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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kalibrieren und Prüfen eines Drehmomentaufnehmers sowie ein Verfahren zum Kalibrieren und Prüfen eines solchen Drehmomentaufnehmers.
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Drehmomentaufnehmer erfassen Drehmomente bspw. über eine elastische Formänderung eines verformbaren Körpers dieses Aufnehmers und/oder Messen ein Drehmoment mittels einer diesem Drehmoment proportionalen Messgröße.
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Als Sensoren müssen diese vor deren Einsatz in entsprechender Weise kalibriert werden, was statisch oder quasistatisch erfolgen kann. Die Kalibrierung erfolgt im Allgemeinen durch Einleitung bekannter Drehmomente in die Drehmomentmesskette, und zwar in der Regel getrennt für Rechts- und Linksdrehmomente. Bei Vergleichsverfahren mit Referenzdrehmomentaufnehmern wird die Kalibrierung üblicherweise kontinuierlich, d.h. quasistatisch, im Durchlauf bei diskreten Drehmomentwerten durchgeführt. Derartige Kalibrierungsverfahren sind hinlänglich bekannt.
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Bisher findet die Kalibrierung von Drehmomentaufnehmern, die bspw. in Antriebseinheiten von Gelenkarmrobotern zum Einsatz kommen, wie diese z.B. in der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2016 004 787 A1 der Anmelderin beschrieben sind, immer im zusammengebauten Zustand der Antriebseinheit statt, was unhandlich ist und einer Automatisierung im Wege steht. Darüber hinaus erstreckt sich die Drehmomentmesskette in der Antriebseinheit über sehr viele Komponenten.
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Die Erfindung richtet sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, an Drehmomentaufnehmer, die in Antriebseinheiten von Gelenkarmrobotern, vorzugsweise nachgiebigkeitsgeregelten Robotern der Leichtbauweise, zum Einsatz kommen. Ein solcher Drehmomentaufnehmer ist beispielsweise aus der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2016 012 324 A1 der Anmelderin bekannt. Dieser besteht aus einem Messflansch mit einem Flanschaußenring und einem Flanschinnenring, wobei der Flanschaußenring und der Flanschinnenring durch äquidistant angeordnete Messspeichen verbunden sind, die ausgestaltet sind, sich unter Einwirkung eines Drehmoments elastisch zu verformen und Sensorelemente in Form von Dehnmessstreifen aufweisen, wobei die Dehnmesselemente der Messspeichen über entsprechende Brückenschaltungen verknüpft sind. Auf einer Stirnseite des Messflansches ist eine Leiterplatte angeordnet, die eine entsprechend ausgestaltete Sensorelektronik aufweist. Die Anschlüsse der Dehnmessstreifen, die in der Regel auf den Messspeichen aufgeklebt sind, können dabei mit der Sensorelektronik verlötet sein.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, effizientere Möglichkeiten zu schaffen, um Drehmomentaufnehmer zu kalibrieren und zu prüfen, insbesondere Drehmomentaufnehmer der eingangs genannten Art.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
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In einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Kalibrieren und Prüfen eines Drehmomentaufnehmers vorgeschlagen, der einen Messflansch mit Sensorelementen und eine mit dem Messflansch verbundene Leiterplatte mit einer Sensorelektronik aufweist, wobei die Vorrichtung aufweist:
- - eine Einheit zur Erzeugung von definierten Drehmomenten;
- - einen Referenzsensor;
- - eine Messeinrichtung, die ausgebildet ist, mit der Sensorelektronik zusammenzuwirken;
- - ein Mitnehmerelement, das ausgebildet ist, den Referenzsensor mit dem Drehmomentaufnehmer rotatorisch über einen Formschluss zu verbinden; und
- - ein Druckelement, das ausgebildet ist, den Drehmomentaufnehmer in Axialrichtung mit einer definierten Druckkraft zu beaufschlagen.
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Der Drehmomentaufnehmer wird folglich mit dem Körper des Referenzsensors drehmomentübertragend gekoppelt und danach mit einem definierten Druck beaufschlagt. Die Einheit zur Erzeugung von definierten Drehmomenten, die beliebig ausgestaltet sein kann, leitet definierte Drehmomente in diese Verbindung ein, so dass am Drehmomentaufnehmer elastische Verformungen resultieren.
