CH628433A5

CH628433A5 - Kraft-drehmoment-fuehler.

Info

Publication number: CH628433A5
Application number: CH656678A
Authority: CH
Inventors: Lothar Dr Schmieder; August Vilgertshofer; Florian Mettin
Original assignee: Schmieder Lothar
Priority date: 1977-06-21
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1982-02-26
Also published as: DE2727704B2; DE2727704C3; FR2395496A1; JPS5918645B2; US4178799A; JPS548569A; DE2727704A1; FR2395496B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Drehmoment-Fühler entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit einem Kraft-Drehmoment-Fühler können beispielsweise an einer Greifzange angreifende Kräfte und Drehmomente gemessen werden. Derartige Vorrichtungen werden insbesondere bei Manipulatoren eingesetzt, die zur Erfüllung ihrer komplexen Aufgaben (z.B. Montage oder Qualitätskontrolle) einen Informationsaustausch mit der Umwelt benötigen.

Fig. 1 zeigt eine derartige Greifzange, die ein Werkstück festhält, und deren Schliessen zweckmässig durch eine pneumatische Einrichtung bewirkt wird, bei welcher der Anpressdruck leicht geregelt werden kann. Werden im Punkt O die dort angreifenden Kräfte und Momente gemessen, so kann der den Manipulator steuernde Prozessrechner nicht nur das Gewicht PL der Last, sondern mit Hilfe des gemessenen Drehmoments M auch den minimalen Hebelarm (r. P und M sind Vektoren)

messen. Da der Angriffspunkt einer Kraft längs ihrer Angriffslinie beliebig verschoben werden kann, ist eine Berechnung des wahren Hebelarms r nicht möglich. Es können auch reine L.istdrehmomente auftreten, z.B. beim Eindrehen einer Schraube. Diese können nur dann eindeutig gemessen werden, ■■venn die Lastangriffslinie durch den Bezugspunkt geht, so dass das von der Last verursachte Drehmoment Null wird.

Fig. 2 zeigt eine Konstruktion, bei welcher in jedem Finger der Zange eine Messvorrichtung eingebaut ist. Es gelten für den in der Mitte von O, und 02 liegenden Punkt O die Cileichgewichtsbedingungen (Pt, M,, P2, M2 — in Fig. 2 nicht eingezeichnet - werden auf die Punkte O,, 02 bezogen, s ist ein Vektor)

(2) PU=P,+ P2,

s ML= PLx rmin= (P2-Pi)xs + Mi + M2,

die wiederum PL und rmin eindeutig festlegen, wenn die Öffnungsweite 2"s*der Zange bekannt ist. Da Gleichung (1) aber auch auf jeden Finger von Fig. 2 angewendet werden kann, io sind auch die Angriffspunkte der Resultanten Pt*, P2* bekannt, schliesslich liefert die zweite Komponente von (P2*—Pi*)> durch zwei dividiert, den Anpressdruck der Zange. Damit ist es möglich, eine Greifhand nach Fig. 2 mit einem Elektromotor über eine Wegsteuerung zu betreiben, die durch laufendes Abfragen 15 des Anpressdrucks und entsprechende Korrekturen in eine Kraftsteuerung umgewandelt wird, wobei die Öffnungsweite der Handzange jederzeit bekannt ist, so dass auch Werkstücke vermessen werden können. Schliesslich ist es möglich, das Gleiten eines Werkstückes festzustellen, da beim Übergang 20 von der Haftreibung zur Gleitreibung eine plötzliche Verminderung der Tangentialkraft auftritt.

