DE102009007425B3

DE102009007425B3 - Sensorbolzen zur Krafterfassung sowie Verfahren zur Krafterfassung bei einem Flurförderzeug

Info

Publication number: DE102009007425B3
Application number: DE200910007425
Authority: DE
Inventors: Philip Southsea Jackson; Matthias Appeldorn
Original assignee: STILL GmbH
Current assignee: STILL GmbH
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-02-05
Also published as: WO2010089052A1; EP2394145A1; WO2010089052A4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensorbolzen 13 zur Krafterfassung sowie ein damit ausgestattetes Flurförderzeug. Der Sensorbolzen 13 weist ein Sensorelement 1 aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften auf, das in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger 7 angeordnet ist. Das Sensorelement 1 steht mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Sensorelement 1 zwischen einem Hauptschalenteil 5 und einem Formschalenteil 6 eingelegt, das durch Lagerschalen 3 und 4 gesichert ist. Durch das Sensorelement 1, das z.B. als Epoxidkern ausgebildet sein kann, wird ein Lichtstrahl einer in einer Endkappe 2 angeordneten Lichtquelle (z.B. LED) gesendet und von einem in einem Gehäuse 8 angeordneten Lichtempfänger 7 erfasst. Bei einer Belastung des Formschalenteils 6 durch eine äußere Kraft F verformt sich der Epoxidkern des Sensorelements 1 und der Lichtdurchlass wird verringert. Die Veränderung des Lichtsignals kann durch den Lichtempfänger 7 erfasst und z.B. durch eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtung ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensorbolzen zur Krafterfassung sowie ein Verfahren zur Krafterfassung bei einem Flurförderzeug unter Verwendung eines Sensorbolzens. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Sensorbolzen zur Krafterfassung, wobei ein Sensorelement aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger angeordnet ist und das Sensorelement mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht, und das Sensorelement zwischen einem Hauptschalenteil und einem Formschalenteil eingelegt ist, wobei das Formschalenteil die Kraftaufnahmeeinrichtung bildet.
Sensorbolzen zur Krafterfassung sind insbesondere im englischen Sprachgebrauch unter dem Begriff „load pin” bekannt und werden gelegentlich auch als Sensorstifte oder Messbolzen bezeichnet. Solche Sensorbolzen werden in verschiedenen Vorrichtungen eingebaut, um Krafteinwirkungen auf bestimmte Vorrichtungsteile messen oder zumindest feststellen zu können. Dabei arbeiten die Sensorbolzen in der Regel mit Dehnungsmessstreifen, die auf entsprechende Bauteile des Sensorbolzens übertragene Scherkräfte erfassen. Beispiele für Sensorbolzen mit Dehnungsmessstreifen finden sich auf folgenden Internetseiten:

http://www.strainsert.com/images/page8drawtable.jpg
http://www.strainsert.com/pages/load-pins-overview.php
http://www.lcmsystems.com/load_pin_application_note.html
http://www.sentranllc.com/load_pin.htm

