-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines zu kalibrierenden Messaufnehmers zur Kraft- und Momentenmessung, umfassend ein Basismodul und ein Kopfmodul, wobei das Kopfmodul unter Zwischenstellung des zu kalibrierenden Messaufnehmers mit dem Basismodul kraftschlüssig fixierbar ist, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Kalibrierung eines Messaufnehmers.
-
-
Ferner ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt, Messaufnehmer einer Kalibrierung zu unterziehen. Hierzu werden die Messaufnehmer in einer Kalibriervorrichtung mit einer Kraft beaufschlagt und dabei wird geprüft, ob die von dem Messaufnehmer gemessene Kraft der von der Kalibriervorrichtung angelegten Kraft entspricht. Falls nicht, erfolgt eine Korrektur der Messwerte des Messaufnehmers in einer Auswerteeinheit, so dass der zu erwartende Wert ausgegeben wird.
-
In analoger Weise wird neben einer angelegten Kraft auch ein angelegtes Dreh- oder Biegemoment erfasst, wobei zur Messung ebenfalls eine Kraft eingeleitet wird, welche aber nicht zentrisch auf den Messaufnehmer einwirkt, sondern vielmehr exzentrisch an diesem vorbeizielt. Hierdurch ergibt sich auf den Messaufnehmer eine Momenteinleitung.
-
Allerdings besteht bei einer solchen bekannten Lösung das Problem, dass sich im Laufe einer exzentrischen Krafteinleitung die Vorrichtung, in welche der Messaufnehmer zur Verbesserung der Hebelwirkung eingespannt wird, bewegt. Wird eine Kraft exzentrisch in eine Einspannvorrichtung eingeleitet, so wird sich diese in diejenige Richtung neigen, in der bezogen auf das Zentrum, also den Messaufnehmer die Kraft eingeleitet wird. Bei einer Belastung links des Zentrums wird sich die Einspannvorrichtung also nach links neigen.
-
Bereits bei einer geringen seitlichen Neigung verändert sich jedoch die Hebelrichtung an dem Messaufnehmer und die Messung wird ungenau, weil die Krafteinleitung nicht mehr genau ausgerichtet ist. Es folgt hieraus eine ungenaue Kalibrierung insbesondere im Hinblick auf die Momentenmessung an dem Messaufnehmer.
-
Für dieses Problem soll die vorliegende Erfindung eine Lösung bereitstellen, die eine exakte Kalibrierung des Messaufnehmers auch im Hinblick auf die Momentenmessung ermöglicht. Dies gelingt durch eine Vorrichtung zur Aufnahme eines zu kalibrierenden Messaufnehmers zur Kraft- und Momentenmessung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner gelingt dies durch ein Verfahren zur Kalibrierung eines Messaufnehmers zur Kraft- und Momentenmessung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9. Sinnvolle Ausgestaltungen sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens können den sich jeweils anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Messaufnehmer zur Kraft- und Momentenmessung zum Zwecke der Kalibrierung in eine Vorrichtung eingespannt wird, um eine definierte Hebelwirkung zu erreichen. Die Vorrichtung besteht hierbei aus einem Basismodul und einem Kopfmodul, wobei beide Teile jeweils eine Aufnahme aufweisen, in welche eine Seite des Messaufnehmers eingelegt und fixiert werden kann. Die Fixierung erfolgt beiderseits derart, dass der Messaufnehmer kraftschlüssig mit beiden Teilen verbunden ist, die beiden Teile sich aber gegenseitig nicht berühren, so dass das Kopfmodul gegenüber dem Basismodul beweglich bleibt. Dem Kopfmodul ist hierbei ein Neigungssensor zugeordnet, welcher die Neigungslage des Kopfmoduls erfasst und am Anfang einer Messung zurückgesetzt werden kann. Im Fall einer exzentrischen Krafteinleitung in das Kopfmodul wird der Messaufnehmer gebogen, was zu einer Neigung des Kopfmoduls gegenüber dem Basismodul führt. Diese Neigung erfasst und quantifiziert der Neigungssensor und liefert die entsprechenden Daten an eine Auswertungseinheit, welche auch die Messwerte des Messaufnehmers empfängt. Mit einigem Vorteil handelt es sich bei dem Neigungssensor um einen zweiachsigen Neigungssensor, so dass ein Azimutalwinkel und ein Elevationswinkel erfassbar ist und damit jede beliebige Neigung festgestellt werden kann.
