-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Kräften und/oder
Momenten mit einer Krafteinleitungsplatte, einem mit Dehnungsmessstreifen
versehenen Kraftaufnehmer und mit einer Kraftausleitungsstruktur.
-
In
dem Dokument
DE 102
47 972 B3 ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Kräften und/oder
Momenten mit mindestens einem Mehrkomponenten-Aufnehmer beschrieben,
bei welchem sich zwischen zwei Krafteinleitungsflanschen ein sich
in Richtung der Aufnehmer-Längsachse
erstreckender Verformungssteg ausgebildet ist, der an seinen Außenflächen Dehnungsmessstreifen
trägt.
Durch ein Biegegelenk, das zwischen einem der beiden Krafteinleitungsflansche
und einem Anschlussflansch vorgesehen ist und dessen Gelenkachse
sich rechtwinklig zur Ebene des Verformungssteges erstreckt, soll der
Einfluss von Biegemomenten um eine senkrecht zur Ebene des Verformungssteges
verlaufende Biegeachse in ihrem störenden Einfluss auf das Messergebnis
ausgeschlossen werden.
-
Diese
Vorrichtung ist zunächst
darin nachteilig, dass mit ihr die Aufnahme einer einzigen Kraftkomponente
nicht möglich
ist, weil auf den Verformungssteg die beiden in seiner Ebene liegenden Kraftkomponenten
erfasst werden. Soll auch diejenige Kraftkomponente der eingeleiteten
Kraft erfasst werden, die auf der Ebene des Verformungssteges senkrecht
steht, sind bei der bekannten Vorrichtung zwei weitere Verbiegungsstege
zwischen dem Krafteinleitungsflansch und dem Anschlussflansch derart vorgesehen,
dass die Flächen
aller drei Verformungsstege einen wechselseitigen Winkel von etwa 120° zueinander
bilden und auf einer gemeinsamen Kreisperipherie liegen. Zur Bestimmung
der einzelnen, sich in den Richtungen eines Orthogonalsystems erstreckenden
Kraftkomponenten der eingeleiteten Kraft ist daher ein besonderes
Korrektur- oder Anpassungsprogramm in der Auswerteschaltung der von
den einzelnen Dehnungsmessstreifen erhaltenen Signale erforderlich.
-
Aus
der Schrift
DE 42 33
774 A1 ist ein Mehrkomponenten-Aufnehmer für mechanische
Messgrößen bekannt,
bei welchem zwischen einer Krafteinleitungsplatte und einer Kraftausleitungsplatte
mehrere axiale hohle und parallele Säulen als Verformungskörper angeordnet
sind, an deren Innenfläche Dehnungsmessstreifen
appliziert sind. Das Anbringen der Dehnungsmessstreifen ist kompliziert
und aufwendig, so dass der Einsatz dieses Aufnehmers für viele
Anwendungsfälle
nicht in Betracht kommen kann.
-
Aus
der
US 4 762 006 A ist
eine Kraftmessvorrichtung bekannt, die aus einem kreuzförmigen Kraftaufnehmer
besteht. Die Längs-
und Querbalken sind mit ihren gegenüberliegenden Endabschnitten mit
einer Struktur zur Ausleitung der zu messenden Kräfte verbunden
und sind mit Dehnungsmessstreifen versehen. Die Kräfte werden über einen
weiteren Körper
in den Kreuzungspunkt der beiden Balken eingeleitet, wobei die Flächen der
Dehnungsmessstreifen quer zur jeweils zu detektierenden Kraftkomponente
ausgerichtet sind.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte
Vorrichtung derart zu verbessern, dass sie universell für ein breites
Spektrum von Anwendungsfällen
verwendbar und kostengünstig
herstellbar ist.