In der DE 38 02 332 A1 ist der Einsatz eines Sensorbolzens mit Dehnungsmessstreifen in Flurförderzeugen beschrieben. Dabei ist der Sensorbolzen, der in dieser Druckschrift als Messbolzen bezeichnet wird, in einem Verbindungsteil zwischen Gabelrücken und Gabelzunge eines Gabelzinkens eines Hubgabelstaplers untergebracht. Über die Dehnungsmessstreifen im Messbolzen kann das Gewicht der von den Gabelzinken aufgenommenen Lasten gemessen werden.
Mit Dehnungsmessstreifen arbeitende Sensorbolzen können bauartbedingt eine bestimmte Mindestgröße nicht unterschreiten. Der kleinste kommerziell erhältliche Sensorbolzen mit Dehnungsmessstreifen weist einen Durchmesser von 9,4 mm auf.
Für spezielle Anwendungsfälle sind jedoch Sensorbolzen wünschenswert, die besonders platzsparend aufgebaut sind und z. B. einen Durchmesser von höchstens 8 mm aufweisen.
Aus der DE 38 28 943 A1 ist eine Kraftmessvorrichtung bekannt, bei der Lichtwellenleiter auf roationssymmetrischen Verformungskörpern spiralförmig aufgeklebt sind.
Aus der DE 43 22 291 A1 ist eine optische Kraftmesseinrichtung mit einem kristallinen Festkörpermaterial bekannt, das sowohl photoelastische als auch laseraktive Eigenschaften besitzt und das an den Enden Resonatorspiegel trägt und so einen monolithischen optischen Sensor-Oszillator bildet. Mittels einer Strahlungsquelle und einer Einkoppeloptik wird der photoelastische Sensor-Oszillator zu Laseraktivität angeregt. Wirkt eine Kraft F in orthogonaler Richtung zur Resonatorachse auf das mit einem starren, kräfteausleitenden Gestell verbundene Material ein, so ändern sich ausgekoppelte Frequenzanteile, deren Differenz ein kraftabhängiges Signal bildet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu Sensorbolzen mit Dehnungsmessstreifen zur Verfügung zu stellen, die auch in platzsparender Bauart ausführbar sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Sensorelement aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger angeordnet ist und das Sensorelement mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht. Dabei ist das Sensorelement ist zwischen einem Hauptschalenteil und einem Formschalenteil eingelegt, wobei das Formschalenteil die Kraftaufnahmeeinrichtung bildet. Die Lichtquelle und der Lichtempfänger sind in gegenüberliegenden Endbereichen eines im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuses angeordnet. In seinem Mittelbereich umfasst das Gehäuse das Hauptschalenteil und das Formschalenteil. Das Sensorelement ist ebenfalls im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und in Längserstreckung im Lichtstrahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfänger ausgerichtet. Dabei ist das Sensorelement vom Hauptschalenteil und Formschalenteil eingeschlossen.
Durch diese Anordnung wird erreicht, dass einerseits die Einwirkung von äußeren Kräften auf das Sensorelement ermöglicht wird und andererseits das Sensorelement von Umgebungslicht abgeschirmt wird, während gleichzeitig die Lichtquelle und der Lichtempfänger in korrekter Position bezüglich des Sensorelements gehalten werden.
Im Gegensatz zu den üblichen Sensorbolzen arbeitet der erfindungsgemäße Sensorbolzen also nicht mit Dehnungsmessstreifen, sondern nach einem völlig anderen Prinzip, nämlich nach einer spannungsoptischen Methode. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass bestimmte Materialien ihre Lichtdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der mechanischen Beanspruchung bei äußeren Kräften ändern. Die veränderte Lichtdurchlässigkeit kann mittels eines Sensors erfasst und ausgewertet werden. Auf diese Weise lässt sich auf die Größe der einwirkenden Kräfte rückschließen. Im Ergebnis wird durch die veränderte Lichtdurchlässigkeit die Intensitätsänderung des Lichts der Lichtquelle bei mechanischer Beanspruchung durch äußere Kräfte erfasst.
Dieses Prinzip wird bei industriellen Herstellungsprozessen bereits benutzt, um die Kräfteverteilung innerhalb von Plastikmodellen von bestimmten Bauteilen bei Belastung in bildlicher Darstellung zu veranschaulichen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die spannungsoptische Methode hervorragend eignet, um die bei Sensorbolzen übliche Methode der Erfassung von Kräften mit Dehnungsmessstreifen durch eine weitaus fortschrittlichere Methode zu ersetzen, die wegen ihrer Präzision bei gleichzeitiger Perspektive zur Miniaturisierung völlig neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.
Dabei wird für das Sensorelement im Sensorbolzen ein Material mit veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften verwendet. Zweckmäßigerweise wird das Sensorelement aus einem Polymermaterial gebildet. Besonders bevorzugt weist das Sensorelement ein Epoxidmaterial mit veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften auf.
Das Formschalenteil kann z. B. in seinen Außenbereichen durch Lagerschalen gesichert sein.
Dabei ist das Formschalenteil vorzugsweise zumindest teilweise derart positionsveränderlich, dass es bei Belastung durch eine äußere Kraft verformungswirkend auf das Sensorelement pressbar ist. Die auf das Formschalenteil wirkende äußere Kraft wird also auf das Sensorelement übertragen, was zu Spannungen im Material des Sensorelements und somit zu einer Veränderung der Lichtdurchlässigkeit des Materials führt.
Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens sind die Lichtquelle und der Lichtempfänger mit Polarisationsfiltern ausgestattet. Die Polarisationsfilter können an dem Lichtempfänger bzw. der Lichtquelle angeordnet sein. Es ist jedoch ebenfalls möglich, an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Sensorelements jeweils einen Polarisationsfilter anzuordnen, beispielsweise aufzukleben. Dadurch wird ermöglicht, dass auch Verwindungskräfte erfasst werden können.
Die Erfindung erlaubt eine besonders platzsparende Ausgestaltung des Sensorbolzens. Bevorzugt weist dabei das Sensorelement einen Durchmesser von weniger als 9 mm, insbesondere im Bereich von 2 bis 5 mm, auf.
