DD252241A1

DD252241A1 - FORCE MEASURING AXIS

Info

Publication number: DD252241A1
Application number: DD29374886A
Authority: DD
Inventors: Christian Grueger; Karlheinz Schulze; Claus Risse; Hans-Georg Kaufmann
Original assignee: Verlade Transportanlagen
Priority date: 1986-08-20
Filing date: 1986-08-20
Publication date: 1987-12-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmessachse, die der Ermittlung von Betrag und Richtung von auf Uebertragungsorgane wirkenden Kraeften dient. Die Kraftmessachse weist fuer jede von zwei verschiedenen Kraftwirkungsebenen jeweils eine selbstaendige Messbruecke von Dehnungsmessstreifen auf. Mit den zwei Messbruecken werden in einem Messvorgang den Komponenten einer aufgebrachten Kraft entsprechende Ausgangssignale als Basis fuer die Berechnung der Gesamtkraft und deren Wirkungsrichtung gewonnen.The invention relates to a force measuring axis which serves to determine the magnitude and direction of forces acting on transmission organs. For each of two different force action planes, the force measuring axis has a self-sufficient measuring bridge of strain gauges. With the two measuring bridges, the components of an applied force are output in a measuring operation corresponding output signals as a basis for the calculation of the total force and its direction of action.

Description

Characteristic of the known technical solutions

Bei einer Vielzahl von Aufgabenstellungen hinsichtlich der Sicherheit von Geräten ist es erforderlich, von Kräften neben ihrem Betrag auch deren Richtung zu ermitteln. Beispielsweise trifft das zu, wenn von einer an einem pendelnden Seil hängenden Last die Last und der Pendelwinkel zu erfassen sind oder das Kippmoment eines Hebezeuges durch Berechnung aus einer Kraft und aus dem eindeutig die Kinematik des Hebezeuges beschreibenden Kraftangriffswinkel bestimmt werden soll. In der DE-OS 2650442 ist eine Kraftmeßvorrichtung für ein Hebezeug mit durch Arbeitszylinder betriebenem Kranausleger offenbart, bei der im Verbindungsgelenk zwischen dem Arbeitszylinder und dem Kranausleger eine Meßachse mit darauf angeordneten Dehnungsmeßstreifen vorgesehen ist. Mit dieser Kraftmeßvorrichtung wird am Arbeitszylinder die Druckkraft ermittelt, aus der sich das auf den Ausleger wirkende Kippmoment errechnen läßt, wenn der Neigungswinkel des Auslegers bekannt ist.In a variety of tasks relating to the safety of equipment, it is necessary to determine from forces in addition to their amount and their direction. For example, this applies if the load and the pendulum angle are to be detected by a load suspended on a pendulum rope or the tilting moment of a hoist is to be determined by calculation from a force and from the force application angle clearly describing the kinematics of the hoist. In DE-OS 2650442 a force measuring device for a hoist with operated by working cylinder crane boom is disclosed in which in the connecting joint between the working cylinder and the crane boom a measuring axis is provided with strain gauges arranged thereon. With this force measuring device, the compressive force is determined on the working cylinder, from which it is possible to calculate the tilting moment acting on the boom when the angle of inclination of the boom is known.

Das setzt jedoch zur Messung der Winkel am Kranausleger Zusatzeinrichtungen voraus. Zur Bestimmung von Betrag und Richtungswinkel ist somit je ein Sensor notwendig, deren Ausgangssignale derart verknüpft werden, daß als Ergebnis die gewünschte Größe vorliegt. Dabei können die Ausgangssignale der Zusatzeinrichtung zur Winkelbestimmung analog oder digital sein.However, this requires additional equipment for measuring the angles on the crane jib. For the determination of the amount and direction angle thus a sensor is ever necessary whose output signals are linked such that the result is the desired size. The output signals of the auxiliary device for angle determination can be analog or digital.

Die Nachteile dieser bekannten Kraftmeßvorrichtungen haben ihre Ursachen in den zur Bestimmung des Richtungswinkels der Kraft erforderlichen Zusatzeinrichtungen. Diese unterliegen als Außenaggregate im rauhen Kranbetrieb sehr stark der . Verschmutzung, so daß Meßwertverfälschungen nicht auszuschließen sind. Außerdem verkürzt die Verschmutzung und der damit verbundene Verschleiß den gewünschten Einsatzzeitraum.The disadvantages of these known force measuring devices are due to the additional equipment required to determine the directional angle of the force. These are subject as external units in rough crane operation very strong. Pollution, so that Meßwertverfälschungen can not be excluded. In addition, the contamination and the associated wear shorten the desired period of use.