-
Die
Lösung
ist durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1 gegeben, bei der eine Platte gegen wenigstens einen Balken des
Kraftaufnehmers anliegt, wobei die Längsrichtung des Balkens sich
quer zu der Richtung der eingeleiteten Kraftkomponente erstreckt,
beiderseits der Anlagestelle der Platte am Balken je ein Dehnungsmessstreifen
auf dem Balken angebracht ist, wobei ferner die Fläche der
Dehnungsmessstreifen sich parallel zur Richtung der Kraftkomponente
erstreckt, und der Balken an seinen gegenüberliegenden Enden mit einem
Kraftausleitungsrahmen der Kraftausleitungsstruktur verbunden ist.
Die Erfindung ist von relativ einfachem und kostengünstigen
Aufbau und ermöglicht
aufgrund der Anordnung des Paares von Dehnungsmessstreifen eine
Minimierung von störenden
Einflussgrößen auf die
Kraftmessung. Mit der Erfindung ist eine Messgenauigkeit im Bereich
von etwa 0,1% bis etwa 0,5% der eingeleiteten Kraft bezogen auf
den Messbereich erreichbar.
-
Die
Platte lehnt gegen einen zweiten, an dem Kraftausleitungsrahmen
befestigten Balken des Kraftaufnehmers an, wobei sich der zweite
Balken mit Abstand parallel zum ersten Balken erstreckt und ein
zweites Paar von Dehnungsmessstreifen aufweist, dessen Lage derjenigen
des ersten Paares von Dehnungsmessstreifen am ersten Balken entspricht.
Dadurch wird eine definierte Anlage der Platte am Kraftaufnehmer
geschaffen und durch geeignete Auswertung der Ausgangssignale aus
den zwei Paaren von Dehnungsmessstreifen der Einfluss von Störgrößen weiter
unterdrückt.
Zweckmäßig liegt
die Platte an dem zweiten Balken symmetrisch zu einer sich mittig
zwischen den Balken erstreckenden Mittelebene an. Wenn in Weiterbildung
der Erfindung der erste und gegebenenfalls der zweite Balken quer
zur Verbindungslinie der Dehnungsmessstreifen eines Paares einen
rechteckigen Querschnitt aufweist, empfiehlt es sich, dass zur Aufnahme
zweier rechtwinklig zueinander in einer die Mittelebene schneidenden
Ebene liegenden Kraftkomponenten die Platte an einer Seitenfläche des
Balkenquerschnittes und an einer angrenzenden zweiten Seitenfläche des Balkenquerschnitts
anliegt, wobei an beiden Querschnitts-Seitenflächen des oder der Balken ein
drittes und gegebenenfalls ein viertes Paar von Dehnungsmessstreifen
angebracht sind. Damit gestattet diese Ausführungsform der Erfindung die
Erfassung zweier senkrechter Komponenten der eingeleiteten Kraft
mit ein und demselben Balken.
-
Zur
Erfassung schließlich
der drei sich in den Richtungen eines X-, Y- und Z-Orthogonalsystems erstreckenden
Komponenten der in die Platte eingeleiteten Kraft sieht eine weitere
Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der oder die Balken mittig
je einen sich beiderseits des oder der Balken erstreckenden Querbalken
aufweist, an welchem die Platte anliegt, wobei an dem sich senkrecht
zum Balken erstreckenden Querbalken mittig zum Balken ein fünftes oder gegebenenfalls
ein sechstes Paar von Dehnungsmessstreifen angebracht sind. Da die
Paare von Dehnungsmessstreifen voneinander unabhängig sind, ist das „Übersprechen" von Ausgangssignalen aus
einem Paar von Dehnungsmessstreifen auf ein anderes Paar besonders
klein. Es erweist sich ferner als vorteilhaft, wenn der Balken mit
dem zugehörigen Querbalken
die Form eines aufrechten Kreuzes haben, von dem der Balken eine
größere Länge aufweisen
kann als der Querbalken.
-
Weitere
bevorzugte und zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung
wird nachstehend anhand des in der beigefügten Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine
schematische perspektivische Darstellung der Erfindung;
-
2 eine
perspektivische Darstellung einer Ansicht von unten eines Teiles
der Vorrichtung aus 1;
-
3 eine
teilweise geschnittene Stirnansicht der Vorrichtung aus 1 mit
geänderter
Platte;
-
4 eine
Querschnittsdarstellung des Querbalkens längs der Linie A-B aus 3 und
-
5 eine
der 3 ähnliche
Ansicht einer weiteren Ausführungsform.
