DD279062A1 - Kraftmessachse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmessachse zur Ermittlung von Betrag und Richtung von auf Uebertragungsorgane wirkenden Kraeften mittels optischer Systeme. Erfindungsgemaess wird dies dadurch geloest, dass in der neutralen Faser der Achse eine in axialer Richtung verlaufende Bohrung angeordnet ist, in der im Bereich der groessten Verformung eine lichtemittierende Einheit und dieser gegenueberliegend eine mit dem Ende der Kraftmessachse verbundene positionsempfindliche Fotodiode angeordnet ist. Eine Belastung der Achse fuehrt zu deren Verformung, so dass sich die lichtemittierende Einheit gegenueber der Fotodiode verschiebt. Ueber eine Auswerteelektronik lassen sich ueber geometrische Beziehungen Kraftgroesse und -richtung bestimmen. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßachse, die der Ermittlung von Betrag und Richtung von auf Übertragungsorgane wirkenden Kräften dient. Sie ist überall dort anwendbar, wo Kräfte auf Bauteile wirken, deren Größe und Richtung Einfluß auf Dauerfestigkeit, Standsicherheit u.dgl. haben.

Charakteristik dos bekannten Standes der Technik

Nach DD-PS 252 241 ist eine Kraftmeßachse bekannt, die durch zwei voneinander unabhängige Dehnmeßstreifen-Vollbrücken in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen selektiv ist.

Nachteilig wirken sich bei dieser Lösung die für ein hohes Nutzsignal notwendigen unterschiedlichen Durchmesser und verschiedenen Querschnittsformen der Achse aus, die einer mathematischen Behandlung zu ihrer Festigkeitsdimensionierung nicht oder nur mit hohem Aufwand zugänglich sind. Der Einfluß der vielen Kerben im Bereich ihrer Maximalbeanspruchung läßt so infolge notwendiger Guerschnittsvergrößerung die Achse als Austauschbauteil als nicht brauchbar erscheinen. Ebenso stellen die hohen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit der Dehnmeßstreifen sowie deren Temperaturgang bei Temperaturdifferenzen innerhalb der Brückenschaltung einen weiteren Nachteil dieser Lösung dar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer im Aufbau einfachen, gegen Temperatureinflüsse unempfindlichen Kraftmeßachse, die ohne zusätzlichen Aufwand gegen herkömmliche Achsen austauschbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Betrag und Richtung von auf Bauteile wirkenden Kräften mittels optischer Systeme zu ermitteln, die so in einer Kraftmeßachse angeordnet werden, daß deren Relativbewegung zueinander infolge der Verformung der Achse in zwei positionsabhängige Ausgangssignsie zerlegt wird, aus denen durch Umrechnung die Kraftgröße und deren Wirkungsrichtung mittels einer Auswerteelektronik ermittelt werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß in der neutralen Faser der Achse eine in axialer Richtung verlaufende Bohrung angeordnet ist, in der im Bereich der größten Verformung direkt oder an einem Zwischenglied eine lichtemittierende Einheit angeordnet ist. Diese lichtemittierende Einheit kann sowohl eine Glühlampe als auch beispielsweise eine Laserdiode sein. Dieser ist unter einem beliebigen Winkel gegenüberliegend eine mit dem Ende der Kraftmeßachse verbundene positionsempfindliche Fotodiode angeordnet, die mit einer Auswtrteelektronik in Verbindung steht.

Zwischen Lichtsender und -empfänger können optische und/oder mechanische Mittel wie Linsen, Gestänge oder Übertragungsgetriebe zur Übersetzung des Verformungsweges angeordnet sein.

Das Ausgangssignal wird gebildet aus zwei Spannungen, die einem Koordinatensystem entsprechen, das die augenblickliche Position der lichtemittierenden Einheit gegenüber der positionsempfindlichen Fotodiode beschreibt.

Eine Belastung der Achse führt zu deren Verformung, so daß sich der Steg mit der lichtemittierenden Einheit gegenüber der positionsempfindlichen Fotodiode verschiebt. Diese Verschiebung führt an der Fotodiode zu einer Änderung der Ausgangsspannungen, die eine Koordinatenveränderung in zwei Richtungen charakterisieren, woraus sich über die geometrischen Beziehungen Kraftgröße und -richtung bestimmen lassen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Schnitt durch eine Kraftmeßachse,

Rg.2: Anordnung einer Fotodiode,

!^:ig.3: Anordnung einer Linse im Strahlengang.

Fig. 1 zeigt eine auf Biegung beanspruchte Achse 1 beispielsweise in der Umlenkrolle eines Kranhubseiles. Die Achse 1 wird durch die Kräfte F₁ und F₂ belastet, die jedoch nicht in einer Ebene liegen müssen. In axialer Richtung weist die Achse 1 eine Bohrung 2 auf, in deren Mitte ein Steg 3 mit einem Stab 4 angeordnet ist. An dem freien Ende des Stabes 4 ist eine Glühlampe 5 angeordnet. Am Ende der Achse 1 ist eine Aufnahme 6 mit einer positionsempfindlichen Fotodiode 7 mit Leitungen 8 angeordnet, die die Fotodiode 7 mit elektr. Energie versorgen sowie die Ausgangssignale zu einer Auswerteelektronik weiterleiten. In Fig. 2 ist eine Anordnung der positionsempfindlichen Fotodiode 7 dargestellt. Die Fotodiode 7 ist um den Winkel α zur Meßachse 1 geneigt. Jede radiale Verschiebung r des Stabes 4 mit der lichtemittierenden Einheit 5 wird dadurch auf der

Fotodiode 7 auf den Weg h = —; vergrößert und somit die Auflösung wesentlich verstärkt. Zur optimalen Nutzung dieses

sin α

Effektes ist die Fotodiode 7 gegenüber allen Ebenen eines Koordinatensystems geneigt.

Die Fig. 3 stellt einen Ausschnitt aus Fig. 1 dar, jedoch mit dem Unterschied, daß im Strahlengang zwischen lichtemittierender Einheit 5 und Fotodiode 7 eine Linse 9 so angeordnet ist, daß der radiale Verformungsweg rauf den Weg h vergrößert wird und somit die Empfindlichkeit gesteigert wird.

Claims (3)

1. Kraftmeßachse, gekennzeichnet dadurch, daß eine in der neutralen Faser der Achse in axialer Richtung verlaufende Bohrung angeordnet ist, in der im Bereich der größten Verformung direkt oder an einem Zwischenglied eine lichtemittierende Einheit und dieser unter einem beliebigen Winkel gegenüberliegend eine mit dem Ende der Kraftmeßachse verbundene positionsempfindliche Fotodiode angeordnet ist, die mit einer Auswerteelektronik in funktioneller Verbindung steht.

2. Kraftmeßachse nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Strahlengang optische Systeme angeordnet sind.

3. Kraftmeßachse nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß an dem Zwischenglied ein Gelenksystem angeordnet ist.