DE69726434T2

DE69726434T2 - Kalibriereinheit für drehmomentwandler

Info

Publication number: DE69726434T2
Application number: DE69726434T
Authority: DE
Inventors: David Ogilvie Crane; Hedley Quinton
Original assignee: Crane Electronics Ltd; Crane Electronics Inc
Current assignee: Crane Electronics Ltd; Crane Electronics Inc
Priority date: 1996-09-14
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2017-09-13
Also published as: GB9619250D0; EP0925488A1; DE69726434D1; EP0925488B1; US6450045B1; ES2208951T3; WO1998011413A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kalibrier- oder Eicheinheit zum Aufnehmen eines Drehmoments zum Kalibrieren oder Bestätigen der Genauigkeit der Kalibrierung drehmomentaufnehmender Geräte, wie beispielsweise einem kalibrierten Drehmomentschlüssel oder einem Drehmomentsensor.
Alle Messeinrichtungen, sofern sie zertifiziert sind, um in einem bestimmten Grad an Genauigkeit zu arbeiten, müssen diesen Genauigkeitsstandard einhalten, sowohl unmittelbar nach der Herstellung und dem anfänglichen Verkauf, als auch nach einem längeren Gebrauch. Für alle Mess- oder Fühlereinrichtungen, die ein derartiges Genauigkeitszertifikat tragen, ist es daher erforderlich, regelmäßig überprüft zu werden, um zu bestätigen, dass die Genauigkeit aufrecht erhalten ist. Alternativ muss die Einrichtung regelmäßig auf den angegebenen Genauigkeitsgrad nachkalibriert werden. In dem Fall drehmomentaufnehmender Einrichtungen, wie beispielsweise drehmomentanzeigenden Drehmomentschlüsseln, sind häufige Nachkalibrierungen wünschenswert. Ein typischer Kalibrierstandard für einen Drehmomentschlüssel wäre ein Langarmbalken, der dafür ausgelegt ist, einem aufgebrachten Drehmoment mittels eines Reaktionsdrehmoments zu widerstehen, das von einer Prüfmasse erzeugt wird, die in einer Waagschale unter einem beträchtlichen Abstand, wahrscheinlich mehr als 2 m, von einem Drehpunkt des Balkens aufgehängt ist. Ein Drehmoment wird auf den Balken um eine Achse herum aufgebracht, die mit der Drehachse des Balkens zusammenfällt, und eine Balkenbewegung wird verhindert, indem Prüfmassen vorsichtig in die Waagschale an einem Ende des Langarmbalkens hinzugefügt werden, bis ein ausgleichendes Reaktionsdrehmoment erreicht ist. Die gesamte Kalibrierung muss in einem temperaturgeregelten Raum und bei Bedingungen geregelter Feuchtigkeit durchgeführt werden, wobei der Raum einen festen Boden hat, der im Wesentlichen vibrationsfrei ist. Der Nachkalibrierungsprozess verläuft langsam, da er die Beigabe von Prüfmassen im Einzelnen zu der Waagschale umfasst. Die Nachkalibrierung kann nur an einer zertifizierten Teststelle durchgeführt werden, an der die massive Kalibriereinrichtung permanent installiert ist und an der die Gravitationskraft g genau bekannt ist. Das auf den Langarmbalken aufgebrachte Reaktionsdrehmoment τ kann jedoch direkt als das Produkt τ = d × M × ghergeleitet werden, wobei d der Abstand von dem Drehpunkt des Balkens zu der Waagschale ist, wobei M die gesamte Prüfmasse ist, die der Waagschale zugeführt wird, um eine Winkelbewegung des Balkens in Reaktion auf ein aufgebrachtes Drehmoment zu verhindern, und wobei g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft an der Teststelle ist.
Dieses gemessene Reaktionsdrehmoment kann mit dem entsprechenden Wert verglichen werden, wie er von dem Drehmomentsensor an dem Drehmomentschlüssel angegeben wird, als eine direkte Überprüfung der Genauigkeit der Kalibrierung des Sensors.
