DD151999A1

DD151999A1 - MEASURING DEVICE FOR ANGLE MOVEMENTS

Info

Publication number: DD151999A1
Application number: DD20703678A
Authority: DD
Inventors: Juergen Kuehnhardt
Original assignee: Juergen Kuehnhardt
Priority date: 1978-07-31
Filing date: 1978-07-31
Publication date: 1981-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die es ermoeglicht, ebene Winkel elektrisch zu messen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messgeber zu schaffen, der begrenzte kleinere und groeszere Winkelaenderungen von Koerpern ohne zusaetzliche mechanische Uebertragungsglieder misst, der Messungen an Winkelbewegungen erlaubt, bei denen sich die Lage der Drehachse bezueglich der Koerper gering aendert und dessen Herstellung einfach und mit geringen Kosten moeglich ist. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dasz der mit Drehmeszstreifen beklebte Biegekoerper des Messgebers fest oder mit elastischen Uebertragungsgliedern an beiden Meszschenkeln angebracht ist und bei einer Winkelbewegung eine Kruemmungsaenderung erfaehrt.Der Biegekoerper und die elastischen Uebertragungsglieder haben die Form einer geraden oder gekruemmten Flachfeder, Spiralfeder, Schraubenfeder oder schraubenfoermigen Spiralfeder.Anwendungsgebiete sind Winkelmessungen bei Bewegungen technischer Koerper und Gelenkbewegungen menschlicher Gliedmaszen.The invention relates to a device which makes it possible to measure plane angles electrically. It is an object of the invention to provide a transducer which measures limited smaller and larger angular changes of bodies without additional mechanical transmission members, which permits measurements of angular movements in which the position of the axis of rotation changes slightly with respect to the bodies and its manufacture is simple and low Cost is possible. The object is achieved by the fact that the bending body of the measuring device, which is glued with a rotating strip, is fixedly attached to both measuring arms with elastic transmission elements and undergoes a bending change during angular movement. The bending body and the elastic transmission elements have the shape of a straight or curved flat spring, spiral spring, helical spring or helical coil spring. Fields of application are angle measurements on movements of technical bodies and joint movements of human limbs.

Description

Meßeinrichtung für Winkelbewegungen .Anwendungsgebiet der ErfindungAngular motion measuring device. Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung für Winkel— bewegungen^ mit der ebene Winkel und Winkeländerungen zwischen zwei Körpern elektrisch geraessen werden können,» Die Erfindung kann insbesondere zur Messung der Winkelbewegung technischer Körper und Gelenkbewegungen menschlicher Gliedmaßen verwendet v/erden«The invention relates to a measuring device for angular movements, with which plane angles and angle changes between two bodies can be electrically measured. The invention can be used in particular for measuring the angular movement of technical bodies and joint movements of human limbs.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Characteristics of the known technical solutions

Bekannt sind zum Beispiel elektrische Winkelmeßgeräte mit Widerstandspotentiometern oder mit Dehnmeßstreifen (DLiS)₀ Bei bekannten Winkelmeß gerät en mit DMS-Brücken wird die Winkelbewegung mit mechanischen Übertragungsgliedern (z_eB₀ Kurvenscheiben) in eine Biegung eines mit D&IS belegten Meßkörpers umgewandelt« Zur Messung kleiner Winkeländerungen mit Potentiometerwinkelmeßgeräten werden für genaue Messungen ebenfalls meistens Übertragungsglieder wie Zahnräder verwendet« Die Lage der Drehachse der Winkelbewegung bezüglich beider Körper muß meist ge-nau eingehalten werden, d_oh, andere Verdrehungen oder Verschiebungen als um die Meßdrehachse führen zur Zerstörung der Meßeinrichtung oder groben Verfälschung der Meßergebnisse»Are known, for example, electrical angle measuring with resistance potentiometers or with strain gauges (DLIs) ₀ In known angle measurement en device with strain gauge bridges the angular movement (B ₀ cams z _e) is converted into a bend of an occupied with D IS measuring body with mechanical transmission members "small to measure Angle changes with potentiometer angle gauges are also used for accurate measurements also transmission elements such as gears. "The position of the axis of rotation of the angular movement with respect to both bodies must usually be kept meticulously, d _o h, other twists or shifts than around the Meßdrehachse lead to the destruction of the measuring device or coarse Falsification of the measurement results »

