DD278644A1

DD278644A1 - Anordnung zur messung von spannungs- oder anderen kraeften

Info

Publication number: DD278644A1
Application number: DD32374488A
Authority: DD
Inventors: Holger Zander; Bernd Stange
Original assignee: Univ Dresden Tech
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1988-12-23
Publication date: 1990-05-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Spannungskraeften oder anderen Kraeften mit einem aus Einkomponentenmesselementen zusammengesetzten, orthogonalen Koordinatenkraftmesssystem bei unbekannter Lage der Einwirkungspunkte und der Richtung der Kraefte gegenueber den Koordinaten des Messsystems, vorzugsweise zur Ueberwachung von Werkzeug- und Maschinenbelastung, des Verschleisses von Werkzeugen sowie der Regelung von Maschinen nach Kraftsollwerten. Die erfindungsgemaesse Aufgabe wird dadurch geloest, dass je ein Paar Einkomponentenmesselemente auf einer in einem Punkt Z auf der z-Achse gescheitelten und um einen Winkel a zwischen 1 und 89 von der x-y-Ebene abgewinkelten Diagonalen liegt, die in der Drehung um die z-Achse aufeinanderfolgenden Diagonalen abwechselnd zu den Seiten der x-y-Ebene um denselben Winkel a abgewinkelt sind, alle Einkomponentenmesselemente denselben radialen Abstand zum Punkt Z aufweisen und die Diagonalen, in der Projektion auf die x-y-Ebene gesehen, symmetrisch zu den x- bzw. y-Koordinatenachsen liegen. Mit einer derartigen Anordnung ist es moeglich, mit nur vier Einkomponentenmesselementen, d. h., mit einem sehr kompakten Messsystem, alle Komponenten der Spannungskraefte in einem x-y-z-Koordinatensystem unabhaengig von der Lage des Kraftangriffspunktes genau zu messen. Die Anordnung hat darueber hinaus den Vorteil, dass sich sehr einfache rechentechnische Verknuepfungen zwischen den vier Ausgangssignalen und den Kraftkomponenten ergeben. Die Empfindlichkeit des Messsystems kann auf unterschiedliche Kraftkomponenten eingestellt werden. Fig. 3

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Spanungskräften oder anderen Kräften mit einem aus Einkomponentenmeßelementen zusammengesetzten Koordinatenkraftmeßsystem bei unbekannter Lage der Einwirkungspunkte und der Richtung der Kräfte gegenüber den Koordinaten des Meßsystems, vorzugsweise zur Überwachung von Werkzeug- und Maschinenbelastung, des Verschleißes von Werkzeugen sowie der Regelung von Maschinen nach Kraftsollwerten.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind bereits verschiedene Meßanordnungen zu o.g. Verwendungszweck bekannt.

In DD-WP 209519 wird 6ine Plattform zur Messung mehrerer orthogonaler Kraftkomponenten vorwendet. Den vier Eckpunkten sind je ein Geberblock mit drei orthogonal zueinander ansprechbare Einkomponentenmeßelementen und dazu in Wirkverbindiing ja drei einstellbare Widerlager zugeordnet. Die Widerlager selbst bestehen aus je einer in der Koordinatenrichtung der zu messenden Kraft einstellbaren und orthogonal hierzu geringfügig frei bewegbaren Kugel. Damit ist eine eindeutige Zuordnung zwischen den einwirkenden Kräften und der sicheren Ei rassung ihrer Komponenten auch bei unbekannter Lage der Einwirkungspunkte der Kräne in bezug auf das Koordinatensystem der Plattform gegeben. Allerdings ist der Aufwand erheblich.

Bei einer andei en Gruppe von Lösungen (z. B. DE-OS 301975¹) werden piezoelektrische Dreikomponentenkraftmeßgeber eingesetzt. Das führt in vorteilhafter Weise zu kompakteren Meßsystemen mit guter Gesamtsteifigkeit. Die Meßgeber selbst sind allerdings teuer.