-
Unter Verwendung der von dem Neigungssensor erfassten Neigungswinkel kann die Auswerteeinheit die Messwerte des Messaufnehmers korrigieren. Durch eine solche Berücksichtigung der Neigung des Kopfmoduls gegenüber dem Basismodul durch die Auswerteeinheit kann wesentlich genauer berechnet werden, welches Moment an dem Messaufnehmer tatsächlich angreift.
-
Im Falle einer zentrischen Krafteinleitung wird die vollständige in den Messaufnehmer eingeleitete Kraft durch diesen erfasst. Wird hingegen die Kraft exzentrisch eingeleitet, so soll ein Kraftanteil, der weiterhin zentrisch eingeleitet wird, abgezogen werden, um die reinen Querkräfte herauszurechnen. Da die Neigung bei größerer exzentrischer Krafteinleitung zunimmt, aber die Kraftrichtung seitens der Kalibrierungsvorrichtung sich nicht ändert, nimmt das in den Messaufnehmer eingeleitete Moment zu, da sich durch die Neigung des Kopfteils die tatsächliche Hebelarmlänge vergrößert, so dass die Messwerte verfälscht werden. Durch eine Kompensation dieses Effekts und eine entsprechende Korrektur der Messwerte bei zunehmender Neigung kann eine exaktere Kalibrierung geleistet werden.
-
Es hat sich als sinnvoll erwiesen, die Krafteinleitung im Wechsel zwischen zentrischer und exzentrischer Krafteinleitung zu betreiben. Bevorzugtermaßen erfolgt eine Krafteinleitung während einer vollständigen Kalibrierung zunächst zentrisch in z-Richtung, dann exzentrisch in x-Richtung, dann exzentrisch in y-Richtung, dann zentrisch in x-Richtung, dann zentrisch in y-Richtung, dann exzentrisch in y-Richtung. Die in x-Richtung, in y-Richtung und in z-Richtung weisenden Seiten sind hierbei jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet. Bei jedem Übergang von einer zu einer nächsten Messung, bei der ein Richtungswechsel erfolgt, wird die Einheit aus Basismodul, Kopfmodul und Messaufnehmer zwischendurch jeweils so gedreht, dass die Krafteinleitung über das Kopfmodul und den Messaufnehmer in das Basismodul erfolgt.
-
Hierfür weist mit einigem Vorteil das Basismodul drei Flanken auf, wobei diese ebenfalls alle jeweils senkrecht zueinander angeordnet sind, so dass die Einheit in alle drei Richtungen so aufgestellt werden kann, dass eine der Flanken dem Kopfmodul unterlegt ist.
-
Der Reihe nach wird für eine Kalibrierung zunächst der zu kalibrierende Messaufnehmer mit dem Kopfmodul verbunden. Das Kopfmodul kann hierfür mit einigem Vorteil eine Aufnahmemulde aufweisen, in welcher der Messaufnehmer formschlüssig eingelegt werden kann. Sobald der Messaufnehmer eingelegt ist, kann er mit Fixierschrauben gegenüber dem Kopfmodul fixiert werden.
-
Es sollte darauf geachtet werden, dass die Schrauben höchstens zweimal, vorzugsweise aber nur einmal eingesetzt werden, um zu vermeiden, dass die gebrauchten Schrauben einen Einfluss auf die Genauigkeit der Kalibrierung haben.
-
Anschließend wird ein aus dem Kopfmodul herausragendes Ende des Messaufnehmers in eine Aufnahme des Basismoduls eingelegt und kann auch dort über Fixierschrauben befestigt werden. Hierdurch verbindet der Messaufnehmer das Basismodul mit dem Kopfmodul kraftschlüssig so, dass Basismodul und Kopfmodul einander nicht berühren. Um mehrere unterschiedliche Messaufnehmer kalibrieren zu können, kann dem Basismodul eine Adapterplatte zugeordnet sein, welche an die Form eines spezifischen Messaufnehmers angepasst ist und die mit dem Basismodul verschraubt werden kann. Das Kopfmodul würde in einem solchen Fall ganz ausgetauscht.
-
Damit die Krafteinleitung in das Kopfmodul stets an der richtigen Position erfolgt, können den Seitenflächen des Kopfmoduls, welche den Flanken des Basismoduls abgewandt gegenüberliegen, Solldruckstellen zugeordnet sein, an welchen die Kalibriervorrichtung die Krafteinleitung vornehmen soll. Neben einer rein optischen Markierung kann an diesen Solldruckstellen auch eine haptische Markierung vorgesehen sein, mithin eine kreisrunde, konkave Ausnehmung, in welche eine Stahlkugel eingelegt werden kann. Weist die Kalibriervorrichtung ein Druckstück mit ebenfalls kreisrunder, konkaver Ausnehmung auf, so kann unter Zwischenlage der Stahlkugel eine in der Richtung klar definierte Krafteinleitung punktgenau zentriert an der vorgegebenen Solldruckstelle erfolgen.