Neue Vorschläge für wünschenswerte Standards für Kalibriereinrichtungen und Kalibrierverfahren haben vorgeschlagen, dass jede einzelne Kalibrierung oder Nachkalibrierung eines Drehmomentmessinstruments die Genauigkeit der Kalibrierung des Instruments in einer Serie von Messungen überprüfen sollte, die in 10%-Inkrementalschritten über einen Drehmomentbereich von 10% des maximal bemessenen Drehmoments des zu kalibrierenden Instruments bis ungefähr 100% reichen. Darüberhinaus ist vorgeschlagen worden, dass jede einzelne Messung mehrfach wiederholt werden sollte, wobei ein Durchschnitt oder ein statistisch gewichteter Durchschnitt verwendet wird, um das von der Kalibriereinrichtung aufgebrachte Reaktionsdrehmoment anzuzeigen. Es ist unpraktisch, existierende Langarmbalken-Kalibriereinrichtungen in derartigen, sich wiederholenden Kalibriervorgängen zu verwenden, sodass ein Bedürfnis für eine automatische Maschine entstanden ist, die in der Lage ist, eine Serie von Drehmomentmessungen in Form eines vorgegebenen, automatisch geführten Zyklus auszuführen, wobei jede Messung in einem zertifizierten Maß an Genauigkeit durchgeführt wird. Darüberhinaus muss diese Genauigkeit mindestens so gut wie diejenige existierender Langarmbalken-Kalibriereinrichtungen sein. Vorzugsweise sollte eine derartige automatische Einrichtung in der Lage sein, automatische Wiederholungsmessungen zuzulassen, sodass jede Drehmomentmessung mehrfach vorgenommen wird, um ihre Genauigkeit zu überprüfen und zu bestätigen, und sie sollte in der Lage sein, automatisch über einen definierten Bereich von Drehmomentbelastungen zu scannen, in einer Serie definierter Inkrementalschritte. Andere Wünsche, die sich auf die Konstruktion irgendeiner derartigen Kalibriereinrichtung beziehen, sind, dass sie vorzugsweise tragbar sein sollte, keine Kenntnis der Beschleunigung g aufgrund der Schwerkraft an der Teststelle erfordern sollte, und dass sie in der Lage sein sollte, die Existenz seitlicher Belastungen zu erkennen und zuzulassen.
Beispielsweise offenbart das Dokument Lanshchikov, A. V.: "New instrumentation for threaded assembly work", Soviet Engineering Research (Stanki I Instumenty & Vestnik Mashinostroenia Mashinostrocnie), Vol. 11, No. 10, 1. Januar 1991, Seiten 104–108, eine Vorrichtung für die Kalibrierung von Drehmomentschlüsseln.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein untergeordnetes Messinstrument als eine definitive Referenz für eine Drehmomentkalibrierung akzeptabel sein kann, wenn die Genauigkeit dieses untergeordneten Instruments wesentlich größer ist als diejenige der primären Drehmomentreferenzmessungskalibriervorrichtung.
Die Erfindung
Die Erfindung schafft eine Kalibriereinheit zum Aufnehmen oder Fühlen eines Drehmoments, die einen hohlen Torsionsstab aufweist, auf den ein Drehmoment aufgebracht werden soll, gemeinsam mit mindestens zwei Paaren von Positionssensoren, wobei jedes Paar so angeordnet ist, dass es eine Bewegung des Stabes auf diametral gegenüberliegenden Seiten einer zentralen Achse durch den Stab misst, und wobei die Paare der Sensoren so angeordnet sind, dass sie eine Bewegung in zueinander senkrechten Richtungen messen.
Vorzugsweise hat der hohle Torsionsstab ein scheibenförmiges Abschlussende und ein erstes der zwei oder mehr Sensorpaare ist so angeordnet, dass eine Drehbewegung um die zentrale Achse des Torsionsstabes erfasst wird. Dieses kann erreicht werden durch die Verwendung des ersten Paares der Positionssensoren, um die Positionen eines Paares flacher koplanarer Flächen seitlicher Ansätze des scheibenförmigen Abschlussendes zu überwachen, wobei die Ebene der flachen Flächen der seitlichen Ansätze mit der zentralen Achse des Torsionsstabes zusammenfällt. Die Ansätze sind vorzugsweise unter einem gleichen Abstand von der zentralen Achse angeordnet, sodass eine reine Drehung des hohlen Torsionsstabes die Ansätze in gleichen und entgegengesetzten Richtungen bewegen würde. Eine auf den Torsionsstab aufgebrachte seitliche Belastung in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der flachen Flächen würde jedoch eine Verbiegung des hohlen Torsionsstabes bewirken, um die Ansätze in der gleichen Richtung zu bewegen, sodass eine Analyse der Ansatzbewegungen relativ zueinander genaue und unabhängige Identifizierungen sowohl der Drehbewegung als auch der linearen Querbewegung des Torsionsstabes in der Richtung der Messung aufgrund von seitlichen Belastungen ergibt.
