DD281727A7

DD281727A7 - Vorrichtung zur messung von kraeften und drehmomenten

Info

Publication number: DD281727A7
Application number: DD30931087A
Authority: DD
Inventors: Lutz Krause
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1987-11-23
Filing date: 1987-11-23
Publication date: 1990-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Kraeften und Drehmomenten, welche beispielsweise als Sensor an einem Industrieroboter verwendet werden kann. Die Vorrichtung ermoeglicht es, Kraefte und Drehmomente, die auf ein sensoreigenes Koordinatensystem bezogen sind, zu messen. Es werden relativ kleine Abmessungen sowie eine relativ kleine Masse erreicht. Geloest wird die Aufgabe durch die Applikation von sechs Dehnungsmeszstreifen-Bruecken an bestimmten Orten zweier sich kreuzender Balken.{Mesztechnik; Kraftmessung; Drehmomentmessung; Mehrkomponentenmessung; Federfuehrung; Federlager; mehrachsige Kraftmessung; mehrachsige Drehmomentmessung; Dehnungsmeszstreifen; Biegekoerper}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Messung der an einem Punkt angreifenden Kräfte und Drehmomente genutzt werden. V ^richtungen dieser Art eignen sich zum Beispiel als Sensoren an Industrierobotern.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Nach DE-OS 3213319 ist eine Einrichtung zur Messung von sechs Komponenten des Kraft-Momenten-Vektors bekannt, bei der

applizierte Dehnungsmeßstreifen in Brückenschaltung betrieben werden, die jeweils nur auf eine Komponente des

Kraft-Momenten-Vektors empfindlich sind. Es sind 32 DMS nötig und es werden hohe Ansprüche bei der Herstellung des Verformungsköroers und bei der Applikation der Dehnungsmeßstreifen gestellt. Nach DE-OS 2727704 ist ein Kraft-Momenten-Fühler bekannt, wobei Dehnungsmeßstreifen verwendet werden, die auf Speichen

und Stützen geklebt sind. Die Stützen stehen senkrecht auf den Speichen und es ist somit eine relativ große Bauhöhe notwendig.

Es werden mehr Dehnungsmeßstreifenbrücken als nötig verwendet. Das vergrößert den Aufwand bei der Herstellung dieses Gerätes und bei der Berechnung der Meßgrößen. Außerdem sind die Meßsignale von mehr als einer Meßgröße abhängig, so

daß Berechnungsaufwand vorhanden ist, welcher Kosten, Rechenzeit und Meßfehler zur Folge hat.

Nach DE-OS 2826131 ist eine mehrachsige Meßdose bekannt, wobei sechs Wegaufnehmer lose an eine federnd gelagerte Nabe

angekoppelt sind. Die Federelemente besitzen eine komplizierte Geometrie und erfordern deshalb hohen Fertigungsaufwand.

Die nur berührende Kopplung der Wegaufnehmer mit dem Verfc -mungskörper führt zu statischen Meßfehlern durch Reibung

und zu dynamischen Meßfehlern.

Es wurde bereits eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit der eine Kraft mittels einer Parallelfederführung und ein Drehmoment

mittels einer Biegefeder gemessen werden kann. Jedoch sind mit dieser Vorrichtung nur zwei Komponenten des

Kraft-Drehmoment-Vektors meßbar. Ziel der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die an einem Punkt angreifenden Krifte und Drehmomente gemessen werden können. Dabei soll ein Minimum an Meßsignalen vorhanden sein und durch Einsparung von Dehnungsmeßstreifen eine Reduzierung der Anzahl der meßbaren Kräfte und Drehmomente möglich sein. Relativ geringe Abmessungen und Masse sind erreichbar.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung von Kräften und Drehmomenten zu schaffen, mit der Kräfte in Richtung der Achsen eines Koordinatensystems und Drehmomente um die Achsen dieses Koordinatensystems gemessen werden können. Dabei sollen den sechs Meßgrößen sechs Meßsignale zugeordnet sein, die im wesentlichen von einer Meßgröße abhängig sind. Weiterhin soll eine Veränderung der Anpassung an die Meßaufgaben hinsichtlich Anzahl der Meßgrößen möglich ist.

Erfindungsgemäß wird das dadurch gelöst, daß innerhalb einer Einspannung ein Speicherkreuz, welches aus zwei Balken besteht, die in de:' Mitte miteinander fest verbunden sind und sich unter einem rechten Winkel in einer Ebene kreuzen, angeordnet ist. Einspannung und Speicherkreuz sind aus einem Stück herstellbar. Auf dem Speichenkreuz sind mindestens 12 Dehnungsmeßstreifen angeordnet und zu sechs Brücken verschaltet.

