CH681745A5

CH681745A5 -

Info

Publication number: CH681745A5
Application number: CH308289A
Authority: CH
Inventors: Hans-Conrad Sonderegger; Reto Calderara; Alfred Dr Wenger
Original assignee: Kk Holding Ag
Priority date: 1989-08-25
Filing date: 1989-08-25
Publication date: 1993-05-14
Also published as: DE4025353A1

Description

1 1

CH 681 745 A5 CH 681 745 A5

2 2nd

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft einen keilförmigen oder konischen Kraftsensor zur Kraftmessung senkrecht zu den Keil- oder Konusflächen. The invention relates to a wedge-shaped or conical force sensor for measuring force perpendicular to the wedge or cone surfaces.

In der Überwachung von Werkzeugmaschinen, Robotern, Transport-Einrichtungen wie auch in der Überwachung rotierender Maschinen und Motoren wird oft der Spannungszustand innerhalb gewisser kraftübertragender Teile gemessen. Die Messung von Massenkräften, Aktionskräften und Arbeitskräften kann oft nur innerhalb des geschlossenen Kräftekreislaufes der Maschinen durchgeführt werden. Dabei ergibt eine Kräftefluss-Analyse die Schwerpunkte, wo die Hauptkräfte durchgeleitet werden. An solchen Stellen kann die Überwa-chungssensorik eingebaut werden, ohne dass sich am Ablauf des Kräftediagrammes etwas ändert. Zudem ergibt sich ein minimaler Eingriff in die Maschine. In the monitoring of machine tools, robots, transport facilities as well as in the monitoring of rotating machines and motors, the voltage state within certain force-transmitting parts is often measured. The measurement of mass forces, action forces and workers can often only be carried out within the closed force cycle of the machines. A flow of forces analysis shows the focal points where the main forces are passed through. The monitoring sensor system can be installed at such points without changing anything in the force diagram. There is also minimal intervention in the machine.

Für Kräfte, die sich an der Oberfläche auswirken, sind zu solchen Zwecken seit Jahren Dehnmessstreifen (kurz DMS) verwendet worden. Für Dehnungen von Wandlungen sind Sensoren bekannt geworden, die in Bohrungen eingebaut werden und welche radiale oder Längsdehnungen messen können. Strain gauges (DMS for short) have been used for such purposes for years for forces that affect the surface. For strains of changes, sensors have become known which are installed in bores and which can measure radial or longitudinal strains.

Bei Sensoren für Radialdehnung wird Anpres-sung des Sensorkörpers an die Bohrungswand mittels gewindeverspannten Konen erreicht. Nach Lösen der Gewindeverspannung kann der Sensor wieder aus der Bohrung entfernt werden. In the case of sensors for radial expansion, the sensor body is pressed against the bore wall by means of threaded cones. After loosening the thread, the sensor can be removed from the hole.

Bei Sensoren für Achsialdehnung wird eine bestimmte Länge der Bohrung mitteis Gewinde unter Vorspannung gesetzt, im Betrieb wird dann die Änderung der Vorspannkraft gemessen. In the case of sensors for axial expansion, a certain length of the hole is placed under pre-tension using the thread, and the change in pre-tension is then measured during operation.

Diese gewindeverspannten Bohrungssensoren sind in vielen Anwendungsfällen zu gross, so dass sie beim Einbau störend wirken. Zudem können sie nicht in lange Bohrungen eingesetzt werden. In many applications, these threaded bore sensors are too large, so that they have a disruptive effect during installation. In addition, they cannot be used in long bores.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile der gewindeverspannten Sensoren zu beheben. Sie wird dadurch gelöst, dass ein keilförmiger oder konischer Sensor sowohl beim Einpress- oder Eintreibvorgang wie auch im fest montierten Zustand Kräfte messen kann. Bei geeigneten Spalten können die Sensoren selbsthemmend an der gewünschten Stelle festhaften. Da bei fester Montage durch Keilwirkung die Gewindeverspannung nicht mehr notwendig ist, können die Sensoren klein sein. Sie können auch bei tieferen Bohrungen oder Spalten eingesetzt werden. Bei Keilwinkeln unter 5° können solche Aufnehmer direkt in die Messspalte eingetrieben werden, ohne dass ein Gegenkeil angewendet wird. The object of the invention is to remedy the disadvantages of the threaded sensors. It is solved in that a wedge-shaped or conical sensor can measure forces both during the press-in or drive-in process and also in the permanently installed state. With suitable gaps, the sensors can adhere to the desired location in a self-locking manner. Since the thread tension is no longer necessary due to a wedge effect, the sensors can be small. They can also be used for deeper holes or gaps. With wedge angles below 5 °, such transducers can be driven directly into the measuring gap without using a counter wedge.