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Der Vorteil gemäß der Erfindung liegt darin, dass die Kombination aus Formschluss zwischen Drehmomentaufnehmer und Mitnehmerelement auf der einen Seite und Kraftschluss zwischen Drehmomentaufnehmer und Druckelement bzw. einem Widerlager, wie einer Auflageplatte, auf der anderen Seite einem ungleichmäßigen Verspannen des Drehmomentaufnehmers vorbeugt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Mitnehmerelement, das beliebig ausgestaltet sein kann, jedoch zumindest eine solche Steifigkeit aufweist, dass eine fehlerfreie Drehmomentübertragung ermöglicht wird, die Messeinrichtung auf.
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Diese Messeinrichtung ist vorzugsweise als eine Art Platte ausgestaltet, die mit einem Flanschring des Mitnehmerelements verschraubbar ist. Sie weist Kontaktnadeln auf, die relativ zu dem Drehmomentaufnehmer so angeordnet sind, dass diese Messstellen der Sensorelektronik unter Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung gegenüberliegen. Diese Kontaktnadeln stehen auf einfache Weise mit den Messstellen in Kontakt. Beim Einsetzen des Drehmomentaufnehmers in die Vorrichtung berühren sich die Spitzen der Kontaktnadeln mit den Messstellen. Dies erweist sich als äußerst verschleißarm und erlaubt darüber hinaus eine Automatisierung bei der Kalibrierung von mehreren Drehmomentaufnehmern, da nicht jedes Mal eine Steckerverbindung zu der externen Kalibrier- bzw. Auswertesteuerung hergestellt werden muss, wodurch sich eine erhebliche Zeitersparnis einstellt.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Messeinrichtung austauschbar ist. So lassen sich in der Vorrichtung Drehmomentaufnehmer testen, deren Leiterplatte unterschiedlich konfiguriert sein kann und sich die Messstellen daher an unterschiedlichen Positionen befinden können. In Abstimmung damit können dann Messeinrichtungen zum Einsatz kommen und mit dem Mitnehmerelement verbunden werden, bei denen die Kontaktnadeln dann an korrespondierenden Stellen vorgesehen sind.
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In einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist die Einheit zur Erzeugung von definierten Drehmomenten unmittelbar mit dem Referenzsensor verbunden, vorzugsweise mittels einander angrenzenden Flanschringen verschraubt, um eine durchgehende Drehmomentmesskette auszubilden.
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Wie bereits erwähnt, richtet sich die Erfindung vorzugsweise an Drehmomentaufnehmer, wie diese beispielhaft in der
DE 10 2016 012 324 A1 beschrieben sind, die einen Messflansch mit einem Flanschaußenring und einem Flanschinnenring und mit zwischen diesen verlaufenden Messspeichen aufweisen, auf denen die mit der Sensorelektronik verbundenen Sensorelemente angeordnet sind. Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass das Druckelement einen Niederhalter aufweist, der ausgebildet ist, nur mit dem Flanschaußenring so zusammenzuwirken, dass umlaufend gleiche Druckkräfte auf diesen ausgeübt werden. Hierzu ist der Niederhalter vorzugsweise mittig über ein Kugelkopfgelenk gelagert. Dadurch wird gewährleistet, dass die gewünschte elastische Verformung möglichst gleichmäßig in den Drehmomentaufnehmer eingeleitet wird.
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Des Weiteren weist der Flanschinnenring eines solchen Drehmomentaufnehmers eine Nabe und das Mitnehmerelement einen entsprechend gestalteten Adapter zur Aufnahme der Nabe auf, wobei die Nabe und der Adapter so ausgebildet sind, dass zwischen diesen eine drehmomentübertragende Verbindung ausschließlich über einen Formschluss ausgebildet wird. Denkbar wäre hierfür bspw. eine Rastverbindung.
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Dies realisiert, wie bereits erwähnt, einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wonach die Kombination aus Formschluss und Kraftschluss zwischen den zwei zueinander beweglichen Bauteilen, dem Drehmomentaufnehmer und einer nachfolgend noch zu erläuternden Auflageplatte, ein ungleichmäßiges Verspannen des Drehmomentaufnehmers verhindert.