Durch Anordnung von Dehnungsmessstreifen können die an einem starren Körper angreifenden Kräfte und Momente festgestellt werden. Die Entkopplung der durch die verschie-25 denen Kräfte verursachten Dehnungen bereitet erhebliche Schwierigkeiten. Bei einem bekannten Fühler der eingangs genannten Art (Bericht Nr. E-2754 des MIT, Massachussetts Institute of Technology, März 1973) ist eine Aufnehmerplatte an vier Balken aufgehängt (s. hierzu Fig. 3). Jeder Balken enthält 30 je zwei Dehnungsmessbrücken, welche die Verkrümmungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen messen und ist am Ende mit einer Kugel abgeschlossen. Die Kugeln gleiten in vier Hülsen, in denen sie in Richtung der Balkenlängsachse gleiten können. Eine Normalkraft bewirkt dabei eine Durch-35 biegung der vier Balken, die von den Dehnungsmessstreifen D erfasst und von einem Rechner ausgewertet werden. Auf diese Weise können die Normalkraft und die von ihr bei ausserzen-tralem Angriffspunkt bewirkten Drehmomente um die Achsen ei und e3 gemessen werden. Eine senkrecht dazu wirkende 40 Tangentialkraft bewirkt eine Durchbiegung von nur zwei Balken, während die restlichen beiden Balken sich verschieben können und nicht beansprucht werden.

Wenn nun aber Tangential- und Vertikal-Kräfte gleichzeitig auftreten, wird die Normalkraft die Kugeln gegen die Hül-45 sen pressen und damit eine Haftreibung erzeugen, die einen Teil der äusseren Tangentialkraft kompensiert, der für die Messung verloren ist. Reibungskräfte, welche die Messungen verfälschen, treten auch auf, wenn die Vorrichtung verformt worden ist, was schon bei kurzzeitiger Überbelastung auftreten so kann, so dass die vier Kugeln samt ihren Hülsen nicht mehr streng in einer Ebene liegen.

Dieselben Schwierigkeiten bestehen auch bei einem verbesserten Fühler, der in der DE-OS 2 529 796 beschrieben ist. Bei diesem Fühler ist eine Nabe 14 (s. Fig. 5 der DE-OS) an 55 vier freitragenden Armen 16. 18, 20, 22 in dem Gehäuse 12 eingehängt, wobei die kugelförmigen Enden der Arme sich wieder in Richtung der Längsachse der Arme verschieben können. Eine Verbesserung gegenüber der alten Anordnung gemäss Fig. 2 wird dadurch erreicht, dass für die Messung Ver-60 lagerungsgeber eingesetzt werden, welche die Verschiebung eines Speichenkreuzes 32 und eines Flansches 30 messen. Damit ist der oben geschilderte grundsätzliche Fehler jedoch nicht behoben.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Kraft-Mo-« menten-Fii'.iIer der eingangs genannten Art unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derartig zu verbessern, dass praktisch keine die Messungen verfälschende Komponenten auftreten können.

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Diese Aufgabe w ird bei einem Kraft-Momenten-Fiihier der eingangs genannten Art erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise bekannter Kraft-Momenten-Fiihler,

Fig. 3 das Prinzip der im Bericht Nr. E-2754 des MIT beschriebenen Anordnung als Erläuterung,

Fig. 4 einen Aufriss bzw. eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung, und

Fig. 5 die Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels gemäss der Erfindung.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Grundplatte 1 vorgesehen, parallel zu der eine Lastaufnehmerplatte 2 angeordnet ist. Die Grundplatte 1 ist über vier vertikal zu ihrer Ebene gelegene Stützen 5 starr mit einem als Ring ausgebildeten Zwischenstück 3 verbunden. Der Ring 3 ist über vier Speichen 4 welche in der Ebene der Lastaufnehmerplatte 2 liegen, mit derselben starr verbunden. Die Stützen 5 können gegenüber den Speichen 4 um 45° versetzt sein. An den Ober- und Unterseiten der Speichen 4 und an den senkrecht zur Ringperipherie liegenden Seiten der Stützen

5 sind bei diesem Ausführungsbeispiel Dehnungsmessstreifen

6 bzw. 7 angebracht, welche die Verkrümmungen messen.