Ein zweites Paar der Positionssensoren ist vorzugsweise so angeordnet, dass es eine Drehbewegung um eine Achse quer zu der zentralen Achse des Torsionsstabes aufnimmt, indem die Positionen eines Paares von Zielzonen auf der Fläche des scheibenförmigen Abschlussendes des Torsionsstabes oder auf den seitlichen Ansätzen überwacht werden, auf diametral gegenüberliegenden Seiten der zentralen Achse. Eine Analyse der Sensorausgänge des zweiten Paares ergibt eine genaue Identifikation der linearen Bewegung des Torsionsstabes aufgrund von seitlichen Belastungen in einer Richtung senkrecht zu den seitlichen Belastungen, die die von dem ersten Paar der Positionssensoren gemessene Querbewegung erzeugen.
Das dritte Paar der Positionssensoren ist in ähnlicher Weise wie das zweite Paar, aber in einer zueinander senkrechten Ebene angeordnet.
Als eine Alternative zu den zweiten und dritten Paaren der oben beschriebenen Positionssensoren kann ein zweites Paar der Positionssensoren so angeordnet sein, dass die Positionen eines Paares flacher koplanarer Flächen eines zweiten Paares seitlicher Ansätze des scheibenförmigen Abschlussendes überwacht werden, wobei die Ebene der flachen Flächen des zweiten Paares seitlicher Ansätze mit der zentralen Achse des Torsionsstabes zusammenfällt und senkrecht zu der Ebene der flachen Flächen des ersten Paares seitlicher Ansätze steht. In einer derartigen Anordnung ergibt die Analyse der Bewegung des zweiten Paares von Ansätzen relativ zueinander eine genaue Messung der durch eine Drehungstorsion bewirkten Bewegung und der durch eine lineare seitliche Belastung bewirkten Bewegung des Torsionsstabes, unabhängig von einander. Zusammen messen die ersten und zweiten Paare der Sensoren daher unabhängig von einander eine Bewegung aufgrund eines Drehmoments und eine Bewegung aufgrund von seitlichen Belastungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen. Ein drittes Paar von Sensoren könnte, falls geeignet, eine Bewegung aufgrund von seitlichen Belastungen entlang der dritten Achse überwachen.
Zur leichteren Verarbeitung der Daten von den zwei oder mehr Paaren der Sensoren überwachen alle vorzugsweise eine Bewegung von Bereichen des Abschlussendes des Torsionsstabes unter gleichen Abständen von der zentralen Achse. Vorzugsweise sind die zweiten und dritten Paare in einer horizontalen Ebene bzw. in einer vertikalen Ebene durch die zentrale Achse angeordnet.
Da die Analyse von Daten von den Positionssensoren Daten umfasst, die Drehmoment(Rotations-)belastungen identifizieren sowie Daten, die seitliche Belastungen in jeder der zwei oder drei zueinander senkrechten Achsen identifizieren, ist es möglich, wenn Daten von der Kalibriereinheit gemäß der Erfindung verarbeitet werden, Ergebnisse zu erzeugen, die ein reines Drehmoment repräsentieren, wie es auf die zentrale Achse des Torsionsstabes aufgebracht wird, sowie unabhängig gemessene Daten seitlicher Belastungen.
Vorzugsweise sind der hohle Torsionsstab und das Abschlussscheibenteil durch maschinelle Bearbeitung aus einem einzigen Stück rostfreien Stahls hoher Qualität hergestellt, wobei alle sechs Positionssensoren eine Bewegung der flachen Flächen des Scheibenteils oder dem Scheibenteil zugeordnet überwachen, die unter einem Abstand von der zentralen Achse um den gleichen radialen Abstand angeordnet sind, der beispielsweise zwischen 10 und 20 cm sein kann.
Die Positionssensoren können optische Sensoren sein, die in der Lage sind, in einer Genauigkeit von 1 : 100 000 Teilen zu fühlen. Aufgrund der Orientierung der drei Sensorpaare kann die Einrichtung eine Torsionsverdrehung des hohlen Torsionsstabes sowie eine vertikale Netto-Bewegung und eine seitliche Netto-Bewegung des distalen Endes des Torsionsstabes aufnehmen, welches das Ende ist, dem die Sensoren zugeordnet sind.
