DE102020119723A1 - DEVICE AND METHOD FOR CALIBRATION OF A TRANSDUCER - Google Patents
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Abstract
Es ist bereits bekannt, einen Messaufnehmer mit einer Kalibriervorrichtung zu kalibrieren, indem der Messaufnehmer zwischen einem Basismodul und einem Kopfmodul aufgenommen wird und in das Kopfmodul nacheinander eine Kraft in verschiedene Solldruckstellen eingeleitet wird, um so eine Kalibrierung in Bezug auf verschiedene Kraftachsen und Momentachsen vorzunehmen. Dies erfordert jedoch sechs Messungen zur Kalibrierung eines Messaufnehmers. Vorteil dieser Anwendung ist jedoch, dass ein Übersprechen der Wirkung auf eine Wirkachse auf andere Wirkachsen herausgerechnet werden kann.Die vorliegende Erfindung soll diese Messungen beschleunigen. Soweit dabei auf eine Erfassung des Übersprechens verzichtet wird, kann durch eine definierte Kraftbeaufschlagung eine Kalibrierung aufgrund nur einer einzigen Krafteinleitung erfolgen, indem ein Basisadapter und ein Kopfadapter jeweils mit geometrisch vorgegebenen Aufnahmen vorgesehen werden, mit denen die eingeleitete Kraft Komponenten in jeder Wirkachse aufweist.It is already known to calibrate a measuring sensor with a calibration device by holding the measuring sensor between a base module and a head module and successively introducing a force into various target pressure points in the head module in order to carry out a calibration in relation to different force axes and torque axes. However, this requires six measurements to calibrate a sensor. However, the advantage of this application is that crosstalk of the effect on one effective axis can be calculated out on other effective axes. The present invention is intended to accelerate these measurements. If there is no detection of crosstalk, a defined application of force can be used to calibrate on the basis of just a single introduction of force, in that a base adapter and a head adapter are each provided with geometrically specified receptacles, with which the introduced force has components in each effective axis.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines zu kalibrierenden Messaufnehmers zur Kraft- und Momentenmessung mit mehreren Wirkachsen, umfassend ein Basismodul und ein Kopfmodul, welche den Messaufnehmer zwischen sich aufnehmen, wobei der Messaufnehmer sowie ein dem Kopfmodul zugeordneter Neigungssensor mit einer Auswerteeinheit datenverbunden sind, sowie ein Verfahren zur Kalibrierung eines Messaufnehmers.The present invention relates to a device for accommodating a sensor to be calibrated for force and moment measurement with multiple axes of action, comprising a base module and a head module, which hold the sensor between them, the sensor and an inclination sensor assigned to the head module being data-connected to an evaluation unit, and a method for calibrating a sensor.
Eine solche Vorrichtung und ein korrespondierendes Verfahren sind bereits aus der
Durch die Geometrie der Aufnahmevorrichtung und die definierten Krafteinleitungspunkte werden die Kräfte ausschließlich in der definierten Richtung durch den geometrischen Nullpunkt des Messaufnehmers eingeleitet ohne die jeweils anderen Achsen zu belasten. Dadurch können die Empfindlichkeiten des Signals des Messaufnehmers in der definierten Kraftachse ermittelt werden. Die gemessenen Signale in den nicht belasteten Kraftachsen ergeben direkt die Querempfindlichkeiten, also ein Übersprechen, des Messaufnehmers aufgrund von dessen Nichtidealitäten.Due to the geometry of the recording device and the defined force application points, the forces are only applied in the defined direction through the geometric zero point of the measuring sensor without loading the other axes. In this way, the sensitivities of the sensor signal can be determined in the defined force axis. The signals measured in the non-loaded force axes result directly in the cross-sensitivities, i.e. crosstalk, of the measuring sensor due to its non-idealities.
