DE102016116181A1

DE102016116181A1 - Single or multi-axis force measuring device with short deformation zone

Info

Publication number: DE102016116181A1
Application number: DE102016116181.0A
Authority: DE
Inventors: Adrián C. Gonzáles de Mendoza
Original assignee: Nuton GmbH
Current assignee: Nuton GmbH
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-02-01
Also published as: DE202016008911U1; WO2018024519A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmesseinrichtung zur ein- oder mehrachsigen Erfassung einwirkender Kräfte und Momente bestehend aus einem ersten flanschartigen Teil (1), über den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden, einem zweiten flanschartigen Teil (2), über den die eingeleiteten Kräfte aufgenommen und abgeleitet werden, und eine diese beiden Teile verbindende rohrartige Verformungszone (3), über die alle auf den ersten flanschartigen Teil (1) einwirkenden Zug-, Druck-, Torsions- und Scherkräfte an den zweiten flanschartigen Teil (2) weitergeleitet werden. Dabei dient wenigstens die innere oder äußere Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone (3) als Applikationsfläche (5) für Dehnmessstreifen (4) mit Messgittern, und die Messgitter der Dehnmessstreifen (4) befinden sich wenigstens teilweise im Lagebereich der rohrartigen Verformungszone (3). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Höhe H der rohrartigen Verformungszone das 1,5-fache der Gesamtmessgitterhöhe M nicht übersteigt und die Gesamtmessgitterhöhe M der Messgitterhöhe h entspricht, oder, sofern mehrere Dehnmessstreifen (4) an derselben radialen Position in axialer Richtung übereinander angeordnet sind, die Gesamtmessgitterhöhe M definiert ist als die Summe der Messgitterhöhen (h1 + h2 + ... + hx) der übereinander angeordneten Messgitter der Dehnmessstreifen (4).The invention relates to a force measuring device for single or multi-axis detection of acting forces and moments consisting of a first flange-like part (1), via which the forces to be measured are introduced, a second flange-like part (2), taken over the initiated forces and derived and a tube-like deformation zone (3) connecting these two parts, via which all tensile, compressive, torsional and shear forces acting on the first flange-like part (1) are transmitted to the second flange-like part (2). At least the inner or outer cylindrical surface of the tubular deformation zone (3) serves as an application surface (5) for strain gauges (4) with measuring grids, and the measuring grids of the strain gauges (4) are located at least partially in the positional region of the tubular deformation zone (3). According to the invention, it is provided that the height H of the tubular deformation zone does not exceed 1.5 times the total measuring grid height M and the total measuring grid height M corresponds to the measuring grid height h or, if several strain gauges (4) are arranged one above the other at the same radial position in the axial direction, the total measuring grid height M is defined as the sum of the measuring grid heights (h1 + h2 + ... + hx) of the superimposed measuring grid of the strain gauges (4).

Description

Technisches Gebiet Technical area

Kraftmesseinrichtung mit einer rohrartigen Verformungszone zur mehrachsigen Erfassung einwirkender Kräfte und Momente. Force measuring device with a tube-like deformation zone for multi-axis detection of acting forces and moments.

Die Erfindung betrifft eine Kraftmesseinrichtung zur ein- oder mehrachsigen Erfassung einwirkender Kräfte und Momente bestehend aus einem ersten flanschartigen Teil, über den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden, einem zweiten flanschartigen Teil, über den die eingeleiteten Kräfte aufgenommen und abgeleitet werden, und eine diese beiden Teile verbindende rohrartige Verformungszone, über die alle auf den ersten flanschartigen Teil einwirkenden Zug-, Druck-, Torsions- und Scherkräfte an den zweiten flanschartigen Teil weitergeleitet werden, wobei wenigstens die innere oder äußere Oberfläche der rohrartigen Verformungszone als Applikationsfläche für Messwertgeber dient. Als Messwertgeber werden insbesondere Dehnmessstreifen (DMS) eingesetzt. Derartige Kraftmesseinrichtungen werden in der Fertigungstechnik, der Robotik und für Mess- und Prüfstände verwendet. The invention relates to a force measuring device for single or multi-axis detection of acting forces and moments consisting of a first flange-like part through which the forces to be measured are introduced, a second flange-like part through which the introduced forces are absorbed and dissipated, and one of these two Parts connecting tubular deformation zone over which all tensile, compressive, torsional and shear forces acting on the first flange-like part are forwarded to the second flange-like part, wherein at least the inner or outer surface of the tubular deformation zone serves as an application surface for transducers. Strain gauges (strain gauges) are used in particular as transducers. Such force measuring devices are used in manufacturing technology, robotics and for measuring and test stands.

Stand der Technik State of the art

Die US 4,493,220 und US 2015/0160081 A1 zeigen mehrachsige Kraftmesseinrichtungen mit einer rohrartigen Verformungszone, bei denen die Messwertgeber so angeordnet sind, dass seitlich einwirkende Kräfte in X- oder Y-Richtung eine Anordnung von nebeneinander liegenden, gegensinnig orientierten Scher-DMS verformen. Die DMS für die Z-Richtung sind Kombinationen von Längs- und Quer-DMS, welche in Achsrichtung der rohrartigen Verformungszone orientiert sind. Bei diesen Typen werden auf der Applikationsfläche mehrere Dehnmessstreifen in Achsrichtung übereinander angeordnet, welche zu unterschiedlichen Messkanälen gehören. Dies führt zu einer relativ großen Höhe der rohrartigen Verformungszone, insbesondere weil auch ein Teil der Anschlusspfade und Lötflächen im Bereich der rohrartigen Verformungszone angeordnet sind. The US 4,493,220 and US 2015/0160081 A1 show multi-axis force measuring devices with a tube-like deformation zone, in which the transducers are arranged so that laterally acting forces in the X or Y direction deform an array of juxtaposed, oppositely oriented shear strain gauge. The strain gauges for the Z direction are combinations of longitudinal and transverse strain gauges which are oriented in the axial direction of the tubular deformation zone. In these types, several strain gauges are arranged one above the other in the axial direction on the application surface, which belong to different measuring channels. This leads to a relatively large height of the tubular deformation zone, in particular because part of the connection paths and soldering surfaces are also arranged in the region of the tubular deformation zone.