Wenn eine Drehmomentbelastung auf den hohlen Torsionsstab aufgebracht wird, ist es im Gebrauch unveränderlich wahrscheinlich, dass eine sehr leichte Drehverbiegung des Torsionsstabes erzeugt wird und von den zwei oder mehr Paaren der Positionssensoren erfasst wird. Ein Vergleich der Messungen der Positionssensoren jedes Paares gibt an, ob eine senkrechte oder eine seitliche Bewegung des hohlen Torsionsstabes unter einer aufgebrachten seitlichen Belastung vorliegt, sowie eine Rotationsverdrehung des Arms unter der aufgebrachten Drehmomentbelastung. Vorzugsweise ist die Kalibriereinheit einem Computer zugeordnet, der in der Lage ist, die verschiedenen Positionssensormesswerte von jedem aufgebrachten Drehmoment zu verarbeiten, um eine abschließende Drehmomentmessungsausgangszahl zusammen mit Zahlen zu liefern, die seitliche Belastungen in den senkrechten und horizontalen Ebenen repräsentieren. Die Signalverarbeitung wird unten in Verbindung mit der dargestellten Ausführungsform, die beispielhaft angegeben wird, mehr im Detail beschrieben.
Die Kalibriereinheit der Erfindung ist nicht eine absolute Messung des Drehmoments in der gleichen Weise wie es ein Langarmbalken ist. Sie muss selbst kalibriert werden, aber da sie zu Drehmomentmessungen in einer Genauigkeit einige Größenordnungen höher als diejenige des Langarmträgers in der Lage ist, welches die primäre herkömmliche Kalibriereinheit ist, und da sie in der Lage ist, ihre kalibrierte Genauigkeit über lange Benutzungszeiträume aufrecht zu erhalten, ist die Einheit als sekundäre Kalibriereinheit bestens akzeptabel. Vorzugsweise ist die Einheit als tragbare Einheit konstruiert, die in einem Gehäuse enthalten ist, das eine konstante Temperatur und Feuchtigkeit aufweist.
Für Kalibrierzwecke ist die Einheit gemäß der Erfindung mit einem Befestigungsrahmen versehen, der zwei zueinander senkrechte Trägerflächen hat, sowie eine Nivelliereinrichtung, um es der Einheit zu ermöglichen, auf einer flachen Oberfläche angeordnet zu werden, wobei eine dieser Trägerflächen genau waagerecht angeordnet ist. Die Einheit wird an einer zertifizierten Teststelle kalibriert, an der die Schwerkraftbeschleunigung g genau bekannt ist. Nach dem Nivellieren wird eine Waagschale an das Ende des Torsionsstabes angebracht, und Prüfmassen werden in die Waagschale zugegeben, um ein genau bekanntes Drehmoment und eine seitliche Belastung auf den Stab aufzubringen. Das gemessene Drehmoment und die gemessene Seitenbelastung von der Einheit können mit denjenigen verglichen werden, die angelegt werden, und die Messungen können für eine statistisch bedeutsame Anzahl von Messungen mit den gleichen oder verschiedenen angelegten Drehmomenten und/oder seitlichen Belastungen wiederholt werden. Dann wird die Einheit um 90° gedreht, bis sie auf der gleichen flachen Oberfläche angeordnet ist, aber auf ihrer anderen Trägerfläche ruht. Die Messungen des anliegenden Drehmoments werden wiederholt, aber aufgrund der Drehung der Einheit sind die Seitenlastelemente der ersten Messungsserie nicht vorhanden, soweit dieses Paar von Sensoren in der abschließenden Kalibrierung betroffen ist. Danach kann die Einheit ohne die Waagschale und die Prüfmassen zu irgendeiner Fabrikstelle gebracht werden und zur Kalibrierung von drehmomentaufnehmenden Werkzeugen verwendet werden, da die Verbiegung des Torsionsstabes aufgrund eines aufgebrachten Drehmoments nicht von der Schwerkraftbeschleunigung g an der Fabrikstelle abhängt.