Bei der Einleitung von Momenten, also der exzentrischen Krafteinleitung, werden die Kräfte ebenfalls ausschließlich in Richtung des definierten Moments eingeleitet, ohne die übrigen Momentachsen zu belasten. Allerdings erfolgt die Momenteinleitung immer mit einer Kraft in einer definierten Richtung mit einem definierten Abstand lx, ly, lz auf einer Wirkachse zum geometrischen Nullpunkt des Messaufnehmers. Hierdurch können die Empfindlichkeiten des Messaufnehmers in der definierten Momentachse erhalten werden. Die gemessenen Signale in den nicht belasteten Achsen ergeben auch hier das Übersprechen des Messaufnehmers aufgrund von dessen Nichtidealitäten. Zur Bestimmung der Effekte des Übersprechens wird das Signal des belasteten Kraftachse entsprechend abgezogen.When moments are introduced, i.e. eccentric force introduction, the forces are also introduced exclusively in the direction of the defined moment, without loading the other moment axes. However, the torque is always introduced with a force in a defined direction at a defined distance l x , l y , l z on an effective axis from the geometric zero point of the measuring sensor. In this way, the sensitivities of the measuring sensor can be maintained in the defined moment axis. The signals measured in the axes that are not under load also result in the crosstalk of the measuring sensor due to its non-idealities. To determine the effects of crosstalk, the signal from the loaded force axis is subtracted accordingly.
Weiterer Stand der Technik ist aus der
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Vorgang der Kalibrierung eines Messaufnehmers zu beschleunigen und damit effizienter zu gestalten.Proceeding from this state of the art, the object of the present invention is to speed up the process of calibrating a measuring sensor and thus make it more efficient.
Dies gelingt durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, sowie durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 6 und 9. Sinnvolle Ausgestaltungen sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens können den sich jeweils anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden.This is achieved by a device according to the features of
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass im Wesentlichen die aus dem Dokument
Wird auf die Bestimmung des Übersprechens des Messaufnehmers verzichtet, so kann mithilfe von Basisadapter und Kopfadapter durch eine einzige Krafteinleitung in nur einem Punkt des Kopfadapters eine Vermessung und Kalibrierung des Messaufnehmers im Hinblick auf alle sechs Wirkachsen Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz erfolgen.If the crosstalk of the sensor is not determined, then with the help of the base adapter and head adapter, a single application of force at just one point of the head adapter can be used to measure and calibrate the sensor with regard to all six axes of action F x , F y , F z , M x , M y , M z .
Mit einigem Vorteil kann aufgrund der Geometrie von Basisadapter und Kopfadapter eine Definition der Kraftkomponenten vorgenommen werden, welche auf die einzelnen Wirkachsen einwirken und die einen definierten Abstand lx, ly, lz zum geometrischen Nullpunkt des Messaufnehmers aufweisen. Aufgrund der Form der Aufnahmen in dem Basisadapter und dem Kopfadapter, in welche das Basismodul und das Kopfmodul eingesetzt werden, ergibt sich die Lage der zwischengelegten Aufnahmevorrichtung. Durch diese Wahl der Winkel wiederum werden die Kraftkomponenten und deren Anteile festgelegt. Soweit die Abstände lx, ly, lz jeweils Null sind, treten keine Moment auf, es erfolgt eine reine Krafteinleitung. Dies wäre der Fall bei einer gleichseitig tetraederförmigen Aufnahme sowohl im Basis- als auch im Kopfadapter, bei einer würfelförmigen Aufnahmevorrichtung und einer Ausrichtung von Basis- und Kopfadapter genau übereinander.With some advantage, the geometry of the base adapter and head adapter can be used to define the force components that act on the individual effective axes and that have a defined distance l x , l y , l z from the geometric zero point of the sensor. The position of the interposed receiving device results from the shape of the receptacles in the base adapter and the head adapter, into which the base module and the head module are inserted. This choice of angles in turn determines the force components and their proportions. As long as the distances l x , l y , l z are each zero, no moments occur, there is a pure introduction of force. This would be the case with an equilateral tetrahedron-shaped receptacle in both the base and head adapter, with a cube-shaped receptacle and with the base and head adapter being aligned exactly one above the other.
Um alle Wirkachsen ansprechen zu können, ist es aber vielmehr sinnvoll, wenn alle Anlageflächen der Aufnahmen gegenüber einer Krafteinleitungsrichtung in den Basisadapter und/oder den Kopfadapter schräggestellt sind. Dies ist mithin dann der Fall, wenn sie weder gleichsinnig in die gleiche Richtung deuten wie die Krafteinleitung und ebenso nicht zu dieser exakt rechtwinklig angeordnet sind.In order to be able to address all axes of action, however, it makes more sense if all contact surfaces of the receptacles are inclined relative to a direction in which force is introduced into the base adapter and/or the head adapter. This is the case if they neither point in the same direction as the force application nor are they arranged exactly at right angles to it.
