DE10055933A1

DE10055933A1 - Recorder for measuring applied forces has a rotationally symmetric body with measurement legs arranged between through holes on which strain gages are placed to measure shear forces, which are insensitive to load placement

Info

Publication number: DE10055933A1
Application number: DE2000155933
Authority: DE
Inventors: Werner Nold
Original assignee: HBM MES und SYSTEMTECHNIK GmbH
Current assignee: HBM MES und SYSTEMTECHNIK GmbH
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2002-05-23

Abstract

Recorder for measuring loads has a rotationally symmetric body (2) with measurement legs on which are placed transducers arranged between an upper force application surface (4) and lower force transmission element. The transducers, strain gauges, are positioned to measure shear forces.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aufnehmer zum Messen von Bela stungen, mit einem rotationssymmetrischen Meßkörper, der zwi schen einem Kraftein- und Kraftausleitungselement Meßstege aufweist, die Wandlerelemente tragen. Aufnehmer zum Messen von Belastungen werden in vielen Bereichen in der Industrie und der Forschung zur Kraft- und Gewichtsmessung eingesetzt und werden meist als Serienprodukte hergestellt. Um den unter schiedlichen Einsatzbereichen, Einbauverhältnissen und Genau igkeitsanforderungen gerecht zu werden, existieren eine Viel zahl von Ausführungsformen derartiger Kraftaufnehmer bzw. Wä gezellen.The invention relates to a sensor for measuring Bela stungen, with a rotationally symmetrical measuring body, the zwi rule a force introduction and force diversion element has that carry transducer elements. Transducers for measuring Burdens are found in many areas in industry and used in research on force and weight measurement and are usually manufactured as series products. To the under different areas of application, installation conditions and accuracy There are many things to do to meet requirements Number of embodiments of such force transducers or Wä load cells.

Aus der EP 0 288 985 A2 ist eine rotationssymmetrische Biege ring-Wägezelle bekannt, die aus einem ringförmigen Kraftauf nahmeelement und einem zylindrischen Krafteinleitungselement besteht, wobei dazwischen ein ringförmiger mit Dehnungsmeß streifen applizierter Biegering angeordnet ist. Der Biegering ist über zwei schmale, ringförmige Stege einerseits mit dem Krafteinleitungselement und andererseits mit den Kraftaufnah meelement verbunden.EP 0 288 985 A2 describes a rotationally symmetrical bend ring load cell known from an annular force Take element and a cylindrical force introduction element exists, with an annular strain gauge in between strip appliqué jump ring is arranged. The jump ring is on the one hand with the Force introduction element and on the other hand with the force absorption connected element.

Ein weiterer Aufnehmer zum Messen von Belastungen ist aus der DE 44 12 377 A1 bekannt. Dieser Aufnehmer weist einen Meßfe derkörper auf, der mit auf einem Teilkreis angeordneten paral lel zur Belastungsachse sich erstreckenden Ausnehmungen verse hen ist, zwischen denen radial verlaufende Meßstege ausgebil det sind. Die Meßstege werden dabei durch quer zur Belastungs richtung verlaufende, mit den parallel zur Belastungsrichtung sich erstreckenden Ausnehmungen in Verbindung stehende Quer bohrungen gebildet.Another sensor for measuring loads is from the DE 44 12 377 A1 known. This sensor has a Meßfe the body on, with the paral arranged on a pitch circle recesses extending to the load axis hen, between which radially extending measuring webs are formed det. The measuring webs are through across the load direction, with those parallel to the direction of loading extending recesses connecting cross holes formed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aufnehmer zum Messen von Belastungen zu schaffen, der eine hohe Meßgenauig keit aufweist, mit geringen Kosten hergestellt werden kann und eine hohe Störkraft-Unempfindlichkeit besitzt.The object of the present invention is to provide a sensor for Measuring loads to create a high measurement accuracy speed, can be produced at low cost and has a high immunity to interference.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Meßstege mit den Wandlerelementen Scherkraftaufnehmer bilden.This object is achieved in that the measuring webs with the Transformer elements form shear force transducers.

Da bei der Messung von Zug- und Druckkräften die Meßstege mit einer Scherkraft belastet werden, zeichnet sich der Aufnehmer durch eine gute Meßgenauigkeit aus. Bei diesem sogenannten Scherkraftaufnehmer hat der Einleitungsort der zu messenden Kraft keinen Einfluß auf die Größe des zu messenden Signals uns somit auch keinen Einfluß auf den Kennwert des Aufnehmers. Durch die rotationssymmetrische Ausbildung des Meßkörpers wird eine besonders günstige Fertigung eines Präzisionsaufnehmers erreicht.Since the measuring bars with the measurement of tensile and compressive forces the transducer excels with good measuring accuracy. With this so-called The point of introduction of the shear force transducer has to be measured Does not affect the size of the signal to be measured us therefore no influence on the characteristic value of the sensor. Due to the rotationally symmetrical design of the measuring body a particularly inexpensive manufacture of a precision transducer reached.

