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

The sensor has an electrical printed circuit board (3) exhibiting bending resistance (6) and a deformable area (2) deformed under force- and/or torque effect. An extension measuring structure (5) for detecting the deformation is realized as a part of a metal lamination of the circuit board in the deformable area. The extension measuring structure is realized in the deformable area so that a force, a transverse force or an effective torque are measured. A wiring is realized on the printed circuit board for a part of an electrical circuit. The circuit board is reinforced by aluminum layers.

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.

DE 34 04 936 A1 schlägt eine elektromechanische Wägezelle zur Messung einer einachsigen mechanischen Kraft vor, bei der die lastabhängige Verformung eines Metallkörpers über eine Anordnung von Dehnmeßstreifen erfaßt wird. Die in Brückenanordnung verschalteten Dehnmeßstreifen sind dabei auf einer gemeinsamen Folie realisiert, die auf den Träger aufgebracht wird. Eine passive elektrische Anordnung aus Widerständen zur Temperaturkompensation, welche auf einer weiteren Folie realisiert ist, ist ebenfalls Bestandteil der Wägezelle. DE 34 04 936 A1 proposes an electromechanical load cell for measuring a uniaxial mechanical force, in which the load-dependent deformation of a metal body is detected via an array of strain gauges. The connected in bridge arrangement strain gauges are realized on a common film which is applied to the carrier. A passive electrical arrangement of resistors for temperature compensation, which is realized on a further film is also part of the load cell.

Eine Anordnung zur kombinierten Kraft- und Momentenmessung ist beispielsweise aus DE 100 13 059 C2 bekannt. Hier wird ein Kraft-Momenten-Aufnehmer beschrieben, der aus einer metallischen Trägerstruktur besteht, welche derart beschaffen ist, daß Kräfte und Momente der jeweiligen Hauptachsen eine charakteristische Verformung des Trägers bewirken. Die Verformung wird über diskrete Dehnmeßstreifen erfaßt, die auf unterschiedliche Flächen in verschiedenen Ebenen des Trägers aufgebracht sind und die jeweils über einzelne Leitungen kontaktiert werden. Die Auswertung der elektrischen Widerstandsänderungen erfolgt vom Träger entfernt.An arrangement for combined force and torque measurement is for example off DE 100 13 059 C2 known. Here, a force-moment transducer is described, which consists of a metallic support structure, which is such that forces and moments of the respective major axes cause a characteristic deformation of the carrier. The deformation is detected by discrete strain gauges, which are applied to different areas in different levels of the carrier and which are each contacted via individual lines. The evaluation of the electrical resistance changes takes place away from the carrier.

DE 102 17 017 C1 schlägt einen kombinierten Kraft-Momenten-Aufnehmer vor, der so ausgestaltet ist, daß die Bestimmung aller Momente und Kräfte durch eine Dehnungsmessung in nur einer Ebene möglich ist. Auch hier werden für die Bestimmung der Trägerdehnung konventionelle Dehnmeßstreifen eingesetzt. Sie werden allerdings direkt an einen Folienleiter angeschlossen, der auch die Auswertungselektronik enthält. DE 102 17 017 C1 proposes a combined force-moment transducer, which is designed so that the determination of all moments and forces by a strain measurement in only one plane is possible. Again, conventional strain gages are used for the determination of the carrier strain. However, they are connected directly to a foil conductor, which also contains the evaluation electronics.

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

1: Einachsiger Kraft-Momenten-Aufnehmer mit mäanderförmiger Dehnmeßstruktur (5) und Signalaufbereitung (4) auf der gleichen Leiterplatte (3) 1 : Single-Axial Force / Moment Transducer With Meander-shaped Strain Measurement Structure ( 5 ) and signal conditioning ( 4 ) on the same circuit board ( 3 )

2: Lagenaufbau des einachsigen Kraft-Momenten-Aufnehmers aus 1, auf den äußeren Lagen ist die Struktur zur Messung der Biegedehnung (5, 8) zu erkennen, auf der inneren Lage sind zwei Strukturen zur Messung der Querdehnung (7) nebeneinander angeordnet. 2 : Layer structure of the uniaxial force-moment transducer 1 , on the outer layers is the structure for measuring the bending strain ( 5 . 8th ), on the inner layer are two structures for measuring the transverse strain ( 7 ) arranged side by side.

