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Reduzierung der Messunsicherheit bei der Mehrkomponentenkalibrierung von Kräften und Momenten

07.03.2017

Gegenüber klassischen Kraft- und Drehmomentsensoren, welche nur Kräfte und Momente in einer fest vorgegebenen Richtung messen, sind Mehrkomponentensensoren deutlich flexibler einsetzbar. Dies führt jedoch zu erheblichem Aufwand bei der Kalibrierung solcher Sensoren, welcher sich in der erreichbaren Messunsicherheit widerspiegelt. Im Vergleich zur uniaxialen Kalibrierung liegt diese Unsicherheit bisher um ein bis zwei Größenordnungen höher. Diese Lücke konnte mit der Analyse einer an der PTB vorhandenen Mehrkomponenten-Kalibriereinrichtung nun deutlich reduziert werden.

Die in der PTB vorhandene Kalibriereinrichtung (Bild 1) besteht aus zwei Einheiten in Hexapod-Form, einer Antriebseinheit zur Erzeugung eines beliebigen Kraft-Moment-Vektorpaars (1.a) und einer Messeinheit (1.b) zur präzisen Bestimmung der anliegenden Vektoren. Die Anlage kann Kräfte bis zu 10 kN und Momente bis zu 1 kN∙m erzeugen. Um die Messunsicherheit, welche bei der Kalibrierung erforderlich ist, zu bestimmen, wurde die Messeinheit bezüglich der die Unsicherheit beeinflussenden Faktoren untersucht. Speziell die Geometrie der Anlage spielt hierbei eine wichtige Rolle. Auf Grund der Größe der Anlage kann sie nicht in eine spezielle Messeinrichtung für die Koordinatenmessung transportiert werden. Somit muss die Geometrie vor Ort und mit entsprechender Präzision und hohem Aufwand bestimmt werden.

Bild 1: Mehrkomponenten-Kalibriereinrichtung. 1.a - Antriebseinheit, 1.b – Messeinheit [1].

Hierzu kamen verschiedene Verfahren aus der optischen geometrischen Messtechnik zum Einsatz. Wichtige Komponenten der Anlage wurden mit Streifenprojektionssystemen, eine Art 3D-Scanner, digitalisiert (Bild 2) und die notwendigen Geometriemerkmale bestimmt. Durch eine Reihe von Wiederholungen konnte die Unsicherheit der Geometriemessung ermittelt werden, welche später in die Berechnung der Referenzwerte eingeht.

Bild 2: Digitalisierte Geometrieelemente der Messeinheit.

Ein weiterer Schritt zur Bestimmung der Messunsicherheit ist die Erstellung eines physikalischen Modells, welches alle bekannten Einflusskomponenten abbildet. Dieses Modell bildet die Grundlage für die nachfolgende Bestimmung der Messunsicherheit der Kraft- und Momentvektoren.
Basierend auf der Geometriemessung und dem physikalischen Modell wurde ein Messunsicherheitsbudget der Anlage erstellt und veröffentlicht [1]. Durch die Analyse konnte die Messunsicherheit der Anlage in weiten Teilen um den Faktor 5 von 1∙10-3 auf
< 2∙10-4 reduziert werden. Die Untersuchungen erfolgten im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsprojektes „Rückführbare statische und dynamische Kalibrierung von Mehrkomponentenaufnehmern für die Kraft- und Drehmomentmessung“.

Literatur:

[1] Nitsche, S. Baumgarten, M. Petz, D. Röske, R. Kumme, R. Tutsch: Measurement uncertainty evaluation of a hexapod-structured calibration device for multi-component force and moment sensors, Metrologia, Volume 54, April 2017, 171–183 , Opens external link in new windowDOI: 10.1088/1681-7575/aa5b66

 

Ansprechpartner:

Jan Nitsche, FB 1. 2, AG 1. 21, E-Mail:Opens window for sending emailjan.nitsche@ptb.de