Die Meßstege lassen sich in einfacher Weise durch Einbringen von radialen Bohrungen/Ausnehmungen in den Meßkörper herstel len, so daß ein einteiliger Meßkörper erreicht wird. Hierdurch entfallen Probleme mit inneren Verschraubungen, die das Meßer gebnis verfälschen würden. Zusätzlich kann durch den einteili gen Meßkörper ein sehr kurzbauender Meßkörper hergestellt wer den.The measuring bars can be easily inserted of radial bores / recesses in the measuring body len, so that a one-piece measuring body is reached. hereby eliminates problems with internal fittings that the knife would falsify the result. In addition, the one-part gene measuring body a very short measuring body who manufactured the.

Durch die symmetrische Kraftein- und -ausleitung der fluchtend übereinander angeordneten Kraftein- und -ausleitungsringe wird einer Hysterese entgegengewirkt. Durch diese Anordnung wird eine Einleitung von Biegemomenten vermieden. Zusätzlich können störende Querkräfte bei der Krafteinleitung vermieden werden, wenn das Krafteinleitungselement ballig ausgeführt wird. Da das Kraftein- und Kraftausleitungselement über je einen ge lenkartigen Abschnitt mit den Meßstegen in Verbindung steht, werden nur Scherkräfte in die Meßstege eingeleitet. Weiterhin werden durch einteiligen Aufbau des erfindungsgemäßen Aufneh mers Einspannfehler und Schraubeinflüsse, die zu einer Verfäl schung der Meßwerte führen können, vermieden. Es kann somit ein Aufnehmer hergestellt werden, der eine hohe Meßgenauigkeit aufweist.Due to the symmetrical force transmission and rejection of the aligned force input and output rings arranged one above the other counteracted a hysteresis. This arrangement will an introduction of bending moments avoided. In addition, you can disruptive transverse forces are avoided when force is applied, if the force introduction element is made spherical. There the force introduction and force diversion element each have a ge steer-like section is connected to the measuring bars, only shear forces are introduced into the measuring webs. Farther are by one-piece construction of the Aufneh invention mers clamping errors and screw influences, which lead to the measurement values can be avoided. So it can a transducer can be manufactured with a high measuring accuracy having.

Die doppelseitige Applikation der Dehnungsmeßstreifen auf den Meßstegen bewirkt weiterhin eine Kompensation von Meßfehlern.The double-sided application of the strain gauges on the Measuring bars also compensate for measuring errors.

Der erfindungsgemäße Aufnehmer besitzt eine hohe Steifigkeit und damit eine große Biegeeigenfrequenz.The transducer according to the invention has high rigidity and thus a large natural bending frequency.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:The invention is described below with reference to exemplary embodiments len explained in more detail, which are shown in the drawings. Show it:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Aufnehmers in Seitenan sicht; Fig. 1 shows an embodiment of a transducer in Seitenan;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch den Aufnehmer längs dem Schnitt A-A in Fig. 1; Figure 2 shows an axial section through the transducer along the section AA in Fig. 1.

Fig. 3 einen Radialschnitt durch den Aufnehmer längs dem Schnitt B-B in Fig. 1; Fig. 3 is a radial section through the transducer along the section BB in FIG. 1;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemä ßen Aufnehmers nach Fig. 1; Fig. 4 is a perspective view of the transducer according to the invention shown in Fig. 1;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Aus führungsform eines Aufnehmers; Fig. 5 is a perspective view of another embodiment of a sensor;

Fig. 6 einen Radialschnitt durch den Aufnehmer nach Fig. 5. Fig. 6 is a radial section through the sensor according to Fig. 5.