Statt der Verkrümmungen können auch die senkrechten Verschiebungen von mindestens drei Punkten der Lastaufnehmerplatte 2 gegenüber der Ebene des Ringes 4 und die waagrechten Verschiebungen von mindestens drei Punkten auf der Lastaufnehmerplatte 2 oder des Rings 4 gegenüber der Grundplatte 1 mittels Verlagerungsgebern, wie es in der DE-OS

2 529 796 beschrieben wird, gemessen werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lastaufnehmerplatte 2 kreisförmig ausgebildet und der Ring 3 ist ein Kreisring. Diese beiden Elemente können jedoch auch quadratisch oder rechteckförmig ausgebildet sein. Anstelle von vier Speichen und vier Stützen können auch drei Speichen und drei Stützen vorgesehen sein. Diese Anordnung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn auch die Grundplatte 1 eine kreisförmige Gestalt hat.

Die Dicke und Breite des Zwischenstückes 3 ist zweckmässigerweise mindestens doppelt so gross wie die entsprechenden Abmessungen der Speichen und Stützen, damit möglichst die gesamte Verformungsenergie in die Speichen und Stützen geht, deren Verformungen gemessen werden.

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Eine in Richtung e2 angreifende Normalkraft verbiegt die Speichen 4, während die Stützen 5 infolge der grossen Steifigkeit des Rings 3 nur auf Druck belastet werden, was von den Dehnungsmessstreifen 7 auf den Stützen 5 nicht registriert wird. Eine Tangentialkraft in Richtung et belastet zwei der Speichen 5 auf Druck und die beiden anderen auf Biegung in der Richtung, in der sie von den Deh-nungsmessstreiten nicht registriert wird, aber alle Stützen 5 erfahren Biegungen, die auf zwei dieser Stützen gemessen werden. Versuche haben Überkopplungen ergeben, die unter 3% lagen. Eine bleibende Verformung infolge Überbelastung verursacht lediglich eine Nullpunktverschiebung der Dehnungsmessstreiten. die beim Betrieb mit Rechnern ohnehin laufend kompensiert wird.

Dadurch, dass nur Biegeverformungen gemessen werden, wird eine hohe Genauigkeit der Messungen erreicht, denn die als Störungen auftretenden sonstigen Verformungen (Stauchung. Dehnung, Schub) sind um eine Grössenordnung kleiner. Um diese Messmethode durchführen zu können, ist es unabdingbar, dass die Speichen nur in einer Ebene liegen. Wenn dagegen zwei zueinander parallele Speichenkreuze verwendet 5 werden (General Motors Engeneering Journal 11 Vol. 4 1964), so muss man entweder im Interesse einer eindeutigen Messmethode auf die Messung der Biegungen verzichten und statt dessen Dehnungen und Stauchungen registrieren, wobei die Messempfindlichkeit etwa auf ein Zehntel abnimmt, oder io bei Messungen der Biegemomente um die et- oder e3-Achse werden beträchtliche Verfälschungen der Biegungsmessungen in Kauf genommen, weil diese Momente im wesentlichen durch die in den Speichen wirkenden Zug- und Druckkräfte aufgenommen werden.

■s Der Unterschied der Verformungen auf Druck gegenüber denen auf Biegung, wie es nach der Erfindung erreicht ist, werden nunmehr anhand eines quadratischen, beidseitig eingespannten Stabes mit einer Dicke h = 3 mm und einer Länge 1 = 15 mm erläutert, wobei E der Elastizitätsmodul ist:

20

Dt =

Eh2

(1)

25

gemessene Dehnung bei Belastung durch eine Längskraft P

hPl

D, =

4Eh4/12

(2)

gemessene Dehnung bei Belastung durch Biegekraft P.

