Moment 101

Ein Moment ist das Maß für die Tendenz einer Kraft, eine Rotationsbewegung, Biegung oder Neigung zu verursachen, wenn sie in einem gewissen Abstand von einem festen Punkt oder einer Achse angreift. In der Kraftmessung bezeichnet Bewegung die physische Verschiebung oder Drehung, die auftritt, wenn eine unausgeglichene Kraft auf ein Objekt einwirkt.

Jede einwirkende Last erzeugt entweder eine geradlinige Bewegung, eine Rotationsbewegung oder – wenn diese Bewegung physisch verhindert wird – innere Spannungen. Wirkt eine Kraft direkt durch den Mittelpunkt eines Objekts, entsteht eine reine lineare Bewegung. Wird diese Kraft jedoch in einem Abstand von einem festen Punkt oder einer zentralen Achse aufgebracht, entsteht ein Hebelarm, der die physische Tendenz erzeugt, eine Struktur zu biegen, zu neigen oder zu kippen. Um Kräfte im dreidimensionalen Raum präzise zu messen, müssen sowohl geradlinige Kräfte als auch die durch außermittige Lasten erzeugten Momente berücksichtigt werden.

Moment versus Drehmoment bei Mehrachsensensoren

Ein Moment ist die Rotationswirkung, die entsteht, wenn eine Kraft in einem Abstand von einem festen Punkt oder einer zentralen Achse angreift und dabei versucht, eine Struktur zu biegen, zu neigen oder zu kippen. Drehmoment ist ein Sonderfall eines Moments, bei dem die Rotationskraft direkt entlang einer zentralen Achse wirkt und ein Bauteil um seine Mittelachse verdreht.

In einem Mehrachsensensor werden komplexe Lasten in drei senkrecht zueinander stehende Richtungen zerlegt. Seitliche und vertikale lineare Kräfte sind reine Schub- oder Zugkräfte entlang der Sensoroberfläche und der zentralen Höhenachse.

Biegemomente erfassen die Kipp- oder Neigungskräfte, die versuchen, den Sensor um seine horizontalen Achsen zu überschlagen. Gleichzeitig isoliert das Drehmoment die reine Verdrehkraft, die um die zentrale vertikale Achse wirkt. Das Verständnis dieser kombinierten Belastungsrichtungen ermöglicht es Ingenieuren, das vollständige Rotations- und Linearspannungsprofil gleichzeitig zu bewerten.

Wie Momentmessungen in der Prüftechnik eingesetzt werden

Sensoren messen Momente, indem sie geringste Dehnungen oder Stauchungen in speziellen internen Metallstrukturen erfassen. Statt nur eine einzelne Kraftrichtung zu bewerten, liefern Momentmessungen Prüfingenieuren ein vollständiges Bild komplexen mechanischen Verhaltens.

Durch den Vergleich der rotatorischen Biegekraft mit der linearen Kraft können Ingenieure die genaue physische Stelle berechnen, an der eine außermittige Kraft auf eine Struktur trifft. Diese Fähigkeit ist entscheidend, um schädliche Biegespannungen zu erkennen, die mechanische Bauteile im Laufe der Zeit brechen oder ermüden lassen – selbst wenn reine Schub- und Zugkräfte innerhalb der sicheren Betriebsgrenzen bleiben.

Darüber hinaus liefern Momentmessungen automatisierten Steuerungssystemen Echtzeit-Rotationsrückmeldungen, sodass robotische Endeffektoren ihren Winkel, ihre Position oder Greifkraft kontinuierlich anpassen können, wenn sie auf unerwarteten außeraxialen Widerstand treffen.

TIPP: Mehr zu Kraft- und Momentmessungen erfahren Sie in den Grundlagen der Mehrachsensensorik.