Object of the invention

Die Erfindung stellt sich ι als Ziel eine Kraftmeßachse zur Ermittlung von Betrag und Wirkungsrichtung einerl<raft, mit der gegenüber bekannten Kraftmeßvorrichtungen unter Einsparung zusätzlicher Einrichtungen eine erhöhte Einsatzdauer erreicht und eine hohe Meßgenauigkeit gewährleistet wird.The invention sets itself the goal of a force measuring axis for determining the amount and direction of action of an armature, with which over known force measuring devices, while saving additional equipment, an increased service life is achieved and a high measuring accuracy is ensured.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einer Kraftmeßachse Dehnungsmeßstreifen derart zu applizieren, daß durch lastproportionale Dehnungen infolge äußerer Belastung über die Dehnungsmeßstreifen in einem Meßvorgang mehrere Ausgangssignale gewonnen werden, aus denen sich in einer nachgeschalteten.programmierten oder festverdrahteten Elektronik der Betrag der aufgebrachten Kraft und ihre Wirkungsrichtung berechnen lassen.The invention has for its object to apply strain gauges on a Kraftmeßachse so that a plurality of output signals are obtained by load-proportional strains due to external stress on the strain gauges in a measuring process, which in a nachgeschalteten.programmierten or hardwired electronics, the amount of force applied and calculate their direction of action.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kraftmeßachse zwei voneinander unabhängige Meßbrücken von Dehnungsmeßstreifen aufweist, von denen jeweils eine Meßbrücke in je einer von zwei verschiedenen, vorzugsweise rechtwinklig zueinander befindlichen Kraftwirkungsebenen der Kraftmeßachse wirkt. Mittels der voneinander unabhängigen Meßbrücken werden die von den einzelnen Komponenten der Kraft in der Kraftmeßachse voneinander unabhängig lastproportional hervorgerufenen Dehnungen über bekannte Mittel in elektrische Ausgangssignale umgewandelt. Wird innerhalb des durch beide Kraftwirkungsebenen eingeschlossenen Winkels, der vorzugsweise 90° beträgt, eine Kraft derart aufgebracht, daß ihre Wirkungslinie durch den Mittelpunkt der Kraftmeßachse verläuft, so entsprechen die Ausgangssignale jeder Kraftwirkungsebene den Größen der in diesen Kraftwirkungsebenen liegenden Kraftkomponenten. Die den Kraftkomponenten entsprechenden Ausgangssignale bilden nunmehr die Grundlage für die Berechnung deraufgebrachten Kraft und deren Wirkungsrichtung.According to the invention the object is achieved in that the force measuring two independent measuring bridges of strain gauges, each of which acts a measuring bridge in each one of two different, preferably at right angles to each other force action levels of Kraftmeßachse. By means of independent measuring bridges which are independent of the load of the individual components of the force in the force measuring axis caused proportional expansions converted by known means into electrical output signals. If, within the angle enclosed by both force action planes, which is preferably 90 °, a force is applied such that its line of action extends through the center of the force measuring axis, the output signals of each force action plane correspond to the magnitudes of the force components lying in these force action planes. The output signals corresponding to the force components now form the basis for the calculation of the applied force and its direction of action.

embodiment

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained below using an exemplary embodiment. The accompanying drawings show:

Fig. 1: Anordnung einer Kraftmeßachse,1: arrangement of a load cell,

Fig.2: eine Kraftmeßachse in perspektivischer Darstellung,2 shows a force measuring axis in perspective view,

Fig.3: einen Kranausleger mit Hubzylinder und eingeordneter Kraftmeßachse,3 shows a crane boom with lifting cylinder and arranged Kraftmeßachse,

Fig.4: Ansicht A-A nach Fig. 2.FIG. 4: View A-A according to FIG. 2.

Fig. 1 zeigt die Anordnung einer Kraftmeßachse 1 im Gelenkpunkt zwischen dem Kranausleger 2 und dem diesen betätigenden Hubzylinder 3. Sie hat hier eine Doppelfunktion, einerseits ist sie Getriebeorgan und andererseits übernimmt sie die Funktion als Kraftmeßachse 1. Belastet wird die Kraftmeßachse 1 durch den Hubzylinder 3. Sie überträgt diese Kraft auf den Kranausleger 2. In Fig. 2 ist eine Kraftmeßachse 3 perspektivisch dargestellt. Zwischen den Stellen der Krafteinleitung, die mit Kraftpfeilen und den Kraftgrößen F bzw.It has a double function, on the one hand it is the gear member and on the other hand, it takes over the function as a force measuring 1. The load cell 1 is loaded by the lifting cylinder 3. It transmits this force to the crane boom 2. In Fig. 2, a Kraftmeßachse 3 is shown in perspective. Between the points of introduction of force, with force arrows and the force variables F and

— gekennzeichnet sind, befinden sich Zonen konstanten Querkraftverlaufs, die mit ebenen Flächen 4 versehen sind. Auf diesen- Are marked, there are zones of constant transverse force curve, which are provided with flat surfaces 4. On this