Die Brücke zur F„-Messung besteht aus Dehnungsmeßstreifen, die sich auf dem Balken, der sich in x-Richtung erstreckt, befinden.

Sie sind um die Strecke — von der Einspannung entfernt, wobei 1 die Entfernung zwischen Einspannung und Kreuzungspunkt 3

der Balken ist. Die F„-Dehnungsmeßstreifen i:'nd auf der x-z-Ebene des Querschnittes der Balken angeordnet. Die Brücke zur Fy-Messung besteht aus Dehnungsmeßstreifen, die sich auf dem Balken, der sich in y-Richtung erstreckt, befinden. Sie sind um

die Strecke — von der Einspannung jntfernt, wobei 1 die Entfernung zwischen Einspannung und Kreuzungspunkt der Balken ist. 3

Die Brücke zur F,-Messung besteht aus Dehnungsmeßstreifen, die sich auf mindestens einem Balken in unmittelbarer Nähe der Einspannung befinden. Diese Dehnungsmeßstreifen befinden sich auf den sich in der x-y-Ebene erstreckenden und sich gegenüberliegenden Seiten des Querschnittes eines Balkens.

Die Brücke zur M_x-Messung besteht aus Dehnungsmeßstreifen, die sich auf dem Balken, der sich in y-Richtung erstreckt, in unmittelbarer Nähe des Kreuzungsp .nktes auf der x-y-Ebene des Querschnittes dieses Balkens befinden.

Die Brücke zur M_y-Messung besteht aus Dehnungsmeßstreifen, die sich auf o'sm Balken, der sich in x-Richtung erstreckt, in

unmittelbarer Nähe des Kreuzungspunktes auf der x-y-Ebene des Querschnittes dieses Balkens befinden.

Die Brücke zur M_£-Messung besteht aus Dehnungsmeßstreifen, die sich auf mindestens einem Balken in unmittelbarer Nähe des Kreuzungspunktes auf der x-y- oder y-z-Ebene des Querschnittes des Jeweiligen Balkens befinden.

Ist die Einspannung mit einem Festpunkt verbunden und wirkt im Kreuzungspunkt der Balken die Kraft F_x, so wird der Balken, der sich in x-Richtung erstreckt, Zug- und Druckspannungen unterworfen, so daß die F„-Dehnungsmeßstreifen eine positive und negative Dehnung erfahren, die zu einem der Kraft F_x proportionalen Signal an der Brückenschaltung führt.

Wirkt die Kraft F_y, so wird der Balken, der sich in y-Richtung erstreckt, Zug- und Druckspannungen unterworfen, so daß die Fy-Dehnungsmeßstreifen eine positive und negative Dehnung erfahren, die zu einem der Kraft F_y proportionalen Signal an der Brückenschaltung führt.

Wirkt die Kraft F₁, werden beide Balken gebogen, so daß die F,-Dehnungsmeßstreifen positive und negative Dehnungen erfahren, die zu einem der Kraft F₁ proportionalen Signal an der Brückenschaltung führt.

Wirkt das Moment M_x, wird der Balken, der sich in y-Richtung erstreckt gebogen und in den M_x-Dehnungsmeßstreifen werden positive und negative Dehnungen hervorgerufen, die zu einem dem Moment M_x proportionalen Signal an der Brücke führen.

Wirkt das Moment M_y, wird der Balken, der sich in x-Richtung erstreckt, gebogen und in den M_y-Dehnungsmeßstreifen werden positive und negative Dehnungen hervorgerufen, die zu einem dem Moment M_y proportionalen Signal an der Brücke führen.

Wirkt das Moment M₂, werden beide Balken gebogen und in den Μ,-Dehnungsmeßstreifen werden positive und negative Dehnungen hervorgerufen, die zu einem dem Moment M₁ proportionalen oignal an der Brücke führen.

Betrachtet man den Einfluß riler Kräfte und Drehmoment auf eine Brücke, ist erkennbar, daß die Brücken bei Einhaltung von Symmetriebedingungen nur auf eine Kraft bzw. ein Drehmoment empfindlich sind.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zek- - .

Fig. 1: eine Draufsicht auf die Vorrichtung ohne Darstellung der Dehnungsmeßstreifen Fig. 2: eine perspektivische Darstellung der Anordnung der Dehnungsmeßstreifen auf den Balken Fig. 3: die Darstellung einer möglichen Verschaltung der Dehnungsmeßstreifen als Halbbrücken.

Wie in Figur 1 gezeigt, sind innerhalb einer Einspannung 13 zwei Balken 14,15, die sich in x- und y-Richtung erstrecken, fest angebracht. Die zwei Balken 14,1S sind im Kreuzungspunkt fest miteinander verbunden.