In den Fig. 1 bis 4 ist ein erfindungsgemäßer Aufnehmer 1 zum Messen von Belastungen dargestellt. Dieser Aufnehmer 1 weist einen rotationssymmetrisch ausgebildeten Meßkörper 2 auf. Die Rotationssymmetrieachse 3 entspricht der Belastungs richtung in der die Krafteinleitung und Kraftausleitung er folgt. Der Meßkörper 2 besitzt ringförmige Kraftein- und -ausleitungselemente 4, 5. Das ringförmige Krafteinleitungsele ment 4 und -ausleitungselement 5 sind jeweils stirnseitig ko axial angeordnet und weisen jeweils den gleichen Außen- und Innendurchmesser auf. Der Meßkörper weist mittig eine axiale Durchgangsbohrung 6 auf. Weiterhin sind ausgehend von der Man telfläche des Meßkörpers 2 vier radiale Bohrungen 7, 7', 7", 7''' in den Meßkörper eingebracht, wobei die Bohrun gen als Durchgangsbohrungen ausgebildet sind. Die Bohrungen 7, 7', 7", 7''' sind im Querschnitt rechteckig ausgebildet und weisen Endseitig halbkreisförmige Ausnehmungen 8 auf. Die er ste und zweite Bohrung 7, 7' sind benachbart zueinander ange ordnet und bilden ein erstes Bohrungspaar, so daß zwischen dem Bohrungspaar ein erster Meßsteg 9 und ein dem Meßkörper radial gegenüberliegender zweiter Meßsteg 9 gebildet wird. Die dritte und vierte Bohrung 7", 7''' sind entsprechend der ersten und zweiten Bohrung benachbart zueinander angeordnet und bilden ein zweites Bohrungspaar. Das zweite Bohrungspaar ist um 90° versetzt zu dem ersten Bohrungspaar in den Meßkörper 2 einge bracht. Zwischen dem zweiten Bohrungspaar wird entsprechend ein dritter Meßsteg 9 und ein diesem radial gegenüberliegender vierter Meßsteg 9 gebildet. Die Bohrungen 7, 7', 7", 7''' können auch einen anderen Querschnitt aufweisen. Im einfachsten Fall besitzen die Bohrungen einen kreisförmigen Querschnitt.In Figs. 1 to 4, an inventive pick-up 1 is shown for measuring stresses. This sensor 1 has a rotationally symmetrical measuring body 2 . The rotational symmetry axis 3 corresponds to the load direction in which the force introduction and force diversion he follows. The measuring body 2 has annular force input and output elements 4, 5. The ring-shaped force input element 4 and output element 5 are each arranged axially on the end face and each have the same outside and inside diameters. The measuring body has an axial through bore 6 in the center. Furthermore, starting from the surface of the measuring body 2, four radial bores 7 , 7 ', 7 ", 7 ""are introduced into the measuring body, the bores being designed as through bores. The bores 7 , 7 ', 7 ", 7th '''are rectangular in cross-section and have semicircular recesses 8 at the end. He ste and second bore 7 , 7 'are arranged adjacent to each other and form a first pair of bores, so that between the pair of bores a first measuring web 9 and a radially opposite second measuring web 9 is formed. The third and fourth bores 7 ", 7 "'' are arranged adjacent to one another corresponding to the first and second bores and form a second pair of bores. The second pair of bores is offset by 90 ° to the first pair of bores in the measuring body 2. Between the second A third measuring web 9 and a fourth measuring web 9 radially opposite this are formed accordingly. The bores 7 , 7 ', 7 ", 7 "''can also have a different cross section. In the simplest case, the holes have a circular cross section.

Wie es aus der Fig. 3 ersichtlich ist, sind die vier Meßstege jeweils um den Winkel ϕ = 90° versetzt, gleichmäßig über den Umfang des Meßkörpers 2 verteilt angeordnet. Weiterhin sind in den Meßkörper 2 ausgehen von der Mantelfläche vier quer ver laufende Trennschlitze 10 eingebracht, die jeweils in die nebeneinanderliegenden Bohrungen des benachbarten Bohrungspaares münden. Durch die oben beschriebene Anordnung der Bohrungspaare 7/7', 7"/7''' und der Trennschlitze 10 re 7/7', 7"/7''' und der Trennschlitze 10 steht das Kraftein leitungselement 4 und das Kraftausleitungselement 5 nur über die vier Meßstege 9 miteinander in Verbindung.As can be seen from FIG. 3, the four measuring webs are each offset by the angle ϕ = 90 °, evenly distributed over the circumference of the measuring body 2 . Furthermore, four transverse separating slots 10 are introduced in the measuring body 2 starting from the lateral surface, each opening into the adjacent holes of the adjacent pair of holes. By the above described arrangement of the pairs of holes 7/7 ', 7' / 7 '''and the separating slits 10 re 7/7', 7 '/ 7''' and the separation slots 10 is the introduction of force forwarding element 4 and the force output member 5 only through the four measuring webs 9 in connection.