Zeichnungen
Die Erfindung wird durch die Zeichnungen veranschaulicht, in denen:
1 schematisch eine Vorderansicht einer Kalibriereinheit gemäß dieser Erfindung darstellt;
2 eine Seitenansicht der Kalibriereinheit ist;
3 eine Seitenansicht des hohlen Torsionsstabes der Einheit ist; 4 eine perspektivische Ansicht des hohlen Torsionsstabes ist; und
5 eine Draufsicht des hohlen Torsionsstabes von vorne ist, die seine Anordnung relativ zu den vier optischen Positionssensoren der Einheit zeigt.
Unter Bezugnahme zunächst auf die 1 und 2 weist die Einheit einen festen Befestigungsrahmen 1 auf, an dem freitragend ein hohler Torsionsstab 2 angebracht ist, der maschinell aus einem einzigen Stück rostfreien Stahls als ein hohler Torsionsstab 2a hergestellt ist, der an einem Ende einen Befestigungsflansch 2b und an dem anderen Ende einen Sensorreferenzflansch 2c hat. Der Sensorreferenzflansch 2c weist in seiner Mitte außerdem einen quadratischen Antrieb 2d auf für die Aufbringung eines Drehmoments auf den Torsionsstab 2. Der Befestigungsrahmen 1 hat zwei zueinander senkrechte Trägerflächen 1a und 1b, sowie eine Nivelliereinrichtung (nicht dargestellt), um eine genaue Ausrichtung zu gestatten, um eine dieser Flächen, 1a, genau in die waagerechte Ebene zu bringen. Die Einheit ist für die Anbringung auf der Oberfläche eines Tischs ausgelegt.
Der Torsionsstab 2 ist in einem Gehäuse 3 untergebracht, das klimageregelt ist. Das heißt, dass sowohl die Temperatur als auch die relative Feuchtigkeit der Luft innerhalb des Gehäuses so geregelt werden, dass sie innerhalb vorgegebener Grenzen stabil sind. Nur der Antrieb 2d des Torsionsstabes 2 ist von der Außenseite des Gehäuses 3 zugänglich. Einrichtungen (nicht dargestellt) sind vorgesehen, um die Luft innerhalb des Gehäuses 3 auf einem leicht überatmosphärischen Druck zu halten, sodass es eine reguläre Luftleckage durch den Spalt, durch den sich der Antrieb 2d erstreckt, aus dem Gehäuse hinaus gibt.
Der Torsionsstab 2 ist genauer in den 3 bis 5 dargestellt. Der Befestigungsflansch 2b hat eine Anordnung von Befestigungslöchern 5 zum sicheren Anbringen des Torsionsstabes 2 an dem Rahmen 1. Der Sensorreferenzflansch 2c ist mit vier radial vorstehenden Ansätzen 6, 7, 8 und 9 versehen, die zusammen drei Paare von sich diametral gegenüberliegenden Messflächen bilden, die in zueinander senkrechte Richtungen weisen. Ein Paar von Messflächen 6a und 7a ist koplanar und waagerecht, wenn kein Drehmoment auf den Torsionsstab 2 aufgebracht ist und wenn die Grundplatte 1a nivelliert ist. Ein zweites Paar von Messflächen 6b und 7b ist koplanar und senkrecht. Das dritte Paar von Messflächen 8c und 9c ist ebenfalls koplanar und senkrecht. Alle sechs Messflächen haben den gleichen radialen Abstand von der zentralen Achse des Torsionsstabes 2.
Der Torsionsstab 2 kann mit großer Genauigkeit aus einem einzigen Stück Stahl auf einer Metallverarbeitungsdrehbank maschinell hergestellt werden. Es ist wichtig, die Genauigkeit der maschinellen Bearbeitung so hoch wie möglich beizubehalten, da sich diese Genauigkeitsstandards in der in der kompletten Einheit erreichbaren Messgenauigkeit wiederspiegeln. Die Flächen 6, 7, 8 und 9 sollten außerdem mit großer Genauigkeit maschinell hergestellt werden, um drei Paare zueinander senkrechter Flächen zu erhalten, wobei die Flächen jedes Paares genau koplanar miteinander und mit demjenigen des ersten Paares 6a und 7a mit einer zentralen Achse des Torsionsstabes 2 sind.
Ein optischer Sensor 10, 11, 12, 13, 14 oder 15 ist jeweils jeder einzelnen der Flächen 6a, 7a, 6b, 7b, 8c und 9c zugeordnet. Die Sensoren 10, 11, 12, 13, 14 und 15 sind an dem Trägerrahmen 1 innerhalb des Gehäuses 3 angebracht und sie sind so ausgerichtet, dass sie senkrecht zu ihren zugeordneten Flächen sind. Alle sechs messen eine Bewegung an dem gleichen radialen Abstand D von der zentralen Achse des Torsionsstabes 2.