Der erfindungsgemäße Sensorbolzen kann die herkömmlichen Sensorbolzen, die mit Dehnungsmessstreifen arbeiten, unmittelbar ersetzen und kann überall dort eingesetzt werden, wo auch die bisherigen Sensorbolzen zur Anwendung kommen. Er ist allerdings deutlich preisgünstiger herzustellen als die bisherigen Sensorbolzen. Außerdem zeichnet er sich durch eine besonders hohe Messgenauigkeit aus. Dabei kann er auch für die Erfassung hydraulischer oder pneumatischer Drücke verwendet werden. Darüberhinaus kann er wesentlich kompakter gebaut werden, so dass er zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Insbesondere eignet er sich für solche Anwendungsfälle, bei denen Sensorbolzen mit Durchmessern von weniger als 8 mm gefordert sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Krafterfassung bei einem Flurförderzeug unter Verwendung eines Sensorbolzens.
Bezüglich des Verfahrens zur Krafterfassung bei einem Flurförderzeug wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Sensorbolzen gemäß Anspruch 1 verwendet wird, der ein Sensorelement aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften aufweist, welches in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger angeordnet ist, wobei das Sensorelement mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zur Krafterfassung bei einem Flurförderzeug sehen vor, dass ein Sensorbolzen mit den in einem der Ansprüche 2 bis 7 aufgeführten Merkmalen verwendet wird.
Zweckmäßigerweise ist der Sensorbolzen in eine Hydraulikeinrichtung des Flurförderzeugs integriert. Beispielsweise können auf diese Weise Hydraulikdrücke in Hubeinrichtungen von Gabelstaplern erfasst und/oder gemessen werden.
Mit Vorteil kann der Sensorbolzen auch in eine Bremseinrichtung des Flurförderzeugs integriert sein. Dadurch können z. B. Bremskräfte in einem Bremshydraulikkreislauf erfasst werden.
Besonders bevorzugt ist der Sensorbolzen in einer mechanischen Bremsbetätigungseinrichtung, insbesondere einem Bremshebel, beispielsweise einem Handbremshebel, des Flurförderzeugs eingebaut, um die dort auftretenden Kräfte direkt zu erfassen. Mit dem erfindungsgemäßen Sensorbolzen wird ermöglicht, in einer mechanischen Bremsbetätigungseinrichtung, die von einem von der Bedienperson betätigten Bremshebel, einem Bremsseil und einem die Bremseinrichtung betätigenden Bremsbetätigungshebel besteht, die von der Bedienperson an dem Bremshebel aufgebrachten Betätigungskräfte zu erfassen. Eine solche Anwendung wird erst aufgrund der platzsparenden Bauweise des erfindungsgemäßen Sensorbolzens ermöglicht. Herkömmliche Sensorbolzen, die mit Dehnungsmessstreifen arbeiten, sind hierfür ungeeignet, weil hier Durchmesser von weniger als 8 mm gefordert sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schematischen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Hierbei zeigt die einzige Figur eine Explosionszeichnung der Bauteile des Sensorbolzens.
Der Sensorbolzen 13 weist ein als Epoxidkern ausgebildetes Sensorelement 1 auf, der zwischen einem Hauptschalenteil 5 und einem Formschalenteil 6 eingelegt ist. Das zylinderförmige Sensorelement 1 ist koaxial im Lichtstrahlengang angeordnet, der sich zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfänger 7 erstreckt. Die Lichtquelle ist in einer Endkappe 2 untergebracht, die den Sensorbolzen 13 an einer Seite in axialer Richtung abschließt. Zwei halbkreisförmige Lagerschalen 3 und 4 an beiden Endbereichen des Formschalenteils 6 halten das Formschalenteil 6 einerseits in Position und erlauben andererseits, dass das Formschalenteil 6 auf das Sensorelement 1 gepresst werden kann, wenn eine äußere Kraft F auf das Formschalenteil 6 einwirkt. Das Formschalenteil 6, das Hauptschalenteil 5 und die halbkreisförmigen Lagerschalen 3 und 4 werden durch die Endkappe 2, die z. B. eine LED-Lichtquelle beinhaltet, sowie einem am gegenüberliegenden Ende des Sensorbolzens 1 angeordneten Gehäuse 8, welches den Lichtempfänger 7 enthält, zusammengehalten.
Durch diese Konstruktion wird ermöglicht, dass durch eine äußere Kraft F erzeugter Druck auf das Sensorelement 1 ausgeübt werden kann, während das Sensorelement 1 gleichzeitig von Umgebungslicht abgeschirmt wird sowie Lichtquelle und Lichtempfänger 7 in korrekter Position bezüglich des Sensorelements 1 gehalten werden.
Das Sensorelement ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Araldit-Epoxid-Harz geformt und weist einen Durchmesser von 3 mm auf.
An beiden Enden des Sensorelements 1 sind Polarisationsfiltern 11 und 12 angebracht. Diese können z. B. auf die Stirnseiten des Sensorelements 1 aufgeklebt sein.
Das Gehäuse 8 für den Lichtempfänger 7 sowie ein zugeordnetes Befestigungsteil 14 können aus lichtundurchlässigem Kunststoff bestehen, während die übrigen Bauteile des Sensorbolzens 13 aus Stahl gefertigt sein können.
Das Gehäuse 8 ist im zusammengebauten Zustand des Sensorbolzens 13 in einer Endkappe 9 angeordnet, an der eine nicht mehr dargestellte Signal- und/oder Stromleitungen führende Steckereinrichtung angeordnet werden kann.
Mittels Durchgangsbohrungen 10, die das Hauptschalenteil 5 in Längsrichtung durchdringen, können auf einfache Weise Stromleitungen zu einer in der Endkappe 2 angeordneten Lichtquelle zu deren elektrischen Versorgung geführt werden.
Die Funktionsweise des Sensorelements ist folgendermaßen:
Durch den Epoxidkern des Sensorelements 1 wird ein Lichtstrahl der in der Endkappe 2 angeordneten Lichtquelle (z. B. LED) gesendet und von dem im Gehäuse 8 angeordneten Lichtempfänger 7 erfasst. Bei einer Belastung des Formschalenteils 6 durch eine äußere Kraft F wird Druck auf das als Epoxidkern ausgebildete Sensorelement 1 ausgeübt, wodurch sich der Epoxidkern des Sensorelements 1 verformt und der Lichtdurchlass durch das Sensorelement 1 verringert wird. Die Veränderung des Lichtsignals kann durch den Lichtempfänger 7 erfasst und z. B. durch eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtung ausgewertet werden.