Die auf der inneren oder äußeren Rohrfläche applizierten Dehnmessstreifen setzen die Verformungen der rohrartigen Verformungszone in elektrische Widerstandsänderungen um, welche wiederum durch eine geeignete elektronische Schaltung (Wheatstonebrücke) in eine Spannungsänderung und diese mithilfe eines Messverstärkers in ein auswertbares Signal gewandelt wird. Um mehr als eine Lastrichtung erfassen zu können, sind auf der Peripherie der rohrartigen Ver-formungszone mehrere Dehnmessstreifen appliziert, welche unterschiedlich orientiert sind und die mehreren Messverstärkern zugeordnet sind. The applied on the inner or outer tube surface strain gauges convert the deformations of the tubular deformation zone in electrical resistance changes, which in turn by a suitable electronic circuit (Wheatstone bridge) in a voltage change and this is converted by means of a measuring amplifier into an evaluable signal. In order to detect more than one load direction, a plurality of strain gauges are applied to the periphery of the tubular deformation zone, which are oriented differently and are assigned to a plurality of measuring amplifiers.

Bei den in US 4,493,220 und US 2015/0160081 A1 beschriebenen Kraftmesseinrichtungen werden auf der Applikationsfläche mehrere Dehnmessstreifen in Achsrichtung übereinander angeordnet und unterschiedlichen Messkanälen zugeordnet (z.B. Fx und My). Bei in Achsrichtung übereinanderliegenden Messgittern vergrößert dies grundsätzlich die erforderliche Höhe der rohrartigen Verformungszone und vermindert damit deren Steifheit. Βei den genannten Typen sind zusätzlich Anschlusspfade und Lötflächen auf der rohrartigen Verformungszone über und unter den Dehnmessstreifen angeordnet, welche den Platzbedarf in der Höhe zusätzlich vergrößern. At the in US 4,493,220 and US 2015/0160081 A1 described force measuring devices are arranged on the application surface several strain gauges in the axial direction one above the other and assigned to different measuring channels (eg Fx and My). In the case of measuring grids superimposed in the axial direction, this basically increases the required height of the tubular deformation zone and thus reduces its rigidity. In the case of the types mentioned, additional connection paths and soldering surfaces are arranged on the tubular deformation zone above and below the strain gauges, which additionally increase the space requirement in terms of height.

Kraftmesseinrichtungen dieser Art liefern gegenüber anderen Systemen eine gute aber für Anwendungen in vielen Bereichen der Fertigungstechnik und Prüftechnik noch nicht optimale Steifheit. Die Steifheit der Kraftmesseinrichtung ist jedoch das entscheidende Kriterium für die maximale Messfrequenz, da im Bereich der Resonanzfrequenz eines Systems nicht mehr genau gemessen werden kann. Force measuring devices of this type provide over other systems a good but not optimal for applications in many areas of manufacturing technology and testing technology stiffness. However, the stiffness of the force measuring device is the decisive criterion for the maximum measuring frequency, since in the range of the resonance frequency of a system can not be measured accurately.

Alle Kraftmesseinrichtungen mit einer rohrartigen Verformungszone besitzen den prinzipbedingten Nachteil, dass die Steifheit des Rohres in axialer Richtung, welche hier mit der Z-Richtung gleichgesetzt ist, etwa dreimal höher als in radialer Richtung ist. Schaltungsbedingt erhöht sich der Unterschied bei den Messbereichen und der Empfindlichkeit gewöhnlich sogar auf 500%. Dies ist für Messaufgaben nachteilig bei denen geringe Kräfte in allen Achsrichtungen aufgelöst werden sollen. Dem wird versucht entgegenzuwirken, indem mit einer möglichst hohen Auflösung gemessen wird. All force measuring devices with a tube-like deformation zone have the inherent disadvantage that the stiffness of the tube in the axial direction, which is equated here with the Z-direction, is about three times higher than in the radial direction. Due to the circuit, the difference in the measuring ranges and the sensitivity usually increases even to 500%. This is disadvantageous for measurement tasks in which low forces to be resolved in all directions. This is an attempt to counteract by measuring with the highest possible resolution.

Die Auflösung derartiger Systeme ist von vielen Faktoren abhängig. Einer der wesentlichsten Faktoren ist jedoch die Speisespannung, mit der die Wheatstonebrücke betrieben werden kann. Da Dehnmessstreifen relativ niederohmige Widerstände sind, führen hohe Speisespannungen aber zu hohen Verlustleistungen, welche vom Messkörper in Form von Wärme aufgenommen und abgeleitet werden müssen. Dies wiederum führt aufgrund der resultierenden Wärmedehnung des Messkörpers zu einer unerwünschten Nullpunktdrift und einem lang andauernden Einschwingverhalten der Kraftmesseinrichtung nach der ersten Bestromung. Aus diesem Grund ist in der Vergangenheit häufig versucht worden, die Speisespannung so gering wie möglich zu halten. The resolution of such systems depends on many factors. However, one of the most important factors is the supply voltage with which the Wheatstone bridge can be operated. Since strain gauges are relatively low-impedance resistors, high supply voltages lead to high power losses, which must be absorbed and dissipated by the measuring body in the form of heat. This in turn leads due to the resulting thermal expansion of the measuring body to an undesirable zero drift and a long-lasting transient response of the force measuring device after the first energization. For this reason, attempts have been made in the past to keep the supply voltage as low as possible.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine mehrachsige Kraftmesseinrichtung der genannten Art zu schaffen, die sich für die dynamische Erfassung einwirkender Kräfte und/oder Momente eignet und dabei eine hohe Steifheit mit einer hohen Empfindlichkeit verbindet. The object of the present invention is to provide a multi-axis force measuring device of the type mentioned, which is suitable for the dynamic detection of acting forces and / or Moments and combines high stiffness with high sensitivity.

Diese Aufgabe wird durch eine Kraftmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Kraftmesseinrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–5. This object is achieved by a force measuring device according to claim 1. Advantageous embodiments of this force measuring device will become apparent from the dependent claims 2-5.

Die folgende Darstellung der Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmesseinrichtung bestehend aus einem ersten flanschartigen Teil und einem zweiten flanschartigen Teil, welche über eine zwischenliegenden, rohrartigen und relativ dünnwandigen Abschnitt fest miteinander verbunden sind. Dabei ist der zweite Teil fest mit einem Bezugskörper verbunden. Wirken dann auf den ersten flanschartigen Teil Kräfte und Momente, verformt sich insbesondere der rohrartige Abschnitt. Der dünnwandigste Teil dieses Abschnitts wird dabei im Weiteren als rohrartige Verformungszone bezeichnet. Die rohrartige Verformungszone, bzw. deren Höhe H, ist dabei definiert als der Teil des rohrartigen Abschnitts, bei dem die maximale Wandstärke W2 die Dicke des dünnwandigsten Abschnitt W1 um nicht mehr als 20% überschreitet. Diese Definition ist erforderlich, da die rohrartige Form sich häufig über die eigentliche Verformungszone hinaus fortsetzt und der erste und zweite flanschartige Teil ebenfalls eine rohrartige Form besitzen können. Die Höhe H der rohrartigen Verformungszone ist dabei bewusst nicht definiert als die Höhe des dünnwandigsten Abschnitts mit gleicher Wandstärke, da es technologisch von Vorteil sein kann, die Wandstärke der rohrartigen Verformungszone zu variieren, da sich insbesondere am oberen und unteren Rand der rohrartigen Verformungszone unter den einwirkenden Lasten Spannungsspitzen im Material ergeben, welche sich durch eine größere Wandstärke in diesen Bereichen und einen geeigneten Formübergang reduzieren lassen. The following description of the invention relates to a force measuring device consisting of a first flange-like part and a second flange-like part, which are firmly connected to each other via an intermediate, tubular and relatively thin-walled portion. In this case, the second part is firmly connected to a reference body. Then act forces and moments on the first flange-like part, deformed in particular the tubular section. The thinnest-walled part of this section is referred to hereinafter as a tube-like deformation zone. The tubular deformation zone, or its height H, is defined as the part of the tubular section in which the maximum wall thickness W2 does not exceed the thickness of the thinnest-walled section W1 by more than 20%. This definition is necessary because the tubular shape often continues beyond the actual deformation zone and the first and second flange-like parts may also have a tubular shape. The height H of the tubular deformation zone is deliberately not defined as the height of the thin-walled portion with the same wall thickness, since it may be technologically advantageous to vary the wall thickness of the tubular deformation zone, as in particular at the top and bottom of the tubular deformation zone under the acting loads stress peaks in the material, which can be reduced by a greater wall thickness in these areas and a suitable shape transition.

Wenigstens die innere oder äußere Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone dient als Applikationsfläche für Dehnmessstreifen mit Messgittern, wobei sich die Messgitter der Dehnmessstreifen wenigstens teilweise im Lagebereich der rohrartigen Verformungszone befinden. Dabei sind Messgitter mit einer jeweiligen axialen Messgitterhöhe h an wenigstens zwei verschiedenen radialen Positionen auf der Applikationsfläche angebracht, wobei Messgitter umfangsmäßig nebeneinander und/oder axial versetzt zueinander angeordnet sein können. Die Messgitter sind somit bandförmig über den Umfang der Applikationsfläche angeordnet. Dabei können die Messgitter in verschiedenen Mustern angeordnet sein. Sie können zum Beispiel in einer Reihe nebeneinander angeordnet sein. Sie können jedoch auch in zwei oder mehr axial zueinander versetzten Reihen angeordnet sein. In diesem Fall wären an wenigstens einer radialen Position wenigstens zwei Messgitter übereinander angebracht. At least the inner or outer cylindrical surface of the tubular deformation zone serves as an application surface for strain gauges with measuring grids, the measuring grids of the strain gauges being located at least partially in the positional region of the tubular deformation zone. In this case, measuring grids with a respective axial measuring grid height h are mounted on at least two different radial positions on the application surface, wherein measuring gratings can be arranged circumferentially next to one another and / or axially offset from each other. The measuring gratings are thus arranged band-shaped over the circumference of the application surface. The measuring grids can be arranged in different patterns. For example, they can be arranged side by side in a row. However, they can also be arranged in two or more axially staggered rows. In this case, at least two measuring grids would be mounted one above the other at at least one radial position.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Höhe H der rohrartigen Verformungszone das 1,5-fache der Gesamtmessgitterhöhe M nicht übersteigt und die Gesamtmessgitterhöhe M der Messgitterhöhe h entspricht, oder, sofern mehrere Dehnmessstreifen an derselben radialen Position in axialer Richtung übereinander angeordnet sind, die Gesamtmessgitterhöhe M definiert ist als die Summe der Messgitterhöhen h1 + h2 + ... + hx der übereinander angeordneten Messgitter der Dehnmessstreifen. According to the invention, the height H of the tubular deformation zone does not exceed 1.5 times the total measuring grid height M and the total measuring grid height M corresponds to the measuring grid height h or, if several strain gauges are arranged one above the other in the same radial position in the axial direction, the total measuring grid height M is defined as the sum of the measuring grid heights h1 + h2 + ... + hx of the superimposed measuring grid of the strain gauges.

Als Applikationsfläche dient wenigstens die innere oder äußere Zylinderfläche der rohrartigen Verformungszone, die Applikationsfläche kann jedoch auch über die Verformungszone hinausragen. Wird beispielsweise eine einzelne Reihe an nebeneinander angeordneten Messgittern verwendet, entspricht die Gesamtmessgitterhöhe M der Höhe h der einzelnen Messgitter. Werden dabei Messgitter mit unterschiedlichen Höhen h verwendet, entspricht die Gesamtmessgitterhöhe M der größten vorkommenden Messgitterhöhe h. At least the inner or outer cylindrical surface of the tubular deformation zone serves as the application surface, but the application surface can also protrude beyond the deformation zone. If, for example, a single row of measuring gratings arranged next to one another is used, the total measuring grid height M corresponds to the height h of the individual measuring gratings. If measuring grids with different heights h are used, the total measuring grid height M corresponds to the largest occurring measuring grid height h.

Werden Messgitter dagegen in zwei oder mehr axial zueinander beabstandeten Reihen angeordnet, ist die Gesamtmessgitterhöhe M definiert als die Summe der Messgitterhöhen h1 + h2 + ... + hx der übereinander angeordneten Messgitter der Dehnmessstreifen an einer radialen Position. On the other hand, if measuring grids are arranged in two or more rows spaced axially from one another, the total measuring grid height M is defined as the sum of the measuring grid heights h1 + h2 + ... + hx of the superimposed measuring grid of the strain gauges at a radial position.

Die Höhe H der Verformungszone orientiert sich somit an dieser resultierenden Gesamtmessgitterhöhe M, wobei die Höhe H das 1,5-fache der Gesamtmessgitterhöhe nicht überschreitet. So kann die Verformungszone möglichst kurz gestaltet werden. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass eine Verkürzung der rohrartigen Verformungszone gegenüber üblichen Höhenverhältnissen nicht nur zu einer erhöhten Steifheit führt, sondern insbesondere auch den Wärmeabfluss von den Dehnmessstreifen begünstigt und so höhere Speisespannungen ermöglicht. Eine Voraussetzung für die Nutzung dieses Effektes und ein Kennzeichen einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung ist es, dass die Messgitter der Dehnmessstreifen in axialer Richtung sehr nahe an das Ende der rohrartigen Verformungszone heranreichen oder sogar über diese hinausreichen. Die Wärmequelle wird dadurch näher an die Wärmesenke herangeführt, wodurch höhere Speisespannungen ermöglicht, bzw. eine geringere Nullpunktdrift und eine kürzere Einschwingphase erreicht werden. Eine solche Anordnung wird in den bekannten Lösungen vermieden, da die Übergangsbereiche zwischen Verformungszone und Flansch eine geringere Verformung aufweisen und damit vermeintlich eine geringere Signalausbeute ergeben. Dieser Verlust an Signalhöhe wird aber durch die positiven Effekte und insbesondere die Möglichkeit, eine höhere Speisespannung anzulegen, mehr als ausgeglichen. The height H of the deformation zone is thus based on this resulting total measuring grid height M, wherein the height H does not exceed 1.5 times the total measuring grid height. Thus, the deformation zone can be made as short as possible. The invention is based on the finding that a shortening of the tube-like deformation zone compared to conventional height ratios not only leads to increased stiffness, but also favors in particular the heat flow from the strain gauges and thus allows higher supply voltages. A prerequisite for the use of this effect and a characteristic of a force measuring device according to the invention is that the measuring grids of the strain gauges in the axial direction very close to the end of the tubular deformation zone or even extend beyond this. The heat source is thus brought closer to the heat sink, which allows higher supply voltages, or a lower zero drift and a shorter transient phase can be achieved. Such an arrangement is avoided in the known solutions, since the transition regions between deformation zone and flange have a lower deformation and thus supposedly give a lower signal yield. However, this loss of signal level is more than compensated by the positive effects and in particular the possibility of applying a higher supply voltage.

Ist die Höhe H der rohrartigen Verformungszone wie bei der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung kleiner oder gleich der 1,5-fachen Gesamtmessgitterhöhe, kann in diesem Anwendungsbereich die Steifigkeit der Verformungszone erhöht und der Wärmeabfluss von den Dehnmessstreifen begünstigt werden. Bei einer längeren Verformungszone mit einer Höhe H oberhalb der 1,5-fachen Gesamtmessgitterhöhe werden diese vorteilhafthaften Effekte hingegen geringer. If the height H of the tube-like deformation zone is less than or equal to 1.5 times the total measuring grid height, as in the force measuring device according to the invention, the stiffness of the deformation zone can be increased in this area of application and the heat flow from the strain gauges can be favored. In a longer deformation zone with a height H above 1.5 times the total Meßgitterhöhe these beneficial effects, however, lower.

Eine typische, dem Stand der Technik entsprechende, mindestens dreiachsige Kraftmesseinrichtung besitzt bei einem angenommenem Außendurchmesser D der rohrartigen Verformungszone in der Größenordnung von 60 mm eine rohrartige Verformungszone mit einer Höhe H von 12 mm. Darauf befinden sich in zwei übereinanderliegenden Ebenen Dehnmessstreifen mit einer Messgitterhöhe h von typischerweise je 3 mm. Die Gesamtmessgitterhöhe der übereinanderstehenden Messgitter beträgt somit 6 mm. Es ergibt sich ein Verhältnis zwischen der Höhe H der rohrartigen Verformungszone und der Gesamtmessgitterhöhe der übereinanderstehenden Messgitter von 2:1. Das Verhältnis des Außendurchmessers zur Höhe H beträgt hier 5:1. A typical, the prior art, at least three-axis force measuring device has a assumed outer diameter D of the tubular deformation zone in the order of 60 mm, a tubular deformation zone with a height H of 12 mm. Thereupon strain gauges with a measuring height h of typically 3 mm each are located in two superimposed planes. The total measuring grid height of the superimposed measuring grid is thus 6 mm. The result is a ratio between the height H of the tubular deformation zone and the total measuring grid height of the stacked measuring grid of 2: 1. The ratio of the outer diameter to the height H is here 5: 1.

Eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung würde im vorliegenden Fall vorzugsweise die Stapelung der Messgitter in zwei Ebenen vermeiden und stattdessen alle erforderlichen Messgitter nebeneinander bandförmig in einer Ebene anordnen. In diesem Fall beträgt die Gesamtmessgitterhöhe M der aktiven Messgitter nur noch 3 mm. Erfindungsgemäß liegt die Höhe H der rohrartigen Verformungszone dann zwischen 3 mm und 4,5 mm, das Höhenverhältnis H zur Gesamtmessgitterhöhe M liegt also zwischen 1:1 und 1:1,5. Vorzugsweise liegt die Höhe H bei 3mm. Das Verhältnis des Außendurchmessers zur Höhe H beträgt hier etwa 20:1. In the present case, a force measuring device according to the invention would preferably avoid the stacking of the measuring grids in two planes and instead arrange all required measuring gratings next to one another in a band-shaped manner in a plane. In this case, the total measuring grid height M of the active measuring grid is only 3 mm. According to the invention, the height H of the tubular deformation zone is then between 3 mm and 4.5 mm, the height ratio H to the total measuring grid height M is thus between 1: 1 and 1: 1.5. Preferably, the height H is 3mm. The ratio of the outer diameter to the height H is about 20: 1.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung ragen die Messgitter direkt bis an die Ränder der Verformungszone heran. Ragen die Messgitter hingegen auf der Applikationsfläche über die Ränder der Verformungszone hinaus, kann die Höhe H der Verformungszone sogar kleiner als die Gesamtmessgitterhöhe M sein. In one embodiment of the force measuring device according to the invention, the measuring grids extend directly up to the edges of the deformation zone. On the other hand, if the measuring grids protrude beyond the edges of the deformation zone on the application surface, the height H of the deformation zone may even be smaller than the total measuring grid height M.

Die Wärmeabfuhr in den ersten und zweiten flanschartigen Teil kann zusätzlich gefördert werden, indem die Wandstärke der rohrartigen Verformungszone sich zu beiden Enden hin leicht verdickt. Dies hat überdies den Vorteil, dass die hoch belastete Übergangszone stabilisiert wird und die gewöhnlich in diesem Bereich vor allem bei radialer Belastung auftretenden Spannungsspitzen vermieden werden. Durch diese Maßnahme lässt sich auch die radiale Nennlast erhöhen und der Unterschiedswert der Nennlasten in radialer und axialer Richtung verringern. The heat dissipation into the first and second flange-like part can be further promoted by the wall thickness of the tubular deformation zone slightly thickened towards both ends. This also has the advantage that the highly loaded transition zone is stabilized and the stress peaks usually occurring in this area, especially when subjected to radial stress, are avoided. This measure can also increase the radial rated load and reduce the difference in the nominal loads in the radial and axial directions.

Für den beispielhaften Messkörper ergeben sich bei einer Verkürzung der rohrartigen Verformungszone von 12 mm auf 3 mm weitere wesentliche Vorteile:

• Eine mehr als dreimal höhere Steifheit bei einwirkenden Radialkräften,
• eine mehr als doppelt so hohe Steifheit bei einwirkenden Axialkräften,
• eine mindestens dreifach höhere radiale Eigenfrequenz,
• eine starke Verringerung des Nennmesswegs in axialer und radialer Richtung,
• eine Verringerung des Unterschiedswertes zwischen den axialen zu den radialen Nennkräften von 3:1 auf 2,5:1, sowie
• eine Reduzierung der Bauhöhe des Messkörpers um 9mm.

For the exemplary measuring body resulting in a shortening of the tubular deformation zone from 12 mm to 3 mm further significant advantages:

• more than three times higher stiffness under applied radial forces,
• more than twice the stiffness under axial forces,
An at least three times higher radial natural frequency,
A strong reduction of the nominal measuring path in the axial and radial direction,
• a reduction of the difference between the axial to the radial nominal forces from 3: 1 to 2.5: 1, as well
• a reduction in the height of the measuring body by 9mm.

