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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung eines Drehmoment-Verlaufs eines zu prüfenden Objekts.
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Bedienelemente für Kraftfahrzeuge stellen in der Automobilindustrie typische zu prüfende Objekte dar. Bedienelemente, wie beispielsweise Drehknöpfe für Klimaanlagen, weisen ein Rastwerk auf, das aus Qualitätsgründen einen definierten Soll-Drehmoment-Verlauf als Widerstandsmoment haben muss.
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Aus der
DE 37 15 935 A1 ist eine Aufschraubvorrichtung zum Aufschrauben von Schraubkappen auf Behältnisse bekannt. Die Aufschraubvorrichtung umfasst ein Grundgestell mit einem Transportstern. Der Transportstern bringt ein zu verschließendes Behältnis zu einer Aufschraubstation, in der eine Zentrier- und Einspanneinrichtung angeordnet ist. Die Zentrierend Einspanneinrichtung spannt das Behältnis vorübergehend ein und zentriert dieses auf die Fluchtlinie der Aufschraubvorrichtung. Ferner umfasst die Aufschraubvorrichtung ein verstellbares Gestell, an dem ein Aufschraubkopf mit drei Spannbacken vorgesehen ist. Die Spannbacken stehen unter der Wirkung einer Schließ- oder Spannfeder und können eine Schraubkappe aufnehmen. Am Gestell ist ferner ein Drehstrommotor mit einer Hohlwelle angeordnet, in der eine Betätigungsstange längsverschiebbar geführt ist. An dem Gestell befindet sich außerdem ein Maßstab, der Teil einer Messvorrichtung ist. Eine Steuerschaltung misst den vom Drehstrommotor aufgenommenen Antriebsstrom beim Aufschrauben einer Schraubkappe. Ferner kann geprüft werden, ob bei Erreichen des Größtwertes des Drehmoments für das Aufschrauben auch eine tiefste Höhenstellung des Aufschraubkopfes erreicht worden ist.
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Aus der
JP 02219784 A ist eine Prüfvorrichtung zum Prüfen des Verschlusszustandes von auf Flaschen aufgesetzten Kappen bekannt. Die Prüfvorrichtung weist betätigbare Klemmmittel zum Greifen einer Flasche auf. Ferner umfasst die Prüfvorrichtung Spannelemente zum Greifen einer aufzusetzenden Kappe. Die Spannelemente sind durch einen Luftzylinder betätigbar. Durch einen Drehmomentsensor wird das Drehmoment der Kappe gemessen.
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Die
DE 24 36 993 A1 offenbart eine mehrere Verschließelemente aufweisende Vorrichtung zum Aufschrauben eines Verschlusses auf ein Gefäß. Jedes Verschließelement hat einen drehbaren Mitnahmezylinder. Zwischen dem Mitnahmezylinder und einem Verschließkopf ist ein Momentenbegrenzer angeordnet, der durch eine Scheibe und zwei Reibscheiben gebildet ist. Die Scheibe steht mit einer Buchse in formschlüssiger Verbindung und ist zwischen den Reibscheiben eingezwängt. In die Buchse ist ein zylindrisches Stück mit einem unteren gerippten Stück eingeschraubt. Der Mitnahmezylinder nimmt über das gerippte Stück den Verschließkopf mit, der einen Backenträger mit schwenkbaren Backen trägt. Die Backen sind von einer Schraubenfeder umgeben, die sie in ihre offene Stellung führt. Der obere Teil der Backen ist gegen einen Ring abgestützt, auf den Kolben wirken. Zwischen Rippen des gerippten Stücks und einer Bohrung, in der das gerippte Stück aufgenommen ist, existiert ein radiales Spiel, wodurch der Backenträger eine axiale und radiale Bewegung in Bezug auf das gerippte Stück ausführen kann und sogar eventuell eine Neigung in Bezug auf die Achse des gerippten Stücks und des Mitnahmezylinders einnehmen kann. Die Zentrierung des Backenträgers in Bezug auf das gerippte Stück kann mittels eines kegelstumpfförmigen Lagers erfolgen. Durch eine Beaufschlagung des Backenträgers wird der Ring nach unten gestoßen, wodurch die Backen gegen den Verschluss gedrückt werden. Der Verschließkopf wird dann gedreht, so daß sich der Verschluss auf das Gefäß aufschraubt bis die auftretende Spannkraft den Momentenbegrenzer Schlupf haben läßt.
