Entwicklung eines Konzeptes für eine Thermalkammer zur Kalibrierung von Drehmomentsensoren

Kurzfassung

Roboter in der Industrie sind meist schwer, steif und positionsgeregelt, weshalb sie auf Änderungen in ihrer Arbeitsumgebung bspw. wenn ein Mensch in ihren Arbeitsraum eingreift, oder Objekte verschoben werden, nicht reagieren können. Für diese Eigenschaft benötigen die Roboter z.B. Kraft- und Momentsensoren, in Verbindung mit einer entsprechend implementierten Regelung. Im Robotic and Mechatronik Center (RMC) des deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) werden robotische Systeme entwickelt, die diese Eigenschaften aufweisen sollen. Eines der neusten Projekte vom RMC ist die Entwicklung des raumfahrtqualifizierten Roboterarms CAESAR (Compliant Assistance and Exploration Space Robot). In dieser Phase der Entwicklung wird der Drehmomentsensor des Gelenkes von einem Drehmomentsensorteststand kalibriert und verifiziert. Damit die robotischen Systeme effektiver arbeiten, müssen die Sensoren auch hinsichtlich Störeinflüsse einwandfrei funktionieren. Einer der größten Störeinflüsse ist die Temperatur, die die Sensoren so beeinflussen kann, dass die Messergebnisse nicht mehr mit der Realität übereinstimmen. Um dies zu minimieren, müssen die Sensoren bei unterschiedlichen, zu erwartenden Arbeitstemperaturen getestet werden. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird daher ein bereits verfügbarer Drehmomentsensorteststand um eine Thermalkammer erweitert. Hierfür werden zwei Konzepte entwickelt. Konzept 1 arbeitet mit einem temperierten Luftstrom in der Kammer. Wobei Konzept 2 einen fluidtemperierten Wärmetauscher verwendet, der mechanisch und damit über Wärmeleitung mit dem Sensor verbunden ist. Mithilfe einer Nutzwertanalyse werden diese mit einander Verglichen. Dabei zeigt sich, dass das zweite Konzept die geeignetere Wahl ist. Anschließend wurde die Verlustleistung der Thermalkammer für zwei verschiedene Größen berechnet. In der größeren der beiden Kammern soll das komplette Gelenk getestet werden und in der Kleineren nur der Sensorkörper. Die Berechnung wurde für unterschiedliche Dämmmaterialien wie Luft und Aluminium Verbundplatten durchgeführt. Die Kalkulation wird für die Wärme- als auch Kühlleistung bestimmt. Durch die Berechnung und einigen anderen Gründen, welche in Kapitel 5 beschrieben werden, stellte sich heraus, dass die kleine Thermalkammer gebaut werden soll und als Dämmmaterial die Aluminium Verbundplatten verwendet wird. In diesem Kapitel, wird ebenfalls auf Konstruktionskonzepte wie z.B. der Einbau eines Fensters und eines Deckels eingegangen. Abschließend wurde ein Entwurf der Thermalkammer erstellt und von diesem technische Zeichnungen abgeleitet.