Nach DE-OS 3440670 ist das Meßsystem mit nui 4 Einkomponentenmeßelementen aufgebaut. Sie sind in einer Ebene angeordnet und senkrecht zu dieser Ebene sensitiv. Die Ausgangssignale werden rechentechnisch verknüpft und den Komponenten zugeordnet. Zur richtigen Berechnung ist die Eingabe der Hebelarmlängen zwischen dem Meßsystem und den Krafteinwirkungspunkten erforderlich, d.h., spätestens nacli jedem Werkzeugwechsel ist neu zu messen und einzugeben. Bei einer vorgeschlagenen Lösung (DD-WP B !3Q/309770) werden bolzenartige, auf Druck vorgespannte Meßkörper mit abgeflachtem Mittelteil und darauf angeordneten Dehnmeßstreifen verwendet. Ein Teil davon wird paarweise, in einer Flucht liegend angeordnet, um vor allem hysteresebedingte Meßfehler zu minimieren. Die Unabhängigkeit von der jeweiligen Lage des Kraftangriffspunktes wird durch insgesamt 12 dieser Meßkörper realisiert: Vier Paar tangential in der x-y-Eberie des Werkzeugträgers und vier einzelne Meßkörper senkrecht zur x-y-Ebene. Alle sind symmetrisch um die z-Achse angeordnet. Die Meßkörp' r sind gegenüber den piezoelektrischen Dreikomponentenmeßelementen billiger. Die Kraftkomponenten können bei unbekannter Position des Kraftangriffspunktes am Werkzeug in bezug auf den Koordinatenursprung ermittelt werden. Allerdings sind 12 Einkomponentenmeßelemente in ein entsprechend voluminöseres Übertragungsglied einzubauen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein kompaktes und möglichst billiges Dreikomponentenmeßsystem hoher Staifigkeit zur Messung von Spanungskräften.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Komponenten der Spannungskräfte mit einer möglichst geringen Zahl auf Druck oder Zug vorgespannter, paarweise und symmetrisch um die z-Achse angeordneter Einkomponentenmeßelemente b si unbekannter Lage des Kraftangriffspunktes genau und in einer für die on-line-Verarbeitung der Signale im Rechner vorteilhaften Weise zu messen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß je ein Paar Einkomponentenmeßelemente auf einer in einem Punkt Z auf der z-Achse gescheitelten und um einen Winkel α zwischen 1 und 89° von der x-y-Ebene abgewinkelten Diagonalen liegt, dio in der Drehung um die z-Achse aufeinanderfolgenden Diagonalen abwechselnd zu den Seiten der x-y-Ebone um denselben Winkel α abgewinkelt sind, alle Einkomponentenmeßelemente denselben ι adialen Abstand zum Pur\kt Z aufweisen und die Diagonalen, in der Projektion auf die x-y-Ebeno gesehen, symmetrisch zu den x- bzw. y-Koordinatenachsen liegen. Bei einer derartigen Anordnung ist es möglich, mit nur vier Einkomponentenmeßelementen, d. h., mit einom sehr kompakten Meßsystem, alle Kraftkomponenten in einem x-y-z-Koordinatensystem unabhängig von der Lage des Kraftangriffspunktes genau zu messen. Die Anordnung hat darüber hinaus den Vorteil, daß sich sehr einfache rechentechnische Verknüpfungen zwischen den vier Ausgangssignalen A, bis A_w und den Kraftkomponenten F_x, F_Y und F_z ergeben. Entsprechend nachfolgender Gleichungen folgen die Komponenten aus einfachen, rechentechnisch schnell abarbeitbaren additiven Überlagerungen der Ausgangssignale unter Berücksichtigung jeweils eines durch die Kalibrierung des Meßsystems zu bestimmenden Faktors a, b oder c zur Umrechnung der Ausgangssignale in Kräfte.

F_x = ε x ( + A, + A,, - A,,, - A,_v) F_Y = b χ ( + A, - An - A_m + A_(v) Fz = c x ( + A, - A,, + A,,, - A,_v)

In einer vorzugsweisen Ausführung besteht das Übertragungsglied aus einem Außen- und einem Innenring sowie dazwischen angeordneten, speichenartig ausgebildeten Federelementen und sind die Einkomponentenmeßelemente jeweils zwischen dem Außenring und einem zwischen üon Federelementen angeordneten Widerlager angeordnet. Hierdurch kann bei großer empfindlichkeit der Meßkörper eine hohe Gesamtsteifigkeit des Meßsystems realisiert werden. Die Empfindlichkeit des Meßsystems kann innerhalb bestimmter Grenze" durch die Veränderung des Winkels α, der Abwinkelung der Diagonalen gegen die x-y-Ebene und der von den Projektionen der Diagonalen auf die x-y-Ebene eingeschlossenen Winkel φ auf stark unterschiedliche Kraftkomponenten eingestellt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer Überwachungseinrichtung für eine Drehmaschine mit einem Werkzeugträger gezeigt. Der Werkzeugträger bildet das Übertragungsglied zwischen dem Werkzeug und einem Maschinenteil. Er ist unter Verwendung von vier bolzenartigen Meßkörpern als Dreikomponentenkraftmeßsystem ausgebildet. In dan Zeichnungen zeigen

Fig. 1: die Draufsicht auf den Werkzeugträger mit einer ersten erfindungsgemäßen Anordnung der Meßkörper, Fig.2: denSchnitA-AausFig.1 und

Fig.3: die C aufsieht auf den Werkzeugträger mit einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung der Meßkörper.