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer Meßeinrichtung, mit der es möglich ist, begrenzte kleine und größere Winkeländerungen von Körpern mit' guter Genauigkeit zu messen«, Die Lage der Drehachse der Winkelbewe-The aim of the invention is the development of a measuring device with which it is possible to measure finite small and larger angular changes of bodies with "good accuracy", the position of the axis of rotation of the angular movement.

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gung soll sich beim Meßvorgang bezüglich beider Körper gering verändern können, ohne das Meßergebnis wesentlich zu beeinflussen« Die Herstellung des Meßgebers soll mechanisch einfach und mit vergleichsweise geringen Kosten möglich sein«tion should be able to change slightly during the measuring process with respect to both bodies, without significantly influencing the measurement result. "The manufacture of the measuring transmitter should be possible mechanically simple and with comparatively low costs."

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung einer Meßeinrichtung für Winkelbewegungen, die ohne zusätzliche Übertragungsglieder arbeitet und geringe translatorische Verschiebungen oder Rotationen nicht um die Meßdrehachse erlaubt«, Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein spezieller elastischer Biegekörper fest an beiden an der Winkelbewegung beteiligten Körpern angebracht wird» Der Biegekörper, der je nach Größe der Winkeländerung einer unterschiedlichen Biegungsänderung unterworfen wird, ist mit Dehnmeßstreifen (DMS) beklebt _s die die Biegungsänderung in eine Meß Spannungsänderung umwandeln«, Form, Lage und Material des Biegekörpers und der DMS sind so zu wählen, daß die Kraft und das Drehmoment für die Biegung des Biegungskörpers vernachlässigbar klein wird und sich im Meßbereich ein linearer Zusammenhang zwischen Winkeländerung und MeßSpannungsänderung der DMS-Meßbrücke ergibt„The object of the invention is the development of a measuring device for angular movements, which works without additional transmission links and low translational displacements or rotations not allowed around the Meßdrehachse «, the object is achieved in that a special elastic bending body fixedly attached to both bodies involved in the angular movement »The bending body, which is subjected to a different bending change depending on the size of the angle change, is covered with strain gauges ( _s) which convert the bending change into a measuring change of tension«, the shape, position and material of the bending body and the strain gauges are to be selected that the force and the torque for the bending of the bending body is negligibly small and results in the measuring range, a linear relationship between the change in angle and MeßSpannungsänderung the strain gauge bridge "

Erfindungsgemäß wird als Biegekörper eine flache Spiralfeder oder Schraubenfeder verwendet«, Ihre Enden sind jeweils mit einem der sich gegeneinander verdrehbaren Körper verbunden^ Die Mittelachse der Spiral- oder Schraubenfeder soll sich nahe der Drehachse der Drehbewegungen befinden* Die Anzahl der Spiral- oder Schraubenwindungen der Meßfeder richtet sich nach der Größe des erforderlichen Meßbereichs· Um Linearität der Messung zu gewährleisten, ist die Windungszahl bei größeren maximalen Drehwinkeln zu erhöhenφAccording to the invention, a flat coil spring or helical spring is used as the bending body, "their ends are each connected to one of the mutually rotatable body ^ The central axis of the spiral or coil spring should be close to the axis of rotation of the rotational movements * The number of spiral or helical turns of the measuring spring depends on the size of the required measuring range · In order to ensure linearity of the measurement, the number of turns must be increased at larger maximum angles of rotation

