Die Auswahl des geeigneten Kraft- Momenten Sensors richtet sich im ersten Schritt nach den Messbereichen für die Kräfte und Momente in den drei Koordinatenachsen.
Die weiteren Randbedingungen sind Geometrie, Einbaubedingungen, Genauigkeit, Gewicht, Steifigkeit.
Dieser Artikel soll helfen, die richtige Entscheidung bei der Auswahl des Sensors zu treffen. Unsere Mitarbeiter im Vertrieb unterstützen Sie gerne bei Auswahl anhand der jeweiligen Einsatzbedingungen für den Sensor.
Entscheidend für die Auswahl ist in erster Linie der Messbereich: Der Kraft- / Momenten Sensor (6D-Sensor) darf nicht oberhalb seiner sogenannten Gebrauchskräfte und Gebrauchsmomente eingesetzt werden. Oberhalb dieser Kräfte oder Momente kann der Sensor durch plastische Verformung zerstört werden. Die Messsignale liegen dann außerhalb des Bereichs, der für die Messelektronik noch auswertbar ist.
Eine Besonderheit bei Kraft-/ Momentensensoren ist, -anders als bei 1D Kraft- oder Drehmomentsensoren-, dass die Gebrauchskräfte und -Momente oft nicht in der Größenordnung von 150% bis 200% des Messbereichs betragen, sondern meist bis zu 300% des Messbereichs.
Eine sehr gute Übersicht zu den Gebrauchskäften verschafft das Dokument k6d-comparisontable-de-en.pdf
Bei 6D Sensoren muss meitens keine zusätzliche Sicherheit gegen Überlast eingeplant werden. Im Gegenteil kann eine bewusste Überschreitung einzelnen Kraft- oder Moment- Komponenten einkalkuliert werden.
Neben den Gebrauchskräften und -Momenten werden auch die Auflösungen angegeben. Als Auflösung wird hier die Rauschamplitude bei 10Hz Messfrequenz verstanden.
Die Kräfte werden meist in einem gewissen Abstand von der Stirnfläche des Sensors (vom "Ursprung des Kraftsensors") eingeleitet. Dieser Abstand (meist in positiver z-Richtung) kann z.B. 50 mm bis 1000 mm betragen. Wirkt eine Kraft von z.B. 1kN in einem Abstand von z.B. 100 mm von der Stirnfläche auf den Sensor, dann muss bei der Auswahl ein Moment von 100 Nm berücksichtigt werden.
Ein weiteres Auswahlkriterium bei Kraft- Momenten Sensoren ist der Durchmesser des Sensors: Der Durchmesser sollte so groß wie möglich gewählt werden.
Wenn also die Wahl zwischen K6D27 und K6D40 getroffen werden muss, dann sollte unbedingt das Sensormodell mit den größeren Abmessungen gewählt werden.
Entsprechend kann diese Regel auf alle weiteren Modelle K6D80, 110, 130, 150, 175, 225, 300 angewendet werden.
Die Messbereiche des 6D Sensors für die Momente sind wesentlich über den Durchmesser des 6D Sensors festgelegt. Mit der Auswahl eines größeren Durchmessers lässt sich das Übersprechen von Momenten auf die Anzeige von Kraftsignalen in der Regel reduzieren.
Die höchste Genauigkeit mit einem 6D Sensor wird dann erreicht, wenn die Kräfte im Bereich der Stirnfläche des Sensors bis zu einem Abstand von ca. 1x Durchmesser von der Stirnfläche eingeleitet werden.
Mit zunehmendem Abstand der Krafteinleitung von der Stirnfläche wird Muster der Signale "unschärfer", denn es wird immer eine Überlagerung von Kräften mit Momenten in den 6D Sensor eingeleitet.
An die Befestigung des Sensors werden besonders hohe Anforderungen gestellt: Lokale Verformungen der Krafteinleitungsflansche führen unvermeidbar zu einem Messfehler. Die Dicke der Gegenflansche muss so gewählt werden, dass lokale Verformungen so wie möglich vermieden werden. Auf der Seite k6d-montage sind Empfehlungen für die Mindest-Stärke der Flanschplatten angegeben. Sofern auch nur eine einzige der meist 6 Befestigungsschrauben nicht angezogen oder sogar nicht verwendet wird, kommt es zu einem Messfehler. Insbesondere bei der Einleitung von Momenten kann es zu lokalen Deformationen der Flanschplatten kommen. Auf eine möglichst symmetrische Gestaltung der Flansche muss geachtet werden
Sollte dies nicht möglich sein, kann eine Kalibrierung unter der konkreten Einbausituation erforderlich sein.
Ab einem Abstand von 1 x Durchmesser kann eine Kalibrierung "im Arbeitspunkt" sinnvoll sein. In diesem Fall wird die Berechnung der Kalibrieriermatrix im konkreten Anwendungsfall, also mit überlagerten Momenten, durchgeführt. Das Übersprechen kann in diesem Fall reduziert werden. Die Kalibrierung im Arbeitspunkt erfordert entweder speziell angepasste Vorrichtungen, oder sie kann auf einem Kalibrierautomat vorgenommen werden, der gleichzeitig alle Kräfte und Momente einleiten kann.
Die Kalibriermatrix des 6D Sensors stellt den Zusammenhang zwischen den 6 (oder 12) Ausgangssignalen des Sensors und den einwirkenden Kräften und Momenten dar. Aus ca. 100 bis 300 verschiedenen Lastkombinationen wird in einer Ausgleichsrechnung die bestmögliche Kalibriermatrix ermittelt. Je näher die Lastvektoren während der Kalibrierung dem späteren Einsatz entsprechen, desto kleiner wird der Fehler.
Oft werden einzelne Kräfte oder Momente in der späteren Anwendung nur zu einem Bruchteil der Nennkräfte und -Momente des 6D Sensors angewendet. Eine Kalibrierung mit z.B. 10% der Nennlast des 6D Sensors ist ohne weiteres möglich.
Aufgrund der hohen Auflösung / der geringen Rauschamplitude des Messverstärkers GSV-8 gibt es durch die Teillast keine Verminderung der Genauigkeit.
Die relative, temperaturbedingte Drift des Sensors ist jedoch auf die Nennlasten des Sensors bezogen. Bezieht man die Drift auf die Teillast von z.B. 10%, vergrößert sich die relative Drift entsprechend um den Faktor 10.