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Aus der
DE 10 2005 006 575 A1 ist eine Messvorrichtung zur Messung des Drehmoment-Verlaufs eines Drehknopfes bekannt. Die Messvorrichtung ist als Roboter ausgebildet, der zur Drehmomentmessung einen entsprechenden Sensor aufweist. Nachteilig bei dieser Messvorrichtung ist, dass diese einerseits aufwändig ist und andererseits Positionierfehler des Roboters relativ zu dem zu prüfenden Objekt, also dem Drehknopf, die Genauigkeit der Drehmomentmessung beeinträchtigen. Zudem ist der Roboter bzw. sind die Roboterantriebe hinsichtlich ihrer Positioniergenauigkeit nicht für die Drehmomentmessung optimiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Messvorrichtung zu schaffen, die eine genaue Messung eines Drehmoment-Verlaufs eines zu prüfenden Objekts ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass der Objekthalter eine motorseitige Objekthalter-Drehachse und eine objektseitige Objekt-Drehachse ausbildet, die relativ zueinander verlagerbar sind, können Fluchtungsfehler zwischen dem Objekthalter und dem zu prüfenden Objekt einfach ausgeglichen werden. Hierdurch werden unerwünschte Kräfte, insbesondere Radialkräfte, auf das zu prüfende Objekt und den Drehmomentsensor vermieden. Es wurde erkannt, dass Kräfte aufgrund von Fluchtungsfehlern zwischen dem Objekthalter und dem Objekt einerseits die Drehmomentmessung selbst und andererseits auch das erforderliche Drehmoment zur Drehung des Objekts verfälschen, sodass insgesamt der gemessene Drehmoment-Verlauf nicht den gewünschten Genauigkeitsanforderungen entspricht. Dadurch, dass die Objekt-Drehachse relativ zu der Objekthalter-Drehachse selbsttätig immer so verlagert wird, dass das Halten und Drehen des zu prüfenden Objekts im Wesentlichen frei von unerwünschten Kräften ist, wird weder die Drehmomentmessung selbst noch das erforderliche Soll-Drehmoment verfälscht, sodass auf einfache Weise eine hohe Genauigkeit bei der Messung des Drehmoment-Verlaufs erzielbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung können bei einer dynamischen Drehmomentmessung Drehmoment-Verläufe mit einer Genauigkeit von mindestens 1,0 Nmm, insbesondere von mindestens 0,8 Nmm und insbesondere von mindestens 0,6 Nmm erreicht werden.
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Die Messvorrichtung ermöglicht auf einfache Weise das Verlagern der Objekt-Drehachse. Hierzu werden die Spannabschnitte relativ zu der Objekthalter-Drehachse unterschiedlich radial ausgelenkt, sodass die Halteabschnitte in entsprechend umgekehrter Richtung radial ausgelenkt werden. Hierdurch wird die Objekt-Drehachse radial verlagert, wobei das zu prüfende Objekt gleichzeitig zwischen den Halteabschnitten aufgenommen und gehalten wird.
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Die Messvorrichtung ermöglicht ferner auf einfache Weise ein selbsttätiges Verlagern der Objekt-Drehachse während des Haltens des Objekts. Die Spannabschnitte der mindestens drei Haltearme werden mit einem jeweiligen Federelement vorgespannt. Die Federelemente sind zwischen dem jeweiligen Spannabschnitt und einem gemeinsamen Lagerungsring angeordnet. Der Lagerungsring ist an dem Traggestell gelagert und radial zu der Objekthalter-Drehachse verlagerbar. Fluchtungsfehler zwischen dem Objekt und dem Objekthalter führen aufgrund der wirkenden Kräfte beim Halten des Objekts zu einer Verlagerung des Lagerungsrings, der wiederum die Spannabschnitte derart verlagert, dass die aufgrund der Federelemente wirkenden Kräfte in radialer Richtung für jeden Spannabschnitt im Wesentlichen gleich sind. Der Lagerungsring ist somit schwimmend gelagert und stellt seine Position in radialer Richtung in Abhängigkeit des Fluchtungsfehlers zwischen dem Objekthalter und dem Objekt ein.