3: Lagenaufbau eines einachsigen Kraft-Momenten-Aufnehmers mit zusätzlichen Lagen (10, 12, 13) zur Verbesserung der Empfindlichkeit. Hier als Schnittzeichnung dargestellt. 3 : Layer structure of a uniaxial force-moment transducer with additional layers ( 10 . 12 . 13 ) to improve the sensitivity. Shown here as a sectional drawing.

4: Brückenverschaltung der Lagen nach 3. Die Widerstandsbezeichnungen lehnen sich an die Lagenbezeichnung an (z. B. Meßstruktur auf der untersten Lage (8) entspricht R8). 4 : Bridge interconnection of the layers after 3 , The resistance designations are based on the layer designation (eg measuring structure on the lowest layer ( 8th ) corresponds to R8).

5: Versteifung des Biegebereichs durch beidseitiges Aufbringen einer zusätzlichen funktionalen Schicht auf die eigentliche Leiterplatte, hier als Schnittzeichnung dargestellt. 5 : Stiffening of the bending area by applying an additional functional layer to the actual circuit board on both sides, shown here as a sectional drawing.

6: Sechsachsiger Kraft-Momenten-Aufnehmer als Kombination dreier einachsiger Aufnehmer nach 1. 6 : Six-axis force-moment transducer as a combination of three single-axis transducers 1 ,