-
Das
in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung
weist eine massive und starre Krafteinleitungsplatte 1 auf,
die durch gegenüberliegende,
gleichartige Ausschnitte 2, 3 in den Stirnseiten
in Draufsicht die Form eines H besitzt. Die Vorrichtung umfasst
weiterhin zwei gleichartige Kraftaufnehmer 4, 5,
von jeweiliger Kreuzform, auf deren Querbalken 6, 7 die
Platte 1 ruht. Zu dem Kreuz jedes Kraftaufnehmers 4, 5 gehört ein mit
dem jeweiligen Querbalken 6, 7 einteiliger Balken 8, 9,
der mit dem Querbalken 6, 7 einen rechten Winkel
einschließt
und an gegenüberliegenden
Endabschnitten mit den Schenkeln 11, 12 und 13, 14 eines
Kraftausleitungsrahmens 10 verschraubt ist. Der jeweilige
plattenseitige Abschnitt 41, 51 des Balkens 8, 9 erstreckt
sich durch die Ausschnitte 2, 3 in der Platte 1.
-
Die
Platte 1 weist an ihrer dem Aufnehmer 4 benachbarten
Stirnseite zwei, den Ausschnitt 2 seitlich begrenzende
Arme 21, 22 und an der seitlichen Begrenzung des
Ausschnittes 3 zwei weitere Arme 23, 24 auf.
An der dem jeweiligen Querbalken 6, 7 zugewandten
Unterseite der Arme 21, 22, 23, 24 sind Anlageflächen zur
Kraftübertragung
von der Platte 1 auf den Balken 4, 5 ausgebildet,
die zwecks besserer Erkennbarkeit anhand der Arme 23 und 24 und 2 erläutert werden.
Vom Arm 23 steht nach unten längs seiner Außenseite 25 eine
Rippe 26 nach unten vor, deren plane Innenfläche der Übertragung
einer in X-Richtung gerichteten Kraftkomponente auf den Querbalken 7 dient.
Der Arm 23 weist ferner eine plane einer relativ zur Rippe 26 einwärts versetzte
Bodenfläche 27 auf,
die zur Übertragung
einer Z-Richtung weisenden Kraftkomponente auf den Querbalken 7 dient.
Die Bodenfläche 27 ist
ferner von einer weiteren, planen, sich rechtwinklig zur Innenfläche der
Rippe 26 erstreckenden Anlagefläche 28 begrenzt, die
zur Übertragung
einer Kraftkomponente in Y-Richtung auf den Querbalken 7 dient.
Wie in 2 separat eingetragen, spannen die X-, Y- und
Z-Richtungen das übliche
Dreibein eines Orthogonalsystems auf. Entsprechend sind an der Unterseite
des dem Arm 23 gegenüberliegenden
Armes 24 Anlageflächen 29, 30, 31 ausgebildet,
die rechtwinklig zueinander liegen und zur Übertragung von Kraftkomponenten
in Y-, X- und Z-Richtung auf die bezüglich des Balkens 9 gegenüberliegende
Oberseite des Querbalkens 7 dienen.
-
Entsprechende
Anlageflächen
sind an den endseitigen Unterseiten der Arme 21 und 22 ausgebildet.
Zu erkennen ist in 2 eine Bodenfläche 32 am
Arm 21 als Anlagefläche
für die Übertragung
einer Z-Komponente der auf die Platte 1 eingeleiteten Kraft
auf die Oberseite des Querbalkens 6. Der Arm 22 besitzt
eine Bodenfläche 33 ebenfalls
für die Übertragung
der Z-Komponente der eingeleiteten Kraft auf die bezüglich des
Balkens 8 gegenüberliegende Oberseite
des Querbalkens 6. Wenn die Platte 1 auf den Querbalken 6 und 7 ruht,
liegen die Bodenflächen 27, 31, 32, 33 beziehentlich
auf den endseitigen oberen planen vier Flächen der Querbalken 6, 7 formschlüssig auf.