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Die Vorrichtung kann des Weiteren ein Gehäuse aufweisen, das ausgebildet ist, den Referenzsensor und das Mitnehmerelement in Axialrichtung aufzunehmen, wobei das Gehäuse der Einheit zur Erzeugung von definierten Drehmomenten gegenüberliegend eine Aufnahmeeinrichtung für den Drehmomentaufnehmer aufweist. In die Aufnahmereinrichtung ragen das obere Ende bzw. der Adapter des Mitnehmerelements sowie die Kontaktnadeln der Messeinrichtung.
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Gemäß der Erfindung ist das Druckelement gegenüber der Aufnahmeeinrichtung dann schwenkbar gelagert derart, dass eine automatische Bestückung der Aufnahmeeinrichtung mit Drehmomentaufnehmern ermöglicht wird, bspw. eine Bestückung mittels entsprechender Roboter. Diese sind so programmiert, dass sie die Drehmomentaufnehmer mit ihrer Nabe auf den Adapter des Mitnehmerelements in einer solchen rotatorischen Ausrichtung aufsetzen, dass die Kontaktnadeln den entsprechenden Messstellen der Leiterplatte des Drehmomentaufnehmers gegenüberliegen. Die Abmessungen der Aufnahmeeinrichtung und des Mitnehmerelements mit dem Adapter sind in Abstimmung mit dem Drehmomentaufnehmer so bestimmt, dass bei vollständiger Ausbildung des Formschlusses die Kontaktnadeln gleichzeitig einen verschleißarmen, über eine einfache Berührung zu bewerkstelligenden elektrischen Kontakt mit den Messstellen ausbilden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist die Aufnahmeeinrichtung ausgebildet, eine Auflageplatte aufzunehmen, gegenüber der der Drehmomentaufnehmer durch das Druckelement letztendlich verspannt werden kann.
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Vorzugsweise ist diese Auflageplatte, die die Auflagefläche für den Flanschaußenring bildet, austauschbar, wodurch es möglich wird, unterschiedliche Reibverhältnisse zu realisieren. Verschiedene Auflageplatten ermöglichen das einfache Abbilden von unterschiedlichen Reibkoeffizienten, welche durch unterschiedliche Materialien und/oder Beschichtungen des Drehmomentaufnehmers vorkommen können.
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Zur Befestigung der Auflageplatte ist in der Vorrichtung eine Montageplatte vorgesehen, mithilfe von der die Auflageplatte mit dem Gehäuse befestigt, vorzugsweise verschraubt werden kann. Bei Verschleiß kann diese Auflageplatte somit auf einfache und kostengünstige Weise ausgetauscht werden.
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Das Druckelement bzw. der hierzu notwendige Antrieb, der bspw. hydraulisch oder pneumatisch realisiert sein kann, ist mit dem Gehäuse verbindbar. Dabei ist die Montageplatte, die die Auflageplatte mit dem Gehäuse verschraubt, des Weiteren so ausgebildet, dass die gesamte Vorrichtung bestehend aus Druckelement und Gehäuse als eine Einheit mittels der Montageplatte an einer externen Halterung, wie einer Montageplattform, befestigt bzw. verschraubt werden kann. Dies erleichtert vorab den Zusammenbau der Vorrichtung bzw. deren Wartung.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren und Prüfen eines Drehmomentaufnehmers, der einen Messflansch mit einem Flanschaußenring und einem Flanschinnenring und mit zwischen diesen verlaufenden Messspeichen aufweist, auf denen mit einer Sensorelektronik verbundene Sensorelemente angeordnet sind, die Schritte aufweisend:
- - Ausbilden einer rotatorischen Verbindung zwischen dem Flanschinnenring des Drehmomentaufnehmers und einem Referenzsensor;
- - Aufbringen einer definierten Druckkraft auf den Flanschaußenring des Drehmomentsensors gegenüber einem Widerlager;
- - schrittweise oder kontinuierliches Ausüben von Nenndrehmomenten auf den Drehmomentsensor über den Referenzsensor;
- - Messen der Drehmomentwerte des Referenzsensors;
- - Messen der Drehmomentwerte der Sensorelemente des Drehmomentaufnehmers, die sich proportional aus der elastischen Formänderung der Messspeichen ergeben;
- - Vergleichen der gemessen Drehmomentwerte mit vordefinierten Grenzwerten;
- - Ermitteln von Kalibrierungsparameter nach einem vorgegebenen Algorithmus;
- - Speichern der daraus ermittelten Kalibrierungsparameter in die Sensorelektronik;
aufweisend die weiteren Schritte: - - Ausüben von Prüfdrehmomenten auf den Drehmomentaufnehmer über den Referenzsensor;
- - Messen der Drehmomentwerte der Sensorelemente des Drehmomentaufnehmers, die sich proportional aus der elastischen Formänderung der Messspeichen ergeben; und
- - Vergleichen der gemessenen Drehmomentwerte mit durch die vorher ermittelten Kalibrierungsparameter modifizierten Grenzwerten.