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Eine Messvorrichtung nach Anspruch 2 gewährleistet einen einfachen Aufbau des Objekthalters. Die mindestens drei Haltearme sind vorzugsweise rotationssymmetrisch zu der Objekt-Drehachse angeordnet. Dadurch, dass die mindestens drei Haltearme verschwenkbar an dem Traggestell angeordnet sind, definieren sie gemeinsam in Abhängigkeit von ihrer Schwenkstellung die radial verlagerbare Objekt-Drehachse. Zur Verlagerung der Objekt-Drehachse werden die mindestens drei Haltearme mit unterschiedlichen Schwenkwinkeln relativ zu der Objekthalter-Drehachse verschwenkt.
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Eine Messvorrichtung nach Anspruch 3 vereinfacht das Verlagern der Objekt-Drehachse. Durch die Halterollen können die mindestens drei Haltearme bei einer Verlagerung der Objekt-Drehachse an dem Objekt abrollen, sodass zwischen dem Objekt und den mindestens drei Haltearmen nur eine geringe Reibkraft wirkt. Dementsprechend wird auch die Drehmomentmessung nicht beeinträchtigt.
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Eine Messvorrichtung nach Anspruch 4 ermöglicht auf einfache Weise ein automatisches Öffnen und Schließen der mindestens drei Haltearme, sodass zu prüfende Objekte automatisch greifbar sind.
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Eine Messvorrichtung nach Anspruch 5 gewährleistet eine einfache und genaue Drehmomentmessung. Dadurch, dass die Objekthalter-Drehachse und die Objekt-Drehachse relativ zueinander radial verlagerbar sind, werden in die Dremomentmesswelle im Wesentlichen keine die Drehmomentmessung beeinträchtigenden Biegekräfte eingeleitet.
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Eine Messvorrichtung nach Anspruch 6 erhöht auf einfache Weise die Genauigkeit der Drehmomentmessung. Durch die zwei in Reihe geschalteten Koppelelemente können Fluchtungsfehler zwischen dem Antriebsmotor und dem Objekthalter bzw. der Drehmomentmesswelle ausgeglichen werden, sodass auf den Drehmomentsensor im Wesentlichen keine die Drehmomentmessung beeinträchtigenden Kräfte wirken. Ist der Drehmomentsensor als Drehmomentmesswelle ausgebildet, so werden insbesondere keine Biegekräfte in die Drehmomentmesswelle eingeleitet, die aus einem Fluchtungsfehler zwischen der Antriebsmotor-Drehachse und der Objekthalter-Drehachse resultieren.
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Eine Messvorrichtung nach Anspruch 7 gewährleistet auf einfache und kostengünstige Weise das Ausgleichen von Fluchtungsfehlern zwischen dem Antriebsmotor und dem Objekthalter.
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Eine Messvorrichtung nach Anspruch 8 ermöglicht eine genaue Regelung des Antriebsmotors und die Messung von hochaufgelösten und genauen Drehmoment-Verläufen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfführungsbeispiels. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Messvorrichtung zur Messung eines Drehmoment-Verlaufs eines zu prüfenden Objekts,
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2 einen Axialschnitt durch die Messvorrichtung in 1, und
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3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2 im Bereich eines Objekthalters mit dem zu prüfenden Objekt.