Die vier Meßstege 9 sind als Scherkraftmeßelemente ausgebil det. Hierzu sind auf den Meßstegen 9 jeweils auf den durch die Bohrungen 7, 7', 7", 7''' gebildeten Seitenwände 11 Dehnungsmeß streifen 12 als Wandlerelemente appliziert. Wie es insbesonde re aus der Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Dehnungsmeßstrei fen jeweils als Doppeldehnungsmeßstreifen mit in +/-45° Kon figuration angeordneten Meßgittern appliziert. Die Meßgitter achsen 13 liegen dabei in Belastungsrichtung. Wie es aus der Fig. 2 weiterhin ersichtlich ist, erfolgt die Krafteinleitung (schematisch dargestellt durch Pfeil F) exakt in Richtung der Meßgitterachsen. Hierdurch werden Scherkräfte wie beispiels weise Biegemomente kompensiert.The four measuring webs 9 are ausgebil det as shear force measuring elements. For this purpose, strain gauges 12 are applied as transducer elements on the measuring webs 9 on the side walls 11 formed by the bores 7 , 7 ', 7 ", 7 "''. As can be seen in particular from FIG. 2, the strain gauges are fen each applied as a double strain gauge with measuring grids arranged in a +/- 45 ° configuration, the measuring grid axes 13 lying in the direction of the load, as can also be seen from Fig. 2, the force application (shown schematically by arrow F) takes place exactly in the direction of This compensates for shear forces such as bending moments.

Die Meßgitterachsen 13 der Dehnungsmeßstreifen 12 liegen dabei alle auf dem gleichen Durchmesser. Weiterhin kann aus der Fig. 2 ersehen werden, daß die auf den gegenüberliegenden Meßstegen angeordneten Dehnungsmeßstreifenanordnungen in gleicher Rich tung angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, daß Störkräfte durch die Dehnungsmeßstreifen-Verschaltung und die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen kompensiert werden.The measuring grid axes 13 of the strain gauges 12 are all on the same diameter. Furthermore, it can be seen from FIG. 2 that the strain gauge arrangements arranged on the opposite measuring webs are arranged in the same direction. This has the advantage that interference forces are compensated for by the strain gauge wiring and the arrangement of the strain gauges.

Das ringförmige Krafteinleitungselement 4 ist über einen er sten gelenkartigen Abschnitt 14 mit den Meßstegen 9 verbunden. Der gelenkartige Abschnitt 14 wird dabei über eine ausgehend von der zentralen Durchgangsbohrung 6 des Meßkörpers 2 einge brachten, radial umlaufenden Nut 15 gebildet. Das ringförmige Kraftausleitungselement 5 ist über einen zweiten gelenkartigen Abschnitt 16 mit den Meßstegen 9 verbunden. Der zweite gelenk artige Abschnitt 16 wird über eine ausgehend von der äußeren Mantelfläche des Meßkörpers 2 eingebrachten radial umlaufenden Nut 17 gebildet. The annular force introduction element 4 is connected via a he most joint-like section 14 with the measuring webs 9 . The joint-like section 14 is formed on a starting from the central through hole 6 of the measuring body 2 , radially circumferential groove 15 is formed. The annular force transmission element 5 is connected to the measuring webs 9 via a second joint-like section 16 . The second articulated section 16 is formed via a radially circumferential groove 17 which is introduced from the outer lateral surface of the measuring body 2 .

In den Fig. 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aufnehmers 20 dargestellt. Bei diesem Aus führungsbeispiel sind wie es zu den Fig. 1 bis 4 bereits be schrieben ist ein Krafteinleitungs- und Krafausleitungselement 4, 5 vorgesehen. In den Meßkörper 21 des Aufnehmers 20 ist ebenfalls eine zentrale Durchgangsbohrung 6 eingebracht. Wei terhin sind in den Meßkörper 21 ausgehend von dessen Mantel fläche gleichmäßig über den Umfang verteilt acht taschenförmi ge Ausnehmungen 22 eingebracht, die radial verlaufend ausge bildet sind und sich im Querschnitt ausgehend von der Mantel fläche radial nach innen verlaufend verjüngen. Zwischen den taschenförmigen Ausnehmungen 22 verbleiben jeweils schmale ra dial verlaufende Meßstege 23. Auf den durch die taschenförmi gen Ausnehmungen 22 gebildeten Seitenwänden 24 der Meßstege 23, sind jeweils Dehnungsmeßstreifen als Wandlerelemente ap pliziert, so daß Scherkraftmeßelemente gebildet werden. Die Dehnungsmeßstreifenanordnungen sind, wie bereits zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben derart, daß jeweils eine Dop peldehnungsmeßstreifenanordnung mit in +/-45°Konfiguration angeordneten Meßgittern vorgesehen ist. Dabei liegt die Meß gitterachse in Richtung der Belastungsrichtung.In FIGS. 5 and 6 a further embodiment of a transducer 20 according to the invention. In this exemplary embodiment, as is already described for FIGS . 1 to 4, a force introduction and force diversion element 4 , 5 is provided. A central through-bore 6 is likewise made in the measuring body 21 of the sensor 20 . Wei terhin are in the measuring body 21 starting from its jacket surface evenly distributed over the circumference eight taschenförmi ge recesses 22 are introduced, which are formed radially and taper in cross-section starting from the jacket surface radially inward. Between the pocket-shaped recesses 22 each remain narrow ra dial measuring webs 23rd On the side walls 24 of the measuring webs 23 formed by the pocket-shaped recesses 22 , strain gauges are ap plicated as transducer elements, so that shear force measuring elements are formed. The strain gauge arrangements are, as already described for the first embodiment, such that a double strain gauge arrangement is provided with measuring grids arranged in a +/- 45 ° configuration. The measuring grid axis lies in the direction of the loading direction.