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Statische und quasistatische Kalibrierverfahren für Drehmomentaufnehmer im Verhältnis zu einem Referenzsensor sind hinlänglich bekannt. Dabei werden die Eingangsgröße (Referenzdrehmoment(e)) und die Ausgangsgröße (gemessene(s) Drehmoment(e) in Abhängigkeit der elastischen Verformung) hinsichtlich der signalbezogenen Steigungen („slope“) und Achsenabschnitte („offset“) durch Messreihen bestimmt und einander ins Verhältnis gesetzt, z.B. standardmäßig mittels der Methode der kleinsten Quadrate („Least-Square“), bevor die Werte in das Mess- bzw. Auswertesystem (d.h. der Sensorauswerteelektronik) des Drehmomentaufnehmers eingegeben werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet nun den Vorteil, dass ein einmal in dieser Vorrichtung kalibrierter Drehmomentaufnehmer unmittelbar im Anschluss an die Kalibrierungsschritte dahingehend überprüft werden kann, ob die in der Sensorelektronik hinterlegten Kalibrierungsparameter eine einwandfreie Funktion des Drehmomentaufnehmers gewährleisten. D.h. es wird verifiziert, während der Drehmomentaufnehmer noch in der Vorrichtung verbleibt, ob die unter Berücksichtigung der Kalibrierungsparameter dann gemessenen Drehmomente als Reaktion der ausgeübten Prüfdrehmomente mit den Referenzdrehmomenten des Referenzsensor übereinstimmen.
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Hierzu schlägt die Erfindung vor, nach erfolgter Kalibrierung entsprechende Prüfdrehmomente bzw. eine Folge von Prüfdrehmomenten wieder über den Referenzsensor und das Mitnehmerelement auf den Drehmomentsensor auszuüben und dann die Drehmomentwerte der Sensorelemente des Drehmomentaufnehmers, die sich proportional aus der elastischen Formänderung der Messspeichen ergeben, über die Messeinrichtung zu messen, sowie anschließend dann die gemessenen Drehmomentwerte mit den durch die vorher ermittelten Kalibrierungsparameter modifizierten Grenzwerte der Sensorelektronik zu vergleichen.
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Eine erfolgreiche Kalibrierung würde sich idealerweise dadurch auszeichnen, dass zu jedem Messzeitpunkt die Drehmomentwerte des Drehmomentaufnehmers und des Referenzsensors identisch wären, d.h. der Wert der Steigung wäre 1 und der Wert des Achsabstands wäre gleich 0.
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Eine Verifikation der Funktionsfähigkeit und damit einer vorher erfolgreichen Kalibrierung wäre dann dadurch gekennzeichnet, dass nach Vollendung der Messreihen mit den Prüfdrehmomenten die Steigung nahezu bei einem Wert 1 und der Achsabstand nahezu bei einem Wert 0 liegen würde.