Gleichzeitig liegen die Innenfläche der
Rippe 26 sowie die Fläche 30 und
die entsprechenden gleich liegenden Flächen an den Armen 21 und 22 beziehentlich
am oberen Abschnitt der planen Stirnflächen der Querbalken 6 und 7 formschlüssig an,
von denen in 1 die Flächen mit 34, 35 bezeichnet
sind. Schließlich
liegen die Flächen 28, 29 und
die zugehörigen
Flächen
an den Armen 21 und 22 an den oberen Abschnitten
der aufeinander zuweisenden Seitenflächen der Querbalken 6, 7 an, von
denen eine mit 36 bezeichnet ist. Wie man im Übrigen aus 1 und 2 erkennt,
erstrecken sich die Anlageflächen 27, 31, 32, 33 nicht über die gesamte
Länge der
zugehörigen
Hälfte
des Querbalkens 6, 7, sondern liegen nur auf deren
Endbereichen auf.
-
Auf
den Balken 8, 9 und den Querbalken 6, 7 des
Kraftaufnehmers sind mehrere Paare von Dehnungsmessstreifen aufgebracht,
die anhand des Balkens 8 und des Querbalkens 6 näher beschrieben werden.
Die Dehnungsmessstreifen sind auf dem Balken 9 und dem
Querbalken 7 symmetrisch zu einer auf einer gedachten Verbindungslinie
der Balken senkrecht stehenden Mittelebene angebracht und werden
daher nicht gesondert erläutert.
-
Auf
der von der Platte 1 wegweisenden Vorderfläche 61 des
Querbalkens 6 sind symmetrisch zur Mittellinie des Balkens 8 zwei
Dehnungsmessstreifen in jeweiligen koaxial aufeinander zu gerichteten
Blindbohrungen 63, 63a und 65, 65a auf
je einer Seite je eines Quersteges 66, 67 mittig
innerhalb der Blindbohrungen 63, 65 appliziert.
Man kann die beiden Dehnungsmessstreifen 62, 64 auch
so in den Doppelblindbohrungen anbringen, dass einer derselben am
Quersteg 66 in der Blindbohrung 63 und der andere
am Quersteg 67 in der Blindbohrung 65a, bezüglich des
Dehnungsmessstreifens 62 also diagonal angeordnet ist.
Die Fläche
der Dehnungsmessstreifen 62, 64 erstreckt sich
gemäß 3 und 4 parallel
zur X-Richtung der Kraftkomponente. Weiterhin besteht die Möglichkeit,
beiderseits des Quersteges 66 je einen Dehnungsmessstreifen
und beiderseits der Querstegs 67 je einen Dehnungsmessstreifen vorzusehen,
also insgesamt zwei Paare von Dehnungsmessstreifen vorhanden sind,
die der Erfassung der x Komponente der Kraft dienen. Die Querschnitte
der Doppelblindbohrungen sowie die Stärke der Querstege können entsprechend
der gewünschten
Messempfindlichkeit gewählt
werden. Die Lage der Doppelblindbohrungen längs des Querbalkens bestimmt
sich danach, dass der Einfluss der von der Platte 1 ausgehenden
Druckkräfte
auf die Dehnungsmessstreifen möglichst
klein ist, damit mit letzteren die bei Belastung der Platte 1 im
Querbalken auftretenden Schubspannungen möglichst störungsfrei gemessen werden können.
-
An
der von der Platte 1 wegweisenden Stirnseite 41, 42 des
Balkens 8 sind zwei weitere Dehnungsmessstreifen 72, 74 symmetrisch
zur Mittellinie des Querbalkens 6 vorgesehen, die entsprechend der
Darstellung in 4 konstruktiv ausgeführt sind, und
deren Flächen
sich parallel zur X-Komponente der eingeleiteten Kraft erstrecken.