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aufnehmers zur Erfassung von mechanischen Kräften und Drehmomenten ist in 1 dargestellt. Er ist in der Lage, eine Normalkraft-(F) sowie eine Querkraft-(Q) bzw. Torsionskomponente (M) in je einer Raumrichtung zu erfassen und besteht aus einer gewöhnlichen elektrischen Leiterplatte (3), wie sie zum Aufbau von elektrischen Schaltungen eingesetzt wird. Eine hier gemeinte Leiterplatte (auch „Platine" genannt) besteht im allgemeinen aus zumindest einer isolierenden Trägerschicht (Basismaterial), auf der zumindest eine leitfähige und strukturierte Schicht aufgebracht ist und dahingehend genutzt wird, eine elektrische Funktion, beispielsweise die Verschaltung von elektrischen Bauelementen, zu erfüllen. Bei einer mehrlagigen Platine werden mehrere Schichten des isolierenden Trägermaterials und strukturierter leitfähiger Schichten abwechselnd übereinander angeordnet, um so mehrere Verdrahtungsebenen zu erhalten. Als Basismaterial wird vorzugsweise ein Epoxid-Glasfaserträger vom Typ FR4 verwendet, da er aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften besonders gut geeignet ist. Das Basismaterial fungiert dabei als Biege- bzw. Torsionsbalken, dessen Verformung in einem definierten Zusammenhang mit den wirkenden Kräften F, Q und den Momenten M steht. Der Balken ist dabei vorzugsweise so ausgeführt, daß sich die durch eine äußere Belastung entstehenden mechanischen Spannungen möglichst gleichmäßig verteilen. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Außenkontur (2) des Balkens oder aber durch eine Dickenänderung über seine Länge oder durch eine Unterhöhlung im Bereich der Dehnmeßstrukturen erfolgen. Die Leiterplatte wird als mehrlagige Platine ausgeführt, auf der wie in 2 dargestellt in unterschiedlichen, übereinander angeordneten Ebenen zumindest eine Dehnmeßstruktur zur Messung der Dehnung in Längsrichtung (5, 8) sowie zumindest eine Dehnmeßstruktur zur Messung von Quer- bzw. Torsionsdehnungen (7, 12) realisiert ist. Um bei einer Brückenverschaltung der Dehnmeßstrukturen einen maximalen Hub des Ausgangssignals zu erhalten, werden zwei Dehnmeßstrukturen zur Erfassung der Normalspannungen des Basismaterials vorzugsweise auf den von der neutralen Faser (1) der Anordnung am weitesten entfernten und sich gegenüberliegenden Ebenen (5, 8) realisiert. Vorzugsweise nahe der neutralen Faser werden zumindest zwei Lagen mit vorzugsweise je zwei nebeneinander angeordneten Dehnmeßstrukturen (7a, 7b sowie 12a, 12b) zur Erfassung von mechanischen Querspannungen realisiert. Bedingt durch ihre Anordnung auf bzw. nahe der neutralen Faser (1) wird die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Längsspannungen reduziert. Eine Anordnung außerhalb der neutralen Faser ist jedoch ebenfalls denkbar. Bei den vorzugsweise einzusetzenden Dehnmeßstrukturen handelt es sich beispielsweise um mäanderförmige leitfähige Strukturen, wie sie von Dehnmeßstreifen bekannt sind. Sie werden, wie bei der Leiterplattenherstellung üblich, über Fotostrukturierung direkt aus der Kupferkaschierung hergestellt und bestehen deshalb aus Kupfer. Es können jedoch auch andere Werkstoffe mit einem höheren spezifischen elektrischen Widerstand und besseren thermischen Eigenschaften eingesetzt werden, wie Nickel-Kupfer-Legierungen (Konstantan Cu55Ni45, Manganin Cu86Mn12Ni2 oder Isotan Cu55Ni44Mn1) oder Wolfram. Zur Messung der Querspannungen werden die Dehnmeßstrukturen (7a, 7b, 12a, 12b) gegenüber derer zur Längsspannungsmessung (5, 8) in einem Winkel von vorzugsweise um ±45° gegeneinander gedreht angeordnet. Es ist auch ausreichend, nur die zur Messung der Dehnung relevanten Leiter zu drehen, um so eine parallelogrammartig verschobene Dehnmeßstruktur zu erhalten. Die Dehnmeßstrukturen werden in einer Brückenschaltung, vorzugsweise einer Vollbrückenschaltung, betrieben, um die Temperaturabhängigkeit und Störeinflüsse durch fertigungsbedingte Toleranzen der Grundwiderstände der Dehnmeßstrukturen zu minimieren. Zur Reduktion des Schaltungsaufwands sind auch Halb- und Viertelbrückenbeschaltungen denkbar. Je nach Verschaltung der einzelnen Brückenwiderstände untereinander kann die Anordnung zur Messung der Querkraft entweder für Torsionsmomente als auch für reine Querkräfte empfindlich sein. Bei eine Halbbrückenanordnung ist auch eine Empfindlichkeit für beide Komponenten möglich. Weitere Abgleich- und Kompensationswiderstände, wie sie aus der Wägetechnik bekannt sind, können ebenfalls direkt auf der Leiterplatte realisiert werden.An embodiment of the transducer according to the invention for detecting mechanical forces and torques is in 1 shown. He is able to detect a normal force (F) and a transverse force (Q) or torsional component (M) in each spatial direction and consists of a conventional electrical circuit board ( 3 ), as used for the construction of electrical circuits. A printed circuit board (also referred to as "circuit board") referred to here generally comprises at least one insulating carrier layer (base material) on which at least one conductive and structured layer is applied and used to this end, an electrical function, for example the interconnection of electrical components In a multilayer board, a plurality of layers of the insulating substrate and patterned conductive layers are alternately stacked to obtain a plurality of wiring levels, and the base material is preferably an FR4 type epoxy glass fiber substrate because of its mechanical properties The base material acts as a bending or torsion beam whose deformation is in a defined relationship with the acting forces F, Q and the moments M. The beam is preferably designed so that the outer Bela distribute the resulting mechanical stresses as evenly as possible. This can be achieved, for example, by means of a suitable outer contour ( 2 ) of the beam or by a change in thickness over its length or by a Unterhöhlung in the region of the Dehnmeßstrukturen done. The circuit board is designed as a multilayer board, on the like in 2 illustrated in different superimposed planes at least one Dehnmeßstruktur for measuring the elongation in the longitudinal direction ( 5 . 8th ) as well as at least one strain gauge structure for measuring transverse or torsional strain ( 7 . 12 ) is realized. In order to obtain a maximum lift of the output signal in the case of a bridge connection of the strain gauges, two strain gauges for detecting the normal stresses of the base material are preferably applied to those of the neutral fiber ( 1 ) of the arrangement of farthest and opposite planes ( 5 . 8th ) realized. Preferably close to the neutral fiber at least two layers are preferably each with two juxtaposed Dehnmeßstrukturen ( 7a . 7b such as 12a . 12b ) for the detection of mechani realized transverse voltages. Due to their arrangement on or near the neutral fiber ( 1 ) reduces the sensitivity to longitudinal mechanical stresses. However, an arrangement outside the neutral fiber is also conceivable. The preferably used strain-measuring structures are, for example, meander-shaped conductive structures, as known from strain gauges. They are made directly from the copper cladding via photo-structuring, as is customary in printed circuit board production, and are therefore made of copper. However, other materials with a higher electrical resistivity and better thermal properties may be used, such as nickel-copper alloys (Konstantan Cu 55 Ni 45 , Manganin Cu 86 Mn 12 Ni 2 or Isotan Cu 55 Ni 44 Mn 1 ) or tungsten , For measuring the transverse stresses, the strain gauges ( 7a . 7b . 12a . 12b ) compared to those for longitudinal voltage measurement ( 5 . 8th ) at an angle of preferably rotated by ± 45 ° from each other. It is also sufficient to rotate only the conductors relevant to the measurement of the elongation so as to obtain a strain gauge structure shifted in a parallelogram manner. The strain gauges are operated in a bridge circuit, preferably a full-bridge circuit, in order to minimize the temperature dependence and interference caused by production-related tolerances of the base resistances of the strain gauges. Half and quarter bridge circuits are also conceivable for reducing the circuit complexity. Depending on the interconnection of the individual bridge resistors with one another, the arrangement for measuring the transverse force can be sensitive either to torsional moments or to purely transverse forces. With a half-bridge arrangement, sensitivity for both components is also possible. Further balancing and compensation resistors, as known from weighing technology, can likewise be realized directly on the printed circuit board.