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Die Messreihen können gemäß der Erfindung, analog zu den Kalibriermessreihen, durchgeführt werden, indem die definierten Prüfdrehmomente schrittweise auf einen Maximalwert gesteigert werden und währenddessen mehrere Messungen jeweils während eines Ruhezustands durchgeführt werden. Dies kann entsprechend in beiden Drehrichtungen erfolgen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann darüber hinaus abschließend noch den weiteren Schritt aufweisen, das Hystereseverhalten des Drehmomentaufnehmers zu überprüfen, indem das Verhalten des Drehmomentaufnehmers zu jeweils identischen Messzeitpunkten bei ansteigenden Prüfdrehmomenten ins Verhältnis zu dem Verhalten bei absteigenden Prüfdrehmomenten gesetzt wird.
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Durch das nachgeschaltete Prüfverfahren in der Vorrichtung, was im Zuge der automatisierten Kalibrierung nur in Bezug auf den Drehmomentaufnehmer erfolgt, kann gleichzeitig festgestellt werden, ob irgendwelche Defekte in den Komponenten des Drehmomentaufnehmers, bspw. in den Kontakten, den Lötverbindungen oder den elektronischen Bauteilen selbst vorliegen. Im Vergleich zum Stand der Technik findet die Kalibrierung und nachfolgende Prüfphase auf der Ebene des Drehmomentaufnehmers statt, bevor dieser in die Antriebseinheit für ein Gelenk eines Gelenkarmroboters eingebaut wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des anhand der beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
- 1 schematisch eine Explosionsdarstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
- 2a eine Querschnittsansicht durch die Vorrichtung im geschlossenen Zustand;
- 2b eine Querschnittsansicht durch die Vorrichtung im geöffneten Zustand;
- 3a schematisch eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung im geschlossenen Zustand;
- 3b schematisch eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung im geöffneten Zustand;
- 4a einen ersten Teil eines Ablaufdiagramms des Verfahrens gemäß der Erfindung, die eine Vorlastphase wiedergibt;
- 4b einen zweiten Teil eines Ablaufdiagramms des Verfahrens gemäß der Erfindung, die eine Kalibrierungsphase wiedergibt; und
- 4c einen dritten Teil eines Ablaufdiagramms des Verfahrens gemäß der Erfindung, die eine Prüfphase wiedergibt.
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In den 1 bis 3b ist die Vorrichtung zum Prüfen und Kalibrieren eines Drehmomentaufnehmers mit allen ihren Komponenten und in den beiden Betriebszuständen gezeigt.
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Am gezeigten Ausführungsbeispiel dient die Vorrichtung der Kalibrierung und Prüfung eines Drehmomentaufnehmers 1, wie dieser bspw. aus der
DE 10 2016 012 324 A1 der Anmelderin bekannt ist.
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Dieser Drehmomentaufnehmer 1 besteht aus einem Messflansch mit einem Flanschaußenring 2 und einem Flanschinnenring bzw. einer Nabe 3, zwischen denen Messpeichen 4 verlaufen, auf denen Dehnmessstreifen (nicht gezeigt) angeordnet sind. Unterhalb des Messflansches ist eine Leiterpatte 5 mit einer entsprechenden Sensorauswerteelektronik vorgesehen.
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Die Vorrichtung weist ein Gehäuse 6 auf, an dessen Unterseite eine Antriebseinheit 7 befestigt ist, die der Erzeugung von definierten Drehmomenten dient und beliebig ausgestaltet sein kann.
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Das Gehäuse 6 dient der Aufnahme eines Körpers eines Referenzsensors 8, der mit der Einheit 7 zur Erzeugung von definierten Drehmomenten rotatorisch fest verbunden ist, bspw. über einen Flanschring 9 und mehrere Schrauben 10.
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Über einen oberen Flanschring 11 ist der Körper des Referenzsensors 8 mittels Schrauben 12 mit einem Mitnehmerelement 13 rotatorisch fest verbunden, das ebenfalls im Gehäuse 6 aufgenommen ist.
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Der Antriebseinheit 7 gegenüberliegend weist das Gehäuse 6 eine Aufnahmeeinrichtung 14 für den Drehmomentaufnehmer 1 auf.
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Die Aufnahmeeinrichtung 14 ist in der gezeigten Ausführungsform in der einfachsten Form als eine umlaufende stirnseitige Teilringfläche 15 ausgebildet, auf der eine Auflageplatte 16 angeordnet wird, die wiederum mit dem Gehäuse 6 und einer auf die Auflageplatte 16 aufgesetzten Montageplatte 17 fest verschraubt wird.