Fünf technische Spezifikationen für Sensoren zur Momentmessung

• Kanalkapazität: Die maximale lineare Kraft oder rotatorische Biegekraft, die eine einzelne Messrichtung sicher aufnehmen kann.
• Signalausgangsempfindlichkeit: Die vom Sensor bei maximaler Nennkapazität erzeugte elektrische Signalstärke, gemessen in Millivolt Signal pro Volt Versorgungsspannung.
• Messabweichung: Die geringe Abweichung zwischen der tatsächlich aufgebrachten Last und dem vom Sensor angezeigten Messwert, üblicherweise innerhalb eines Bruchteils eines Prozents.
• Kanalübersprechen (Interferenz): Das kleine, unerwünschte Signal, das an einem unbelasteten Messkanal entsteht, wenn eine hohe Kraft auf einen anderen Kanal wirkt.
• Überlastgrenze: Die maximale Kraft oder das maximale Moment, das ein Sensor über seine Nennlast hinaus aufnehmen kann, bevor innere Bauteile dauerhaft verformt werden oder brechen.

Technische Überlegungen für momentmessende Mehrachsensensoren

Ein Moment ist die allgemeine physikalische Messgröße für jede Rotationskraft, die entsteht, wenn eine einwirkende Last in einem Abstand von einem Bezugspunkt oder zentralen Ursprung angreift. Je nachdem, wie dieser Kraftvektor zur Geometrie eines Objekts ausgerichtet ist, kann ein Moment eine Struktur zum Kippen, zum Verdrehen entlang ihrer Mittelachse oder zum Biegen über ihren Querschnitt bringen. Bei Mehrachsensensoren repräsentieren Momente alle Rotationsneigungen im dreidimensionalen Raum und liefern ein vollständiges Bild davon, wie außermittige oder mehrdirektionale Kräfte mit einem physischen System interagieren.

Bei der Konstruktion und Auswahl von Mehrachsensensoren zur Momentmessung müssen die physikalischen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Kraftrichtungen berücksichtigt werden:

Konstruktion der internen Struktur

Mehrachsensensoren nutzen spezielle interne Metallstrukturen, um unterschiedliche Bewegungsarten zu isolieren. Manche Konstruktionen verwenden ein einzelnes massives Metallstück, das so geformt ist, dass es lineare Kräfte und Rotationsmomente gemeinsam aufnimmt, während andere einfachere Einzelrichtungssensoren in einem gemeinsamen Rahmen stapeln.

Signalkorrekturberechnungen

Da sich eine einzelne physische Struktur unter jeder Last leicht verformt, kann eine in eine Richtung wirkende Kraft geringfügige physische Verschiebungen in eine andere Richtung verursachen. Um dieses Kanalübersprechen zu korrigieren, verwenden Mehrachsensensoren Verarbeitungsalgorithmen, die alle Brückenausgänge kombinieren, um die tatsächlichen Kraft- und Momentwerte zu extrahieren.

Umgang mit kombinierten außermittigen Lasten

Im realen Betrieb treten Kräfte selten isoliert auf. Ein außermittiger Druck erzeugt sowohl eine lineare Kraft als auch ein Biegemoment. Ingenieure müssen die kombinierte Spannung aus allen wirkenden Kräften berechnen, um sicherzustellen, dass die Gesamtlast die strukturellen Grenzen des Sensors nicht überschreitet.

HINWEIS: Ein Biegemoment ist eine spezielle Art von Moment, das senkrecht zur Hauptachse eines Bauteils oder Sensors wirkt. Statt ein Objekt entlang seiner Länge zu verdrehen, versucht ein Biegemoment, die Struktur zu krümmen, zu wölben oder zu überschlagen. Dabei entstehen gleichzeitig Zug auf der einen Seite der internen Messfeder und Druck auf der gegenüberliegenden Seite – Effekte, die spezielle Dehnungsmessstreifen-Brücken erfassen, um außeraxiale Biegelasten zu isolieren und zu messen.

Interface-Kraft- und Momentsensor-Modelle

Interface bietet mehrere Mehrachsensensor-Baureihen, die gleichzeitig Kräfte und Momente messen.

2-Achsen-Sensoren

TXY-Kraftmessdosen messen Kräfte gleichzeitig entlang zweier senkrecht zueinander stehender Achsen (X und Y), um zweiachsige Biege- oder Schubkräfte zu bewerten.