Die Empfindlichkeit der Kraftmesseinrichtung kann insgesamt gesteigert werden, je größer der von Messwertgebern bedeckte Flächenanteil auf der rohrartigen Verformungszone ist, da damit der relative Wärmeeintrag pro Flächeneinheit zurückgeht und somit höhere Speisespannungen angelegt werden können, die wiederum eine höhere Auflösung ermöglichen. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung bedeckt die Applikationsfläche der rohrartigen Verformungszone daher möglichst großflächig mit Messgittern. Dies führt bei größeren Durchmessern der rohrartigen Verformungszone zu einer zunehmenden Breite der Messgitter. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit der Kraftmesseinrichtung kann alternativ die größere zur Verfügung stehende Fläche für die Applikation einer größeren Anzahl von Messgittern verwendet werden, die in redundanten Messkanälen ausgewertet werden. The sensitivity of the force-measuring device can be increased overall, the larger the surface area covered by transducers on the tubular deformation zone, since thus the relative heat input per unit area decreases and thus higher supply voltages can be applied, which in turn allow a higher resolution. An advantageous embodiment of the invention therefore covers the application surface of the tubular deformation zone as large as possible with measuring grids. This leads to larger diameters of the tubular deformation zone to an increasing width of the measuring grid. To increase the measurement accuracy and reliability of the force measuring device, alternatively, the larger available area can be used for the application of a larger number of measuring grids, which are evaluated in redundant measuring channels.

Eine besonders vorteilhafte Kraftmesseinrichtung vereint folgende Merkmale:

• Sie besitzt eine besonders kurze rohrartige Verformungszone, deren Höhe gewöhnlich kleiner als 7mm misst, sich dabei an der Gesamthöhe der darauf applizierten Messgitter orientiert und letztere um nicht mehr als 50% überschreitet.
• Alle DMS sind auf der rohrartigen Verformungszone nebeneinander angeordnet
• Die Messgitter der DMS bedecken mindestens 50% der Fläche über der rohrartigen Verformungszone
• Die rohrartige Verformungszone ist in der Mitte der Messgitter am dünnsten und erfährt zu beiden Enden hin eine leichte Verdickung, welche noch im Lagebereich der Messgitter beginnt.

A particularly advantageous force measuring device combines the following features:

• It has a particularly short tubular deformation zone, the height of which is usually less than 7mm, based on the total height of the measuring grids applied to it, and does not exceed the latter by more than 50%.
• All strain gages are arranged side by side on the tube-like deformation zone
• The measuring grids of the strain gauges cover at least 50% of the area above the tube-like deformation zone
• The tube-like deformation zone is thinnest in the middle of the measuring grid and experiences a slight thickening at both ends, which still begins in the position range of the measuring grid.

Alle diese Maßnahmen haben dasselbe Ziel, nämlich eine verbesserte Wärmeabfuhr zu erreichen und damit höhere Speisespannungen zu ermöglichen bzw. eine geringere Nullpunktdrift und eine kürzere thermische Einschwingzeit zu erreichen. Es ist leicht einzusehen, dass auch eine teilweise Umsetzung dieser Maßnahmen bereits einen Fortschritt in dieser Richtung bedeutet. Unter gewissen Umständen ist die Umsetzung aller Maßnahmen sogar unmöglich oder nicht erforderlich. Bei sehr großen Durchmessern der rohrartigen Verformungszone ist beispielsweise eine 50%ige Bedeckung der rohrartigen Verformungszone mit Messgittern schwer zu erreichen, da dies zu sehr breiten Messgittern führen würde. Dagegen ist bei kleinen Durchmessern die Anordnung der DMS in zwei Ebenen übereinander nicht immer zu vermeiden, wenn gleichzeitig sechs Kraftkomponenten erfasst werden sollen. All these measures have the same goal, namely to achieve improved heat dissipation and thus higher supply voltages allow or achieve a lower zero drift and a shorter thermal settling time. It is easy to see that even a partial implementation of these measures is already an advance in this direction. Under certain circumstances, the implementation of all measures is even impossible or unnecessary. With very large diameters of the tubular deformation zone, for example, a 50% coverage of the tubular deformation zone with measuring grids is difficult to achieve, since this would lead to very wide measuring grids. On the other hand, with small diameters, the arrangement of the strain gauges in two levels one above the other can not always be avoided if six force components are to be detected at the same time.

Dennoch ist eine Kraftmesseinrichtung, die unter den Prämissen der hier dargestellten Zusammenhänge konstruiert wurde, klar an einer im Vergleich zum Stand der Technik ungewöhnlich kurzen rohrartigen Verformungszone und einer vergleichsweise großen Bedeckung dieser Verformungszone mit Messgittern zu erkennen, wie dies auch die Figurenbeschreibungen verdeutlichen. Nevertheless, a force measuring device, which was constructed under the premises of the relationships shown here, can be clearly recognized by an unusually short tube-like deformation zone compared with the prior art and a comparatively large coverage of this deformation zone with measuring grids, as also illustrated by the description of the figures.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Erster flanschartiger Teil First flange-like part
2 2: Zweiter flanschartiger Teil Second flange-type part
3 3: Rohrartige Verformungszone Pipe-like deformation zone
4 4: Messwertgeber (Dehnmessstreifen) Transducer (strain gauges)
5 5: Applikationsfläche application surface
6 6: Messkörper measuring body
7 7: Mittelachse central axis
h, h1, h2 h, h1, h2: Axiale Höhe eines einzelnen Messgitters Axial height of a single measurement grid
H H: Axiale Höhe der Verformungszone Axial height of the deformation zone

Figurenbeschreibung figure description

1 zeigt eine angeschnittene Darstellung einer mehrachsigen Kraftmesseinrichtung gemäß dem Stand der Technik, bestehend aus einem ersten flanschartigen Teil 1, über den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden, einem zweiten flanschartigen Teil 2, über den die eingeleiteten Kräfte aufgenommen und abgeleitet werden, und einer dazwischen liegenden rohrartigen Verformungszone 3, über die alle auf den ersten flanschartigen Teil 1 einwirkenden Zug-, Druck-, Torsions- und Scherkräfte an den zweiten flanschartigen Teil 2 weitergeleitet werden. Die rohrartige Verformungszone 3 besitzt im relevanten Verformungsbereich eine einheitliche Wandstärke und besteht aus einem federelastischen Material. Der gesamte Messkörper 6 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Stück. Die rohrartige Verformungszone 3 wird durch zwei nutartige Einstiche auf der Außenseite und der Innenseite des Messkörpers 6 gebildet. Diese beiden Einstiche können unterschiedliche Breiten haben oder gleich breit sein. 1 shows a truncated representation of a multi-axis force measuring device according to the prior art, consisting of a first flange-like part 1 , via which the forces to be measured are introduced, a second flange-like part 2 , via which the introduced forces are absorbed and discharged, and an intermediate tubular deformation zone 3 , about all on the first flange-like part 1 acting tensile, compressive, torsional and shear forces on the second flange-like part 2 to get redirected. The tubular deformation zone 3 has a uniform wall thickness in the relevant deformation range and consists of a spring-elastic material. The entire measuring body 6 consists in the embodiment shown in one piece. The tubular deformation zone 3 is made by two groove-like recesses on the outside and the inside of the measuring body 6 educated. These two punctures may have different widths or be the same width.

Auf der Außenseite der Verformungszone 3 ist eine Applikationsfläche 5 mit mehreren Verformungsaufnehmern in Form von Dehnmessstreifen 4 versehen. Diese Dehnmessstreifen 4 umfassen jeweils ein Messgitter mit den axialen Höhen h1 und h2. Die Gesamtausdehnung jedes einzelnen Dehnmessstreifens kann ferner größer sein, wenn das jeweilige Messgitter beispielsweise auf einer Trägerfolie aufgebracht ist. Auch die Verdrahtung der Dehnmessstreifen kann die Höhe eines Messgitters überragen. Ferner können die Messgitterhöhen h1 und h2 aller Messgitter identisch sein, aber sie können auch variieren. On the outside of the deformation zone 3 is an application area 5 with several strain transducers in the form of strain gauges 4 Mistake. These strain gauges 4 each comprise a measuring grid with the axial heights h1 and h2. The overall extent of each individual strain gauge can also be greater if the respective measurement grid is applied, for example, to a carrier foil. The wiring of the strain gauges can also exceed the height of a measuring grid. Further, the gauge heights h1 and h2 of all gauges may be identical, but they may also vary.

Die Messgitter der auf der rohrartigen Verformungszone 3 applizierten Dehnmessstreifen 4 sind zu den Rändern der rohrartigen Verformungszone 3 hin deutlich beabstandet, d.h. es besteht ein gewisser Abstand zwischen den Messgittern und den beiden Rändern der Verformungszone 3. Diese Beabstandung geschieht durchaus absichtsvoll und bewirkt eine größere Verformung der Messgitter, da in den Randbereichen der rohrartigen Verformungszone deutlich geringere Verformungen auftreten. Die DMS sind weiterhin in zwei Ebenen angeordnet, welche ebenfalls einen deutlichen Abstand zueinander aufweisen. Die Gesamtmessgitterhöhe M zweier an derselben Winkelposition übereinanderstehender Messgitter (h1 + h2) verhält sich zu der Gesamthöhe H der rohrartigen Verformungszone H etwa wie 1:2. Besitzt der hier gezeigte Messkörper im Bereich der Verformungszone 3 einen Außendurchmesser D von 54mm und beträgt die Höhe H der rohrartigen Verformungszone 12 mm, so ergibt sich die Umfangsfläche der Verformungszone 3 aus πD × H = 2036mm². Die Nennfläche der verwendeten Messgitter sei 9mm² (3 mm × 3 mm). Bei 32 Messgittern ergibt sich eine mit Messgittern bedeckte Fläche von 288 mm². Die Flächenbedeckung der rohrartigen Verformungszone 3 mit Messgittern beträgt somit etwa 14,2 %. The measuring grids of the tubular deformation zone 3 applied strain gauges 4 are at the edges of the tubular deformation zone 3 clearly spaced, ie there is a certain distance between the measuring grids and the two edges of the deformation zone 3 , This spacing is quite intentional and causes a greater deformation of the measuring grid, since significantly lower deformations occur in the edge regions of the tubular deformation zone. The strain gauges are further arranged in two planes, which also have a clear distance from each other. The total measuring grid height M of two measuring grids (h1 + h2) located one above the other at the same angular position is approximately 1: 2 relative to the total height H of the tubular deformation zone H. Has the measuring body shown here in the area of the deformation zone 3 an outer diameter D of 54mm and the height H of the tubular deformation zone is 12 mm, the peripheral surface of the deformation zone results 3 from πD × H = 2036mm ² . The nominal area of the measuring grids used is 9 mm ² (3 mm × 3 mm). For 32 measuring grids, the area covered with measuring grids is 288 mm ² . The area coverage of the tubular deformation zone 3 with measuring grids is thus about 14.2%.