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Das Mitnehmerelement 13 erstreckt sich nach oben in die Aufnahmeeinrichtung 14 so weit, dass ein zapfenartiger Adapter 18 über mehrere axiale Führungs- bzw. Rastelemente 19 der ausschließlich formschlüssigen Aufnahme der Nabe 3 des Drehmomentaufnehmers 1 dienen kann, während gleichzeitig der Flanschaußenring 2 auf der Auflageplatte 16 zur Auflage kommt.
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Des Weiteren weist das Mitnehmerelement 13 einen umlaufenden Absatz 20 auf, auf den eine plattenartige Messeinrichtung 21 aufgeschraubt werden kann.
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Die Messeinrichtung 21 weist mehrere Kontaktnadeln 22 an solchen Stellen auf, dass diese bei in der Aufnahmeeinrichtung 14 aufgenommenen Drehmomentaufnehmer 1 mit den entsprechenden Messstellen der Elektronik der Leiterplatte 5 in einen elektrisch leitenden Kontakt gelangen, der rein auf Berührung beruht, wie insbesondere in der 2a zu erkennen ist.
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In dem Gehäuse 6 bilden der Referenzsensor 8, das Mitnehmerelement 13 und der Drehmomentaufnehmer 1 in Axialrichtung eine Drehmomentmesskette aus.
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An dem Gehäuse 6 ist ein Druckelement 23 befestigbar, das einen schwenkbar gelagerten Niederhalter 24 aufweist, der vorzugsweise pneumatisch aktiviert zwischen einer geöffneten Stellung (2b, 3b) und einer geschlossenen Stellung ( 2a, 3a) bewegbar ist.
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In der geöffneten Stellung kann die Aufnahmeeinrichtung 14 mit dem Drehmomentaufnehmer 1 per Hand oder vorzugsweise automatisiert mittels eines Roboters bestückt werden bzw. der Drehmomentaufnehmer 1 kann nach vollendeter Prüfung und Kalibrierung aus dieser wieder entnommen werden.
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Der schwenkbare Niederhalter 24 ist so ausgebildet, dass er in der geschlossenen Stellung nur mit dem Flanschaußenring 2 des Drehmomentaufnehmers 1 in Kontakt kommt. Der Niederhalter 24 ist über ein Kugelgelenk 25 gelagert, so dass sichergestellt wird, dass die aufgebrachte Druckkraft gleichmäßig über den Umfang des Flanschaußenrings 2 verteilt und über diesen in die Auflageplatte 16 eingeleitet wird, um bei Aufbringung der für die Kalibrierung vorgesehenen Drehmomente durch die Einheit 7 und über den Referenzsensor 8 und das Mitnehmerelement 13 in die Nabe 3 des Drehmomentaufnehmers 1 die gewünschte elastische Verformung in den Messspeichen 4 hervorzurufen, die von den Dehnmessstreifen erfasst und dann über die Kontaktnadeln 22 der Messeinrichtung 21 abgegriffen werden kann.
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Wie in den perspektivischen Darstellungen der 3a und 3b zu erkennen ist, ist die Vorrichtung als gesamte Einheit handhabbar und kann mittels der Montageplatte 17 an einer externen Halterung befestigt werden.
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In den 4a bis 4c ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, wobei 4a eine Vorlastphase, 4b eine Kalibrierungsphase und 4c eine Verifizierungsphase darstellt.
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Der Drehmomentaufnehmer 1 wird per Hand oder mittels einer Automatisierungseinheit, wie bspw. einem nachgiebigkeitsgeregelten Roboter in die Aufnahmeeinrichtung 14 der Vorrichtung gemäß der Erfindung eingelegt, so dass die Nabe 3 mit dem Adapter 18 des Mitnehmerelements 13 eine drehmomentübertagende Verbindung unter Ausbildung eines Formschlusses eingeht. Danach wird das Druckelement 23 pneumatisch aktiviert und der Niederhalter 24 schließt sich und spannt den Drehmomentaufnehmer 1 gegenüber der Auflageplatte 16, indem dieser nur an dem Flanschaußenring 2 angreift (Schritt S1).