Der erste und zweite gelenkartige Abschnitt 14, 16 ist entspre chend der Beschreibung zu den Fig. 1 bis 4 ausgebildet, so daß der Kraftfluß ausgehend von dem Krafteinleitungselement 4 über den ersten gelenkartigen Abschnitt über die Scherkraftmeßele mente in den zweiten gelenkartigen Abschnitt und von dort in das Kraftausleitungselement 5 erfolgt. Durch diese Anordnung werden nur Scherkräfte in die Scherkraftmeßelemente eingelei tet.The first and second joint-like section 14 , 16 is accordingly the description of FIGS . 1 to 4, so that the power flow from the force introduction element 4 via the first joint-like section via the shear force measuring elements in the second joint-like section and from there in the force diversion element 5 takes place. With this arrangement, only shear forces are introduced into the shear force measuring elements.

Selbstverständlich können abweichend von dem ersten Ausfüh rungsbeispiel mit vier Meßstegen und dem zweiten Ausführungsbeispiel mit acht Meßstegen auch eine andere Anzahl von Meß stegen ausgebildet werden.Of course, different from the first embodiment Example with four measuring bars and the second embodiment with eight measuring bars also a different number of measuring webs are trained.

Um Zugkräfte einleiten zu können, sind das Krafteinleitungs element und Kraftausleitungselement mit entsprechenden An schlußelementen versehen. Anstelle der Verwendung von Deh nungsmeßstreifen können auch andere bekannte Wandlerelemente eingesetzt werden.In order to be able to introduce tensile forces, these are force introduction element and force-dissipating element with corresponding An provided closing elements. Instead of using deh Measurement strips can also other known transducer elements be used.

Claims

1. Transducer for measuring loads, with a rotati onssymmetrischen measuring body that has measuring webs between a force and force transmission element, the wall lerelemente carry, characterized in that the measuring webs ( 9 ) with the transducer elements ( 12 ) form shear force transducers.

2. Transducer for measuring loads according to claim 1, wherein the measuring webs ( 9 ) through radially in the measuring body ( 2 ) introduced bores ( 7 , 7 ', 7 ", 7 ''') who the.

3. Transducer for measuring loads according to claim 2, wherein four bores ( 7 , 7 ', 7 ", 7 ''') are introduced into the measuring body ( 2 ), which are formed as through bores and between two bores ( 7 , 7 ') which form a first pair of bores, a first and a second measuring web ( 9 ) and between two bores ( 7 ", 7 "') which form a second pair of bores, a third and a fourth measuring web ( 9 ) are formed, and where the adjacent holes of the neighboring pair of holes are connected via transverse separating slots ( 10 ).

4. Transducer for measuring loads according to claim 2, wherein eight radially extending pocket-shaped Ausneh lines ( 22 ) in the outer surface of the measuring body ( 21 ) are brought, and wherein each radially extending measuring webs ( 23 ) are formed between adjacent Ausnehmun.

5. Transducer for measuring loads according to one of the preceding claims, wherein on both side surfaces of the measuring web ( 9 , 23 ) each strain gauge arrangements ( 12 ) are applied as transducer elements.

6. Transducer for measuring loads, according to one of the preceding claims, wherein the force introduction and -extension element ( 4 , 5 ) are each ring-shaped and aligned one above the other.

7. Transducer for measuring loads according to claim 6, wherein the force introduction and -extension element ( 4 , 5 ) each is connected via an articulated section ( 14 , 16 ) to the measuring webs ( 9 , 23 ).