Um die in Widerstandsänderung per Dehnung gemessene Empfindlichkeit der Anordnung zu verbessern, können mehrere Dehnmeßstrukturen, wie in 3 dargestellt, für die gleiche mechanische Spannung lagenweise übereinander angeordnet und elektrisch zu einer Vollbrücke gemäß 4 geschaltet werden. Dabei wird auf der oberen Lage (9) die Dehnmeßstruktur zur Messung der Biegebelastung F realisiert. Die selbe Struktur wird auch auf der ersten Innenlage (10) hergestellt. Gleiches gilt für die unterste Lage (13) sowie für die vierte Innenlage (14). Auf der zweiten (11) und dritten (12) Innenlage wird entsprechend die Dehnmeßstruktur für die Torsionsbelastung M realisiert. Um den Innenwiderstand der Vollbrücken und damit die erzielbare Auflösung der Kraftmessung weiter zu steigern, können zusätzliche Lagenpaare mit vorzugsweise identischen Dehnmeßstrukturen realisiert werden. Diese werden gemeinsam mit den Dehnmeßstrukturen gleicher Belastungsrichtung in Serie geschaltet und dann wiederum in je einer Meßbrückenschaltung zusammengefaßt. Hierdurch steigt der Innenwiderstand der Meßbrücke proportional mit der Anzahl der zusätzlichen Lagen.In order to improve the sensitivity of the device as measured in resistance change by elongation, a plurality of strain gauges as shown in FIG 3 represented, for the same mechanical stress in layers stacked and electrically to a full bridge according to 4 be switched. It is on the upper layer ( 9 ) realized the Dehnmeßstruktur for measuring the bending load F. The same structure is also applied to the first inner layer ( 10 ) produced. The same applies to the lowest layer ( 13 ) as well as for the fourth inner layer ( 14 ). On the second ( 11 ) and third ( 12 ) Inner layer is realized according to the Dehnmeßstruktur for the torsional load M. In order to further increase the internal resistance of the full bridges and thus the achievable resolution of the force measurement, additional pairs of layers can be realized with preferably identical strain gauges. These are connected in series with the Dehnmeßstrukturen same load direction in series and then in turn combined in a Meßbrückenschaltung. As a result, the internal resistance of the measuring bridge increases proportionally with the number of additional layers.

