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Kalibrierung von Kraftvektor-Aufnehmern mit geringsten Unsicherheiten

10.10.2006

Präzisionskraftaufnehmer messen die Kraft als skalare Größe auf einer durch die Aufnehmerbauform vorgegebenen Achse. In einem Forschungsvorhaben sollen nun Aufnehmer entwickelt werden, die eine Messung des räumlichen Kraftvektors zulassen. Die PTB entwickelt dabei Kalibrierverfahren für die neuartige Messtechnik.

Stand der Technik sind uniaxiale Kraft- bzw. Drehmomentaufnehmer mit besten relativen Messunsicherheiten von 10-4, unter Berücksichtigung hochpräziser Messverfahren können auch bis zu 2·10-5 erreicht werden. In vielen Anwendungsfällen wird jedoch eine präzise Aussage über mehrere Kraftkomponenten benötigt. Deshalb wurden von einem Hersteller neuartige Aufnehmer entwickelt, die alle Kraft- und auch Momentkomponenten mit sehr geringer Messunsicherheit erfassen können (Kraftvektor-Sensor) und an die nationalen Normale der PTB angeschlossen werden können. Im Rahmen eines Projektes mit dem Hersteller werden verschiedene Kalibrierverfahren sowie Kalibrierhilfskörper mit dem Ziel der Optimierung der neuen Aufnehmer untersucht.

Zunächst wurde der Aufnehmer mittels spezieller Einbauvorrichtungen in einer Belastungseinrichtung montiert und mit einer Kraft oder einem Moment beaufschlagt. So kann jedoch immer nur eine Lastkomponente erzeugt werden. Zur Darstellung von um zwei Drehachsen veränderlichen Kraftrichtungen wurde ein spezieller Kalibrierkörper entwickelt, in dem der Aufnehmer mittig eingebaut wird. Bei diesem Kalibrierkörper sind keine unterschiedlichen mechanischen Adaptionen erforderlich und daher müssen auch keine entsprechenden Unsicherheitsanteile berücksichtigt werden (Bild 1). Dieser Körper wurde in zwei Ausführungsformen konstruiert, die sich in dem Grad der möglichen Verdrehung unterscheiden. So können verschiedene Aufnehmergeometrien und -messbereiche untersucht und kalibriert werden.

Zusätzlich soll der Aufnehmer in der 100-kN-Kraft-Normalmesseinrichtung durch präzises Einleiten von Querkräften und Biegemomenten untersucht werden. Dazu wurde für diese Maschine ein entsprechender Lastrahmen gefertigt. Außerdem wird der Kraftvektor-Sensor in der Mehrkomponenten-Referenzmesseinrichtung untersucht werden. Ziel ist, anhand der vergleichenden Messungen einzelne Beiträge zum Messunsicherheitsbudget zu quantifizieren. Die Erforschung der Kalibrierverfahren und die mathematische Beschreibung des Unsicherheitsmodells geschieht in Interaktion mit der Entwicklung des eigentlichen Sensors durch den Hersteller. Die Ergebnisse gehen fortlaufend in die Entwicklung neuer Prototypen ein. Die Zielstellung ist dabei, bis zum Ende des Jahres 2008 dem Anwender einen leistungsfähigen Sensor zur Verfügung zu stellen, der als Transfernormal an der PTB kalibriert werden kann.

Computergraphik des Kugelkalibrierkörpers mit dem Kraft-Vektorsensor zur Darstellung unterschiedlicher Kraftrichtungen in einer uniaxialen Belastungseinrichtung

Bild 1: Computergraphik des Kugelkalibrierkörpers mit dem Kraft-Vektorsensor zur Darstellung unterschiedlicher Kraftrichtungen in einer uniaxialen Belastungseinrichtung

Ansprechpartner:

Falk Tegtmeier, FB 1.2, AG 1.21, e-mail: Falk.Tegtmeier@ptb.de