Wie dargestellt ist, sind die optischen Sensoren unter einem Abstand von ihren zugeordneten Flächen angebracht, wobei sie aber zu diesen Flächen hin ausgerichtet sind. Dieses wäre eine Befestigungsanordnung, die für berührungsfreie Lasersensoren geeignet ist, die unter der Verwendung von Interferometrie einen besonders genauen Auslesewert abgeben. Alternativ könnten die Sensoren digitale berührende Linearverschiebungswandler sein, wie beispielsweise diejenigen, die von Heidenhain hergestellt und vermarktet werden. Derartige Wandler enthalten eine linear bewegbare Probe, die die zugeordnete Fläche des Sensorreferenzflanschs 2c berührt, und optische Randtechniken werden verwendet, um eine genaue Messung der Bewegung dieser Probe zu ergeben.
Es wird angenommen, dass die Sensoren 10 und 11 die Abstände x₁ und x₂ (5) zwischen den Sensoren und ihren zugeordneten Flächen 6a und 7a messen; dass die Sensoren 12 und 13 die entsprechenden Abstände y₁ und y₂ zwischen den Sensoren und ihren zugeordneten Flächen 6b und 7b messen; und dass die Sensoren 14 und 15 die entsprechenden Abstände z₁ und z₂ messen. Die absoluten Werte von x₁, x₂, y₁, y₂, z₁ und z₂ sind unwichtig, da es nur die Veränderungen δx₁, δx₂, δy₁, δy₂, δz₁ und δz₂ sind, die in der Berechnung des Drehmoments und der seitlichen Belastungen verwendet werden.
Wenn ein Drehmoment auf den Torsionsstab 2 mit einer Seitenbelastung von Null aufgebracht wird, dann wären δx₁ und δx₂ gleich und entgegengesetzt, und δy₁, δy₂, δz₁ und δz₂ wären Null. Idealer Weise gilt: δx1 = –δx2 δy1 = δy2 = δz1 = δz2 = 0
Somit kann ein einziger gemittelter Messwert einer Winkelabweichung des Schafts 2a abgeleitet werden als:
Wenn es eine senkrechte Seitenbelastung auf den Schaft 2 gibt, dann geben die Veränderungen in den gemessenen Abständen x₁ und x₂ oder in den gemessenen Abständen z₁ und z₂ die Abweichung des Schafts aufgrund solcher Seitenbelastungen wieder. Die Seitenlastabweichung in der senkrechten Ebene ist
Wenn es eine waagerechte seitliche Belastung gibt, ist die Seitenlastabweichung in ähnlicher Weise:
Die Ablesewerte der sechs optischen Sensoren werden an einen Computer weitergegeben, der ein integraler Teil der Einheit oder ein in geeigneter Weise programmierter externer Computer sein kann, der in der Lage ist, analoge oder digitale Ausgangssignale von den Sensoren aufzunehmen. Wenn der Abstand D bekannt ist, kann die für seitliche Belastungen in den waagerechten und senkrechten Ebenen korrigierte Winkelabweichung des Arms 2 berechnet werden, und die Ergebnisse dieser Berechnung zusammen mit tatsächlichen Werten einer Verbiegung aufgrund von seitlichen Belastungen können auf einem Bildschirm angezeigt oder in einem Speicher gespeichert werden.
Eine Kalibrierung oder Eichung der Einheit wird an einer zertifizierten Teststelle durchgeführt, an der die Beschleunigung g aufgrund der Schwerkraft bekannt ist und genaue Prüfmassen verfügbar sind. Die Einheit wird zuerst an einer nivellierten, stabilen Arbeitsoberfläche gesichert, wobei sie auf ihren Trägerflächen 1a ruht und eingestellt wird, bis die Flächen 6a, 7a genau in der waagerechten Ebene liegen. Ein starrer Kalibrierbalken (nicht dargestellt) wird dann an den Antrieb 2d angeklemmt. Der Kalibrierbalken ist ein waagerechter Balken, der eine Waagschale an jedem seiner gegenüberliegenden Enden trägt. Anfänglich wird der Kalibrierbalken ins Gleichgewicht gebracht, indem leichtgewichtige Prüfmassen der einen oder anderen Waagschale beigegeben werden, bis die Winkelabweichung des Torsionsstabes 2 Null ist. Die Seitenlastabweichung des Torsionsstabes 2 in der senkrechten Ebene kann gemessen und in einem Speicher gespeichert werden. Aufgrund der anfänglichen sorgfältigen Nivellierung ist diejenige in der waagerechten Ebene Null.