Die DMS werden in der Mitte oder symmetrisch zur Mitte der gestreckten Länge auf beiden Seiten der MeßfederThe strain gauges are in the middle or symmetrical to the middle of the extended length on both sides of the measuring spring

aufgeklebt und zu einer Halb- oder Vollbrücke zusammengeschaltete Bei Winkeländerungen um die Drehachse streckt oder zieht sich die Feder zusammen und ändert damit die Krümmung auf ihrer ganzen Länge« Die aufgeklebten DIAS werden gedehnt und gestaucht und es ergibt sich eine MeßSpannungsänderung der Meßbrücke, die mit einem Meßverstärker und anzeigenden Geräten erfaßbar wird· Als Biegekörper kann ebenfalls eine schraubenförmige Spiralfeder oder zwei miteinander verbundene schraubenförmige Spiralfedern in der Form eines Kegelstumpfes oder Doppelkegelstumpfes verwendet werden* Aus Gründen einer einfacheren Herstellung der Meßfedern und KLebung der.DMS kann der Biegekörper mit der DMS-KLebesteile als gerades Flachmaterial ausgeführt sein, das mit einer oder zwei getrennt gefertigten flachen Schraubenfedern oder schraubenförmigen Spiralfedern verbunden wird. Die Schrauben- oder Spiralfedern haben dabei nur die Aufgabe, die Winkel- bzw· Biegungsänderung auf dem Biegekörper mit der Klebestelle-zu übertragen,glued on and connected to a half or full bridge When angle changes around the axis of rotation stretches or contracts the spring and thus changes the curvature along its entire length "The glued DIAS are stretched and compressed and there is a MeßSpannungsänderung the measuring bridge, with a As a bending body can also be a helical coil spring or two interconnected helical coil springs in the form of a truncated cone or a double truncated cone used * For reasons of ease of manufacture of the measuring springs and swiveling der.DMS of the bending body with the DMS-Klebesteile be designed as a straight flat material, which is connected to one or two separately manufactured flat coil springs or helical coil springs. The helical or spiral springs have only the task to transfer the angular or bending change on the bending body with the splice,

Ausführungsbeispielembodiment

Erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele der Winkeleinrichtung sind auf den Zeichnungen gezeigt, von denen: Fig« 1 und 2 - einen Winkelmeßgeber mit Spiralfeder fürInventive embodiments of the angle device are shown in the drawings, of which: Fig. 1 and 2 - an angle encoder with coil spring for

Winkelbewegungen mit unveränderlicher Drehachse, z*B„ bei technischen Körpern, (Figo 3 bis β - einen Y/inkelmeßgeber mit SchraubenfederAngular movements with invariable axis of rotation, z * B "for technical bodies, (Fig. 3 to β - a y / inch sensor with helical spring

für Gelenkbewegungen mit begrenzt veränderlicher Drehachse, z«B« bei menschlichen Gliedmaßen (Fig* 4 und 5 zeigen den eigentlichen Meßgeber_s Fig_e 3 und 6 die Anpaß-Vorrichtung)j Fig« 7 bis 11 - Varianten für weitere Biegekörper mitfor joint movements with limitedly variable axis of rotation, z "B" in human limbs (Figs. 4 and 5 show the actual transducer _s Fig _e 3 and 6, the fitting device) j Fig «7 to 11 - variants for other bending body with

darstellen.represent.

