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Messtechnik

Wie sich Kontaktkräfte einfach prüfen lassen

| Autor: Ute Drescher

Kistler hat einen Prüfstand entwickelt, mit dem sich die Normalkraft von Steckverbinderkontakten standardisiert messen lässt. Das war bisher so nicht möglich.

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Typische Steckkontakte, wie sie bei verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden.
Typische Steckkontakte, wie sie bei verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden.
(Bild: Lear Corporation GmbH)

Industrielle Steckverbinder sind Massenware, sie werden jährlich in Milliarden-Stückzahl gefertigt. Dennoch sind die Ansprüche an ihre Qualität hoch. So werden am Ende Hunderttausende dieser Komponenten als Ausschuss entsorgt, weil Fehler in der Produktion – wie z.B. geometrisch falsch ausgeprägte Lamellen, der sogenannten Stanzbiegekontakte – bisher nicht rechtzeitig entdeckt wurden. Entscheidende qualitative Merkmale für Steckverbinder sind der Kontaktwiderstand sowie die Kontaktkraft der Stanzbiegekontakte. In der Regel werden die mechanischen Dimensionen und Oberflächen mit optischen Systemen geprüft, nicht aber die Kontaktkräfte selbst.

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Was fehlt, sind Messmittel, die das Prüfen der Kontakt-Normalkraft dieser Stanzbiegekontakte ermöglichen. „Idealerweise benötigt man dazu eine Prüfanlage, die diese Kräfte direkt im Prozess oder im Labor ermittelt“, beschreibt Andri Lehmann, F&E-Leiter piezoelektrische Sensorentwicklung, die Anforderungen der Steckverbinder-Hersteller. Abzudecken gilt es dabei heute Kontaktgrößen, die von 2,8 mm × 0,8 mm bis 12 mm × 0,8 mm reichen oder größer.

Die Entwickler bei Kistler in Winterthur waren sich schnell einig, dass ihre Sensoren, die auf dem piezoelektrischen Effekt basieren, für die Messung dieser Kräfte prädestiniert sind. „Allerdings fehlte uns bisher die Kompetenz für das System-Know-how“, erinnert sich Lehmann. Weit suchen mussten Projektleiter Patrick Dudler, Business-Driver bei Kistler, und sein Team nicht, denn der ideale Partner fand sich im eigenen Haus.

Schon vor zwei Jahren hatte die Kistler-Gruppe die Vester Elektronik GmbH in Straubenhardt übernommen, ein Familienunternehmen, das über Jahrzehnte Know-how in der Prüfautomation und Sensorik aufgebaut hat. Innerhalb des Projektes wurden diese Kompetenzen mit denen der piezoelektrischen Messtechnik verheiratet.

Robuste Sensoren mit Feingefühl

Das Prinzip des piezoelektrischen Effekts ist bekannt: piezoelektrische Kristalle geben bei mechanischer Belastung eine Ladung ab, die proportional zur beaufschlagten Kraft ist; ein Signalwandler transferiert die Ladung in eine Spannung oder einen digitalen Wert. Sensoren, die auf diesem Prinzip basieren, sind robust und langzeitstabil, aber dennoch hochsensibel. Um die Anforderungen an Auflösung, Genauigkeit, mechanische Festigkeit und die Anzahl zu erreichender Steckzyklen zu erfüllen, haben die Kistler-Entwickler einen hochempfindlichen und anwendungsspezifischen Kristall gezüchtet und das Sensorelement neu aufgebaut.

In der Prüfanlagen wird nun der Signal-Sprung im Sensorelement gemessen, der beim Abziehen des Steckerkontakts entsteht. Das Messverfahren wurde von Kistler zum Patent angemeldet. Der Prüfer legt den Steckerkontakt von Hand ein, das Bestücken der Prüflinge mit Hilfe unterschiedlicher mechanischer Aufnahmen ist einfach. Das Abziehen des Steckerkontaktes erfolgt automatisch mit Hilfe eines Servomotors. Das führt zu einem einheitlichen und vor allem reproduzierbarem Prüfprozess.

Die Stand-alone-Prüfanlage ist mit Abmessungen von 560 mm x 630 mm x 410 mm (BxHxT) kompakt und robust aufgebaut und lässt sich schnell auf unterschiedliche Steckertypen umrüsten, indem die Aufnahmen für die jeweiligen Steckverbinder sowie die dazugehörigen Sensoren einfach ausgetauscht werden. Schnittstellen ermöglichen Auswertung und Speicherung der Messsignale sowie die Auswahl des entsprechenden Sensors im Prüfprogramm.

BUCHTIPPDas „Praxishandbuch Steckverbinder“ ist ein Nachschlagewerk für die Geräteentwicklung und für den Einsatz von Steckverbindern. Entwickler und Anwender erhalten Antworten auf Fragen zur Ausführung, Materialien, physikalische Grundlagen, Kontaktoberflächen, Abschirmmaßnahmen, Gehäusemechanik und Verriegelungssysteme.

Projekt in Rekordzeit abgeschlossen

Insgesamt konnten die Beteiligten bei Kistler das Projekt innerhalb kürzester Zeit abschließen: Nach dem Start im Januar präsentierte Patrick Dudler den Prüfstand schon im Juli auf dem Steckerverbinderkongress in Würzburg. Und das, obwohl es intern einige Hürden zu überwinden galt. „Ohne das Engagement der Kollegen in Straubenhardt hätte das nie funktioniert“, betont Lehmann.

Für Kistler ist Konstruktion und Entwicklung des Prüfstands ein großer Erfolg, der im Unternehmen Schule machen soll. Und auch die positive Resonanz auf dem Anwenderkongress Steckverbinder, der vom 1. bis 3. Juli 2019 in Würzburg stattfand, stimmt zuversichtlich.

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Über den Autor

Ute Drescher

Ute Drescher

Chefredakteurin, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht