DE102007026827A1 - Single-axis force-torque-sensor for robot-supported manipulation and assembling processes, has extension measuring structure for detecting deformation, realized as part of metal lamination of printed circuit board in deformable area - Google Patents
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Abstract
Description
Es wird eine Vorrichtung zur Messung von mechanischen Kräften und Momenten vorgeschlagen.It becomes a device for measuring mechanical forces and moments suggested.
Zur Messung mechanischer Kräfte und Momente sind verschiedene Vorrichtungen bekannt. Im Zusammenhang mit der hier vorgeschlagenen ist insbesondere die Umwandlung der wirkenden Kräfte und Momente in korrespondierende Dehnungen eines speziellen Verformungskörpers, im folgenden auch „Träger" genannt, und deren Erfassung über Dehnmeßaufnehmer relevant. Diese bestehen in der Regel aus einem auf einen Folienträger aufgebrachten mäanderförmigen Draht, der seinen elektrischen Widerstand bei Dehnung ändert. Zur Messung von Kräften oder Momenten wird in der Regel ein metallischer Träger eingesetzt, der die eingeleitete Kraft in eine meßbare Verformung umwandelt und ein definiertes Verhältnis zwischen eingeleiteter Kraft und resultierender Verformung aufweist. An geeigneten Stellen werden mittels einer Klebeverbindung Dehnmeßstreifen derart aufgebracht, daß sie aufgrund der Verformung des Trägers entweder gedehnt oder gestaucht werden. Um Temperaturabhängigkeit und Streuungen im Grundwiderstand der Dehnmeßstreifen zu reduzieren, werden Dehnmeßstreifen meist in einer Brückenanordnung betrieben. Um die Empfindlichkeit des Aufnehmers zu verbessern, werden dabei die Dehnmeßaufnehmer derart angeordnet, daß sich ihr elektrischer Widerstand aufgrund der Verformung gegensinnig ändert. Auf Basis diese Verfahrens sind verschiedene Aufnehmer für Kräfte und Momente bekannt, die beispielsweise in der Wägetechnik, im allgemeinen Maschinenbau sowie in der Robotik Anwendung finden. Bei allen aus dem Stand der Technik bekannten Aufnehmern werden die Dehnmeßstreifen als separates Bauteil auf den Träger aufgebracht.to Measurement of mechanical forces and moments are different Devices known. In connection with the here proposed is in particular the transformation of the acting forces and Moments in corresponding expansions of a special deformation body, in the following also called "carrier", and whose Detection via strain gauge relevant. These usually consist of a on a film carrier applied meandering wire, his electrical resistance changes during stretching. For measurement of forces or moments is usually a metallic one Carrier used, the force introduced into a measurable Deformation transforms and a defined relationship between having introduced force and resulting deformation. In suitable places be by means of an adhesive joint strain gauges such applied to them due to the deformation of the carrier either stretched or compressed. To temperature dependence and variations in the base resistance of the strain gauges reduce strain gauges are usually in a bridge arrangement operated. To improve the sensitivity of the pickup, In this case, the strain gauges are arranged such that their electrical resistance changes in the opposite direction due to the deformation. On the basis of this procedure are different transducers for Forces and moments are known, for example, in weighing, find application in general mechanical engineering as well as in robotics. In all known from the prior art transducers are the strain gauges as a separate component on the carrier applied.
Eine
Anordnung zur kombinierten Kraft- und Momentenmessung ist beispielsweise
aus
Die beschriebenen Ausführungen des Standes der Technik haben gemein, daß sie mehrere diskrete Dehnmeßstreifen einsetzen, die in einem getrennten Vorgang auf der Trägerstruktur aufgebracht und verdrahtet werden müssen. Das Aufbringen der Dehnmeßstreifen erfolgt derzeit meist manuell, ebenso die Verdrahtung. Dies hat eine hohe Fehlteilrate zur Folge und führt aufgrund von Positionierungenauigkeiten der Meßstreifen zu Empfindlichkeitsstreuungen der einzelnen Meßachsen, die in aufwendigen Kalibrierprozessen korrigiert werden müssen. Dies macht die Fertigung heutiger Kraft-Momenten-Aufnehmer sehr aufwendig und damit das Endprodukt teuer. Eine maschinelle Montage zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit ist dabei aufgrund des schwierigen Klebeprozesses an unterschiedlichen Stellen der Trägerstruktur kaum möglich.The described embodiments of the prior art have in common that they have several discrete strain gauges insert in a separate process on the support structure must be applied and wired. The application The strain gauge is currently mostly manual, as well the wiring. This results in a high failure rate and leads due to positioning inaccuracies of the gauges to sensitivity scattering of the individual measuring axes, which must be corrected in complex calibration processes. This makes the production of today's force-moment sensors very expensive and thus the end product expensive. A machine assembly for improvement The economic efficiency is due to the difficult gluing process hardly possible at different points of the support structure.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aufnehmer zur ein- und mehrachsigen Messung mechanischer Kräfte und Momente vorzuschlagen, bei dem aufgrund seines neuartigen Aufbaus das nachträgliche Aufbringen von Dehnmeßstreifen entfällt, dieser dadurch vollständig maschinell herstellbar ist und dabei gleichzeitig geringere Streuungen der Meßachsen aufweist. Zudem soll es möglich sein, den Aufnehmer besonders wirtschaftlich in einem Batchprozeß zu fertigen.task The invention is a transducer for single and multi-axis To suggest measurement of mechanical forces and moments in the due to its novel structure the subsequent Applying strain gauges deleted, this by is fully machinable and at the same time has lower scattering of the measuring axes. In addition, should It may be possible to use the transducer particularly economically to produce in a batch process.