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In dieser Position kann ein Nullsignal des unbelasteten Drehmomentaufnehmers gemessen werden, um Rückschlüsse auf die zeitliche Stabilität des Drehmomentaufnehmers zu erhalten.
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Danach wird der Drehmomentaufnehmer 1 relativ schnell in beiden Drehrichtungen mit einem definierten Maximalwert eines Drehmoments, in der Regel dem Endwert des zu kalibrierenden Drehmoments, beaufschlagt, ggfs. unter einer mittels des Niederhalters 14 ausgeübten Druckkraft (Schritt S2). Dies dient u.a. dazu, ggfs. vorhandene Kleberückstände zwischen den Dehnmessstreifen und den Messspeichen 4 zu entfernen, ein Kriechen des Materials des Drehmomentaufnehmers 1 zu reduzieren und auch eine einwandfrei elektrisch leitende und mechanische Verbindung zwischen den Kontaktnadeln 22 und den Messstellen bzw. -kontakten der Sensorelektronik auf der Leiterplatte 5 herzustellen. Zu diesem Zeitpunkt ist lediglich. der Referenzsensor 8 mit der Auswerteschaltung der Vorrichtung verbunden, während von der Messeinrichtung 21 noch keine Signale abgegriffen werden.
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In Schritt S3 wird überprüft, ob die Vorbelastungsphase einwandfrei und vollständig durchgeführt wurde, d.h. ob alle Kontakte zwischen Messeinrichtung 21 und Leiterplatte 5 ausgebildet wurden, das Nullsignal ermittelt wurde und ggfs. alle Dehnmessstreifen ansprechen, was dafür spricht, dass ggfs. vorhandene Kleberückstände keinen Einfluss nehmen, usw.. Ansonsten wird der Schritt S2 so oft wie nötig wiederholt.
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Anschließend wird versucht, eine Verbindung der Auswerteschaltung der Vorrichtung zu der Sensorelektronik herzustellen (Schritt S4). Ist dies nicht möglich, wird ein Fehlersignal (Schritt E1) ausgegeben und der Drehmomentaufnehmer 1 wird aus der Vorrichtung entfernt.
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Ist dies möglich, beginnt die in 4b dargestellte Kalibrierungsphase, mit der die Messreihen durchgeführt werden, um den Drehmomentaufnehmer 1 auf den Referenzsensor 8 abzustimmen.
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Der Drehmomentaufnehmer 1 wird mittels des Niederhalters 24 mit einer definierten Druckkraft beaufschlagt und der Drehmomentaufnehmer 1 wird gemeinsam mit dem Referenzsensor 8 aufgrund der rotatorischen Verbindung über das Mitnehmerelement 13 langsam ansteigenden, definierten Nenndrehmomenten ausgesetzt (Schritt S5), um die elastischen Verformungen in den Messspeichen 4 hervorzurufen.
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Danach werden die einzelnen Werte für die Drehmomente während eines stationären Zustands (aufgebrachtes Drehmoment bleibt im Messzeitpunkt gleich) sowohl des Drehmomentaufnehmers 1 als auch des Referenzsensors 8 gemessen (Schritt S6). Idealerweise werden sechs Messungen pro Drehrichtung durchgeführt.
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In einem anschließenden Schritt S7 wird überprüft, ob alle gewünschten Nenndrehmomente aufgebracht und alle Messungen erfolgreich durchgeführt wurden. Ist dies nicht der Fall, wird das Verfahren nochmals mit Schritt S5 so oft wie nötig wiederholt.
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Ist dies der Fall, werden aus den gemessenen Werten unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Algorithmus (bspw. einer Least-Square-Funktion) und von ggfs. sich aus den Brückenschaltungen zwischen den einzelnen Dehnmessstreifen ergebenden Kanälen die Steigung und der Achsabstand, mithin also die Kalibrierungsparameter, berechnet (Schritt S8).
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Danach wird in Schritt S9 überprüft, ob sich diese innerhalb der vorgegebenen Grenzwertbereiche befinden. Ist dies nicht der Fall, wird eine Fehlermeldung ausgegeben (Schritt E2).