Als nächstes wird eine bekannte Prüfmasse einer Waagschale zugefügt und die Winkelabweichung des Torsionsstabes 2 wird gemessen. Dieses kann für einen Bereich von Prüfmassen wiederholt werden, und die Ergebnisse der Seitenlast auf die Verbiegung des Schafts können geplottet und gespeichert werden, indem den gegenüberliegenden Waagschalen identische Prüfmassen hinzugefügt werden. In dem Computerspeicher wird somit ein Bit-Muster der Winkelabweichung gegenüber dem aufgebrachten Drehmoment aufgebaut, wobei ein Drehmoment unabhängig von seitlichen Belastungen gemessen wird.
Die Prüfmassen für die obige Kalibrierung wären auf Genauigkeit zertifizierte Referenzprüfmassen. Der Abstand von den Waagschalen zu dem Drehpunkt des Kalibrierbalkens wäre genau bekannt. Das aufgebrachte Drehmoment wird daher direkt als M × D × g gemessen, wobei M die Prüfmasse, D der bekannte Abstand von den Waagschalen zu dem Drehpunkt und g die Gravitationskonstante ist.
Die Einheit wird dann um 90° bewegt, bis sie auf ihrer anderen Trägerfläche 1b abgestützt ist, und der Vorgang wird wiederholt. Dieses liefert ein vollständiges Bit-Muster des Effekts der seitlichen Belastungen in den waagerechten und senkrechten Ebenen in dem Computerspeicher, sowie eine genau kalibrierte Korrelation zwischen Drehmoment und Winkelabweichung des Drehmomentstabes 2.
Nach der anfänglichen Kalibrierung wird der starre Kalibrierbalken von dem Antrieb 2d entfernt, und die Einheit kann in eine Fabrik oder an einen anderen Einsatzort gebracht werden, wo der Antriebskopf beispielsweise eines zu kalibrierenden Drehmomentschlüssels an die Buchse angeschlossen wird. Wenn ein Drehmoment auf den Schlüssel aufgebracht wird, zeigt ein Drehmomentsensor an dem Schlüssel das aufgebrachte Drehmoment an, wie es von dem Schlüssel gefühlt wird. Dieses wird mit dem von der erfindungsgemäßen Einheit gefühlten aufgebrachten Drehmoment verglichen, vorzugsweise automatisch in einem Speicher durch Einspeisen des Sensorausgangssignals des Drehmomentschlüssels direkt in den Computer. Das Drehmomentanlagemuster kann so ausgebildet werden, dass es zu jedem empfohlenen Standard passt, wie beispielsweise einer Erhöhung in 10%-Inkrementalschritten von 10% des maximal bemessenen Drehmoments des Drehmomentschlüssels zu dem voll bemessenen Drehmoment, wobei jede Drehmomentmessung mehrfach wiederholt wird mit einer Rückkehr zu einem Null-Drehmoment zwischen aufeinander folgenden Messungen. Eine derartige Konformität mit standardmäßig empfohlenen Drehmomentanlagemustern wird ohne weiteres erreicht, da die Einheit unmittelbar auf das angelegte Drehmoment reagiert, wobei keine beträchtliche Zeit benötigt wird, damit sich die optischen Sensoren 10 bis 15 vor der Abgabe eines stabilen Ausgangssignals einrichten.
Die potentielle Genauigkeit der Einheit der Erfindung ist einige Größenordnungen größer als diejenige des starren Kalibrierbalkens mit Prüfmassen, mit der sie selbst kalibriert wird, und sobald sie kalibriert ist, erhält die Einheit ihre Genauigkeit für lange Perioden eines konstanten oder intermittierenden Gebrauchs aufrecht. Sie kann als eine tragbare Einheit ohne Verlust an Genauigkeit ausgebildet werden. Obwohl sie nur eine untergeordnete Kalibrierung im Gegensatz zu der direkten Kalibrierung eines starren Balkens liefert, ist sie somit mehr als geeignet, um selbst die strengsten Kalibrierstandards für industrielle Drehmomentsensorkalibriereinheiten zu erfüllen. Darüberhinaus ist es die einzige Kalibriereinheit, die in der Lage ist, seitliche Belastungen zu messen, und sie kann zwischen seitlichen Belastungen in zwei zueinander senkrechten Flächen unterscheiden.