Diese Zielsetzung wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, im folgenden „Aufnehmer" genannt, erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.These Objective is achieved by a device having the features of claim 1, hereinafter "transducer" called, reached. Advantageous developments and refinements the device are the subject of the respective dependent Claims.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo ein Verformungskörper getrennt gefertigt und anschließend mit diskreten Dehnmeßstreifen bestückt wird, zeichnet sich der erfindungsgemäße Aufnehmer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch aus, daß als Verformungskörper eine aus der Elektrotechnik bekannte konventionelle Leiterplatte eingesetzt wird, auf der gleichzeitig die Meßstrukturen zur Erfassung der aufgrund äußerer Kraft- bzw. Momenteneinwirkung resultierenden Dehnung sowie die notwendige Verschaltung beispielsweise durch Fotostrukturierung hergestellt werden. Hierdurch entfällt die manuelle Bestückung mit diskreten Dehnmeßstreifen und deren aufwendige Verkabelung. Die erforderliche Elektronik zur Signalaufbereitung und -Auswertung läßt sich ebenfalls direkt auf der Leiterplatte realisieren, wodurch sich ein monolithisch aufgebauter, kompakter Kraft-Momenten-Meßaufnehmer mit integrierter Signalaufbereitung ergibt. Dabei läßt sich der erfindungsgemäße Aufnehmer so gestalten, daß er sowohl eine einzige Kraft und/oder ein Moment als auch Kräfte und Momente in mehreren Achsen messen kann. Die zur Herstellung von Leiterplatten angewandten Fertigungsverfahren sind aus der Elektronikfertigung bekannt und werden heute technisch sehr gut beherrscht. Somit kann der Verformungskörper mitsamt den notwendigen Dehnmeßstreifen, der erforderlichen Verschaltung und der zugehörigen Signalaufbereitungselektronik in einem Vorgang sehr wirtschaftlich in einem Batchprozeß gefertigt werden. Hier ist insbesondere vorteilhaft, daß die eingesetzten Materialien und Herstellverfahren für den Kraft-Momenten-Aufnehmer mit denen der Fertigung konventioneller bestückter Baugruppen kompatibel sind. Hierdurch können elektronische Bauelemente ohne zusätzliche Konditionierverfahren direkt auf den zuvor strukturierten Verformungskörper aufgelötet werden.In contrast to the prior art, where a deformation body is manufactured separately and then equipped with discrete strain gauges, the transducer according to the invention is characterized according to the preamble of claim 1, characterized in that as a deformation body from the Elektrotech nik known conventional circuit board is used on the same time the measuring structures for detecting the resulting due to external force or momentary strain and the necessary interconnection are made for example by photo-structuring. This eliminates the manual assembly with discrete strain gauges and their complex wiring. The required electronics for signal conditioning and evaluation can also be realized directly on the circuit board, resulting in a monolithic constructed, compact force-torque transducer with integrated signal conditioning. In this case, the transducer according to the invention can be designed so that it can measure both a single force and / or a moment as well as forces and moments in several axes. The manufacturing processes used for the production of printed circuit boards are known from the electronics manufacturing and are now very well controlled technically. Thus, the deformation of the body together with the necessary strain gauges, the necessary interconnection and the associated signal conditioning electronics can be made very economically in a batch process in one operation. Here, it is particularly advantageous that the materials used and manufacturing methods for the force-moment transducer are compatible with those of the production of conventional assembled assemblies. As a result, electronic components can be soldered directly to the previously structured deformation body without additional conditioning.
