusätzlicher Temperatursensor auf der Elektronikbaugruppe wird für eine Bauteilüberwachung und temperaturabhängige Berechnungen verwendet.

Messdaten nahezu in Echtzeit übertragen

Die Messdaten können nahezu in Echtzeit über eine Bluetooth-Low-Energy-Verbindung an ein verbundenes Gerät gesendet werden. Dabei kann der Bediener zwischen einer hohen Übertragungsrate oder einer Übertragung mit besonders geringem Stromverbrauch wählen. Die intelligente Kupplung führt viele Rechen­operationen bereits auf der internen Messelektronik durch. Selbst bei einer geringen Übertragungsrate wird so eine hohe Abtastfrequenz gewährleistet. Indem nur die errechneten Mittelwerte sowie Min- und Max-Werte gesendet werden, lässt sich Energie und Bandbreite einsparen, ohne dass die Messgenauigkeit reduziert wird. Bei der Streaming-Variante beträgt die Übertragungsrate 500 Hertz mit einer Akkulaufzeit von zwei bis drei Tagen. Im Broadcasting-Modus werden die Daten mit 20 Hertz übertragen, dafür hält der Akku bei konstanter Nutzung bis zu sieben Tage.

Die unterschiedlichen Verbindungstypen bieten so für jeden Anwendungsfall die optimale Darstellung der Sensordaten. Zusätzlich ist es möglich, sogenannte Events festzulegen: Hierbei vermerkt die Kupplung beim Erreichen eines Schwellenwertes den Event im Speicher. Das kann zum Beispiel der eingetragene Drehmomentwert sein. Wird anschließend einer dieser Events ausgewählt, werden die Drehmomente vor und nach dem Event ebenfalls aufgeführt. Möglich ist dies, da die Werte kontinuierlich in einen Speicher geschrieben werden. So werden auch die Werte vor dem eigentlichen Event festgehalten.

Messgrößen der Kupplung in App darstellen

Alle Messgrößen werden auf dem Mobilgerät über die R+W-eigene App übersichtlich aufbereitet und in unterschiedlichen Ansichten dargestellt. Sascha Markert erläutert: „Die komplexe Messtechnik und deren Algorithmen hinter der Oberfläche sind für den Benutzer nicht sichtbar. Die intuitive Gestensteuerung macht die Bedienung sehr einfach.“ In der App zeigt die Dashboard-Ansicht die Daten tabellarisch mit Mittel-, Minimal- und Maximalwert an. Verschiedene skalierbare Diagrammtypen verfolgen den Verlauf der Messgrößen. Im Multi-Graph lassen sich zum Beispiel zwei Messgrößen einer Kupplung übereinander in einem Diagramm darstellen, um mögliche Korrelationen einfach zu erkennen.

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Ebenso wurde zur Frequenzanalyse ein FFT-Algorithmus implementiert, der es möglich macht, die von der Kupplung gemessenen Drehmomente, Kräfte und Schwingungen von einem zeitdiskreten Signal in seine Frequenzanteile zu zerlegen. Auf diese Weise lassen sich Amplituden und Frequenzen in einer übersichtlichen Form aufführen und analysieren. Das Darstellen von Lastkollektiven aus dem Bereich der Betriebsfestigkeit ist bereits in Planung. Hierbei wird in der App ein Zeitraum von Messdaten ausgewählt und die Häufigkeit von applikationsschädigenden Drehmomentamplituden ausgewertet und gezeigt.

Das Ziel von R+W ist es, dem Kunden in der App schon historisch bewährte Auswertetools an die Hand zu geben, damit er so seine Applikationen gezielt optimieren kann. Die App visualisiert zudem Messdaten von mehreren intelligenten Kupplungen gleichzeitig und stellt sie übersichtlich in einem Diagramm dar. Für weitere Analysezwecke lassen sich die Messdaten als CSV-Datei speichern und auf einem Computer in Excel importieren.

Intelligente Kupplung für bestehende Systeme geeignet

Nachrüstbarkeit und Abwärtskompatibilität mit bestehenden Systemen waren für R+W bei der Entwicklung der intelligenten Kupplung zentrale Kriterien. Neben der App kann die Kupplung auch mit dem R+W-Gateway verbunden werden. Das Gateway hat eine USB-UART-Schnittstelle, vier digitale und acht analoge Ausgänge. Per USB-Kabel lässt sich eine direkte Computerverbindung herstellen. Mit Softwareprogrammen von Drittanbietern, zum Beispiel mit Serial Port Plotter, Matlab oder Labview, lassen sich die Messwerte auf dem PC darstellen. Eine SPS-Anbindung lässt sich über die analogen und digitalen Schnittstellen realisieren, wobei letztere als Ausgang für Events wie Überlastdetektion dienen.

Mit der R+W-App sowie dem R+W-Gateway in Verbindung mit einem externen Rechner oder anderen Cloudlösungen können die Daten auch außerhalb des Firmennetzwerks abgeglichen werden.
Mit der R+W-App sowie dem R+W-Gateway in Verbindung mit einem externen Rechner oder anderen Cloudlösungen können die Daten auch außerhalb des Firmennetzwerks abgeglichen werden.
(Bild: R+W)

Durch die universelle Anbindung sind alle gängigen Industriestandards im Bereich der Speicherprogrammierbaren Steuerungen kompatibel. Neben etablierten Systemen sind auch neue Lösungen wie IO-Link, Umati oder Cloudlösungen umsetzbar. Auch die Datensicherheit spielte bei der Software-Entwicklung eine wichtige Rolle. „Manche Kunden möchten keine externen Bausteine in ihrem Unternehmensnetzwerk“, erklärt Sascha Markert. „Mit der R+W-App, sowie dem R+W-Gateway in Verbindung mit einem externen Rechner oder einer Cloudlösung kann der Abgleich mit vorhandenen Daten auch außerhalb des Firmennetzwerks stattfinden.“

Datenanalyse sinnvoll nutzen

Die Analyse der kombinierbaren, zeitabhängigen Messgrößen kann dazu verwendet werden, das dynamische Verhalten im rotierenden Antriebsstrang transparenter und somit besser beurteilen zu können. Dadurch lassen sich Ausfall- und Stillstandzeiten reduzieren oder verhindern.

R+W plant nun schon den nächsten Schritt: die intelligente Kupplung mit miniaturisierten Energiewandlern ausz­urüsten. Das so genannte „Energy Harvesting“ sorgt für eine auto­nome Energieversorgung der Kupplung durch Umwandlung vorhandener und ungenutzter mechanischen Energie in elektrische Energie.

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