Als Spezialfall können die Aufnahmen in Basisadapter und Kopfadapter auch tetraedrisch geformt sein, allerdings sollte es sich dann nicht um eine gleichseitige Tetraederform handeln, so dass eine Momentenbeaufschlagung ebenfalls stattfinden kann. Auch ist der Begriff des Tetraeders weit zu fassen. Soweit eine Aufnahme aus Wandabschnitten besteht, in welche sich ein Tetraeder einbeschreiben lässt, so werden diese im Sinne der Erfindung als tetraederförmig angesehen, auch wenn die Wandung der Aufnahme im Ganzen etwa aus drei Rechtecken besteht.As a special case, the mounts in the base adapter and head adapter can also have a tetrahedral shape, but this should not be an equilateral tetrahedral shape, so that a moment can also be applied. The concept of the tetrahedron is also to be interpreted broadly. Insofar as a receptacle consists of wall sections into which a tetrahedron can be inscribed, these are regarded as tetrahedron-shaped within the meaning of the invention, even if the wall of the receptacle consists of three rectangles as a whole.
Für das Einleiten von Kraft auch in die Momentenachsen ist es, wie bereits angesprochen, sinnvoll, wenn die Adapter gegeneinander versetzt sind, also die Achsen der Krafteinleitung in die beiden Adapter gegeneinander versetzt, insbesondere parallelversetzt sind.As already mentioned, it makes sense for the introduction of force into the torque axes if the adapters are offset from one another, ie the axes of the force introduction into the two adapters are offset from one another, in particular offset in parallel.
In einem solchen Fall kann dann die Auswerteeinheit anhand der Geometrie der Aufnahmen und dem sich daraus ergebenden Parallelversatz der Adapter die Verhältnisse zwischen der eingeleiteten Kraft und den Kraftkomponenten in den einzelnen Kraftachsen ermitteln.In such a case, the evaluation unit can then determine the ratios between the introduced force and the force components in the individual force axes based on the geometry of the receptacles and the resulting parallel offset of the adapter.
Entsprechend ergeben sich die Verhältnisse zwischen der eingeleiteten Kraft und den Momentkomponenten in den einzelnen Momentachsen unter Berücksichtigung des definierten Abstands lx, ly, lz der Adapter von dem Nullpunkt des Messaufnehmers.The ratios between the applied force and the torque components in the individual torque axes result accordingly, taking into account the defined distance l x , l y , l z of the adapter from the zero point of the measuring sensor.
Auch ohne den Einsatz eines Basisadapters und eines Kopfadapters ist eine entsprechende Krafteinleitung möglich, indem jeweils Kräfte mit mehreren Kraftkomponenten direkt in das Basismodul und das Kopfmodul eingeleitet werden. In diesem Fall müsste allerdings eine Drehung der Einheit aus Basismodul und Kopfmodul zwischendurch erfolgen und die Messung müsste in mehrere Messungen unterteilt werden. Jedoch besteht die Möglichkeit, eine zu der Erfindung analoge Messung ohne den Einsatz der Adapter durchzuführen.A corresponding introduction of force is also possible without the use of a base adapter and a head adapter, in that forces with several force components are introduced directly into the base module and the head module. In this case, however, the unit consisting of base module and head module would have to be rotated in between and the measurement would have to be divided into several measurements. However, there is the possibility of carrying out a measurement analogous to the invention without using the adapter.
Die vorstehend beschriebene Erfindung, insbesondere die Berechnung der Kraft- und Momentkomponenten, wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention described above, in particular the calculation of the force and torque components, is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Es zeigen
-
1 eine Aufnahmevorrichtung gemäß dem Stand der Technik mit einem Messaufnehmer, welcher zwischen einem Basismodul und einem Kopfmodul aufgenommen ist in perspektivischer Darstellung, -
2 die Aufnahmevorrichtung gemäß1 , welche erfindungsgemäß zwischen einem Basisadapter und einem Kopfadapter aufgenommen ist in perspektivischer Darstellung, sowie -
3 eine schematische Darstellung der Lage der Krafteinleitungspunkte an der Aufnahmevorrichtung im Koordinatensystem des Messaufnehmers in perspektivischer Darstellung.
-
1 a receiving device according to the prior art with a sensor, which is accommodated between a base module and a head module in a perspective view, -
2 the recording device according to1 , which is accommodated according to the invention between a base adapter and a head adapter in a perspective view, and -
3 a schematic representation of the position of the force application points on the recording device in the coordinate system of the measuring transducer in a perspective representation.