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Eine Messvorrichtung 1 weist ein Grundgestell 2 auf, an dem ein elektrischer Antriebsmotor 3 mit einem üblicherweise als Encocder bezeichneten Drehwinkelsensor 4 angeordnet ist. Der Antriebsmotor 3 ist als Servomotor ausgebildet und weist eine Antriebswelle 5 auf, die um eine Antriebsmotor-Drehachse 6 drehantreibbar ist. Der Drehwinkelsensor 4 dient zur Messung eines Drehwinkels φ des Antriebsmotors 3 und zu dessen genauer Regelung. Der Drehwinkelsensor 4 weist mindestens 200000 Striche pro Umdrehung auf, sodass beispielsweise die Winkelgeschwindigkeit des Antriebsmotors 3 exakt regelbar ist.
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Der Antriebsmotor 3 ist zur Drehung eines Objekthalters 7 über zwei in Reihe geschaltete Koppelelemente 8, 9 und einen Drehmomentsensor 10 mit dem Objekthalter 7 gekoppelt. Der Drehmomentsensor 10 dient zur Messung eines von dem Antriebsmotor 3 aufzubringenden Drehmoments M, das bei der Drehung des Objekthalters 7 aufzubringen ist, wenn in diesem ein zu prüfendes Objekt 11 gehalten ist. Das zu prüfende Objekt 11 ist beispielsweise als Drehknopf ausgebildet und weist ein erstes Drehteil 12 sowie ein zugehöriges zweites Drehteil 13 auf, die über ein nicht dargestelltes Rastwerk drehbar miteinander verbunden sind. Zur Messung eines Drehmoment-Drehwinkel-Verlaufs M(φ) ist das zweite Drehteil 13 in einer festen Aufnahme 14 angeordnet, wohingegen das erste Drehteil 12 mittels der Messvorrichtung 1 um eine Objekt-Drehachse 15 drehbar ist.
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Der Drehmomentsensor 10 ist als Drehmomentmesswelle ausgebildet. Der Ausbau der Drehmomentmesswelle 10 ist bekannt und üblich. Die Drehmomentmesswelle 10 ist konzentrisch zu einer Objekthalter-Drehachse 16 angeordnet und mit einem Traggestell 17 des Objekthalters 7 verbunden. Zwischen dem Antriebsmotor 3 und der Drehmomentmesswelle 10 sind die in Reihe geschalteten Koppelemente 8, 9 angeordnet.
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Das erste Koppelelement 8 ist mit der Antriebswelle 5 und einer Zwischenwelle 18 verbunden, wohingegen das zweite Koppelelement 9 mit der Zwischenwelle 18 und der Drehmomentmesswelle 10 verbunden ist. Die in Reihe geschalteten Koppelelemente 8, 9 sind derart ausgebildet, dass Fluchtungsfehler zwischen dem Antriebsmotor 3 und dem Objekthalter 7 bzw. der Drehmomentmesswelle 10 ausgleichbar sind. Hierzu ist die Zwischenwelle 18 zwischen dem Antriebsmotor 3 und der Drehmomentmesswelle 10 frei und nicht geführt.
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Die Koppelelemente 8, 9 sind als Faltenbalgkupplungen ausgebildet. Die Faltenbalgkupplungen 8, 9 weisen jeweils endseitig angeordnete Anschlusselemente 19, 20 bzw. 21, 22 auf, die mit der Antriebswelle 5 und der Zwischenwelle 18 bzw. der Zwischenwelle 18 und der Drehmomentmesswelle 10 verbunden sind. Zwischen den Anschlusselementen 19, 20 bzw. 21, 22 ist jeweils ein flexibler Faltenbalgbereich 23, 24 angeordnet, der zur Übertragung des Drehmoments M torsionssteif ist, jedoch radial zu der Antriebsmotor-Drehachse 6 und der Objekthalter-Drehachse 16 ausreichend flexibel ist, um einen radialen Versatz dieser Drehachsen 6, 16 auszugleichen. Die Zwischenwelle 18 verlauft somit bei einem radialen Versatz der Antriebsmotor-Drehachse 6 und der Objekthalter-Drehachse 16 entsprechend schräg, um diesen Versatz auszugleichen. Auf die Antriebswelle 5 und die Drehmomentmesswelle 10 wirken somit im Wesentlichen keine radialen Kräfte. Das motorseitige erste Koppelelement 8 bzw. das Anschlusselement 19 ist somit im Wesentlichen um die Antriebsmotor-Drehachse 6 drehbar, wohingegen das objektseitige zweite Koppelelement 9 bzw. das Anschlusselement 22 im Wesentlichen um die Objekthalter-Drehachse 16 drehbar ist.
