Traceable static and dynamic calibration of multi-component sensors for force and torque measurements
Final Report Abstract
Mittels unterschiedlicher optischer Messverfahren basierend auf dem Prinzip der Photogrammetrie wurde die Geometrie einer an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt installierten Referenzmesseinrichtung für Mehrkomponentensensoren analysiert. Dabei konnte die Unsicherheit der benötigten Geometrieparameter deutlich gegenüber dem bisherigen Stand reduziert werden. In Kombination mit einem überarbeiteten physikalischen Modell der Anlage wurde eine umfangreiche Messunsicherheitsanalyse durchgeführt. Mit dieser Analyse konnte gezeigt werden, dass die Anlage mit einer relativen Unsicherheit von ≤ 2, 2 · 10^−4 (mit Ausnahmen in einzelnen Laststufen und -richtungen) eine einmalige Stellung im weltweiten Vergleich einnimmt. Zusätzlich konnte mit der Analyse der Einfluss der Geometrie und deren Unsicherheit auf die Kraft- und Momentenreferenzen aufgezeigt werden. Die Bestimmung der Koordinatentransformation zwischen Referenzsystem und einem zu kalibrierenden Sensor stellte eine weitere Herausforderung im Projekt dar. Hierzu wurde eine Strategie entwickelt, mit der sowohl die Ausrichtung als auch die Kalibriermatrix des Sensors aus einem Satz von Messungen bestimmt werden kann. Bei dem Vergleich zwischen der so ermittelten Kalibriermatrix mit der vom Hersteller ermittelten Kalibriermatrix konnten gute Übereinstimmungen in der Hauptdiagonale, welche den Sensitivitäten der einzelnen Sensorachsen entspricht, erreicht werden. Bei den Elementen der Nebendiagonalen, welche das Übersprechen zwischen den einzelnen Sensorachsen beschreiben, wurden deutliche Abweichungen festgestellt. Diese Abweichungen können durch eine mögliche Abweichung zwischen den herangezogenen Koordinatensystemen im Sensor erklärt werden. Für spätere Kalibrierungen oder Vergleichsmessungen ist daher eine genaue Definition der verwendeten Koordinatensysteme unabdingbar. Die dynamische Untersuchung eines kommerziell erhältlichen Mehrkomponentensensors erfolgte auf einem angepassten Versuchsaufbau eines elektromagnetischen Schwingerregers. Hierzu wurde ein photogrammetrisches Messsystem entwickelt und aufgebaut, welches die Pose einer Belastungsmasse zeitaufgelöst mit sechs Freiheitsgraden bestimmen kann. Aus der zeitlichen Abfolge der ermittelten Posen wurde die Beschleunigung der Lastmasse und daraus die auf den Sensor wirkende Referenzkraft berechnet. Zur Anregung einzelner Kraft- und Momentkomponenten wurden spezielle Belastungskörper und Adaptionselemente entworfen und gefertigt. Diese erlauben die Anregung von Kraftvektoren in den Achsen des Sensorkoordinatensystems annähernd ohne überlagerte Momente sowie die Anregung von Momentfektoren mit Überlagerung lediglich einer Kraftkomponente in der selben Achse. Somit kann der Einfluss eines Übersprechens zwischen den einzelnen Sensorachsen reduziert werden. Mit dem beschriebenen Aufbau wurden Versuche zur Bestimmung der dynamischen Sensitivität sowie zur Ermittlung der Parameter eines physikalischen Modells des Sensors durchgeführt. Für Frequenzen bis 500 Hz beziehungsweise bis zur ersten Resonanzfrequenz des Aufbaus ergeben sich gute Übereinstimmungen zwischen statischen Werten, Auswertung mittels Photogrammetrie und Auswertung mittels Laservibrometer. Oberhalb von 500 Hz zeigte sich eine zunehmende Abweichung zwischen photogrammetrischen Messungen und Laservibrometer. Als Gründe hierfür kann die geringe Auslenkung des mechanischen Aufbaus bei höheren Frequenzen in Kombination mit der Ortsauflösung des photogrammetrischen Systems aufgeführt werden.
Publications
- „Geometric characterization of a hexapod-structured calibration device for multi-component force and moment transducers“. In: International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT), 2016
J. Nitsche, M. Petz, D. Röske, R. Kumme und R. Tutsch
- „Influence of coordinate system alignment on the calibration of multicomponent force and moment sensors“. In: IMEKO TC3, TC5, TC22 International Conference 2017
J. Nitsche, D. Röske und R. Tutsch
- „Measurement uncertainty evaluation of a hexapod-structured calibration device for multi-component force and moment sensors“. Metrologia 54 (2) (2017), S. 171–183
J. Nitsche, S. Baumgarten, M. Petz, D. Röske, R. Kumme und R. Tutsch
(See online at https://doi.org/10.1088/1681-7575/aa5b66) - „Unsicherheitsabschätzung bei der Kalibrierung sechsachsiger Kraft-Momenten-Sensoren“. In: 8. Fachtagung Messunsicherheit praxisgerecht bestimmen. Hrsg. von VDI Wissensforum. Düsseldorf, 2017
J. Nitsche, D. Röske u. a.
- „Design of a calibration setup for the dynamic analysis of multi-component force and moment sensors“. Journal of Physics: Conference Series 1065 (Aug. 2018), S. 042004
J. Nitsche, S. Bruneniece, R. Kumme und R. Tutsch
(See online at https://doi.org/10.1088/1742-6596/1065/4/042004) - „Dynamic characterization of multi-component sensors for force and moment“. Journal of Sensors and Sensor Systems 7 (2) (Nov. 2018), S. 577–586
J. Nitsche, R. Kumme und R. Tutsch
(See online at https://doi.org/10.5194/jsss-7-577-2018) - „Dynamische mehrdimensionale Kraftmesstechnik mittels Nahbereichsphotogrammetrie“. In: Photogrammetrie - Laserscanning - Optische 3D-Messtechnik. Hrsg. von Thomas Luhmann und Christina Schumacher. 2018, S. 22–29
J. Nitsche, J. Frese, R. Kumme und R. Tutsch
- „Invited: Application of photogrammetry for the dynamic characterization of 6DOF force and moment sensors“. In: International Symposium on Optomechatronic Technologies (ISOT), 2018. 2018
R. Tutsch, J. Nitsche und R. Kumme