Der Winkelmeßgeber mit Spiralfeder Fig. 1 und 2 besteht aus der Meßfeder 1₉ die mit DIiS 4 beklebt sind* An ihren Enden ist die Meßfeder 1 mit dem Befestigungsstück 5 am Gehäuse 7 und mit dem Befestigungsstück 6 an der Drehachse 8 angebracht,, Die Drehachse 8 ist am Lager 12 gelagert j die Anschlägstifte 11 begrenzen den maximalen Y/inkelbereich« Der Winkelmeßgeber ist aus Gründen einer einfachen Handhabbarkeit und Kompaktheit mit einer fest gelagerten Drehachse 8 ausgestattet, die seine Verwendung für Winkelmessungen bei technischen Drehbewegungen mit unveränderlicher Drehachse empfiehlt« Das Heßprinzip mit Spiral» oder Schraubenfedern erfordert jedoch keine fest gelagerte Drehachse 8, sondern gestattet die Anbringung der Befestigungsstücke 5 und 6 bei allen Biegekörpervarianten Pig· 1 bis 11 direkt an beidenj an der Winkelbewegung beteiligten Körpern_e Die Befestigungsstücke 5 und 6 werden so angebracht, daß sich die Mittelachse der Schrauben- oder Spiralfeder nahe derDrehachse der Winkelbewegung befindet« Dann sind Winkelmessungen auch bei kleineren Lageänderungen der Drehachse bezüglich beider an der Winkelbewegung beteiligten Körper möglicheThe Winkelmeßgeber with coil spring Fig. 1 and 2 consists of the measuring spring 1 ₉ which are glued with DIiS 4 * At their ends, the measuring spring 1 with the attachment piece 5 on the housing 7 and with the attachment piece 6 attached to the axis of rotation 8, the axis of rotation 8 is mounted on the bearing 12 j the detent pins 11 limit the maximum angular range. "For reasons of simplicity and compactness, the angle transducer is equipped with a fixed pivot 8 which recommends its use for angular measurements during technical rotary movements with a fixed axis of rotation." with spiral "or coil springs, however, requires no fixed bearing rotary axis 8, but also allows the attachment of the mounting pieces 5 and 6 in all the bending body variants Pig x 1 to 11 directly to beidenj involved in the angular movement of bodies _e the mounting pieces 5 and 6 are mounted so that the central axis of the helical or spiral spring n Then angle measurements are possible even with smaller changes in position of the axis of rotation with respect to both involved in the angular movement body

Solche Winkelbewegungen, die keine reinen Rotationsbewegungen sind, sondern auch Translationskomponenten besitzen j sind die Gelenkbewegungen des menschlichen Bewegungsapparates« Bei Winkelbewegungen der Gliedmaßen ändert auf Grund der spezifisch-anatomischen Gleitbewegung des Gelenkkopfes in der Gelenkpfanne die Drehachse in begrentem Maße ihre Lage bezüglich der beiden beteiligten Gliedmaßen«, Bei den bekannten Winkelmeßgeräten für Gliedmaßenbewegungen (Goniometern), die mit festen Meßdrehachoen arbeiten, ver-schieben sich bei Bewegungen infolgedessen die Meßschenkel auf oder mit der Hau^rt-oberfläche oder behindern die Bewegung· Die Folge ist eine Verfälschung der Meßergebnisse, die bei Meßgebern ohne festgelegte Drehachse nicht zu erwartenIn the case of angular movements of the limbs, due to the specific anatomical sliding movement of the condyle in the acetabulum, the axis of rotation changes, to a limited extent, its position relative to the two limbs involved "In the known angle gauges for limb movements (goniometers), which work with fixed Meßdrehachoen, move during movement as the Meßschenkel on or with the Hau ^ rt surface or obstruct the movement · The result is a falsification of the results, the not expected for encoders without fixed axis of rotation