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Das Traggestell 17 des Objekthalters 7 umfasst eine Platte 25, an der mittig eine Welle 26 angeordnet ist. Die Mittellängsachse der Welle 26 bzw. des Traggestells 17 entspricht der Objekthalter-Drehachse 16. Die Platte 25 weist sechs sich im Wesentlichen radial erstreckende Lagerungszapfen 27 auf, wobei zwischen jeweils zwei Lagerungszapfen 27 ein Haltearm 28, 29, 30 um eine zugehörige Schwenkachse 31, 32, 33 schwenkbar gelagert ist. Die Haltearme 28, 29, 30 sind rotationssymmetrisch um die Objekt-Drehachse 15 bzw. die Objekthalter-Drehachse 16 angeordnet, weisen also einen Winkelabstand von 120° zueinander auf.
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Die Haltearme 28, 29, 30 weisen jeweils ausgehend von der zugehörigen Schwenkachse 31, 32, 33 einen objektseitigen Halteabschnitt 34 und einen motorseitigen Spannabschnitt 35 auf. Die Halteabschnitte 34 sind an ihren freien Enden gabelförmig ausgebildet und weisen um eine jeweilige Drehachse 36 drehbar gelagerte Halterollen 37 auf. Die Drehachsen 36 verlaufen im Wesentlichen parallel zu der jeweils zugehörigen Schwenkachse 31, 32, 33. Entsprechend weisen die Spannabschnitte 35 gabelförmige freie Enden auf, an denen um eine jeweilige Drehachse 38 Betätigungsrollen 39 drehbar gelagert sind. Die Drehachsen 38 verlaufen im Wesentlichen parallel zu der jeweils zugehörigen Schwenkachse 31, 32, 33.
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Die Spannabschnitte 35 weisen ungefähr mittig angeordnete und der Welle 26 zugewandte Ausnehmungen 40 auf, in denen jeweils ein Federelement 41 gelagert ist. Die Federelemente 41 sind als Spitalfedern ausgebildet. Die Federelemente 41 sind zwischen den Spannabschnitten 35 und einem gemeinsamen Lagerungsring 42 angeordnet und dienen zum Spannen der Haltearme 28, 29, 30. Der Lagerungsring 42 weist eine Bohrung 43 auf, durch die die Welle 26 geführt ist. Die Bohrung 43 weist einen Durchmesser auf, der wesentlich größer als der Durchmesser der Welle 26 ist, sodass der Lagerungsring 42 in radialer Richtung relativ zu der Welle 26 und der Objekthalter-Drehachse 16 verlagerbar ist. Der Lagerungsring 42 ist mittels eines Befestigungselements 44 in axialer Richtung auf der Welle 26 gesichert.
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Die Haltearme 28, 29, 30 definieren mit ihren Halteabschnitten 34 gemeinsam die Objekt-Drehachse 15, die in Abhängigkeit von der Schwenkstellung der Haltearme 28, 29, 30 radial zu der Objekthalter-Drehachse 16 verlagerbar ist. Dadurch, dass Objekt-Drehachse 15 und die Objekthalter-Drehachse 16 relativ zueinander radial verlagerbar sind, sind Fluchtungsfehler zwischen dem Objekthalter 7 und dem Objekt 11 ausgleichbar, indem die Objekt-Drehachse 15 und die Objekthalter-Drehachse 16 einen radialen Versatz VA aufweisen. Zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern ist der schwimmend gelagerte Lagerungsring 42 aufgrund der unterschiedlich zu der Objekthalter-Drehachse 16 radial ausgelenkten Spannabschnitte 35 entsprechend radial um einen Versatz VL verlagert.