Durch Dividieren beider Ausdrücke ergibt sich für das Verhältnis

30

D, D,

3-1

= 15

(3)

Wird nun anderseits die Anordnung von zwei Speichen-35 kreuzen im Abstand L betrachtet, wobei eine Kraft ausserhalb der beiden Speichenkreuze im Abstand 1 angreift, so können die entsprechenden Dehnungen dadurch berechnet werden, dass die Auflagekraft Gl. (1) eingesetzt wird. Falls nur ein Speichenkreuz vorhanden ist, gilt wiederum die vorstehend 40 angeführte Gl.(2). Durch Dividieren beider Ausdrücke ergibt sich dann analog zu Gl.(3):

D, D,'

3-1

(4)

45 Bei dem in Fig. 5 dargestellten abgewandelten Ausführungsbeispiel ist eine ringförmige Grundplatte 1 über ein massives Mittelstück 3 mit der Aufnehmerplatte 2 verbunden. Verbindungselemente sind die parallel zur Grundplattenebene liegenden Speichen 4 und die senkrecht dazu verlaufenden so Stützen 5. Auf den Stützen werden vermittels der Dehnungsmessbrücken 7 die Tangentialkräfte und das senkrecht zur Grundplattenebene liegende Drehmoment gemessen. Eine Arbeitsplatte 8, welche an der Aufnehmerplatte 2 mittels der Bolzen 9 befestigt ist, bewirkt eine Begrenzung durch An-55 schlag an die Grundplatte 1.

Eine starre Verbindung kann dadurch erreicht werden, dass die Anordnung 1—2—3 aus einem Stück gedreht bzw. gefräst wird. Man kann diese starre Verbindung jedoch auch durch andere Verfahren. z.B. Hartlöten, erreichen, was be-60 sonders bei grösseren Anordnungen zweckmässig erscheint.

Statt der Dehnungsmessstreifen 6 und 7 können auch Verlagerungsgeber 10 verwendet werden, welche die relativen Verschiebungen zwischen der Grundplatte 1 und der Aufnehmerplatte 2 messen, und zwar in zwei zueinander senkrechten 65 Richtungen, wie dies in Fis*. 5 daniestellt ist.

s

2 Blatt Zeichnungen

Claims

628 433 PATENTANSPRÜCHE

1. Kraft-Drehmoment-Fühler mit einer starren ersten Platte, mit einer parallel dazu angeordneten starren, zweiten Platte, die miteinander durch deformierbare Stützen verbunden sind, mit einem Zwischenstück, über das die zweite Platte mittels parallel zu ihr sich erstreckender, verformbarer Speichen und mindestens drei senkrecht dazu sich erstreckender, verformbarer Stützen fest mit der ersten Platte verbunden ist, wobei die Speichen und Stützen im Verhältnis zu den Platten und dem Zwischenstück so dimensioniert sind und Dehnungsmessstreifen auf den Speichen und Stützen so angebracht sind, dass die angreifenden Kräfte und Drehmomente allein durch Biegung der Verformungskörper messbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei parallel zu den Platten (1,2) und dem Zwischenstück (3) sich erstreckende und in einer Ebene liegende Speichen (4) vorhanden sind.

2. Kraft-Drehmoment-Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke und Breite des Zwischenstük-kes (3) mindestens doppelt so gross wie die entsprechenden Abmessungen der Stützen (5) und der Speichen (4) sind.

3. Kraft-Drehmoment-Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine starre Verbindung zwischen Grundplatte, Aufnehmerplatte und Zwischenstück sowie den Stützen und Speichen dadurch erreicht wird, dass die gesamte Anordnung aus einem einzigen gefrästen bzw. gedrehten Metallstück besteht, oder dass eine gefügte, z.B. hartgelötete oder geklebte Verbindung vorgesehen ist.

4. Kraft-Drehmoment-Fühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen auf den parallel zur Grundplatte liegenden Flächen der Speichen (4) und auf den senkrecht zur Kreisperipherie liegenden Flächen der Stützen (3) angebracht sind.