-
Der
Balken 8 hat im dargestellten Ausführungsbeispiel rechteckigen,
gegebenenfalls sogar quadratischen Querschnitt quer zu seiner Längsachse.
Daher sind an der an die Seitenfläche 41, 42 angrenzende
Seitenfläche 44, 45 ein
drittes Paar von Dehnungsmessstreifen 82, 84 nach
Art von 4 symmetrisch zum Querbalken 6 angebracht,
deren Fläche
sich parallel zur Y-Komponente der eingeleiteten Kraft erstreckt.
Nicht dargestellt sind elektrische Verbindungsleitungen von den
einzelnen Dehnungsmessstreifen zu einer ebenfalls nicht dargestellten Auswerteschaltung
für die
von den einzelnen Dehnungsmessstreifen abgegebenen elektrischen
Signale.
-
Mithin
ist an dem Querbalken 6 ein erstes Paar von Dehnungsmessstreifen 62, 64 zur
Erfassung von Verformungen durch eine Z-Komponente der eingeleiteten
Kraft vorgesehen, die über
die Anlageflächen 32, 33 auf
den Querbalken übertragen werden.
Ferner ist am Balken 8 ein zweites Paar von Dehnungsmessstreifen 62, 64 vorhanden,
welches die Verformung erfasst, die durch die X-Komponente der eingeleiteten
Kraft über
die Anlagefläche 30 auf den
Querbalken übertragen
wird. Schließlich
ist am Balken 8 rechtwinklig zum zweiten Paar von Dehnungsmessstreifen
ein drittes Paar von Dehnungsmessstreifen 82, 84 vorgesehen,
welches die über die
Anlagenflächen 28, 29 auf
den Querbalken 6 übertragenen
Y-Komponenten der eingeleiteten Kraft erfasst. Entsprechend sind
am Balken 9 und Querbalken 7 ein viertes, fünftes und
sechstes Paar von Dehnungsmessstreifen an den entsprechenden Positionen
vorgesehen. Wie im Zusammenhang mit 4 erläutert können der
Erfassung der Kraftkomponenten auch 12 Paare von Dehungsmessstreifen dienen.
-
Die
von den Balken 8 und 9 sowie den Querbalken 6 und 7 erfassten
Kraftkomponenten werden über
weitere Anlageflächen
an den Schenkeln 11, 12, 13, 14 sowie
an den gegenüberliegenden
Enden der Balken 8, 9 auf den Kraftausleitungsrahmen 10 übertragen.
-
Zur
Verbesserung der Stabilität
der Konstruktion ist die Platte 1 auf den Querbalken 6 und 7 wie
dargestellt verschraubt, wofür
der Querbalken 6 (und entsprechend der Querbalken 7)
Durchgangsbohrungen 91, 92 aufweist. Die Balken 8 und 9 sind mit
den Schenkeln 11, 12, 13, 14 ebenfalls
verschraubt gemäß 1 und 3.
-
Wie
dargestellt, sind an der Platte 1 insgesamt 4 × 3 = 12
Anlageflächen
zur Übertragung
der Kraftkomponenten von der Platte auf die Balken und Querbalken
des Kraftaufnehmers vorgesehen. Diese Anlageflächen wirken mit entsprechend
angeordneten Anlageflächen
am Kraftaufnehmer Kraftkomponenten übertragend zusammen. In einfacheren
Anwendungsfällen
kann es genügen,
wenn nur die Hälfte
der Anlageflächen
vorgesehen sind, so dass die Anlageflächen beispielsweise an den
Armen 22 und 24 entfallen können. 3 zeigt
diese Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Anlageflächen nur an den Armen 21 und 23 ausgebildet
sind.