Figo 3 bis 6 zeigt einen Winkelmeßgeber für Gelenkbewegungen von Gliedmaßen« Die Meßfeder 1, hier eine SchraUrbenfeder, die mit DMS 4 beklebt ist, ist an ihren Enden mit den Befestigungsstücken 5 und 6 und über die Abdekkung 9 an den beiden Winkelmeßschenkeln 10 befestigt. Zur einfacheren Ermittlung der mittleren Lage des Drehpunktes und der Befestigungsstellen, zur Erleichterung der Anbringung des Meßgebers an der Meßstelle und zur' Vermeidung von Beschädigungen dient die Anpaßvorrichtung Pig» 3 und 6, mit der der Meßgeber an der Meßst eile angebracht wird, und die zur Messung mit den Rändelschrauben 13 aus der Führung 14 der Meßschenkel gelöst wird« Das Scharniergelenk 11 der Anpaßvorrichtung bestimmt in montiertem Zustand die Drehachse des Winkelmeßgebers« Pig« 7 zeigt die Variante eines Biegekörpers als geschraubte Spiralfeder 1 in Form eines Doppelkegelstumpfes, dessen große Durchmesser aufeinanderliegen, mit dem aufgeklebten DMS 4«Mit den Befestigungsstücken 5 und 6 kann die Meßfeder 1 an Meßschenkeln oder direkt an den gegeneinander bewegten Körpern befestigt werden. Pig« 8 zeigt die Meßfeder als geschraubte Spiralfeder 1 in Form eines Doppelkegelstumpfes, dessen kleine Durchmesser aufeinanderliegen'mit den aufgeklebten DMS 4· Die Befestigungsstücke 5 und 6 dienen wiederum zur Anbringung an Meß schenkein oder direkt an die Drehkörper. In Pig« 9 und 1o ist die Meßfeder 1 mit dem DLlS 4 in gerader flacher Form ausgeführt und die Übertragung und Transformation der Biege- und Winkeländerung v/ird durch die schraubenförmigen Spiralfedern 2 und 3 vorgenommen« Zur leichteren Herstellung und Klebung von Biegekörperjrf und DMS wurden die Meßfeder-1 und die Übertragungsfedern 2 und 3 getrennt hergestellt, nachträglich zusammenmontiert und an die Befestigungsstücke 5 und 6 angebracht„Fig. 3 to 6 shows a Winkelmeßgeber for joint movements of limbs «The measuring spring 1, here a SchraUrbenfeder, which is glued with DMS 4, is attached at their ends with the attachment pieces 5 and 6 and the cover 9 at the two Winkelmeßschenkeln 10. For easier determination of the average position of the fulcrum and the attachment points, to facilitate the attachment of the encoder to the measuring point and 'avoid damage the Anpaßvorrichtung Pig »3 and 6, with the measuring sensor is attached to the Meßst ropes, and the The hinge joint 11 of the adapter determines in the assembled state the axis of rotation of the Winkelmeßgebers «Pig« 7 shows the variant of a bending body as a screwed coil spring 1 in the form of a double truncated cone, the large diameter on each other, with the glued DMS 4 «With the attachment pieces 5 and 6, the measuring spring 1 can be attached to Meßschenkeln or directly to the mutually moving bodies. Pig «8 shows the measuring spring as a screwed coil spring 1 in the form of a double truncated cone, the small diameter aufliegenliegen'mit glued DMS 4 · The attachment pieces 5 and 6 are in turn schenkein for attachment to measuring or directly to the rotary body. In Pig «9 and 1o, the measuring spring 1 with the DLIS 4 is made in a straight flat form and the transmission and transformation of the bending and angle change is made by the helical coil springs 2 and 3.« For easier manufacture and bonding of Biegekörperjrf and DMS the measuring spring-1 and the transmission springs 2 and 3 were made separately, assembled later and attached to the mounting pieces 5 and 6. "

Pig« 11 zeigt die Meßfeder 1" mit dem DMS 4, die direkt an .die Achse 8 angebracht ist* Die Übertragung und Trans-Pig «11 shows the measuring spring 1" with the strain gauge 4, which is attached directly to the axis 8 * The transmission and trans-

formation der Biegung und Y/ink el änderung übernimmt die schraubenförmige Spiralfeder 3> die am Befestigungsstück 6 angebracht ist.Formation of the bend and Y / ink el change takes over the helical coil spring 3> which is attached to the attachment piece 6.

Claims

- ⁷ - 2 07 03 6

Invention claims I ₁

1 · measuring device for angular movements, consisting of electrical transducer, with or without adapter, amplifier and display ^ characterized in that the adhered with Dehnmeßstreifen bending body of the encoder, which undergoes a change in curvature by an angular movement of the Meßschenkel fixed or with elastic transmission elements on both Meßschenkeln is attached, and in that the bending body and the elastic transmission members in particular in the form of a straight or curved flat spring, a spiral spring or a helical coil spring.

2 _e measuring device for angular movements according to item 1, characterized in that the adjusting device consists of a hinge joint with two legs and is attached to the Meßschenkel of the encoder.

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