DD267102A1 - Vorrichtung zur dreidimensionalen kraftmessung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung und kann insbesondere als Sensor in der Robotertechnik eingesetzt werden. Die erfindungsgemaesse Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein starres Gehaeuse, in dem auf dem Boden ein System von Reflexions-Optokopplern angebracht ist. Ferner befinden sich im Gehaeuse zwei parallel uebereinander angeordnete Federringe, die ueber vier symmetrisch angeordnete Abstandsstaebe verbunden sind. Zwei dieser gegenueberliegenden Abstandsstaebe sind nach unten durch den unteren Federring hindurch mit dem Gehaeuseboden und nach oben durch den oberen Federring hindurch mit der Platte an einem Taststift verbunden. Der Taststift, der durch diese Platte hindurchgeht, hat an diesem Ende einen Reflexionswuerfel zur Messung der Wege zwischen den Reflexionsflaechen des Wuerfels und den Reflexions-Optokopplern am Gehaeuse.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft oine Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung und kann insbesondere als Sensor in der Robotertechnik eingesetzt werden. Vorzugsweise kann die Erfindung zur Kontakterksnnung und Konturverfolgunp angewendet werden.

Charakteristik de* bekannten Standes der Technik

Es sind eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Kraftmessung bekannt, bei denen die zu messende Kraft auf einen Verformungskörper wirkt. Die Deformation des Verformungskörpers, die nach verschiedenen Methoden gemessen werden kann, ist ein Maß für die zu messende Kraft.

Die Verwendung eines Stiftes als Kraftübertragungsglied ist ebenfalls bekannt (u. a. Teorija Prokatki, Verlag fvhtnllurgija, Moskau 1970, S. 117-118).

Bekannte Meßeinrichtungen haben den Nachteil, daß ihre Herstellung einen großen Aufwand erfordert.

Des weiteren sind eine Anzahl von Kraftmeßeinrichtungen bekannt, bei denen ein Körper auf seiner Oberseite eine Krafteinleitungsstelle besitzt und an dem sich Elemente befinden, die bei Kraftausübuno ihre elektrischen Eigenschaften verändern (DE OS 3544885). Diese die Dehnmeßstreifen enthaltene Lösungen (u. a. DE OS 2641342) weisen neben Hysterese-Problemen weitere Nachteile auf. Die enge Verbindung von VerformKc rpor und Meßolement hat neben dem genannten Nachteil eines großen Aufwar.dos in der Herstellung auch den Nachteil der nicht genügenden Entkopplung und somit der einwandfreien Bestimmung einer bestimmten Koordinate.

Weiterhin ist eine Wandloreinrichtung mit sechs Freiheitsgraden zur Erzeugung elektrischer Signale, die Kräfte und/oder Momente in drei zueinander orthogonalen Richtungon anzeigen, bekannt, wöbe· ein Gehäuse und eine Nabe d-.irch drei radiale Federelemente in den drei orthogonalen Richtungen elastisch beweglich mitain undor verbunden sind und als induktive Sensoren ausgebildete Einkomponentenwandler den Bewegungen analoge elektrische Signale erzeugen (DD WP 237 213).

Insgesamt haben die mit induktiven Sensoren eingebauten Ki'aftmeßeinrichtungen den Nachteil, daß vorhandene elektrische Felder die Quelle von Störgrößen bilden.

Bekannt ist ein Vorfahren und eine Anordnung zur optoelektronischen Meßwandlung an einem Kraftsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dnß im Volumen des Kraftmeßbügels ein universeller Weg-Spannungswandler auf optoelektronischer Basis, bestehend aus Sender, Blende und Empfänger angeordnet ist und in der Kraftwirkungslinie wirksam ist. Nachteilig ist, daß diese Lösung für den vorgesehenen Verwendungszweck nicht einsetzbar ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine dreidimensionale Kraftmessung, insbesondere für den Einsatz als Sensor in der Robotertechnik, mit großer Empfindlichkeit, geringem Aufwand, unter Ausschaltung von Störgrößen (elektrische Felder) und einer einwandfreien Bestimmung einer bof timmten Koordinate.

-2- 267 iO2 Darloyung dot Wesen» der Erfindung

Aufgabe der Erfindung Ist die Entwicklung einor Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung, insbesondere für den Einsatz ate Sati3Or, Ιί der Robotertechnik, mit groLer Empfindlichkeit, unter Ausschaltung von Störgrößen und einor guten Entkopplung, so daß nur ein Meßsignal für eine bestimmte Koordinar* gewonnen werden kann.

Erfindungygemäß ist die Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung dadurch gekennzeichnet, daß in einem starren Genauso am Boden für die Messung in den drei Koordinatonrichtungen x, y, ζ ein System von Reflexions-Optokopplern angeordnet ist. Das System der Optokoppler ist so angeordnet, daß für die Mescmg der x-Koordirate zwei gegenüberliegende Optokoppler (wobei ein Optokoppler jeweils aus einem Sender und einem Empfänger besteht) angeordnet sind. Für die Messung der y-Koordinate gilt dio gleich« Anordr. jng. Für die Messung der z-Koordinate sind jedoch zwei nebeneinanderliogende, aber entgegengesetzt angeordnete, (S <-► E, E ♦-> S) Optokoppler angebracht.

