Design von K6D Sensoren

Aufbau und Funktion von Kraft-/ Momentensensoren

Einführung

Mit den 6D Mehrkomponenten Sensoren der ME-Meßsysteme GmbH ist es möglich, die Kräfte und die Momente in den drei Richtungen des Raums (x, y, z) zu messen. In diesem Beitrag werden verschiedene Konstruktionen von Kraft-/ Momenten Sensoren vorgestellt.

Wie bei eindimensional messenden Kraftsensoren oder Drehmomentsensoren kommen Verformungskörper aus hochfestem Federstahl oder hochfestem Aluminium zum Einsatz, die mit Dehnungsmessstreifen (DMS) als Messelement bestückt sind.

Dehnungsmessstreifen Technologie

Für Kraftsensoren und Drehmomentsensoren hat sich die Dehnungsmessstreifen Technologie zur Umformung der mechanischen Verformung in eine elektrische Größe bewährt.

Dabei kommen meist Metallfolien Dehnungsmessstreifen zum Einsatz. Die Metallfolien DMS zeichnen sich aus durch eine ausgezeichnete Linearität und eine sehr geringen Hysterese. Die Metallfolie ist angepasst an den Ausdehnungskoeffizienten des Verformungskörpers: Die thermische Dehnung des Verformungskörpers wird durch einen entsprechenden - negativen - Temperaturkoeffizienten des Widerstands kompensiert. Diese sogenannte Selbstkompensation wirkt unterstützend zur eigentlichen Kompensation der thermischen Drift durch die Anwendung der Wheatstonschen Brücke Voll- oder Halbbrückenschaltung.

Durch den Einsatz der Dehnungsmessstreifen Vollbrücke und der bekannten Kompensationsschaltungen lassen sich gezielt einzelne Komponenten der drei Kräfte und Momente voneinander trennen. Zusätzlich bietet die Dehnungsmessstreifen Vollbrücke das im Vergleich zur Halb- oder Viertelbrücke höchste Ausgangssignal und die beste Kompensation der temperaturbedingten Drift.

Die Gestaltung des Verformungskörpers bietet weitere Möglichkeiten zur Trennung der Lastkomponenten, z.B. durch (isotrope- oder anisotrope) Federgelenke und Parallelführungen.

Durch das Design des Verformungskörpers wird der Messbereich des Kraft- / Momentensensors bestimmt.

MEMS 6D Sensoren 

MEMS können nur für kleinste Kräfte und Momente in der Größenordnung 1N, 1Nm realisiert werden. Aus fertigungstechnischen Gründen wird beim MEMS in der Regel nur eine der vier Flächen der Biegeelemente mit  Dehnungsmessstreifen bestückt. Dies geht mit einem größeren Übersprechen im Vergleich zu komplett bestückten Biegeelementen einher.

Varianten des Hexapod

Der Hexapod wird in diversen Varianten als Verformungskörper für Kraft-/ Momenten Sensoren eingesetzt. Die Gelenke können z.B.  durch Festkörpergelenke ersetzt werden. Der Einfluss von Biegemomenten kann auch durch Dehnungsmessstreifen-Brückenschaltungen kompensiert werden. Bei sehr großen Messbereichen ab 100kN werden die Biegemomente durch zusätzliche Dehnungsmessstreifen bzw. Messkanäle kompensiert.

Alternative Bauart zum Messquader

Das Design des "Messquaders" entspricht in etwa der Parallelschaltung von zwei seriell aufgebauten 3D Kraftsensoren (K3D35, K3D60a) in einem definierten Abstand. Der Abstand zwischen den 3D Sensoren kann zur Skalierung des Messbereiches für die Messung der Momente variiert werden.

Mit der Parallelschaltung von zwei 3D Kraftsensoren wird jeder einzelne 3D Kraftsensor von Biegemomenten entlastet. Dadurch wird die Genauigkeit erhöht.

Eine (viel zu selten) angewandte Technik für Windkanalwaagen besteht der Anordnung zweier 3D Kraftsensoren außerhalb des Windkanals, die mit einem starren Element verbunden sind, welches das Modell aufnimmt.

Vergleich der Designvarianten

Aus dem Vergleich der Designvarianten lassen sich grundlegende Konstruktionsprinzipien herausarbeiten.

• Kompensationsschaltungen mit DMS,
• Parallelschaltung von Federelementen (Parallelkinematik),
• Serienschaltung von Federelementen (serielle Kinematik),

Durch Variation und Kombination dieser Prinzipien ist es möglich, den für die jeweilige Anwendung optimalen Kraft- / Momenten Sensor zu gestalten.