Solche keilförmige Sensoren messen die variierenden Querkräfte auf den Keilflanken. Vorteilhafterweise wird der Anschluss für die Messleitung seitswärts angeordnet, um ein Eintreiben des Sensors einfach möglich zu machen. Such wedge-shaped sensors measure the varying transverse forces on the wedge flanks. Advantageously, the connection for the measuring line is arranged sideways in order to make it easy to drive in the sensor.

Eine weitere interessante Anwendung der erfin-dungsgemässen keil- oder konusförmigen Sensoren liegt in der Qualitätskontrolle. Dabei werden Prüfkörper durch einen Spaltvorgang teilweise bis zum Bruch gebracht. Another interesting application of the wedge-shaped or conical sensors according to the invention is quality control. Here, test specimens are partially broken up by a splitting process.

Die bei diesem Vorgang auftretenden Ausweitbzw. Sprengkräfte können mit den erfindungsge-mässen Sensoren auf einfache Weise, inklusive der Bruchwerte, gemessen werden. The expansion or Explosive forces can be measured with the sensors according to the invention in a simple manner, including the fracture values.

Es ist auch denkbar, solche Sensoren zur Beobachtung wichtiger Fels- und Gesteinsformationen an der Erdoberfläche oder in Tunneln und Stollen oder Mauern wichtiger Bauwerke zu benützen. It is also conceivable to use such sensors for observing important rock and rock formations on the earth's surface or in tunnels and tunnels or walls of important structures.

Zur Prüfung der Festigkeit von Felsformationen an gefährdeten Stellen könnte das Eintreiben keilförmiger Kraftsensoren wichtige Informationen ergeben. Ebenso könnte mit einem statisch messenden Sensor (z.B. piezoresistiver Sensor) die zeitliche Veränderung der Spaltspannung in einer Felsoder Mauerritze gemessen werden. Driving in wedge-shaped force sensors could provide important information for testing the strength of rock formations in vulnerable areas. Likewise, with a statically measuring sensor (e.g. piezoresistive sensor) the temporal change in the gap tension in a crack in a rock or wall could be measured.

In einer weiteren Ausführungsart kann z.B. nur die Eintreibkraft des keilförmigen Sensors von Interesse sein. Es ist aber auch denkbar, dass sowohl Keilkräfte wie auch Eintreibkräfte gleichzeitig interessant sind. Keilförmige Kraftsensoren eröffnen deshalb eine Reihe neuer Anwendungsmöglichkeiten. In a further embodiment, e.g. only the driving force of the wedge-shaped sensor may be of interest. However, it is also conceivable that both wedge forces and driving forces are interesting at the same time. Wedge-shaped force sensors therefore open up a number of new applications.

Als Variante zum Flachkeil wird ein Rundkeil oder Konus-Sensor vorgeschlagen. Bei solchen Sensoren muss der Messanschluss notgedrungen achsial vorgesehen werden. A round wedge or cone sensor is proposed as a variant of the flat wedge. With such sensors, the measurement connection must be provided axially.

Als weitere Variante wird ein Flachkonus-Sensor vorgeschlagen, dem ein Hartmetall-Aufweitekonus vorgeschaltet ist. Diese Kombination erlaubt es, den Sensor an beliebiger Stelle vollständig satt anliegend einzupressen, ohne eine tolerierte und ausgeriebene Bohrung zu benötigen. Der vorgeschaltete Aufweitekonus, der je nach Umgebungsmaterial geformt ist, glättet die Wandung, so dass ein einwandfreier Kontakt gewährleistet ist. Der Flachkonus sitzt infolge seines elastischen Verhaltens fest. As a further variant, a flat cone sensor is proposed, which is preceded by a hard metal expansion cone. This combination allows the sensor to be fully pressed in at any point without the need for a tolerated and reamed hole. The upstream expansion cone, which is shaped depending on the surrounding material, smoothes the wall so that perfect contact is guaranteed. The flat cone is stuck due to its elastic behavior.

Der Gedanke der Erfindung ist anhand von 8 Figuren erklärt. The idea of the invention is explained on the basis of 8 figures.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 einen erfindungsgemässen Keiisensor Fig. 2 eine Einbau-Anordnung mit Gegenkeil Fig. 3 einen Keilsensor mit kleinem Keilwinkel a Fig. 4 einen Konus-Sensor Fig. 5 einen Keil- oder Konus-Sensor zum Eintreiben in Ritzen 1 a wedge sensor according to the invention, FIG. 2 a built-in arrangement with a counter wedge, FIG. 3 a wedge sensor with a small wedge angle a. FIG. 4 a cone sensor, FIG. 5 a wedge or cone sensor for driving into cracks

Fig. 6 einen Flachkonus-Sensor mit Vorschaltko-nus, piezoelektrisch Fig. 7 einen Querschnitt zu Fig. 6 Fig. 8 einen Fiachkonus-Sensor mit Vorschaltko-nus mit Ölfüllung und eingebautem Druck-Sensor, z.B. piezoresistiv. Fig. 6 shows a flat cone sensor with ballast cone, piezoelectric Fig. 7 shows a cross section to Fig. 6 Fig. 8 shows a flat cone sensor with ballast cone with oil filling and built-in pressure sensor, e.g. piezoresistive.

Der Keilsensor nach Fig. 1 misst Krafteinwirkungen auf den beiden Keilflächen 2. Fläche 3 ist die Eintreibfläche. Während des Eintrieb-Vorganges kann z.B. die Aufsprengkraft gemessen werden. Dies könnte in einer bestimmten Materialprüfung von Interesse sein. The wedge sensor according to FIG. 1 measures the effects of force on the two wedge surfaces 2. Surface 3 is the driving surface. During the drive-in process, e.g. the impact force can be measured. This could be of interest in a particular material test.

Durch die seitliche Anordnung der Signalabführung kann der Eintriebvorgang ungestört durchgeführt werden. The drive-in process can be carried out undisturbed due to the lateral arrangement of the signal discharge.

In Fig. 2 ist eine Keilsensor-Anordnung gezeigt, in der zum Messkeil 1 ein nichtmessender Gegenkeil 2 shows a wedge sensor arrangement in which a non-measuring counter wedge for the measuring wedge 1 is shown

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

2 2nd

3 3rd

CH 681 745 A5 CH 681 745 A5

4 4th

6 angeordnet ist. Die Spaltflächen 5 können somit parallel sein. Bei einem Keilwinkel weniger als 5° wird selbsthemmende Verkeilung erreicht. Auch mit einer solchen Anordnung kann z.B. während dem Eintriebsvorgang die Öffnungskraft oder Öffnungsbruchlast gemessen werden, im eingebauten, verkeilten Zustand werden andauernde variierende Kräfte gemessen. 6 is arranged. The gap surfaces 5 can thus be parallel. If the wedge angle is less than 5 °, self-locking wedging is achieved. Even with such an arrangement, e.g. the opening force or opening breaking load are measured during the drive-in process; in the installed, wedged state, constant varying forces are measured.

Fig. 3 zeigt einen Keilsensor mit sehr kleinem Keilwinkel a. In solchen Fällen braucht es nicht unbedingt einen Gegenkeil. Besonders wenn die Spaltflächen 5 z.B. aus Kunststoffen bestehen, der Sensor in Ritzen eingepresst wird. Fig. 3 shows a wedge sensor with a very small wedge angle a. In such cases, a counter wedge is not absolutely necessary. Especially if the gap areas 5 e.g. consist of plastics, the sensor is pressed into cracks.

Fig. 4 zeigt einen Konus-Sensor 8, mit dem radiale Kraftmessung während des Eintreibvorganges möglich ist, wo also ebenfalls Keilwirkung erzielt wird. Ist der Sensor fest eingetrieben, so können dauernde Radialkraftvariationen gemessen werden. Fig. 4 shows a cone sensor 8, with which radial force measurement is possible during the driving-in process, where wedge action is also achieved. If the sensor is firmly driven, permanent radial force variations can be measured.

Beide Typen von Konussensoren können somit zwei verschiedene Stadien messen Both types of cone sensors can therefore measure two different stages

Dynamisch: -> Eintreibvorgang Dynamic: -> driving process

Statisch-Dynamisch: -> Einbau: Variationen der Umgebungskräfte. Static-Dynamic: -> Installation: Variations in the ambient forces.

Es sind also je nach Anwendung zwei verschiedene Messprinzipien vorzusehen. Depending on the application, two different measuring principles have to be provided.

Für die dynamischen Eintreibvorgänge eignen sich vor allem piezoelektrische Kristall-Anordnungen, weil sie die grösste Messspanne umfassen, die 105 Einheiten überwindet, deshalb können auch nach Einbau sehr geringe Kraftvariationen dynamischer Art festgestellt werden. Piezoelectric crystal arrangements are particularly suitable for the dynamic driving processes, because they cover the largest measuring span, which overcomes 105 units, which means that even after installation, very small dynamic force variations can be determined.

Keil-Konus-Sensoren mit piezoresistiven DMS oder kapazitiven Messanordnungen eignen sich nur bedingt für den Eintreibvorgang, dafür aber für Langzeitbeobachtungen des Spannungsverhaltens in der Spalte. Wedge-cone sensors with piezoresistive strain gauges or capacitive measuring arrangements are only suitable for the driving process to a limited extent, but for long-term observations of the voltage behavior in the column.

Fig. 5 zeigt eine Keil-Konus-Sensoranordnung, die sich besonders eignet, in Fels- oder Mauerritzen eingetrieben zu werden. Wiederum können dabei Schlüsse auf die Gesteinsformation beim Eintreiben oder langzeitige Veränderung der Spaltspannung festgestellt werden. 5 shows a wedge-cone sensor arrangement which is particularly suitable for being driven into rock or wall cracks. Again, conclusions can be drawn about the rock formation when driving in or long-term changes in the gap tension.

Fig. 6 zeigt eine Variante von Fig. 4. Der Flachkonusteil des Sensors trägt am Kopf einen Vor-schaltkonus 12 vorzugsweise aus geschliffenem Hartmetall oder Keramik. Damit kann der Sensorkörper 13 in eine normale Bohrung ohne hochgeforderte Toleranzen eingepresst werden. Der Vor-schaltkonus 12 öffnet und glättet die Bohrung auf das Sollmass des Sensorkörpers 13, welcher damit an jeder Stelle der Bohrung festsitzt und nur mit dem Ausziehgewinde 16 herausgezogen werden kann, sofern dies einmal nötig würde. 14 stellt den rohrförmigen Doppelkristall dar, der auf Radialkraftänderungen anspricht. Der Doppelkristall wird durch Schrumpfprozess in das Gehäuse 13 eingebracht, so dass er in demselben radial verspannt ist. 15 ist die spiralförmige Kontaktfeder, die an der metallisierten Innenwand des Kristallsatzes unter Vorspannung anliegt. 17 stellt den Krimp- oder Löt-anschluss mit der Signalleitung dar. FIG. 6 shows a variant of FIG. 4. The flat cone part of the sensor has a pre-switching cone 12 on the head, preferably made of ground hard metal or ceramic. This allows the sensor body 13 to be pressed into a normal bore without high tolerances. The pre-switching cone 12 opens and smoothes the bore to the nominal size of the sensor body 13, which is thus stuck at every point of the bore and can only be pulled out with the pull-out thread 16, should this ever be necessary. 14 illustrates the tubular double crystal that is responsive to changes in radial force. The double crystal is introduced into the housing 13 by the shrinking process, so that it is radially clamped in the same. 15 is the spiral contact spring, which bears against the metallized inner wall of the crystal set under prestress. 17 shows the crimp or solder connection with the signal line.

Fig. 7 stellt den Querschnitt von Fig. 6 dar und zeigt den Sensorkörper 13 und den zweiteiligen Kristallsatz 14 nebst den radial wirkenden Kräften F. FIG. 7 shows the cross section of FIG. 6 and shows the sensor body 13 and the two-part crystal set 14 together with the radially acting forces F.

Fig. 8 zeigt eine ähnliche Variante, jedoch im Beispiel auf statisch messender piezoresistiver Basis. Der Sensor könnte auch mit einem anderen statisch messenden Element ausgerüstet sein. Der Vor-schaltkonus 22 besteht hier aus einem Hartmetallkugelabschnitt. Der Sensorkörper 23 ist unter Druck mit Öl gefüllt, jedoch mit möglichst wenig. Der Öl-spalt 24 ist sehr klein gehalten durch den Füllkörper 25, der eine Verbindungsbohrung 26 aufweist, in welcher das Öl zum piezoresistiven Sensor 27 als Beispiel gelangt. 28 stellt die Anschlusspartie dar. Die geringste Radial-Änderung wird über die unter Überdruck stehende möglichst inkompressible Öl-füllung direkt auf den piezoresistiven Sensor 27 übertragen, welche mit der Anschlusspartie 28 zum Aufnehmerkabel führt. Das Öl muss einen möglichst geringen Ausdehnungskoeffizienten haben. Geeignet ist ein Hydrauliköl. 8 shows a similar variant, but in the example on a statically measuring piezoresistive basis. The sensor could also be equipped with another statically measuring element. The ballast cone 22 here consists of a hard metal ball section. The sensor body 23 is filled with oil under pressure, but with as little as possible. The oil gap 24 is kept very small by the filler 25, which has a connecting bore 26, in which the oil reaches the piezoresistive sensor 27 as an example. 28 represents the connection part. The slightest radial change is transmitted directly to the piezoresistive sensor 27 via the oil filling, which is as incompressible as possible, which leads with the connection part 28 to the transducer cable. The oil must have the lowest possible expansion coefficient. Hydraulic oil is suitable.

Auch mit diesem Sensor ist nach dem Einpressvorgang die Bohrung 0D2 etwas grösser als die Bohrung 0D1 und so geglättet, dass perfekter Wandkontakt zwischen Sensorkörper 23 und Bohrungswand besteht. Auch dieser Sensor sitzt an jeder Stelle einer Bohrung fest dank seiner leichten Konizität. With this sensor, too, the hole 0D2 is slightly larger than the hole 0D1 after the press-in process and is smoothed so that there is perfect wall contact between the sensor body 23 and the hole wall. Thanks to its slight taper, this sensor is also firmly seated at every point in a hole.

Die Erfindung zeigt neue Keil- und Konussensoren, die jeweils 2 Messtechniken ermöglichen: The invention shows new wedge and cone sensors, each of which enables 2 measuring techniques:

- Spalt-Eintrieb-Ausweit-Vorgänge, dynamisch - Gap-insertion-expansion processes, dynamic

- Spannungs-Änderungen im eingebauten Zustand, statisch-dynamisch. - Voltage changes when installed, static-dynamic.

Keil- oder konusförmige Sensoren zeigen damit neue Anwendungsmöglichkeiten. Wedge or cone-shaped sensors thus show new application possibilities.

Mit Beispielen von Vorschaltkonus-Flachkonus-Sensoren sind neue Einbauverfahren möglich. Besonders in langen Bohrungen ist ein solcher Sensor an beliebiger Stelle einer gewöhnlichen Bohrung festsetzbar. Es wäre durchaus möglich, solche Doppelkonus-Sensoren auch in Tieflochbohrungen einzusetzen, um Gesteinsspannungen im Erdinnern zu messen. Das hydraulische Vortreiben solcher entsprechend ausgerüsteter Doppelkonus-Sensoren ist ein an sich bekanntes Mittel, das hier Anwendung finden könnte. New installation methods are possible with examples of series cone flat cone sensors. In long bores in particular, such a sensor can be fixed at any point in an ordinary bore. It would be entirely possible to use such double-cone sensors in deep-hole drilling to measure rock stresses in the interior of the earth. The hydraulic advancement of such suitably equipped double cone sensors is a known means that could be used here.

