Entwicklung einer Vorrichtung zur Selbstkalibrierung einer 6-DoF-Lastzelle für einen Hartgesteinsprüfstand

Zur Erprobung und Entwicklung von Hartgesteinsschneidwerkzeugen, wird von der Firma Sandvik Mining and Construction G.m.b.H. ein High-Load-Rock-Cutting-Test-Rig (HLRCTR) betrieben. Ziel ist das wirtschaftliche und sichere Lösen von Hartgestein mit UCS-Werten von über 150 MPa unter Anwendung der Hinterschneidtechnik (Undercutting-Technology). Im Fokus dieser Arbeit steht die eingesetzte 6-DoF-Lastzelle am HLRCTR, mit welcher die auftretenden Kräfte und Momente gemessen werden. Durch eine präzise Kalibrierung und entsprechende Ermittlung der Kalibriermatrix wird die Messgenauigkeit signifikant erhöht und dadurch werden Kopplungseffekte der einzelnen Kanäle kompensiert. Zwei gängige Kalibriermethoden und deren Einflussfaktoren, welche die Präzision und Messgenauigkeit beeinflussen, können beschrieben werden, statische und dynamische Kalibrierverfahren. Die vorliegende Arbeit unterstreicht die Wichtigkeit und den steigenden Bedarf an Kalibrier- und Verifizierungsverfahren für Lastzellen in industriellen Anwendungen. Um die Sensibilität der Lastzelle zu überprüfen, werden Berechnungsgrundlagen zur Ermittlung der Fingerprints geschaffen und ein Kalibrieraufsatz, bestehend aus einer Schweißkonstruktion mit 153 kg, wurde entwickelt; dieser dient als Referenzaufbau. Durch Kalibriertests mit Gewichtsvariationen im Bereich von 1 ¿ 10 kg werden lineare Zusammenhänge zwischen den Belastungswerten und dem quadratischen Mittelwert der Abweichungen (RMSE) aufgestellt. Zur Definition der Abweichungsgrenzen werden Grenzlastbereiche von 500 N für die Kraft- und 100 Nm für die Momentkomponenten ausgewählt. Daraus resultieren Abweichungslimits von etwa 4 % für die Fx-Komponente, bis hin zu 48 % für die Fz-Komponente. Aufgrund dieser hohen Abweichung wird der Fz-Messkanal als besonders kritisch eingestuft und ist daher nur bedingt für eine zuverlässige Bewertung geeignet. Aufgrund der Verfügbarkeit, der geringen Komplexität, sowie der niedrigen Investitionskosten, wird ein statisches Kalibrierverfahren mit hydraulischer Krafteinleitung zur Selbstkalibrierung empfohlen.