Auch die zur Auswertung der Widerstandsänderung der Dehnmeßstrukturen erforderliche elektronische Beschaltung, im wesentlichen ein vorzugsweise als integrierter Schaltkreis ausgeführter Differenzverstärker (4), kann auf der gleichen Leiterplatte (3), auf der auch die Dehnmeßstrukturen (5) angeordnet sind, realisiert werden. Dazu wird durch eine mechanische Unterkonstruktion (6) der Platinenteil der Auswertungselektronik versteift und somit mechanisch von dem sich verformenden Teil, auf dem die Dehnmeßstrukturen angeordnet sind, entkoppelt. Die Versteifung besteht vorzugsweise aus einer zusätzlichen Schicht des Basismaterials, welche während der Platinenherstellung aufgebracht wird. Die mechanische Entkopplung zwischen Dehnmeßteil und Elektronikteil auf der Leiterplatte kann auch durch eine Kerbung der Leiterplatte an geeigneten Stellen oder durch eine gezielte Schwächung des Leiterplattenmaterials, beispielsweise durch eine Niveaufräsung oder durch das Ausnehmen von Taschen erfolgen.Also, the electronic circuit required for evaluating the change in resistance of the strain-measuring structures, essentially a differential amplifier (preferably implemented as an integrated circuit) (US Pat. 4 ), can on the same circuit board ( 3 ), on which the strain gauges ( 5 ) are arranged can be realized. For this purpose, a mechanical substructure ( 6 ) stiffened the board part of the evaluation electronics and thus mechanically decoupled from the deforming part on which the Dehnmeßstrukturen are arranged. The stiffener preferably consists of an additional layer of the base material, which is applied during the board production. The mechanical decoupling between Dehnmeßteil and electronic part on the circuit board can also be done by notching the PCB at appropriate locations or by a targeted weakening of the PCB material, for example by a Niveaufräsung or by removing pockets.

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 (16) erfolgen, mit der die Schicht auf direkt auf die Leiterplatte heißlaminiert wird. Die zusätzliche Schicht kann entweder einseitig oder aber, wie in 5 dargestellt, beidseitig auf den Platinenträger aufgebracht werden. Auch kann der Platinenträger um diese zusätzliche Schicht herum aufgebaut werden. Je nach gewünschtem Meßbereich sind auch andere Materialien denkbar, beispielsweise eine zusätzliche FR4-Schicht, Stahl, Titan, etc. Durch dieses Verfahren lassen sich auch höhere Meßbereiche realisieren als dies mit reinen FR4-Trägern möglich wären.To improve the drift and hysteresis behavior of a pickup according to the invention, the region in which the measuring structures are arranged and whose mechanical properties are thus essentially responsible for the drift and hysteresis of the pickup is significantly increased by an additional layer whose elasticity and flexural modulus than that of the base material of the circuit board is stiffened. For this purpose, an aluminum layer is preferably used, as used in the art for heat dissipation in power electronics. It is applied over the entire surface of the circuit board, so that it forms a stable and durable bond with the circuit board. This can be done, for example, via a prepreg layer ( 16 ), with which the layer is hot laminated to directly on the circuit board. The additional layer can be either one-sided or as in 5 shown, applied to both sides of the board carrier. Also, the board carrier can be built around this extra layer around. Depending on the desired measuring range, other materials are conceivable, for example, an additional FR4 layer, steel, titanium, etc. By this method, higher measuring ranges can be realized than would be possible with pure FR4 carriers.