Claims

Sensorbolzen zur Krafterfassung, wobei ein Sensorelement (1) aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger (7) angeordnet ist und das Sensorelement (1) mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht, und das Sensorelement (1) zwischen einem Hauptschalenteil (5) und einem Formschalenteil (6) eingelegt ist, wobei das Formschalenteil (6) die Kraftaufnahmeeinrichtung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle und der Lichtempfänger (7) in gegenüberliegenden Endbereichen eines im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuses angeordnet sind, welches in seinem Mittelbereich das Hauptschalenteil (5) und das Formschalenteil (6) umfasst, und dass das Sensorelement (1) ebenfalls im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist und in Längserstreckung im Lichtstrahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfänger (7) ausgerichtet ist und vom Hauptschalenteil (5) und Formschalenteil (6) eingeschlossen ist.
Sensorbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) aus einem Polymermaterial gebildet ist.
Sensorbolzen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Formschalenteil (6) zumindest teilweise derart positionsveränderlich ist, dass es bei Belastung durch eine äußere Kraft verformungswirkend auf das Sensorelement (1) pressbar ist.
Sensorbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Formschalenteil (6) durch Lagerschalen (3, 4) gesichert ist.
Sensorbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle und der Lichtempfänger (7) mit Polarisationsfiltern (11, 12) ausgestattet sind.
Sensorbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) ein Epoxidmaterial aufweist.
Sensorbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) einen Durchmesser von weniger als 9 mm, insbesondere im Bereich von 2–5 mm, aufweist.
Verfahren zur Krafterfassung bei einem Flurförderzeug unter Verwendung eines Sensorbolzens (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Krafterfassung bei einem Flurförderzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbolzen (13) in eine Hydraulikeinrichtung des Flurförderzeugs integriert ist.
Verfahren zur Krafterfassung bei einem Flurförderzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbolzen (13) in eine Bremseinrichtung des Flurförderzeugs integriert ist.
Verfahren zur Krafterfassung bei einem Flurförderzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbolzen (13) in einer mechanischen Bremsbetätigungseinrichtung, insbesondere einem Bremshebel des Flurförderzeugs eingebaut ist.