Was versteht man unter Mehrachsensensoren?
Ein Mehrachsensensor ist ein Kraft-Drehmoment-Aufnehmer, der bis zu sechs verschiedene Kräfte (Fx, Fy, Fz) und Drehmomente (Mx, My, Mz) in drei Raumrichtungen misst und in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt. Mehrachsensensoren werden auch als Mehrkomponenten-Aufnehmer oder Kraft-Drehmoment-Sensoren bezeichnet (z. B. 2-Achsen-Kraftsensor, 3-Achsen-Kraftsensor, 6-Achsen-Sensor, 6-Achsen-Kraftmessdose, 6-DoF-Kraftmessdose).
Ein Mehrkomponentensensor (auch allgemein als Kraft-Drehmoment-Sensor oder Mehrkomponenten-Kraftmessdose bekannt), der zur Messung in alle räumlichen Richtungen ausgelegt ist: Kräfte in Zug und Druck (±Fx, ±Fy und ±Fz) sowie Drehmomente oder Momente im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn (±Mx, ±My oder ±Mz).
Diese speziellen Kraft-Drehmoment-Sensoren sind mit mehreren Dehnungsmessstreifenbrücken ausgestattet, die die in eine Richtung wirkenden Kräfte und Drehmomente genau messen, wobei es kaum oder gar keine Übersprechstörungen durch in andere Richtungen wirkende Kräfte oder Momente gibt.
In Anwendungen, in denen mehrere Kraft- und Drehmomentvektoren gleichzeitig in x-, y- und z-Richtung gemessen werden müssen, sind Mehrachsensensoren die optimale Wahl.
Dank ihrer kompakten Bauweise sparen Mehrkomponenten-Messumformer im Vergleich zur alternativen Lösung mit mehreren einachsigen Kraftmessdosen und/oder Drehmomentsensoren viel Platz und Zeit bei der Montage und Installation.
Was ist Übersprechen (Crosstalk)?
Eine Mehrachsen-Kraftmessdose ist so konstruiert, dass sie Kraft und Drehmoment in jeder ihrer Achsen bzw. Kanäle unabhängig voneinander misst. Aufgrund der physikalische Wirkung der Querkontraktion (Poisson-Kräfte) dehnt sich das Biegematerial jedoch senkrecht zur Richtung der aufgebrachten Last aus oder zieht sich zusammen. Wird eine Last oder ein Drehmoment nur in eine Richtung aufgebracht, ergibt sich daher aufgrund der Querempfindlichkeit des Sensors auch in der anderen Achse ein minimales Ausgangssignal.
Übersprechpegel gehören zu den technischen Spezifikationen von Mehrachsen-Drehmomentsensoren. FUTEK-Sensoren weisen üblicherweise Übersprechpegel von 2–4 % des Ausgangssignals auf. Erfreulicherweise lassen sich Übersprechabhängigkeiten zwischen Kräften und Drehmomenten bereits in der Designphase der 6-DoF-Kraftmessdose (oder der 2-Achsen-Kraftmessdose) mathematisch kompensieren.
Welche Arten von Mehrachsensensoren gibt es?
Die Mehrkomponentensensoren unseres Partners FUTEK können in vielen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein Last- oder Drehmomentvektor in Form von x-, y- und z-Positionskoordinaten (Fx, Fy, Fz und Mx, My, Mz) beschrieben werden muss.
– 2-Achsen-Kraftmessdose (Fx, Fy): Der biaxiale Kraftmessarm MBA400 ist so konstruiert, dass er Kräfte sowohl in Fx- als auch in Fy-Richtung (Zug und Druck) messen kann.
– 2-Achsen-Drehmoment- und Schubkraftsensor (Fz, Mz): Der Drehmoment- und Schubkraftsensor MBA500 ist so konzipiert, dass er sowohl die Lastrichtung (Fz) als auch die Reaktionsdrehmomentrichtung (Mz) misst.
– Flache 3-Achsen-Kraftmessdose für Schub und Drehmoment (Fz, Mx, My): Die 3-DoF-Kraftsensoren MTA500 und MTA505 sind so konzipiert, dass sie Zug- und Druckkräfte in Fz-Richtung sowie Reaktionsdrehmomente in Mx- und My-Richtung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn messen können.
