Hattengelyes erő-nyomatékmérő szenzor tervezése, gyártása, kalibrálása
Hattengelyes erő-nyomatékmérő szenzor tervezése, gyártása, kalibrálása
Bauer Márk Ottó MSc I. évf., Hodosán Zsolt MSc II. évf.
e-mail: mrmarkbauer@gmail.com
hodosan.zsolt@t-online.hu
Konzulens: Tóth András, Gyártástudomány és - technológia Tanszék
e-mail: toth@manuf.bme.hu
A TDK dolgozatunkban egy olyan hattengelyes erő és nyomaték mérésére alkalmas szenzor fejlesztését mutatjuk be, mely a Műszaki Mechanikai Tanszék és a Gyártástudomány és- technológia Tanszék COSMOSYS projektjében a REHAROB gyógytornáztató robotok erőszabályozásában vesz részt. A házi fejlesztést az indokolta, hogy egy külső cégtől vásárolt, majd tönkrement szenzort költséghatékonyan és műszakilag a meglévő rendszerhez illeszthetően másképp nem tudtuk pótolni.
Első lépésben áttekintettük a témához köthető irodalmakat, illetve alapos mechanikai és elektronikai elemzésnek vetettük alá a Tára Kft. által gyártott szenzort. Az így kapott információk segítségével meg tudtuk határozni a számunkra megfelelő geometriát [1], el tudtuk végezni a szükséges mechanikai [2] és elektronikai méretezést [3], illetve ki tudtunk dolgozni a kalibrációs mátrix meghatározásához szükséges mérési eljárást [4].
A geometria megtervezése során olyan speciális kritériumokat is meg kellett fogalmaznunk, mint például a túlterhelés ellenni védelem. A mérőtestet több változatban modelleztük és végeselemes módszer segítségével ellenőriztük, amíg az egyes irányokban elvárt maximális terhelés értékét megkaptuk. Elkészítettük a gépészet alkatrész- és összeállítási rajzait. A bonyolult alkatrészeket alvállalkozó, míg az egyszerűbb alkatrészeket mi magunk készítettük el.
A szükséges elektronikai alkatrészeket kiválasztottuk és a jelerősítőt és feldolgozót megterveztük. A mérőtestre összesen 24 darab nyúlásmérő bélyeget ragasztottunk fel, melyeket hat –egyenként négy darab bélyeget tartalmazó – teljes hídba kötöttünk. A szenzor belsejébe került elhelyezésre a bélyegek által adott analóg jelek erősítésére szolgáló nyomtatott áramkörök, melyekkel egy megfelelő minőségű jel-zaj viszonyt sikerült elérnünk.
A felbélyegzett, bekábelezett, majd összeszerelt szenzor kalibrációs mátrixának meghatározásához a robotvezérlőben elhelyezett, erő adatokat feldolgozó kártya környezetében felépítettünk egy kalibrálásra alkalmas mérőcellát. A cella elemekből összerakható készülék (EÖK) felhasználásával valósult meg. A kalibrálás meghatározott irányokban és módon, ±5 gramm pontosságú tömeggel történt. Az így kapott nyers adatokat egy számítótáblába importáltuk, amelybe a kalibrációs algoritmust előre feltöltöttük.
Végül méréssel ellenőriztük a szenzor műszaki paramétereit: a névleges, és a csúcsterheléseket, a linearitást, az ismétlési pontosságot, a felbontást, a tengelyenkénti nullpontkúszást. Költségelemzést végeztünk és elkezdtük a szenzor orvostechnikai tanúsításához szükséges információk összegyűjtését.
Irodalom:
1. Jong Ho Kim, Hyun Joon Kwon, Dong-Ki Kim: 6-axis sensor structure using force sensor and method of measuring force and moment therewith. Szabadalom, kiadási szám: US8156823 B2, (2012), http://www.google.com.lb/patents/US8156823.
2. Junqing Ma, Aiguo Song: Fast Estimation of Strains for Cross-Beams Six-Axis Force/Torque Sensors by Mechanical Modeling. Jiangsu Key Lab of Remote Measurement and Control, School of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China, 2013
3. Alpek Ferenc: Műszer- és méréstechnika (méréstechnológia és mérésautomatizálás a gépgyártásban), előadás jegyzet, Budapest, 2007/2008, 10-15 old.
4. Takeshi Ohsato, Yusuke Hirabayashi: Six-axis force sensor. Szabadalom, kiadási szám: US6823744 B2 (2004), http://www.google.com/patents/US6823744