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 6 dargestellten Aufnehmer mechanische Kräfte in allen drei Raumrichtungen und Drehmomente um die zugehörigen drei Raumachsen gemessen werden. Dazu werden zumindest drei der bereits oben beschriebenen Kraft-Momenten-Aufnehmer zur Messung von zumindest einer Kraft und zumindest einer Querkraft nach 1 miteinander kombiniert. Die Einzel-Aufnehmer werden zentrisch und vorzugsweise in gleichem Winkel zueinander angeordnet. Als Träger für die Einzelaufnehmer dient eine einzige zusammenhängende Leiterplatte (3). Die Signalaufbereitungselektronik (4) wird auf dem inneren Teil der Leiterplatte realisiert. Eine Versteifung (6) verhindert eine Verformung dieses Bereichs und dient gleichzeitig zur Montage des Aufnehmers an einer tragenden Struktur. Die Krafteinleitungspunkte werden über einen Ring (17), der ebenfalls Teil der Leiterplatte sein kann, mechanisch miteinander verbunden. Dieser wird vorzugsweise versteift ausgeführt, damit sich in diesem Bereich keine ungewollte Verformung ergibt. Die Versteifung kann aber auch Teil des Gehäuses sein. Die zu messenden Kräfte sowie Drehmomente werden über diesen äußeren Ring eingeleitet. Je nach Ausführung kann auch der äußere Ring fixiert und die Kräfte und Momente über den inneren Teil der Aufnehmerstruktur eingekoppelt werden. Die Bestimmung der wirkenden Kräfte und Drehmomente erfolgt rechnerisch aus den gemessenen Komponenten.For measuring forces and moments in a plurality of axes, the transducer according to the invention is expanded accordingly by measuring structures. Such multi-axis transducers are example wise in handling technology or for robot-assisted joining processes used to register the process forces occurring. With multiaxial transducers here are meant transducers that can detect mechanical forces and / or torques in or around different spatial axes. So can with the in 6 shown transducer mechanical forces in all three spatial directions and torques are measured around the associated three spatial axes. For this purpose, at least three of the force-moment transducers already described above for measuring at least one force and at least one transverse force 1 combined together. The individual transducers are arranged centrally and preferably at an equal angle to each other. The carrier for the individual sensors is a single contiguous printed circuit board ( 3 ). The signal processing electronics ( 4 ) is realized on the inner part of the circuit board. A stiffening ( 6 ) prevents deformation of this area and at the same time serves to mount the sensor on a supporting structure. The force application points are transmitted via a ring ( 17 ), which may also be part of the circuit board, mechanically interconnected. This is preferably carried out stiffened so that there is no unwanted deformation in this area. The stiffening can also be part of the housing. The forces to be measured as well as torques are introduced via this outer ring. Depending on the design and the outer ring can be fixed and the forces and moments are coupled via the inner part of the transducer structure. The determination of the acting forces and torques is done mathematically from the measured components.

Um die wirkenden Momente und Kräfte in mehreren Ebenen erfassen zu können, kann, wie in 7 dargestellt, als Träger eine Leiterplatte (3) mit flexiblen Bereichen (18) verwendet werden, in denen die Leiterplatte gebogen wird, so daß diese auf eine metallische Trägerstruktur (19) aufgebracht werden kann. Die einzelnen starren Bereiche entsprechen hier wieder einem Aufnehmer nach 1. Besonders geeignet hierfür sind Platinen, die einen zusätzlichen flexiblen und vorzugsweise aus Polyimid bestehenden Kern (20) enthalten, der in bestimmten Bereichen von dem umgebenden starren Basismaterial (21), vorzugsweise FR4, freigelegt wird. Ein derartiger Aufnehmer benötigt zwar eine zusätzliche tragende Struktur, die als Verformungskörper fungiert und die Platine in Position hält, kann jedoch ebenfalls in einem Batchprozeß hergestellt und einfach montiert werden. Die notwendige Verschaltung der Dehnmeßstrukturen sowie die Signalaufbereitungselektronik zur Erfassung der dehnungsbasierten Widerstandsänderung wird ebenfalls auf der Platine realisiert.In order to capture the acting moments and forces in several levels, as in 7 represented as a carrier a printed circuit board ( 3 ) with flexible areas ( 18 ) are used, in which the printed circuit board is bent, so that this on a metallic support structure ( 19 ) can be applied. The individual rigid areas here again correspond to a transducer 1 , Particularly suitable for this purpose are circuit boards which comprise an additional flexible core, preferably made of polyimide ( 20 ) in certain areas of the surrounding rigid base material ( 21 ), preferably FR4. Although such a pick-up requires an additional supporting structure that acts as a deformation body and holds the board in place, it can also be made in a batch process and easily assembled. The necessary interconnection of the strain gauge structures as well as the signal conditioning electronics for detecting the strain-based resistance change is also realized on the board.

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 (1) aus einer konventionellen Leiterplatte (3), die in einen biegesteifen (6) sowie einen verformbaren Bereich (2) unterteilt ist und auf deren Kupferkaschierung die Dehnmeßstrukturen (5) direkt realisiert sind. Die erforderliche Verdrahtung der Dehnmeßstrukturen sowie die notwendige elektronische Signalaufbereitungselektronik (4) sind auf der gleichen Leiterplatte realisiert.It is proposed a sensor for detecting forces and moments, which can be produced economically in a batch process due to its structure. In this case, the deformation body ( 1 ) from a conventional printed circuit board ( 3 ), which are in a rigid ( 6 ) and a deformable region ( 2 ) and on the Kupferkaschierung the strain gauges ( 5 ) are realized directly. The required wiring of the strain gauges and the necessary electronic signal conditioning electronics ( 4 ) are realized on the same circuit board.