-
Hierbei wird an den Seitenflächen des Kopfmoduls zwischen zentrischen Solldruckstellen unterschieden, an denen die Kalibriervorrichtung Kraft einleitet um eine Kalibrierung der Kraftmessfunktion des Messaufnehmers vorzunehmen, und exzentrischen Solldruckstellen, an denen die Kalibriervorrichtung Kraft einleitet, um eine Kalibrierung der Momentenmessfunktion des Messaufnehmers vorzunehmen.
-
Mit einigem Vorteil kann das Basismodul für die Kalibrierung auf eine Kugelplatte gestellt werden, um sicherzustellen, dass von der Kalibriervorrichtung keine seitlichen Querkräfte eingeleitet werden.
-
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
Es zeigen
- 1 ein Basismodul mit einer Adapterplatte in einer perspektivischen Darstellung von schräg oben,
- 2 ein Kopfmodul mit einer Aufnahmemulde in einer perspektivischen Darstellung von schräg oben,
- 3 das Kopfmodul gemäß 2 mit einem eingesetzten Messaufnehmer in einer perspektivischen Darstellung von schräg oben, sowie
- 4 das Kopfmodul gemäß 3, welches umgedreht und auf das Basismodul gemäß 1 aufgesetzt ist und auf welches eine Kalibriervorrichtung einwirkt, in einer perspektivischen Darstellung von schräg oben.
-
1 zeigt ein Basismodul 3 als Teil einer Haltevorrichtung für einen zu kalibrierenden Messaufnehmer 1. Das Basismodul 3 ist im Wesentlichen aus einer ersten Flanke 4, einer zweiten Flanke 5 und einer dritten Flanke 6 aufgebaut, welche jeweils zueinander senkrecht stehen. Zwischen der ersten Flanke 4 und der zweiten Flanke 5 ist ein Ausrichtungsbogen 7 vorgesehen, welche eine Ausrichtung eines später hinzukommenden Kopfmoduls 10 vorgibt. Zur späteren Aufnahme eines Endes des Messaufnehmers 1 ist dem Basismodul 3 an der dritten Flanke 6 eine Adapterplatte 8 zugeordnet. Darin kann der Messaufnehmer 1 eingesteckt und über Fixierbohrungen mit Fixierschrauben kraftschlüssig befestigt werden.
-
2 hingegen zeigt das Kopfmodul 10, welches unter Zwischenstellung des Messaufnehmers 1 an dem Basismodul 3 angebracht werden kann. Das Kopfmodul 10 ist weitgehend würfelförmig, weist aber eine Ausrichtungsfase 18 auf, welche gegenüber dem Ausrichtungsbogen 7 des Basismoduls 3 ausgerichtet werden soll. Hierdurch wird ein fehlerhafter Zusammenbau von Basismodul 3 und Kopfmodul 10 vermieden. Das Kopfmodul 10 weist eine Aufnahmemulde 11 auf, in welcher der Messaufnehmer 1 formschlüssig eingesetzt werden kann. Dies ist in 3 gezeigt.
-
Der Messaufnehmer 1 ist in der 3 in dem Kopfmodul 10 so platziert, dass ein Anschlussteil aus der Aufnahmemulde herausragt. Mit diesem Anschlussteil des Messaufnehmers 1 kann diese Einheit in die entsprechender Ausnehmung der Adapterplatte 8 des Basismoduls 3 eingesetzt werden, nachdem der Messaufnehmer 1 mithilfe von Fixierschrauben in der Aufnahmemulde fixiert wurde. Ein Verbindungskabel 2 des Messaufnehmers 1 wird mit der Kalibriervorrichtung verbunden.
-
In 4 ist nach dem Verdrehen und anschließenden Aufsetzen des Kopfmoduls 10 auf das Basismodul 3 die Einheit bereit zur Kalibrierung. Der Messaufnehmer 1 ist mit seinem zuvor freien Ende in der Aufnahme der Adapterplatte 8 des Basismoduls 3 eingesteckt und fixiert. Das Verbindungskabel 2 des Messaufnehmers 1 ist seitlich herausgeführt. Die Ausrichtung des Kopfmoduls 10 gegenüber dem Basismodul 3 ist derart, dass die Ausrichtungsfase 18 direkt gegenüber dem Ausrichtungsbogen 7 des Basismoduls ausgerichtet ist. Auf einer dritten Seitenfläche 16 ist ein Neigungssensor 12 angeordnet, welcher eine Neigung des Kopfmoduls 10 während des Kalibriervorgangs erfasst und welcher über ein Verbindungskabel 13 mit der Auswerteeinheit verbunden ist, welche mit dem Messaufnehmer 1 und der Kalibriervorrichtung 19 kommuniziert.