Flächen 4, die in jeweils 90° zueinander stehen, sind für die Kraftwirkungsebene I Dehnungsmeßstreifen 6 und für die Kraftwirkungsebene Il Dehnungsmeßstreifen 5 jeweils unter einem Winkel von 45° zur neutralen Faser appliziert, so daß die Dehnungsmeßstreifen 5,6 die Dehnungen erfassen, die infolge der Querkräfte auftreten. Dabei bilden die Dehnungsmeßstreifen 5 und die Dehnungsmeßstreifen 6 jeweils selbständige Meßbrücken.Surfaces 4, which are each at 90 ° to each other, are applied for the force action plane I strain gauges 6 and the force action level Il strain gauges 5 each at an angle of 45 ° to the neutral fiber, so that the strain gauges 5.6 detect the strains due to the shear forces occur. The strain gauges 5 and the strain gauges 6 each form independent measuring bridges.

In Fig. 3 ist ein Anwendungsfall für die erfindungsgemäße Kraftmeßachse 1 am Beispiel eines durch einen Hubzylinder 3 zu betätigenden, im Anlenkpunkt A drehbaren Kranauslegers 2 dargestellt. Beschreibt während des Hubvorganges des Hubzylinders 3 der Gelenkpunkt C eine Bahnkurve Kc, so ändert sich der Winkel α. Das Drehmoment des Kranauslegers 2 um den Anlenkpunkt A wird bestimmt von der Länge AC, der Kraft des Hubzylinders 3 und dem Winkel a. Soll das Drehmoment beispielsweise zum Zwecke seiner Begrenzung erfaßt werden, so erfordert das die Messung des Winkels α und der Kraft des Hubzylinders 3. Dies geschieht mittels der Kraftmeßachse 1, die aus Gründen der übersichtlichen Darstellung im Anlenkpunkt B gemäß Fig.3 eingesetzt ist. Beim Einsatz der Kraftmeßachse im Gelenkpunkt C würde die gleiche Wirkung erzielt. Der Einbau erfolgt vorteilhafterweise derart, daß die mit den Dehnungsmeßstreifen 6 versehenen Flächen 4 parallel zur Kraftwirkungsebene I nach Fig.3 und die Flächen 4 mit den Dehnungsmeßstreifen 5 parallel zur Kraftwirkungsebene Il gemäß Fig.3 liegen. Aus der die Ansicht A-A gemäß Fig. 2 zeigenden Fig. 4 ist zu erkennen, daß die unter dem Winkel α wirkende Kraft Fin seine Komponenten F, und Fn zerlegt wird, die beide in elektrische Signale umgewandelt werden und zwar die Komponente F| durch die Meßbrücke mit den Dehnungsmeßstreifen 6 und die Komponente F_M mittels der aus den Dehnungsmeßstreifen 5 gebildeten Meßbrücke. In einer nachgeschalteten Elektronik lassen sich über die GleichungenIn Fig. 3, an application for the force measuring axis 1 according to the invention is shown using the example of a lifting cylinder 3 to be actuated, pivotable in the articulation point A crane jib 2. Describes during the lifting operation of the lifting cylinder 3, the hinge point C a trajectory Kc, the angle changes α. The torque of the crane jib 2 about the pivot point A is determined by the length AC, the force of the lifting cylinder 3 and the angle a. If the torque is to be detected, for example, for the purpose of limiting it, this requires the measurement of the angle α and the force of the lifting cylinder 3. This is done by means of the force measuring 1, which is used for reasons of clarity in the articulation point B of Figure 3. When using the Kraftmeßachse in the pivot point C, the same effect would be achieved. The installation is advantageously carried out in such a way that the surfaces 4 provided with the strain gauges 6 lie parallel to the force effect plane I according to FIG. 3 and the surfaces 4 with the strain gauges 5 are parallel to the force effect plane II according to FIG. From FIG. 4 showing the view AA according to FIG. 2 it can be seen that the force Fin acting at the angle α is decomposed into its components F 1 and Fn, both of which are converted into electrical signals, namely the component F 1 through the measuring bridge with the strain gauges 6 and the component F _M by means of the measuring bridge formed from the strain gauges 5. In a downstream electronics can be about the equations

F=X/ F,² + Fii und = arctan—- F = X / F, ² + Fii and = arctan -

die gewünschten Größen Kraft F und deren Wirkungsrichtung aus den in einem Meßvorgang ermittelten Komponenten F| und Fn der Kraft F berechnen.the desired quantities of force F and their direction of action from the components F | and calculate Fn of the force F.

Claims

Force measuring axis with strain gauges, characterized in that the Kraftmeßachse for two different, preferably at right angles to each other located force action levels (I, II) has two independent measuring bridges of strain gauges (5 and 6).

For this

2 pages drawings.

Field of application of the invention

The invention relates to an arrangement of strain gauges on a power transmission member for determining the amount and direction of the force acting on this organ.