Der Werkzeugträger mit den Meßkörpern 1 ist etwa speichenradartig ausgebildet. Das nicht dargestellte Werkzeug, z. B. ein Drehmeißel, ist am Werkzeugträgeraußenring 5 befestigt. Die am Kraftangriffspunkt des Werkzeugs eingeleiteten Kräfte werden vom Werkzeugträgeraußenring 5 über speichenartig ausgebildete Federelemente 8 auf den Werkzeugträgerinnenring übertragen.

Der flache, „weiche" Mittelteil der Meßkörper 1 ist mit Dehnmeßstreifen 2 und 3 beklebt. Die Meßkörper 1 werden im Werkzeugträger mit einer Verschlußschraube 4 auf Druck vorgespannt.

Das x-y-z-Koordinatensystem liegt mit seinem Koordinatenursprung Z etwa in der Mitte des Werkzeugträgers. Die z-Achse fällt mit der Achse des Werkzeugträgers zusammen.

Die Meßkörper 1 sind symmetrisch zur z-Achse u^d paarweise auf Diagonalen angeordnet. Die Diagonalen sind im Punkt Zum den Winkel α abgewinkelt. Die Abwinkelung der in Drehrichtur.g um die z-Achse aufeinanderfolgenden Diagonalen erfolgt abwechselnd zu den Seiten der x-y-Ebene, so daß bei einem Schnitt durch zwei in Dreh.ichtung aufeinanderfolgende Einkomponentenmeßelemente, wie ihn Fig. 2 zeigt, die Meßelemente dann scheinbar auf einer in Z nicht abgewinkelten, sondern durch Z durchgehenden und gegenüber der x-y-Ebene um den Winkel α geneigten Diagonale liegen. Die Projektionen der Diagonalen auf die x-y-Ebene schließen untereinander gleiche Winkel φ ein.

Die Meßkörper 1 sind in der Ausführung gemäß Fig. 1 innerhalb der Federelemente 8 und gemäß Fig. 3 zwischen dem Werkzeugträgeraußenring 5 und Widerlagern δ, die sich zwischen den Federelementen 8 befinden, angeordnet. In der ersten Ausführung sind die MeßWirper vollständig geschützt. Die zweite Ausführung hat dun Vorzug, dnß das Meßsystem bei Beibehaltung guter Empfindlichkeit der Meßkörper 1 steifer ausgebildet werden kann bzw. bei gleicher Steifigkeit empfindlicher ist, da nicht nur die tangentiale Biegung der Federelemente 8, sondern auch die radiale Durchbiegung der Teilstücke des Außenrings 5 zwischen den Federelementen 8 einen Beitrag zum Ausgangssignal liefert.

Claims

1. Anordnung zur Messung von Spanungs- oder anderen Kräften mit einem aus Einkomponentenmeßelementen zusammengesetzten Koordinatenkraftmeßsystem unter Verwendung eines Kraftübertragungsgliedes mit symmetrisch zu einem Punkt (Z) auf der z-Achse ausgebildeten komponentenbezogenen Steifigkeiten und auf Druck oder Zug vorgespannten, paarweise und symmetrisch um die z-Achse des Meßsystems angeordneten Einkomponentenmeßelementen, gekennzeichnet dadurch, daß je ein Paar * Einkomponentenmeßelemente (1) auf einer im Punkt (Z) gescheitelten und um einen Winkel α zwischen 1 und 89° von der x-y-Ebene abgewinkelten Diagonalen liegt, die in der Drehung um die z-Achse aufeinanderfolgenden Diagonalen abwechselnd zu den Seiten der x-y-Ebene um denselben Winkel α abgewinkelt sind, alle Einkomponentenmeßelemente (1) denselben radialen Abstand zum Punkt (Z) aufweisen und die Diagonalen, in der Projektion auf die x-y-Ebene gesehen, symmetrisch zu den x- bzw. y-Koordinatenachsen liegen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Übertragungsglied aus einem Außen- und einem Innt ^;ng sowie dazwischen angeordneten, speichenartig ausgebildeten Federelementen besteht und die Einkomponentenmeßelemente (1) jeweils zwischen dem Außenring (5) und einem zwischen den Federelementen (8) angeordneten Widerlager (6) angeordnet sind.