Mögliche Ausführungsbeispiele eines Aufnehmers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigenPossible Embodiments of a pickup according to the preamble of claim 1 are shown in the drawings and are in described in more detail below. Show it
Ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Aufnehmers zur Erfassung von mechanischen Kräften und Drehmomenten
ist in
Um
die in Widerstandsänderung per Dehnung gemessene Empfindlichkeit
der Anordnung zu verbessern, können mehrere Dehnmeßstrukturen, wie
in
Auch
die zur Auswertung der Widerstandsänderung der Dehnmeßstrukturen
erforderliche elektronische Beschaltung, im wesentlichen ein vorzugsweise
als integrierter Schaltkreis ausgeführter Differenzverstärker
(
Zur
Verbesserung des Drift- und Hystereseverhaltens eines erfindungsgemäßen
Aufnehmers wird der Bereich, in dem die Meßstrukturen angeordnet
sind und dessen mechanische Eigenschaften damit im wesentlichen
für die Drift und die Hysterese des Aufnehmers verantwortlich
sind, durch eine zusätzliche Schicht, deren Elastizitäts-
und Biegemodul wesentlich größer als der des Basismaterials
der Leiterplatte ist, versteift. Hierfür wird vorzugsweise
eine Aluminiumschicht eingesetzt, wie sie in der Technik zur Wärmeabfuhr
in Leistungselektroniken Einsatz findet. Sie wird vollflächig
auf die Leiterplatte aufgebracht, so daß sie einen stabilen
und dauerfesten Verbund mit der Leiterplatte bildet. Dies kann beispielsweise über
eine Prepreg-Schicht (
Zur
Messung von Kräften und Momenten in mehreren Achsen wird
der erfindungsgemäße Aufnehmer entsprechend um
Meßstrukturen erweitert. Derartige mehrachsige Aufnehmer
werden beispielsweise in der Handhabungstechnik oder für
robotergestützte Fügeprozesse eingesetzt, um die
auftretenden Prozeßkräfte zu registrieren. Mit
mehrachsigen Aufnehmern sind hier Aufnehmer gemeint, die mechanische
Kräfte und/oder Drehmomente in bzw. um verschiedene räumliche
Achsen erfassen können. So können mit dem in
Um
die wirkenden Momente und Kräfte in mehreren Ebenen erfassen
zu können, kann, wie in
Um ein intelligentes Meßmodul zu erhalten, wird der erfindungsgemäße Aufnehmer in einer weiteren Ausführung um eine integrierte digitale Auswertung der Meßwerte erweitert. Dabei wird die Digitalisierung der Meßwerte vorzugsweise direkt auf der Leiterplatte durchgeführt, auf der auch die Meßstrukturen ausgebildet sind. Auf einer weiteren Platine, die über eine elektrische Kontaktierung, vorzugsweise über Steckverbinder, direkt über der ersten Platine fixiert werden kann, befindet sich ein Mikrorechner, welcher die Meßwerte erfaßt und aus ihnen die Kraftkomponenten der auf den Aufnehmer wirkenden Kräfte bestimmt. Je nach Miniaturisierungsgrad kann der Mikrorechner ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet sein, auf der sich auch die Meßstrukturen befinden. Zur Kommunikation verfügt der erfindungsgemäße Aufnehmer über verschiedene Schnittstellen nach industrierelevanten Standards.Around To obtain an intelligent measuring module, the inventive Transducer in another version to an integrated digital evaluation of the measured values extended. It will the digitization of the measured values preferably directly on the circuit board performed on the also the measuring structures are formed. On another board, over an electrical contact, preferably via connectors, can be fixed directly above the first board a microcomputer, which detects the measured values and from them the force components of the forces acting on the transducer certainly. Depending on the degree of miniaturization, the microcomputer can also be arranged on the circuit board, on which also the measuring structures are located. For communication of the invention Transducers via various interfaces according to industry-relevant Standards.
Derzeitige Kraft-Momenten-Aufnehmer bestehen aus einer metallischen Trägerkonstruktion, die sich unter Kraft- bzw. Momenteneinwirkung verformt. Diese Verformung wird über aufgebrachte Dehnmeßstreifen erfaßt. Diese werden manuell aufgebracht und einzeln verdrahtet, wodurch die Herstellung sehr kostenintensiv ist. Eine automatisierte Herstellung derzeitiger Kraft-Momenten-Aufnehmer ist aufgrund der komplexen Trägerstruktur nicht möglich.current Force-moment transducer consist of a metallic support structure, the deformed under force or moment effect. This deformation is detected by applied strain gauges. These are applied manually and individually wired, thereby the production is very costly. An automated production current force-moment transducer is due to the complex Carrier structure not possible.
Es
wird ein Aufnehmer zur Erfassung von Kräften und Momenten
vorgeschlagen, der aufgrund seines Aufbaus wirtschaftlich in einem
Batchprozeß hergestellt werden kann. Dabei besteht der
Verformungskörper (
Der neue Aufnehmer eignet sich vorzugsweise zum Einsatz in robotergestützten Handhabungs- und Fügeprozessen, wo die wirkenden Kräfte und Momente registriert und begrenzt werden müssen.Of the new transducer is preferably suitable for use in robot-assisted Handling and joining processes, where the forces acting and moments must be registered and limited.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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ID=40148770
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---|---|---|---|
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