-
Die
einzuleitende Kraft kann auf die Oberseite 15 der Platte 1 beispielsweise
mittels einer Kugel aufgebracht werden, die an einem nicht dargestellten Prüfling befestigt
ist. Diejenige Stelle, an der die zu erfassende Kraft auf die Oberseite 15 aufgebracht wird,
ist keinen räumlichen
Beschränkungen
unterworfen. Für
den Fall, dass der Ausschnitt 16 zwischen den Schenkeln 11 und 12 in
der Oberseite des Kraftausleitungsrahmens 10 nicht ausreichen
sollte, besteht für
die Ausführung
der Erfindung kein Hinderungsgrund, die Platte 1 entsprechend
höher anzuordnen
und in der Oberseite 15 soweit auszudehnen, dass diese
die Schenkel 11 und 12 seitlich überragt.
-
Die
vorstehend beschriebene Ausführungsform
der Erfindung weist Anlageflächen
an der Platte 1 sowie an dem Kraftaufnehmer 4, 5 auf,
um über den
jeweiligen Formenschluss die Kraftkomponente der eingeleiteten Kraft
auf den Kraftaufnehmer zu übertragen.
Diese Übertragung
kann jedoch auch im Kraftschluss zwischen der Platte 1 und
dem Kraftaufnehmer 4, 5 erfolgen, in dem beispielsweise
eine der Anlageflächen
je zweier zusammenwirkender Flächen
ballig ausgeführt
ist.
-
Die
Erfindung hat den Vorteil, dass die Messempfindlichkeit für die einzelnen
Kraftkomponenten je nach der Geometrie der Doppelblindbohrungen und
der Querstege unterschiedlich gewählt werden kann.
-
Die
Erfindung eignet sich für
Belastungen bis in den Tonnen-Bereich, wobei durch die erwähnten Gestaltungsmöglichkeiten
die Empfindlichkeiten bzw. Steifigkeiten an die Erfordernisse angepasst
werden können,
beispielsweise in Z-Richtung 5 t, in X- und Y-Richtung 1 t. Durch
die besondere Form des Aufnehmers wird das Übersprechen der Kraftkomponenten
und der Schubspannungen aus den benachbarten Aufnehmern minimiert.
Das bedeutet, dass bei Belastung zum Beispiel in Z-Richtung die
Erfassung der X-Komponente bzw. Y-Komponente nur geringfügig beeinflusst
wird Die nicht angesprochenen Messstellen werden zwar auch belastet
und auch verformt, durch die besondere Geometrie des Aufnehmers
und die Anordnung der Dehnungsmessstreifen zur Schubspannungsmessung
wird an diesen Messstellen jedoch nur eine geringe Signaländerung
erzeugt. Insgesamt erfassen die Dehnungsmessstreifen die bei Belastung
auftretenden Schubverformungen.
-
Der
Rahmen 10 kann entweder aufrecht, wie 1 und 3 zeigen,
oder liegend in eine nicht dargestellte Apparatur eingebaut werden,
wie die Füße 93, 94 einerseits
und 95, 96 andererseits verdeutlichen.
-
5 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, bei der mit den vorangegangenen Figuren gleiche Teile
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die dargestellte Vorrichtung
ist gegenüber
derjenigen gemäß vorstehender
Beschreibung um die Möglichkeit
erweitert, auch solche Kraftkomponenten auf den Querbalken 6 (und 7)
zu erfassen, die von einer Zugbelastung der Platte 101 ausgehen. Dazu
sind an die Platte 101 zusätzlich zwei Paare von unteren
Anlageflächen
angeformt, von denen die unteren Anlageflächen 127 und 131 für die äußeren Endbereiche
der Unterseite 130 des Querbalkens 6 in 5 zu
erkennen sind. Das zweite Paar von unteren Anlageflächen unterfasst
die Unterseite des Querbalkens 7 an den entsprechenden
Positionen. Die unteren Anlageflächen
sind Endflächen
zweier benachbarter Arme 123 und 124 eines Unterteils 125 der
Platte 101. Auf die nicht dargestellte Oberseite der Platte 101 kann
ein Zuganker aufgeschweißt sein,
mit welchem eine Zugkraft auf die Platte 101 ausgeübt werden
kann.
-
Im Übrigen gleicht
die Ausführungsform
der Erfindung nach 5 derjenigen, die im Zusammenhang
mit 1 bis 4 beschrieben wurde.