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Befinden sich diese jedoch innerhalb der vorgegebenen Grenzwertbereiche, werden die Kalibrierungsparameter in die Sensorelektronik geschrieben (Schritt S10).
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Die Kalibrierung des Drehmomentaufnehmers 1 ist beendet und dieser könnte nun aus der Vorrichtung entnommen werden, um in der entsprechenden Antriebseinheit montiert zu werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist jedoch noch um eine Verifizierungsphase erweitert, die in der 4c dargestellt ist und mit der überprüft wird, ob unter Berücksichtigung der vorher errechneten Kalibrierungsparameter das Drehmomentverhalten des Drehmomentaufnehmers 1 mit demjenigen des Referenzsensors 8 zumindest in gewissen vordefinierten Grenzbereichen übereinstimmt. Der Drehmomentaufnehmer 1 verbleibt hierfür in der Vorrichtung.
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Hierzu werden der Drehmomentaufnehmer 1 und der Referenzsensor 8 über deren rotatorische Verbindung über das Mitnehmerelement 13 wieder gemeinsam mit langsam ansteigenden Prüfdrehmomenten beaufschlagt (Schritt S11) und die Drehmomentwerte in unterschiedlichen stationären Zuständen (Prüfdrehmoment ist zum Messzeitpunkt unverändert) gemessen (Schritt S12). In Schritt S13 wird überprüft, ob alle Messungen einwandfrei erfolgt sind, ansonsten wird nochmals mit Schritt S11 begonnen.
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Unter Verwendung vorgegebener Algorithmen (z.B. ebenfalls der Least-Square-Funktion) werden die entsprechende Steigung und der entsprechende Achsabstand berechnet und überprüft, ob für jeden Messzeitpunkt der kalibrierte Drehmomentaufnehmer 1 und der Referenzsensor 8 die gleichen Drehmomente ausgeben, d.h. für die ermittelten Messkurven muss der Wert der Steigung bei 1 und der Wert des Achsabstands bei 0 liegen (Schritt S14). Die tatsächliche Überprüfung erfolgt unter Berücksichtigung vorgegebener Grenzwerte, d.h. die Steigung sollte nahezu bei 1 und der Achsabstand nahezu bei 0 liegen. Ist dies nicht der Fall, wird eine Fehlermeldung ausgegeben (Schritt E3) und der kalibrierte Drehmomentaufnehmer 1 als fehlerhaft und damit Ausschuss eingestuft.
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Ist dies der Fall, wird im Anschluss daran noch das Hystereseverhalten des Drehmomentaufnehmers 1 überprüft, d.h. das Verhalten des Drehmomentaufnehmers 1 in den Messzeitpunkten bei ansteigenden Prüfdrehmomenten im Verhältnis zu absteigenden Prüfdrehmomenten (Schritt S15). Befinden sich diese im Verhältnis zu einem vorgegebenen Maximalwert nicht innerhalb entsprechender Grenzbereiche, wird eine Fehlermeldung (Schritt E4) ausgegeben und der Drehmomentaufnehmer 1 als Ausschuss eingestuft.
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Wird das Hystereseverhalten als akzeptabel eingestuft, wird der Niederhalter 24 geöffnet und der Drehmomentaufnehmer 1 kann für einen anschließenden Einbau in einer Antriebseinheit der Vorrichtung entnommen werden (Schritt S16).
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass es eine Automatisierung sowohl einer Kalibrierung als auch einer Funktionsprüfung auf Sensorebene zulässt. So kann ein fehlerhafter Drehmomentaufnehmer 1 aussortiert werden, bevor er in eine Antriebseinheit montiert werden würde, während bisher beim Stand der Technik die Kalibrierung und Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Drehmomentaufnehmers nur im eingebauten Zustand, also in Bezug auf die gesamte Drehmomentmesskette der Antriebseinheit, erfolgte. Ein in dieser bereits verbauter, fehlerhafter Drehmomentsensor hätte immer die Funktionsunfähigkeit der gesamten Antriebseinheit zur Folge oder diese müsste wieder demontiert werden, was in beiden Fällen erhebliche Kosten nach sich zog.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016004787 A1 [0004]
- DE 102016012324 A1 [0005, 0015, 0035]