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.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (12)

Aufnehmer zur Messung von Kräften und Momenten, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einer Leiterplatte besteht, die zumindest einen biegesteifen sowie zumindest einen unter Kraft- bzw. Momenteinwirkung verformbaren Bereich aufweist, wobei im verformbaren Bereich mindestens eine Dehnmeßstruktur zur Erfassung der Verformung als Teil der Metallkaschierung der Leiterplatte realisiert ist.Sensor for measuring forces and moments, characterized in that it consists of a printed circuit board having at least one rigid and at least one under force or moment action deformable region, wherein in the deformable region at least one Dehnmeßstruktur for detecting the deformation as part of Metallkaschierung the circuit board is realized. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im verformbaren Bereich mindestens zwei Dehnmeßstrukturen zur Erfassung der Verformung realisiert sind, sodaß zumindest eine von außen wirkende Kraft sowie zumindest eine Querkraft oder zumindest ein wirkendes Drehmoment gemessen werden können.Device according to claim 1, characterized in that that in the deformable region at least two strain gauges realized for detecting the deformation, so that at least an externally acting force and at least one lateral force or at least an acting torque can be measured. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Leiterplatte die Leitungsführung für zumindest einen Teil der zur Auswertung notwendigen elektrischen Beschaltung realisiert ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that on the circuit board, the wiring for at least part of the evaluation necessary electrical wiring is realized. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem biegesteifen Teil der Leiterplatte zumindest ein Teil der erforderlichen Signalaufbereitungselektronik realisiert ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that on the rigid part of Printed circuit board at least part of the required signal conditioning electronics is realized. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aufnehmer zur Messung je einer Kraft und eines Moments auf einer einzigen Leiterplatte so angeordnet sind, daß mehrachsige Kräfte und Momente gemessen werden können.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of transducers for measuring one power and one moment on a single circuit board are arranged so that multiaxial forces and Moments can be measured. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer zur Messung je einer Kraft und eines Moments kreisförmig und vorzugsweise in gleichen Winkeln zueinander angeordnet sind und durch eine biegesteife Struktur auf beiden Seiten des verformbaren Bereichs miteinander verbunden sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensors for each measurement a force and a moment circular and preferably are arranged at equal angles to each other and by a rigid structure connected on both sides of the deformable area are. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenhängende Leiterplatte zumindest einen flexiblen Bereich enthält, in dem sie leicht umgebogen werden kann und somit auch Kräfte und Momente in unterschiedlichen Ebenen erfaßt werden können.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the contiguous PCB contains at least one flexible area, in which it can easily be bent and thus also forces and moments in different levels can be detected. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ortsinvarianten Positionierung der einzelnen starren Teilbereiche der Leiterplatte eine weitere Trägerstruktur eingesetzt wird.Device according to claim 7, characterized in that that for local invariant positioning of the individual rigid Subareas of the circuit board another support structure is used. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrlagige Leiterplatte Einsatz findet, bei der auf verschiedenen Schichten Strukturen zur Dehnungsmessung realisiert sind und diese so zusammengeschaltet werden können, daß sich eine Verbesserung der Empfindlichkeit der Anordnung ergibt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a multilayer printed circuit board Use finds, in which on different layers structures for Strain measurement are realized and these interconnected so can be an improvement in the Sensitivity of the arrangement results. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnmeßstrukturen zur Messung von Längs- und Querspannung auf unterschiedlichen Ebenen der Platine übereinander angeordnet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the strain gauges for measuring longitudinal and transverse stress on different Layers of the board are arranged one above the other. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese vollständig in einem konventionellen Herstellungsprozeß für Leiterplatten gefertigt werden kann.Device according to one of the preceding claims, characterized in that this completely in a conventional manufacturing process for printed circuit boards can be made. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte zumindest im Bereich der Dehnmeßstrukturen durch eine oder mehrere zusätzliche Schichten, vorzugsweise aus Aluminium, verstärkt wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the circuit board at least in the field of strain gauge structures by one or more additional layers, preferably made of aluminum reinforced becomes.
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