3-Achsen-Sensoren

• 3A-Serie (3A40, 3A120, 3A160, 3A300) sind quadratische 3-Achsen-Sensoren, die lineare Kräfte entlang der X-, Y- und Z-Achse gleichzeitig messen.
• 3AR-Serie sind runde 3-Achsen-Kraftsensoren für beengte Einbauräume mit geringem Kanalübersprechen auf allen drei Achsen.
• 3AFM-Serie sind 3-Achsen-Kraft-Drehmoment-Messdosen, die kombinierte lineare und rotatorische Kräfte in einer einzigen Einheit messen.
• 5200XYZ ist eine LowProfile-3-Achsen-Messdose, die Momentlasten zusammen mit Axiallasten misst, um Schwerpunkt oder Fluchtungsfehler zu bestimmen.

6-Achsen-Sensoren

Die Modelle 6A27, 6A40, 6A68, 6A150, 6A225 und 6A300 sind monolithische 6-Achsen-Messdosen, die alle sechs Komponenten gleichzeitig messen: drei lineare Kräfte (Fx, Fy, Fz) und drei Rotationsmomente/Drehmomente (Mx, My, Mz).

TECHNISCHER HINWEIS: Zur Berechnung der Kräfte und Momente aus den sechs Messsignalen wird eine Kalibrierungsmatrix benötigt. Die Kalibrierungsmatrix definiert die Beziehung zwischen den sechs Messsignalen und den Kräften Fx, Fy, Fz sowie den Momenten Mx, My und Mz. Der Einsatz spezieller Kalibrierungsmatrizen (Matrix Plus) kann die Genauigkeit verbessern und das Übersprechen für einen bestimmten Lastfall minimieren.

Beispiele für Momentanwendungen

Branchen von der Automobilindustrie bis zur Luft- und Raumfahrt nutzen Momentmessungen für vielfältige Prüfanwendungen. Hier einige Beispiele:

#1 – Momentmessung an Robotergelenken, um besser zu verstehen, wie sich ein mechanischer Arm nach außen streckt, um ein Objekt aufzunehmen. Das Gewicht erzeugt ein starkes Biegemoment im Handgelenk. Die Messung dieses Moments hält den Arm stabil.

#2 – Flugzeugflügeltests erfordern Momentmessungen. Der Wind erzeugt entlang der Flügeloberfläche Auftrieb, wodurch am Flügelansatz des Flugzeugrumpfs ein Biegemoment entsteht. Die Messung dieses Biegemoments bestätigt die strukturelle Festigkeit.

#3 – Momentmessungen am Fahrzeugrad sind für die Fahrzeugprüfung wertvoll. Fährt ein Fahrzeug eine enge Kurve, erzeugt die seitlich auf den Reifen wirkende Reibung neben dem vertikalen Fahrzeuggewicht ein Biegemoment an der Radnabe.

#4 – Bewegungsstudien am Menschen werden in verschiedenen medizinischen Anwendungen eingesetzt. Die Bewertung künstlicher Knie- oder Hüftgelenke erfordert die Messung sowohl der vertikalen Abwärtskraft eines Schritts als auch der durch Verdrehen oder Richtungswechsel verursachten Biegemomente.

Der Wert der Momentmessung

Momentmessungen mit Mehrachsensensoren beseitigen Vermutungen, indem sie ein vollständiges, dreidimensionales Bild der physikalischen Kräfte liefern. Statt anzunehmen, dass Kräfte entlang einer einzigen geraden Linie wirken, messen diese Werkzeuge lineare Schub- und Zugkräfte, Biegemomente und Drehmoment gleichzeitig an einem einzigen Messort.

Die Messung von Momenten schafft vollständige Transparenz und ermöglicht es Ingenieuren, unerwartete strukturelle Spannungen zu erkennen, sicherere Maschinen zu bauen, mechanische Konstruktionen hinsichtlich Gewicht und Haltbarkeit zu optimieren und automatisierten Systemen die präzise physische Rückmeldung zu liefern, die für die Navigation in komplexen realen Umgebungen erforderlich ist.

ZUSÄTZLICHE REFERENZ: Dimensions of Multi Axis Sensors