Design Nr. 1 wendet in erster Linie die bewähten DMS Kompensationsschaltungen.

Die Designs Nr. 2 bis Nr. 5 sind Parallelkinematiken. Alle Federelemente sind parallel geschaltet.

Das Design Nr. 6 ist in bezug auf die Messung der drei Kraftkomponenten eine Serienkinematik. Jeder Doppelbalken für eine Kraftkomponente wird mit einem weiteren Doppelbalken in Parallelschaltung ergänzt zur Messung der Momente durch ein Kräftepaar mit definiertem Abstand.

Alle drei Konstruktionsprinzipien lösen die gemeinsame Aufgabe, die Komponenten [Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz] eines Lastvektors zu trennen.

Bewertung der Varianten

Vorteile der Parallelschaltung

Konstruktionen mit parallelgeschalteten Federelementen weisen in der Regel eine höherer Steigikeit auf, als Konstruktionen für einen vergleichbaren Lastbereich in Serienschaltung. Dies bedeutet somit auch eine höhere Dynamik für die Parallelschaltung. Auch Fehler durch Lage- oder Winkelabweichungen können sich bei Serienschaltung summieren. Die Parallelschaltung ermöglicht in der Regel auch kompaktere Konstruktionen.

Nachteile der Parallelschaltung

Die mathematischen Modelle für reale Parallelschaltungen sind komplex, insbesondere wenn z.B. durch fehlende Gelenke oder durch nachgiebige Auflager- und Einspannbedingungen für die Federkörper mehrachsige Spannungszustände entstehen.

Vorteile der Serienschaltung

Jede einzelne Achse lässt sich optimieren, unabhängig von den nachfolgenden Achsen. Ebenso ist das mathematische Modell einfach zu bilden. Der große Messweg bietet einen Vorteil bei Kraftkompensierten Sensoren mit Aktor zur Kompensation der Auslenkung. 

Nachteile der Serienschaltung

Durch die Serienschaltung (von Messfedern) addieren sich die Federwege, die Steifgigkeit eines Kraft-/ Momenten-Sensors in Serienschaltung ist geringer im Vergleich zu einem Kraft-/ Momenten-Sensor in Parallelschaltung. Das erste der sechs in Reihe geschalteten Federelemente muss zudem die größten Querkräfte und Momente aufnehmen, wodurch es an diesem Federelement zum größten Übersprechen kommt. Die Federsteifigkeit des Sensors ist in jeder Messachse unterschiedlich.

Varianten mit drei Federkörpern

Varianten mit drei Federkörpern werden in zwei verschiedene Bauformen verwendet:

• als räumlich aufgebauter Tripod
• als planar aufgebauter Tripod.

Bei beiden Varianten handelt sich um eine Parallelschaltung von Federkörpern. Beide Varianten benötigen pro Federkörper miindestens zwei Wheatstone'sche Brückeschaltungen, welche so aufgebaut sind, dass sie auf zwei zueinander senkrechte Lastfälle sensitiv reagieren und den jeweils anderen Lastfall besonders gut kompensieren.

Varianten mit vier Federkörpern

Ähnlich wie bei den Varianten mit drei Federkörpern muss jeder Federkörper mit zwei Wheatstone'schen Brückeschaltungen ausgestattet sein.

[1] Dae-Im Kang, Hong-Ho Shin, Jong-Ho Kim and Yon-Kyu Park: "Design and Analysis of a Column Type Multi-Component Force/Moment Sensor". Proceedings of the 17th International Conference on Force, Mass, Torque and Pressure Measurements, IMEKO TC3, 17-21 Sept. 2001, Istanbul, Turkey

[2] Paul C. Watson, Samuel H. Drake: "Method and Apparatus for Six Degree of Freedom Force Sensing". US Patent No. US 4094192, 1978.

[3] D. Grinevsky, A. Formalsky, A.Schneider: "Force Control of Robotics Systems", CRC Press LLC, 1997.

[4] Weiler. "Handbuch der Kraftmesstechnik", ...

[5] Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH: "Kraft-Momenten-Sensor". Patentschrift DE 4101732 C2, 1994.

[6] Office national d'études et de recherches aérospatiales (ONERA): "Poigneta detection de six composantes d'effort". FR 82 11181, 1983.

[7] Technische Universitat Ilmenau: "Vorrichtung zur simultanen Erfassung von Kraft- und Momentenkomponenten", Patentschrift  DE10 2011 106 894 B3, 2012.