– 3-Achsen-Kraftmessdose (Fx, Fy, Fz): Die 3-DoF-Kraftsensoren MTA400 und MTA600 sind zur Messung von Zug- und Druckkräften in Fx-, Fy- und Fz-Richtung ausgelegt.
– Kundenspezifische Mehrachsensensoren: Unser Ingenieurteam entwickelt auch kundenspezifische Mehrachsen-Wägezellen , einschließlich 6-Achsen-Wägezellen (auch bekannt als 6-DOF-Kraftsensor ), die Ihren Anforderungen und Kapazitäten entsprechen. Wir halten mehrere kundenspezifische Einheiten auf Lager und können diese kurzfristig liefern. Die Sensoren werden mittels Metallfolientechnik gefertigt.
Was sind typische Anwendungen für mehrachsige Sensoren?
Eine der herausragendsten Entwicklungen ist der speziell für die Mars-Rover-Mission Curiosity entwickelte Mehrachsen-Kraftsensor.
FUTEK konstruierte einen dreiachsigen, kryogenen Kraftsensor für den Einsatz an Bord des Rovers im Marsboden. Dieser Mehrachsen-Kraft- und Drehmomentsensor ist für die Manöver des Roboterarms verantwortlich. Während sich der Arm bewegt, liefert der dreiachsige Sensor dem Bediengerät Rückmeldung über die wirkenden Kräfte und die Torsion. Dieser Mehrachsen-Wandler ist notwendig, um eine Überbeanspruchung des Arms zu verhindern.
Für experimentelle Treibstoffe, Aerospikes und andere experimentelle höhenkompensierende Düsen sind Bodenversuche erforderlich, um deren Schubkurven und spezifischen Impuls unter statischen Testbedingungen zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wird eine Kraftmessdose der LCF-Serie zwischen dem Raketentriebwerk und dem Schubprüfstand für Raketentriebwerke eingesetzt.
Die Messung von Drehmoment und Schubkraft beim Bohren ist ein potenzielles Anwendungsgebiet für Mehrachsensensoren. Anhand der Bohrmessdaten können Bediener und Fertigungsingenieure den Prozess optimieren, Prozessausfälle vermeiden, den Wartungs- oder Austauschbedarf von Bohrmaschinen oder Bohrmeißeln vorhersagen und die Auswirkungen der Bohrprozessparameter – wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Bohrmeißelgeometrie und -zusammensetzung – auf die Produktqualität untersuchen.
Bei Crashtests kommen mehrere mehrachsige Sensoren zum Einsatz. Die Testpuppen sind mit Crashtest-Sensoren ausgestattet , die an den Hauptgelenken und Gliedmaßen angebracht sind, sowie mit einem Datenerfassungssystem, das Aufprallgeschwindigkeit, Brustkorbverlagerung, Verzögerungsraten und hochfrequente Kräfte, die zu verschiedenen Zeitpunkten auf die Testpuppe einwirken, aufzeichnet.
Bei Sensoren für humanoide Roboter stehen Präzision, Beweglichkeit und Sicherheit an erster Stelle. Kraft- und Drehmomentsensoren sind so konzipiert, dass sie sowohl feinfühlige Manipulationen als auch robuste Bewegungen ermöglichen.
Eine weitere gängige Anwendung von Mehrkanal-Kraftsensoren in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind Windkanäle. Diese werden in der aerodynamischen Forschung eingesetzt, um die Auswirkungen von Luftströmungen an festen Objekten, sogenannten Modellen, zu untersuchen. Ein Modell wird auf einer stationären Kraftmessdose mit drei Freiheitsgraden montiert , die die auf das Testobjekt (z. B. ein Flugzeug) wirkende Kraft (Druck) misst. Eine triaxiale Kraftmessdose wird mit Instrumentierung (z.B. Verstärker der IAA-Serie und USB-Lösungen ) kombiniert. Gegebenenfalls ist auch ein Drucksensor erforderlich.