Claims

Kalibriereinheit zum Aufnehmen eines Drehmoments, die einen hohlen Torsionsstab aufweist, auf den ein Drehmoment aufgebracht werden soll, gemeinsam mit zwei oder mehr Paaren von Positionssensoren, wobei jedes Paar so angeordnet ist, daß es eine Bewegung des Stabes auf diametral gegenüberliegenden Seiten einer zentralen Achse durch den Stab mißt, und wobei die Paare der Sensoren so angeordnet sind, daß sie eine Bewegung in zueinander senkrechten Richtungen messen.
Kalibriereinheit zum Aufnehmen eines Drehmoments nach Anspruch 1, wobei der hohle Torsionsstab ein scheibenförmiges Abschlußende hat und wobei ein erstes der drei Sensorpaare so angeordnet ist, daß eine Drehbewegung um die zentrale Achse des Torsionsstabes erfaßt wird.
Kalibriereinheit zum Aufnehmen eines Drehmoments nach Anspruch 2, wobei der hohle Torsionsstab und das Abschlußscheibenteil durch maschinelle Bearbeitung aus einem einzigen Stück rostfreien Stahls hoher Qualität hergestellt sind.
Kalibriereinheit zum Aufnehmen eines Drehmoments nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei das erste Paar der Positionssensoren so angeordnet ist, daß die Positionen eines Paares flacher koplanarer Flächen seitlicher Ansätze des scheibenförmigen Abschlußendes überwacht werden, wobei die Ebene der flachen Flächen der seitlichen Ansätze mit der zentralen Achse des Torsionsstabes zusammenfällt, und derart, daß Ausgangssignale von dem ersten Paar der Positionssensoren verarbeitet werden, um unabhängige Messungen einer Winkelbewegung des scheibenförmigen Abschlußendes aufgrund des aufgebrachten Drehmoments und einer seitlichen Bewegung aufgrund von aufgebrachten seitlichen Belastungen zu liefern.
Kalibriereinheit zum Aufnehmen eines Drehmoments nach Anspruch 4, wobei die Ansätze unter einem gleichen Abstand von der zentralen Achse angeordnet sind.
Kalibriereinheit zum Aufnehmen eines Drehmoments nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei ein zweites Paar der Positionssensoren so angeordnet ist, daß es eine Bewegung um eine Achse quer zu der zentralen Achse des Torsionsstabes aufnimmt, indem die Positionen eines Paares von Zielzonen auf der Fläche des scheibenförmigen Abschlußendes des Torsionsstabes oder auf den seitlichen Ansätzen überwacht werden, auf diametral gegenüberliegenden Seiten der zentralen Achse.
Kalibriereinheit zum Aufnehmen eines Drehmoments nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei ein drittes Paar der Positionssensoren in ähnlicher Weise wie das zweite Paar, aber in einer zueinander senkrechten Ebene angeordnet ist.
Kalibriereinheit zum Aufnehmen eines Drehmoments nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei ein zweites Paar der Positionssensoren so angeordnet ist, daß die Positionen eines Paares flacher koplanarer Flächen eines zweiten Paares seitlicher Ansätze des scheibenförmigen Abschlußendes überwacht werden, wobei die Ebene der flachen Flächen des zweiten Paares seitlicher Ansätze mit der zentralen Achse des Torsionsstabes zusammenfällt und senkrecht zu der Ebene der flachen Flächen des Paares seitlicher Ansätze steht, die dem ersten Paar der Positionssensoren zugeordnet sind, und derart, daß Ausgangssignale von dem zweiten Paar der Positionssensoren verarbeitet werden, um unabhängige Messungen einer Winkelbewegung des scheibenförmigen Abschlußendes aufgrund des aufgebrachten Drehmoments sowie einer seitlichen Bewegung aufgrund von aufgebrachten seitlichen Belastungen zu liefern.
Kalibriereinheit zum Aufnehmen eines Drehmoments nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Positionssensoren so angeordnet sind, daß sie eine Bewegung von Bereichen des Abschlußendes des Torsionsstabes bei gleichen Abständen von der zentralen Achse überwachen.