-
Für einen Kalibriervorgang wird die Einheit nacheinander so platziert, dass ein Druckstück 20 der Kalibriervorrichtung 19 die verschiedenen Solldruckstellen Fx , Fy , Fz , Mx , My und Mz betätigt und so verschiedene Belastungen des Messaufnehmers 1 nacheinander durchspielt. Hierbei ist die bevorzugte Reihenfolge zunächst die dritte zentrische Solldruckstelle Fz zu betätigen und damit eine reine Krafteinleitung in den Messaufnehmer in z-Richtung zu bewirken. Hierbei liegt das Basismodul 3 auf der dritten Flanke 6 und die dritte Seitenfläche 16 des Kopfmoduls 10 weist nach oben. Durch eine Verschiebung zur Seite hin wird dann die Stahlkugel 17 in die benachbarte konkav geformte erste exzentrische Solldruckstelle Mx verschoben, wo die Kalibriervorrichtung 19 erneut Kraft einleitet, was dann aber zu einer Neigung des Kopfmoduls 10 in Richtung der zweiten Flanke 5 des Basismoduls 3 führt. Diese Neigung wird von dem Neigungssensor 12 erfasst und an die hier nicht gezeigte Auswerteeinheit weitergeleitet. Bei der Kalibrierung wird der senkrechte Kraftanteil herausgerechnet um eine reine Momentenerfassung zu erhalten. Die Verfälschung des Messergebnisses durch die Neigung des Kopfteils und die daraus resultierende Veränderung des Hebelarms wird mittels des Signals des Neigungssensors entsprechend korrigiert.
-
Dies wiederholt sich nochmals bei der zweiten exzentrischen Solldruckstelle My bevor dann die Einheit gedreht wird, bis sie auf der ersten Flanke 4 des Basismoduls 3 liegt und die erste Seitenfläche 14 des Kopfmoduls 10 nach oben weist. In dieser Lage wird die erste zentrische Solldruckstelle Fx betätigt, nochmals auf die zweite Flanke 5 des Basismoduls gedreht und dort die zweite zentrische Solldruckstelle Fy auf der zweiten Seitenfläche 15 des Kopfmoduls 10 und nach einem finalen Zurückdrehen auf die erste Flanke 4 des Basismoduls 3 die dritte exzentrische Solldruckstelle Mz auf der ersten Seitenfläche des Kopfmoduls 10 betätigt bevor alle Kalibrierungsschritte durchlaufen sind. Eine Berücksichtigung des Neigungssensors 12 ist hierbei jeweils insbesondere bei einer Krafteinleitung in die exzentrischen Solldruckstellen Mx , My und Mz erforderlich, so dass eine sich einstellende Neigung des Kopfmoduls berücksichtigt werden kann.
-
Vorstehend beschrieben ist somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung von Messaufnehmern, die eine exakte Kalibrierung des Messaufnehmers auch im Hinblick auf die Momentenmessung ermöglichen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Messaufnehmer
- 2
- Verbindungskabel des Messaufnehmers
- 3
- Basismodul
- 4
- erste Flanke
- 5
- zweite Flanke
- 6
- dritte Flanke
- 7
- Ausrichtungsbogen
- 8
- Adapterplatte
- 9
- Fixierbohrung
- 10
- Kopfmodul
- 11
- Aufnahmemulde
- 12
- Neigungssensor
- 13
- Verbindungskabel des Neigungssensors
- 14
- erste Seitenfläche
- 15
- zweite Seitenfläche
- 16
- dritte Seitenfläche
- 17
- Stahlkugel
- 18
- Ausrichtungsfase
- 19
- Kalibriervorrichtung
- 20
- Druckstück
- Fx
- erste zentrische Solldruckstelle
- Fy
- zweite zentrische Solldruckstelle
- Fz
- dritte zentrische Solldruckstelle
- Mx
- erste exzentrische Solldruckstelle
- My
- zweite exzentrische Solldruckstelle
- Mz
- dritte exzentrische Solldruckstelle