Während die Kalibrierung gemäß dieser Lösung aus dem Stand der Technik nunmehr in sechs Schritten abläuft, indem die Kalibriervorrichtung 19 nacheinander alle Solldruckstellen Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz durchläuft, wird erfindungsgemäß nunmehr eine Kombination aus einem Basisadapter 7 und einem Kopfadapter 11 eingesetzt, um die Aufnahmevorrichtung 1 zu halten. Die Aufnahmevorrichtung 1 wird dabei als Ganzes zwischen den Adaptern so gehalten, dass das Basismodul 3 ausschließlich den Basisadapter 7 kontaktiert und das Kopfmodul 10 ausschließlich den Kopfadapter 11. Beide Adapter 7 und 11 besitzen tetraedrische Aufnahmen, in welche jeweils eine Ecke des Basismoduls 3 oder des Kopfmoduls 10 eingelegt werden. Eingesetzt werden die Ecken, welche bei dem Basismodul 3 aus der ersten Flanke 4, der zweiten Flanke 5 und der dritten Flanke 6 gebildet wird, beim Kopfmodul 10 aus der ersten Seitenfläche 14, der zweiten Seitenfläche 15 und der dritten Seitenfläche 16. Hieraus ergibt sich eine definierte Lage der Aufnahmevorrichtung 1, deren Geometrie die Kraftverteilung bei einer Krafteinleitung über eine Adaptersolldruckstelle 9 vorgibt.While the calibration according to this solution from the prior art now takes place in six steps, in that the
Im Falle einer symmetrischen Krafteinleitung bestimmt sich der Krafteinleitungsvektor zu
Es ergibt sich in diesem Fall jeweils der gleiche Wert für
Am ersten Einleitungspunkt 17 bestimmt sich
Hier wiederum ergibt sich der gleiche Wert für
Mit den sich ergebenden Momenten
Damit ergibt sich für den ersten Einleitungspunkt 17
Vorstehend beschrieben sind somit eine Vorrichtung zur Aufnahme eines zu kalibrierenden Messaufnehmers zur Kraft- und Momentenmessung mit mehreren Wirkachsen sowie ein Verfahren zur Kalibrierung eines Messaufnehmers, bei welchen der Vorgang der Kalibrierung eines Messaufnehmers durch eine einzige Messung unter Zuhilfenahme von Adaptern zu beschleunigen und damit effizienter zu gestalten.A device for accommodating a sensor to be calibrated for measuring force and torque with a plurality of effective axes and a method for calibrating a sensor are described above, in which the process of calibrating a sensor is to be accelerated by a single measurement with the aid of adapters and is therefore more efficient design.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Aufnahmevorrichtungrecording device
- 22
- Verbindungskabel des MessaufnehmersSensor connection cable
- 33
- Basismodulbase module
- 44
- erste Flankefirst flank
- 55
- zweite Flankesecond flank
- 66
- dritte Flankethird flank
- 77
- Basisadapterbase adapter
- 88th
- Adapterplatteadapter plate
- 99
- Adaptersolldruckstelleadapter target pressure point
- 1010
- Kopfmodulhead module
- 1111
- Kopfadapterhead adapter
- 1212
- Neigungssensortilt sensor
- 1313
- Verbindungskabel des NeigungssensorsInclination sensor connection cable
- 1414
- erste Seitenflächefirst face
- 1515
- zweite Seitenflächesecond side face
- 1616
- dritte Seitenflächethird side face
- 1717
- erster Einleitungspunktfirst introductory point
- 1818
- zweiter Einleitungspunktsecond initiation point
- 1919
- Kalibriervorrichtungcalibration device
- 2020
- DruckstückPressure piece
- Fxfx
- erste zentrische Solldruckstellefirst centric target pressure point
- Fyfy
- zweite zentrische Solldruckstellesecond centric target pressure point
- Fzvehicle
- dritte zentrische Solldruckstellethird centric target pressure point
- MxMx
- erste exzentrische Solldruckstellefirst eccentric target pressure point
- MyMy
- zweite exzentrische Solldruckstellesecond eccentric target pressure point
- MzMz
- dritte exzentrische Solldruckstellethird eccentric target pressure point
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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- EP 2246675 A1 [0005]EP 2246675 A1 [0005]
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