Weiterhin befindei siui in dem Gehäuse zwei parallel übereinander angeordnete als Biogebalken zu betätigende Ringplatten, die über vier starre oymmetrisch angeordnete Abstandsstäbe verbunden sind. Zwei dieser gegenüberliegenden Abstand:jstäba sind nach unten durch die untere Ringplatte hindurch fest mit dem Gehäusebodon und dio anderen beiden gegenüberliegenden Abotandsstäbe nach oben durch die obere Ringplatto hindurch fest mit einer starren Platte an einem Taststift verbundon. Der Taststift geht zentrisch durch diese Platte hindurch und hat an dem durch die Platte hindurchgehenden Ende einen Retlexicnswürfel fest angeordnet. Dieser Roflexionswürfol ist hängend und im unbelasteten Fall zentrisch <m System der Optokoppler gelagert.

Durch Berührung eines Objektes mit dem Taststift werden Verformungen in den Ringplatten erzeugt; hauptsächlich eine Verschiebung in z-Richtung und Verdrehung um die x- und um die y-Achso. Diese Größen werden dann durch Messung der Wege zwischen Gehäuse (besser am Gehäuseboden befestigte Optokoppler) und Reflexionswürfel erfaßt.

Jowoils zwei Optokoppler werden zur Messung einer Koordinate eingesetzt. Durch die besondere Anordnung der Optokoppler («system der Optokoppler) soll in jedem Fall die Kopplung zu den andern Verformungen eliminiert worden. Die gegenüberliegende Anordnung trägt zur Verringerung des Lineal itälsfehlors bei.

Dio Verwendung von zwei Ringplatten (von zwoi Federringen) in einem auslegbaren Abstand, ermöglicht eine Anpassung der Meßwege zu den eingeleiteten Kräften mit dem Ziel einer gleichmäßigen Empfindlichkeit dos Signalausgonges. Bei der Messung der z-Koordinate macht sich die Intensitätsänderung dadurch bemerkbar, indem sie in beiden Optokopplern nahezu gleich ist.

BoI dor Messung der x- als auch der y-Koordinate hat jeweils ein Koppler mohr Intensität als dor andere. Beide Koppler zusammen ergeben das Maß für dio Abstandsänderung.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind folgende: Im Vergleich mit den Ma^einrichtungen, die mit Dehnmeßstreifen arbeiten, erfolgt bol dor erfinderischen Lösung eine körperliche Trennung des varformten Teiles vom Moßteil.

Damit sind eine Reihe von Vorteilen vorbundon:

— keine besondere Anforderung an den Verformkörper durch die Anwendung der Elemontorsonsorer.

— dit. Herstellung erfordert keinen großen Aufwand

— durch diese Anordnung ist die Entkopplung gut .7U löson, d.h. ein Meßsignal für eine bestimmte Kr<»ftkoordinate

Im Vergleich mit den auf induktiver Basis arbeitenden Meßeinrichtungen hat die orfindei ische Vorrichtung den Vorteil, daß elektrische Felder als Störgrößen entfallen.

Die Erfindung wird nachstehend an folgenden Beispielen erläutert:

Fig. 1: zeigt die Darstellung der gesamten erfinderischen Vorrichtung

Flg. 2; zeigt die erfinderische Vorrichtung im Schnitt von der Seite

Fig. 3: zeigt die beiden Ringplatten

Fig.4: zeigt den Taststift mit Platte und Reflexionswürfel

Fig. 5: zeigt die Anordnung der Optokoppler

In Figur 1 ist In einem Gehäuse 1 am Bodon in der Mitte das System der Optokoppler 2 angeordnet. Ferner befinden sich im Gehäuse 1 die beiden Ringplatten 3 (zwei Federringe), die durch die vier Abstandsstäbe 4 und 5 verbunden sind. Zwei Abstandsstäbe 4 sind mit dem Gehäuseboden und zwei Abstandsstäbe 5 sind mit der Platte am Tastring 7 verbunden. An einem in das Gehäuse 1 hineinragonden Teil des Taststiftes 7 ist der Reflexionswürfel 8 befestigt.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung, dadurch (,^kennzeichnet, daß in einem starren Gehäuse (1) am Boden für die Mossung in den drei Koordinatenrichtungen x, y, ζ ein System von Reflexions-Optokopplern (2) angoordnot ist, daß zwei parallel übereinander sich befindliche als Biegebalken zu betätigende Ringplatten (3) über vier starre symmetrisch angeordnete Abstandsstäbe verbunden sind, wobei zwei gegenüberliegende Abstandsstäbe (4) nach unten durch die untere Ringplatte hindurch fest mit dem Gehäuseboden und die anderen beiden gegenüberliegenden Abstandsstäbe (δ) nach oben durch die obere Ringplatte hindurch fest mit einer starren Platte (6) an einem Taststift verbunden sind, wobei an dem einen durch diese Platte lentrisch hindurchgehenden in das Gehäuse (1) hineinragenden Ende dec Taststiftes (7) ein Refiexionswürfel (8) fest angeordnet ist und dieser Refloxionswürfel (8) hängend und im unbelasteten Fall zentrisch im System der Optokoppler gelagert ist und mittels des Systems der Optokoppler Abstandsänderungen des Reflexionswürfels zum Gehäuse (zu den Optokopplern) gemessen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das System der Optokoppler (2) so angeordnet ist, daß für die Messung der x- und der y-Koordinate jeweils gegenüberliegende Optokoppler angeordnet sind und ein Optokoppler in bekannter Weise jeweils aus einem Sender und einem Emf pänger besteht und für die Messung der z-Koordinate zwei nebeneinander liegende jedoch mit entgegengu jotzt angeordneten Sender und Empfänger angebracht sind.