In Figur 2 ist die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen dargestellt. Auf den Balken 14,15 sind die Dehnungsmeßstreifen 1 bis 12 angeordnet und entsprechend Figur 3 in sechs Halbbrücken verschaltet.

Die F„-Dehnungsmeßstreifen '-,2 befinden sich auf Balken 14, auf dar sich in der x-z-Ebene erstreckenden Seite des Querschnittes

des Balkens 14. Sie sind um die Strecke — entfernt, wobei 1 die Entfernung zwischen Einspannung 13 und Kreuzungspunkt der

•i

Balken 14,15 ist.

Die Fy-Dehnungsmeßstreifen 3, -1 Udfinden sich auf Balken 15 auf der sich in der y-z-Ebene erstreckenden Seite des Querschnittes

des Balkens 15. Sie sind um die Strecke -- von der Einspannung 13 entfernt, wobei 1 die Entfernu.ig zwischen Einspannung 13

und Kreuzungspunkt der Balken 14,15 ist.

Die F,-Dehnungsmeßstreifen 5,6 befinden sich auf Balken 15 in unmittelbarer Nähe der Einspannung 13 auf der sich in der x-y-Ebene erstreckenden und sich gegenüberliegenden Seiten des Querschnittes des Balkens 15.

Die M_x-Dehnungsmeßstreifen 7,8 befinden sich auf Balken 15 in unmittelbarer Nähe des Kreuzungspunktes der Balken 14,15 auf

der x-y-Ebene des Querschnittes des Balkens 15.

Die My-Dehnungsmeßstreifen 9,10 befinden sich auf Balken 14 in unmittelbarer Nähe des Kreuzungspunktes der Balken 14,15

auf der x-y-Ebene des Querschnittes des Balkens 14.

Die Mj-Dehnungsmeßstreifen 11,12 befinden sich auf Balken 14 in unmitteiarer Nähe des Kreuzungspunktes der Balken 14,15

auf der y-z-Ebene des Querschnittes des Balkens 15.

Claims

Vorrichtung zur Messung von Kräften und Drehmomenten bestehend aus deformierbaren und nicht deformierbaren mechanischen Teilen sowie Dehnungsmeßstreifen, wobei Einspannung und Balken aus mindestens einem Stück herstellbar sind, gekennzeichnet dadurch, daß innerhalb einer Einspannung (13) zwei Balken (14,15), die sich unter rechtem Winkel in einer gemeinsamen Ebene kreuzen und die im Kreuzungspunkt fest verbunden sind, angeordnet sind und daß mindestens zwei Fx-Dehnungsmeßstreifen (1,2), die sich auf dem Balken (14), der sich in x-Richtung erstreckt, befinden und um ein Drittel der Strecke Einspannung (13) - Kreuzungspunkt der Balken (14,15), von der Einspannung (12) entfernt und auf der x-z-Ebene des Querschnittes des Balkens (14) angeordnet sind, zu einer Brücke verschaltet sind, daß mindestens zwei FyDehnungsmeßstreifen (3,4), die sich auf dem Balken (15), der sich in y-Richtung erstreckt, befinden und um ein Drittel der Strecke Einspannung (12) -Kreuzungspunkt der Balken (14,15) von der Einspannung (13) entfernt auf der y-z-Ebene des Querschnittes des Balkens (15) angeordnet sind, zu einer Brücke verschaltet sind, daß mindestens zwei F_z-Dehnungsmeßstreifen (5,6), die sich auf einem der Balken (14,15) in unmittelbarer Nähe der Einspannung (13) auf den sich in derx-y-Ebene erstreckenden und sich gegenüberliegenden Seiten des Querschnittes der Balken (14,15), zu einer Brücke verschaltet sind, daß mindestens zwei Mx-Dehnungsmeßstreifen (7,8), die sich auf dem Balken (15), der sich in y-Richtung erstreckt, in unmittelbarer Nähe des Kreuzungspunktes auf der x-y-Ebene des Querschnittes des Balkens (15) befinden, zu einer Brücke verschaltet sind, daß mindestens zwei M_y-Dehnungsmeßstreifen (9,10), die sich auf dem Balken (14), der sich in x-Richtung erstreckt, in unmittelbarer Nähe des Kreuzungspunktes auf der x-y-Ebene des Querschnittes des Balkens (14) befinden, zu einer Brücke verschaltet sind, daß mindestens zwei M₂-Dehnungsmeßstieifen (11,12), die sich auf einem der Balken (14,15) in unmittelbarer Nähe des Kreuzungspunktes auf der x-z- oder y-z-Ebene des Querschnittes der Balken (14,15) befinden, zu einer Brücke verschaltet sind.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen