CH704968A1 - 6-Komponenten-Dynamometer. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein 6-Komponenten-Dynamometer zum Messen von Kräften und Momenten in jeweils allen drei kartesischen Richtungen (x, y, z). Es umfasst eine untere steife Platte (2), eine beabstandet zu dieser angeordnete obere steife Platte (3) sowie sechs in einem Winkel zueinander angeordnete Stabsensoren (4), welche die beiden Platten (2, 3) miteinander verbinden. Jeder Stabsensor (4) umfasst einen Stab (5) mit einer Stabachse und mit einem darin angeordneten Kraftsensor (6), welcher eine Kraft in Richtung der Stabachse messen kann, sowie zwei Endstücke (7), welche in axialer Verlängerung beidseitig des Stabes (5) gelenkfrei mit diesem fest verbunden sind. Erfindungsgemäss weist jedes Endstück (7) ein Festkörpergelenk auf und ist gelenkfrei fest an einer der Platten (2, 3) fixiert.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft ein 6-Komponenten-Dynamometer zum Messen von Kräften und Momenten in jeweils allen drei kartesischen Richtungen (x, y, z), umfassend eine untere steife Platte, eine beabstandet zu dieser angeordnete obere steife Platte sowie sechs in einem Winkel zueinander angeordnete Stabsensoren, welche die beiden Platten miteinander verbinden, wobei jeder Stabsensor einen Stab mit einer Stabachse A und mit einem darin angeordnetem Kraftsensor umfasst, welcher eine Kraft in Richtung der Stabachse messen kann.

Stand der Technik

[0002] 6-Komponenten-Dynamometer dienen dem Messen der drei Komponenten eines einwirkenden Kraftvektors F sowie der drei Komponenten eines einwirkenden Momentvektors M. Die piezoelektrische Sensorik, auf welchem ein solches Messsystem basiert, misst die Kräfte praktisch weglos. Dynamometer eignen sich ausgezeichnet für die allgemeine Mehrkomponenten-Kraftmessung für Schnittkraftmessungen beim Fräsen und Schleifen oder beim Drehen. Werkstücke oder Spannvorrichtungen können mit wenigen Handgriffen auf einer mit Gewindebohrungen versehenen oberen Platte eines solchen Dynamometers montiert werden.

[0003] Frühere 6-Komponenten-Dynamometer waren als Stapel von einzelnen Messsensor-Platten aufgebaut, wobei jede Messplatte eine Kraft oder ein Moment in eine der Richtungen x, x oder z messen konnte. Auf Grund immer höherer Anforderungen an die Genauigkeit erreichte dieser Aufbau aber bald seine Grenzen, weil Abweichungen der Lage der Messplatte von einem idealen Sensor alle Messplatten im Stapel beeinflussen und dadurch Fehler verursacht.

[0004] Eine neuere Version des 6-Komponenten-Dynamometers ist das Hexapoden Dynamometer. Es wird durch sechs Stabsensoren gebildet, welche, in einem Winkel zueinander angeordnet, zwei parallele Platten verbinden. Jeder der sechs Stabsensoren misst nun eine der Kräfte oder Momente, wobei die Beeinflussung der anderen Stabsensoren in diesem Aufbau viel geringer ist. Die Auslegung der Stäbe zwischen den Platten sollte idealerweise so sein, dass die Stabsensoren nur Kräfte in Axialrichtung der Stäbe erfassen und gleichzeitig für alle anderen Kräfte unempfindlich sind. Dies kann leider nur näherungsweise erreicht werden.

[0005] Fehler entstehen bei den Messungen auf den Hexapoden Dynamometern durch endliche Steifigkeiten der Platten und der Stabsensoren, am meisten jedoch durch ungünstige Anbringung der Stabsensoren an die Platten. Damit die Kraft stets nur durch die Achse dieser Sensoren geleitet wird, müssten sich die Lager zwischen den Platten und den Stabsensoren stets den geringfügig geänderten Plattenausrichtungen anpassen können, welche durch die Lastaufnahme der Kräfte und Momente entstehen.

[0006] Aus diesem Grund werden die Stabsensoren in der Regel in Kugelgelenken oder in anderen Aufnahmeelementen gelagert, welche eine sphärische Neuausrichtung der Stabsensoren ermöglicht. Nachteilig an diesen Aufnehmern ist der Spiel, der stets bei gelenkigen Lagern vorhanden sein muss, weil Spiel wiederum Fehlmessungen verursachen.

Darstellung der Erfindung

[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anbringung zwischen den Platten und den Stabsensoren zu beschreiben, welche einen geringeren Fehler bei geänderter Plattenausrichtung hervorruft.

[0008] Erfindungsgemäss verfügt jeder Stabsensor über zwei Endstücke, welche in axialer Verlängerung beidseitig des Stabes gelenkfrei mit diesem fest verbunden sind, wobei jedes Endstück ein Festkörpergelenk aufweist und gelenkfrei fest an der jeweiligen Platte fixiert ist. Als Festkörpergelenk bezeichnet man einen Bereich eines Bauteils, welcher eine Relativbewegung in Form einer Drehung zwischen zwei Starrkörperbereichen durch Biegung erlaubt.

[0009] Es hat sich gezeigt, dass sich der Messfehler durch eine solche Anbringung der Stabsensoren verringert und die Messung dadurch genauer wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen <tb>Fig. 1<sep>eine schematische perspektivische Darstellung eines konventionellen 6-Komponenten-Sensors mit aufgestapelten Sensorplatten nach dem Stand der Technik; <tb>Fig. 2<sep>eine schematische perspektivische Darstellung eines konventionellen 6-Komponenten-Hexapodensensors nach dem Stand der Technik; <tb>Fig. 3<sep>eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemässen 6-Komponenten-Hexapodensensors; <tb>Fig. 4<sep>eine schematische Ansicht eines erfindungsgemässen Stabsensors; <tb>Fig. 5<sep>eine schematische Ansicht eines erfindungsgemässen Stabsensors, eingebaut zwischen den Platten; <tb>Fig. 6<sep>eine schematische Ansicht eines erfindungsgemässen Endstücks eines Stabsensors eingebaut in einer Platte; <tb>Fig. 7<sep>eine schematische Ansicht eines erfindungsgemässen Endstücks eines Stabsensors eingebaut in einer Platte bei Krafteinwirkung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0011] Im Folgenden beschreibt jede Bezugsziffer stets dieselbe Komponente resp. dasselbe Element. Die Fig. 1zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines konventionellen 6-Komponenten-Sensors, eines Dynamometers 1, mit aufgestapelten Sensorplatten 20.1-20.6 nach dem Stand der Technik. Die untersten drei Sensorplatten 20.1, 20.2 und 20.3 messen dabei die Kräfte in die drei Richtungen Fx, Fy und Fz, während die drei oberen Sensorplatten 20.4, 20.5 und 20.6 die Momente in diese drei Richtungen Mx, My und Mz messen. Die resultierende eingeleitete Kraft F und das resultierende eingeleitete Moment M sind in dieser Abbildung sowie in Abbildung 2als Pfeile dargestellt und mit F (Kraft) und M (Moment) gekennzeichnet.

[0012] In Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines konventionellen 6-Komponenten-Hexapodensensors 1 nach dem Stand der Technik dargestellt. Die einleitende Kraft F und das einleitende Moment M wirken hier auf eine obere steife Platte 3, die beabstandet zu einer unteren steifen Platte 2 angeordnet ist. Zwischen diesen Platten 2, 3 sind symbolisch sechs Stabsensoren 4 dargestellt, welche diese Platten 2, 3 miteinander verbinden. Die Pfeile F1, F2,... F6 bezeichnen dabei die Richtungen und Beträge der Kräfte, die von den Stabsensoren 4 ermittelt werden, nachdem die Kraft F und das Moment M auf die obere Platte 3 einwirkt.

[0013] Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemässen 6-Komponenten-Hexapodensensors oder 6-Komponenten-Dynamometers, geeignet zum Messen von Kräften und Momenten in jeweils allen drei kartesischen Richtungen x, y, z. Diese Koordinaten x, y und z sind in der Fig. 3angegeben.

[0014] Dieser Dynamometer 1 umfasst eine untere steife Platte 2, eine beabstandet zu dieser angeordnete obere steife Platte 3 sowie sechs in einem Winkel zueinander angeordnete Stabsensoren 4, welche die beiden Platten 2, 3 miteinander verbinden. Die Platten 2, 3 sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Bevorzugt sind alle mindestens sechs Stabsensoren 4 identisch ausgestaltet. Es können auch 8, 10 oder 12 Stabsensoren 4 verwendet werden, um die Messgenauigkeit weiter zu erhöhen. In diesem Fall kann ein überbestimmten Gleichungssystemen erstellt werden, bei dem der Messfehler durch die kleinste Quadrate Methode rechnerisch minimiert werden kann.

[0015] Jeder Stabsensor 4, auch dargestellt in Fig. 4, umfasst einen Stab 5 mit einer Stabachse A und einen darin angeordnetem Kraftsensor 6, welcher eine Kraft F in Richtung der Stabachse A messen kann. Der Kraftsensor 6 kann mit einem Anschluss 12 versehen sein, wie in Fig. 3 dargestellt, zum Weiterleiten dieser Messsignale. Der Kraftsensor 6 ist vorzugsweise mittig im Stab 5 angeordnet, in der Mittelebene E, welche orthogonal zur Achse A des Stabsensors 4 verläuft. Vorzugsweise ist jeder Stabsensor 4 im Wesentlichen achssymmetrisch zur Achse A und/oder spiegelsymmetrisch zur Mittelebene E ausgebildet. Diese Symmetrie betrifft die Festigkeiten und die Abstände im Stabsensor 4, nicht aber untergeordnete Elemente wie die Anschlüsse 12, die von solchen Symmetrien abweichen können, solange die Festigkeitssymmetrie eines Stabsensors davon nicht gestört wird.

[0016] Der Stabsensor 4 umfasst erfindungsgemäss zwei Endstücke 7, welche in axialer Verlängerung beidseitig des Stabes 5 gelenkfrei mit diesem fest verbunden sind. Jedes Endstück 7 weist ein Festkörpergelenk 8 auf und ist gelenkfrei fest an der jeweiligen Platte 2, 3 fixiert, wie in Fig. 5dargestellt. Vorzugsweise ist jeder Stabsensor 4 in seiner Axialrichtung A sehr steif und unbeweglich ausgestaltet. Abgesehen von diesen Festkörpergelenken 8 verfügt der Stabsensor 4 vorzugsweise über keine weiteren Gelenke.

[0017] In Fig. 6 und 7 ist jeweils ein Festkörpergelenk 8 eines erfindungsgemässen Endstücks 7 eines Stabsensors 4, eingebaut in eine Platte 2, 3, in einer schematischen Ansicht dargestellt. Fig. 6zeigt das Endstück 7 in unbelasteten Zustand, und Fig. 7 unter Krafteinwirkung, allerdings mit stark übertriebener Auslenkung.

[0018] Jedes Endstück 7 umfasst ein Festkörpergelenk 8, also einen Bereich, welcher eine Relativbewegung zwischen den zwei benachbarten Bereichen, insbesondere eine Biegung, Drehung oder ein Abknicken um eine Achse quer zur Stabachse A zulässt. Von diesen zwei benachbarten Bereichen ist einer fest mit dem Stab 5, der andere fest mit der Platte 2, 3 verbunden.

[0019] Das Festkörpergelenk 8 ist hier als Einschnürung 9 ausgestaltet, also als verjüngter Bereich. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, diese Einschnürung 9 zylindrisch auszugestalten. Dadurch kann sich die Biegung unter einer Last auf einen grösseren Bereich verteilen als wenn die Einschnürung 9 nur durch eine dünnste Stelle des Festkörpergelenks 8 ausgestaltet wäre.

[0020] In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist jedes Endstück 7 ein sphärisches Anschlussstück 10 auf, welches gelenkfrei fest mit der jeweiligen Platte 2, 3 fixiert ist. Dadurch lässt es sich bei der Montage spannungsfrei an die jeweilige Platte 2, 3 einsetzen, indem das sphärisches Anschlussstück 10 in eine dafür vorgesehene Aussparung 13 in der jeweiligen Platte 2, 3 gestellt wird. Mit einer Stellschraube 11 wird das sphärische Anschlussstück 10 anschliessend in der Aussparung 13 an dieser Stelle fixiert.

[0021] Unter Last, also bei veränderter relativen Lage der oberen Platte 3 zur unteren Platte 2 können die Festkörpergelenke 8 stets spielfrei die optimale Lage einnehmen. Dadurch wird gewährleistet, dass stets nur eine axiale Kraft auf den Stab 5 im Stabsensor 4 und somit auf den darin angeordneten Kraftsensor 6 wirkt. Durch die spielfreie Lagerung der Stabsensoren 4 werden Fehlerquellen eliminiert, welche nach dem Stand der Technik in den Messwerten enthalten waren.

Bezugszeichenliste

[0022] <tb>1<sep>Dynamometer, 6-Komponenten-Hexapodensensor <tb>2<sep>untere, steife Platte <tb>3<sep>obere, steife Platte <tb>4<sep>Stabsensor <tb>5<sep>Stab <tb>6<sep>Kraftsensor <tb>7<sep>Endstück <tb>8<sep>Festkörpergelenk <tb>9<sep>Einschnürung, zylindrisch <tb>10<sep>Sphärisches Anschlussstück <tb>11<sep>Stellschraube <tb>12<sep>Anschluss <tb>13<sep>Aussparung <tb>20.1, ..., 20.6<sep>Sensorplatten <tb>A<sep>Achse des Stabes <tb>E<sep>Mittelebene des Stabes <tb>x, y, z<sep>kartesische Richtungen <tb>F<sep>resultierende, einleitende Kraft <tb>Fx, Fx, Fz<sep>Kräfte in kartesischen Koordinaten <tb>M<sep>resultierendes, einleitendes Moment <tb>Mx, Mx, Mz<sep>Momente in kartesischen Koordinaten <tb>F1, F2, ..., F6<sep>gemessene Kräfte

Claims (13)

1. 6-Komponenten-Dynamometer zum Messen von Kräften und Momenten in jeweils allen drei kartesischen Richtungen (x, y, z), umfassend eine untere steife Platte (2), eine beabstandet zu dieser angeordnete obere steife Platte (3) sowie sechs in einem Winkel zueinander angeordnete Stabsensoren (4), welche die beiden Platten (2, 3) miteinander verbinden, wobei jeder Stabsensor (4) einen Stab (5) mit einer Stabachse A und mit einem darin angeordnetem Kraftsensor (6) umfasst, welcher eine Kraft (F) in Richtung der Stabachse (A) messen kann, sowie zwei Endstücke (7), welche in axialer Verlängerung beidseitig des Stabes (5) gelenkfrei mit diesem fest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Endstück (7) ein Festkörpergelenk (8) aufweist und gelenkfrei fest an einer der Platten (2, 3) fixiert ist.

2. Dynamometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Festkörpergelenk (8) eine Biegung um eine Achse quer zur Stabachse A zulässt.

3. Dynamometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Festkörpergelenk (8) als Einschnürung (9) ausgestaltet ist.

4. Dynamometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einschnürung (9) zylindrisch ausgestaltet ist.

5. Dynamometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stabsensor (4) abgesehen von den beiden Festkörpergelenken (8) über keine weiteren Gelenke verfügt.

6. Dynamometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Endstück (7) ein sphärisches Anschlussstück (10) aufweist, welches gelenkfrei fest mit der jeweiligen Platte (2, 3) fixiert ist.

7. Dynamometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das sphärische Anschlussstück (10) mit einer Stellschraube (11) an der jeweiligen Platte (2, 3) fixiert ist.

8. Dynamometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (6) mittig im Stabsensor (4) angeordnet ist.

9. Dynamometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stabsensor (4) im Wesentlichen achssymmetrisch und/oder spiegelsymmetrisch bezüglich seiner orthogonal zur Achse A verlaufenden Mittelebene E ausgebildet ist.

10. Dynamometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stabsensor (4) in seiner Axialrichtung A sehr steif und unbeweglich ausgestaltet ist.

11. Dynamometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Stabsensoren (4) identisch ausgestaltet sind.

12. Dynamometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt 8, 10 oder 12 Stabsensoren (4) angeordnet sind.

13. Dynamometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Platten (2, 3) parallel zueinander angeordnet sind.