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Zum Öffnen der Haltearme 28, 29, 30 weist der Objekthalter 7 ein Betätigungselement 45 auf. Das Betätigungselement 45 ist ringförmig ausgebildet und konzentrisch zu der Objekthalter-Drehachse 16 im Bereich der Betätigungsrollen 39 angeordnet. Das Betätigungselement 45 weist eine durch eine Bohrung 46 gebildete Innenwand 47 auf. Die Bohrung 46 erweitert sich in Richtung der Betätigungsrollen 39, sodass die ringförmige Innenwand 47 in Richtung der Betätigungsrollen 39 schräg nach außen verläuft. Das Betätigungselement 45 ist also im Wesentlichen glockenartig ausgebildet.
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Das Betätigungselement 45 ist mit einer pneumatischen Antriebseinheit 48 verbunden, die an dem Grundgestell 2 angeordnet ist. Mittels der pneumatischen Antriebseinheit 48 ist das Betätigungselement 45 derart axial verlagerbar, dass die Betätigungsrollen 39 an der Innenwand 47 abrollen und die Spannabschnitte 35 radial in Richtung der Objekthalter-Drehachse 16 verlagert werden.
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Zur Messung des Drehmoment-Drehwinkel-Verlaufs M(φ) wird das Objekt 11 zunächst mit dem zweiten Drehteil 13 in der Aufnahme 14 drehfest angeordnet. Anschließend werden durch lineare Verlagerung des Betätigungselements 45 die Haltearme 28, 29, 30 geöffnet und – beispielsweise nach einer linearen Verlagerung der Messvorrichtung 1 – das erste Drehteil 12 des Objektes 11 gegriffen, indem die Haltearme 28, 29, 30 durch lineares Verlagern des Betätigungselements 45 wieder geschlossen werden.
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Fluchtungsfehler zwischen dem Objekt 11 und dem Objekthalter 7 werden in der beschriebenen Weise durch Verlagern der Objekt-Drehachse 15 relativ zu der Objekthalter-Drehachse 16 ausgeglichen. Fluchtungsfehler zwischen dem Abtriebsmotor 3 und der Drehmomentmesswelle 10 werden durch die in Reihe geschalteten Faltenbalgkupplungen 8, 9 ausgeglichen. Die Drehmomentmesswelle 10 ist somit im Wesentlichen frei von radial wirkenden Kräften gelagert, sodass die üblicherweise darauf angeordneten Dehnmessstreifen im Ruhezustand der Messvorrichtung 1 im Wesentlichen kein Drehmoment M messen. Demgegenüber würden die Dehnmessstreifen ein von Null abweichendes Drehmoment M messen, wenn die Drehmomentmesswelle 10 aufgrund von radial wirkenden Kräften einer Biegung unterliegen würde und die Dehnmessstreifen gedehnt werden würden. Die Drehmomentmessung wird aufgrund des Objekthalters 7 und der Faltenbalgkupplungen 8, 9 somit im Wesentlichen nicht verfälscht. Darüber hinaus wirken auch auf das erste Drehteil 12 keine radialen Kräfte, sodass auch der Soll-Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf aufgrund von Verkantungen zwischen den Drehteilen 12, 13 nicht verfälscht wird.
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Der Drehmomement-Drehwinkel-Verlauf M(φ) wird in einfacher Weise durch Antreiben des Antriebsmotors 3 und Messen des Drehwinkels φ mittels des Drehwinkelsensors 4 und Messen des Drehmoments M mittels der Drehmomentmesswelle 10 gemessen. Aufgrund des als Servomotor ausgebildeten Antriebsmotors 3 erfolgt eine Messung in ca. 2 bis 3 s.
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Der Antriebsmotor 3, der Drehwinkelsensor 4, der Drehmomentsensor 10 und die pneumatische Antriebseinheit 48 sind an eine nicht näher dargestellte Steuereinheit angeschlossen, die aus dem gemessenen Drehwinkel φ und dem gemessenen Drehmoment M einen Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf M(φ) ermittelt. Der ermittelte Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf M(φ) ist mit einem gewünschten Soll-Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf vergleichbar. Mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 kann das Drehmoment M mit einer Genauigkeit von deutlich besser als 1 Nmm dynamisch gemessen werden.