Damit ergeben sich neuartige Messmöglichkeiten und wesentliche Vereinfachungen der Einbaumethoden. This results in new measurement options and significant simplifications in the installation methods.

Claims

1. Wedge or cone-shaped sensor for force measurement perpendicular to the wedge or cone surfaces, characterized in that it can measure both during the press-in or drive-in process as well as in the permanently installed state.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that it has two wedge surfaces at a wedge angle a, which measure the forces (F) occurring perpendicular to it, which arise from the force (P) used in the press-in or drive-in process, as well then in the pressed-in state, environmental forces arising from changes in force.

5

10th

15

20th

25th

30th

35

40

45

50

55

60

65

3rd

5

CH 681 745 A5

6

3. Sensor according to claims 1 and 2, characterized in that a non-measuring counter wedge (6) is provided for press-fit in parallel slots.

4. Sensor according to claims 1 and 2, characterized in that a flat cone is selected as the sensor body, so that no counter wedge is necessary in quasi-parallel columns.

5. Sensor according to claims 1, 2 and 4, characterized in that the shape is selected so that it can be driven into cracks or crevices of rock or walls.

6. Sensor according to claims 1, 2, 4 and 5, characterized in that the construction is selected so that only the driving forces (P) can be measured.

7. Sensor according to claims 1, 4 and 5, characterized in that the sensor body (13, 23) is assigned a replaceable ballast cone (12, 22) which takes over the expansion and wall smoothing process.

8. Sensor according to claims 1, 5, 6 and 7, characterized in that it is designed in such a way that it can be introduced into deep hole bores by hydraulic means.

9. Sensor according to claims 1, 2, 3, 5 to 8, characterized in that piezoelectric crystal sets (14) are installed, which act directly force-measuring and are particularly suitable for driving operations.

10. Sensor according to claims 1, 2, 4, 5 to 8, characterized in that piezoelectric crystal sets (14) are installed which have a direct force-measuring effect and are particularly suitable for driving operations.

11. Sensor according to claims 1, 2, 5 to 9, characterized in that the forces (F) acting perpendicular to the wedge or cone surfaces act on a system of liquid gaps (24) into which an incompressible liquid is filled under excess pressure and which convert each change in force (F) on the wedge or cone surfaces into a pressure change which can be measured with a pressure measuring element (27).

12. Sensor according to claims 1, 2.5 to 8.10, characterized in that the forces (F) acting perpendicular to the wedge or conical surfaces act on a system of liquid gaps (24) into which an incompressible liquid is placed Overpressure is filled and which convert each change in force (F) on the wedge or cone surfaces into a pressure change which can be measured with a pressure measuring element (27).

13. Sensor according to claim 7, characterized in that the ballast cone (12, 22) consists of ceramic or hard metal.

14. Sensor according to claims 1, 5.6 to 9, characterized in that means (16) are provided in order to enable a coupling to a pull-out tool and thereby to bring the sensor out of long bores.

15. Sensor according to claims 1,5,6 to 9, characterized in that two sensor arrangements are installed, firstly for the wedge or cone force (F) a piezoelectric crystal set and secondly for the long-term expansion effect a piezoresistive measuring cell.

16. Sensor according to claim 11, characterized in that the incompressible liquid is a hydraulic oil.

17. Sensor according to claims 1, 2, 3, 5 to 9, characterized in that the wedge or cone surfaces include an angle of less than 5 °.

18. Sensor according to claims 1, 2, 4 to 9, characterized in that the wedge or cone surfaces form an angle of less than 5 °.

5

10th

15

20th

25th

30th

35

40

45

50

55

60

65

4th