2 zeigt eine angeschnittene Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mehrachsigen Kraftmesseinrichtung. Wie bei 1 besteht die Kraftmesseinrichtung aus einem ersten flanschartigen Teil 1, über den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden, einem zweiten flanschartigen Teil 2, über den die eingeleiteten Kräfte aufgenommen und abgeleitet werden, und einer dazwischen liegenden rohrartigen Verformungszone 3, über die alle auf den ersten flanschartigen Teil 1 einwirkenden Zug-, Druck-, Torsions- und Scherkräfte an den zweiten flanschartigen Teil 2 weitergeleitet werden. Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung sind die Breiten der nutartigen Einstiche zur Bildung der Verformungszone 3 jedoch geringer. Somit ist auch die Höhe H der Verformungszone 3 geringer als bei einer Kraftmesseinrichtung gemäß 1. 2 shows a truncated representation of an embodiment of a multi-axis force measuring device according to the invention. As in 1 the force measuring device consists of a first flange-like part 1 , via which the forces to be measured are introduced, a second flange-like part 2 , via which the introduced forces are absorbed and discharged, and an intermediate tubular deformation zone 3 , about all on the first flange-like part 1 acting tensile, compressive, torsional and shear forces on the second flange-like part 2 to get redirected. In contrast to the solution known from the prior art, the widths of the groove-like punctures form the deformation zone 3 but less. Thus, the height H of the deformation zone 3 lower than in a force measuring device according to 1 ,

Ferner sind alle 32 Dehnmessstreifen 4 nebeneinander in einer Ebene angeordnet. Die Höhe H der rohrartigen Verformungszone 3 ist in dieser Ausführungsform mit der Höhe h der Messgitter der applizierten Dehnmessstreifen 4 identisch. Sie beträgt beispielsweise 3mm. So beträgt auch die Gesamtmessgitterhöhe M 3mm. Die Höhe H der Verformungszone kann jedoch auch etwas größer sein als die Gesamtmessgitterhöhe M. Vorteilhafte Wirkungen ergeben sich beispielsweise, solange die Höhe H der Verformungszone 3 die Gesamtmessgitterhöhe M nicht um mehr als 50% übersteigt. Die Höhe H der Verformungszone 3 kann auch kleiner sein als die Gesamtmessgitterhöhe M, wobei die Messgitter in einer solchen Ausführungsform über die Verformungszone 3 hinausragen würden. Dies ist beispielsweise möglich, wenn der Einstich zur Bildung der Applikationsfläche 5 breiter ist als der Einstich zur Bildung der Verformungszone 3. Dann bietet die Applikationsfläche 5 ausreichend Raum, um Messgitter so anzuordnen, dass sie sich nicht nur im Bereich der Verformungszone 3 befinden, sondern über diese hinausragen. Furthermore, all 32 strain gauges 4 arranged side by side in a single plane. The height H of the tubular deformation zone 3 is in this embodiment with the height h of the measuring grid of the applied strain gauges 4 identical. It is for example 3mm. So is the total measuring grid height M 3mm. However, the height H of the deformation zone can also be slightly larger than the total measuring grid height M. Advantageous effects arise, for example, as long as the height H of the deformation zone 3 the total measuring grid height M does not exceed by more than 50%. The height H of the deformation zone 3 may also be smaller than the total measuring grid height M, wherein the measuring grid in such an embodiment over the deformation zone 3 would protrude. This is possible, for example, if the puncture for the formation of the application area 5 wider than the groove to form the deformation zone 3 , Then offers the application area 5 enough space to arrange grids so that they are not only in the area of the deformation zone 3 but stick out above it.

Der Außendurchmesser D der Verformungszone 3 kann wie bei der Kraftmesseinrichtung der 1 ebenfalls 54 mm betragen. Die Umfangsfläche der Verformungszone 3 beträgt also 509 m². Die Nennfläche der Messgitter bleibt mit 288 mm² gleich, sodass sich eine Flächenbedeckung mit Messgittern bei der gezeigten erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung von etwa 56,6 % ergibt. Es ist leicht nachvollziehbar, dass diese Anordnung eine wesentlich bessere Wärmeabfuhr und damit eine höhere Speisespannung bzw. eine kürzere thermische Einschwingzeit ermöglicht. Weiterhin besitzt diese Ausführungsform zusätzlich alle oben aufgezählten Vorteile einer gegenüber dem Stand der Technik stark verkürzten Verformungszone. The outer diameter D of the deformation zone 3 can like the force measuring device of 1 also 54 mm. The peripheral surface of the deformation zone 3 is therefore 509 m ² . The nominal area of the measuring grids remains the same at 288 mm ² , so that an area coverage with measuring gratings results in the illustrated force measuring device according to the invention of about 56.6%. It is easy to understand that this arrangement allows a much better heat dissipation and thus a higher supply voltage or a shorter thermal settling time. Furthermore, this embodiment additionally has all the above-enumerated advantages of a deformation zone which is greatly shortened compared with the prior art.

Doch auch bei übereinander in zwei Reihen angeordneten Messgittern kann die Höhe H der Verformungszone entsprechend so gewählt werden, dass sich die erfindungsgemäßen Höhenverhältnisse ergeben. Dabei wird die Gesamtmessgitterhöhe M durch die Summe der einzelnen Messgitterhöhen an einer radialen Position auf der Applikationsfläche 5 bestimmt. However, even with measuring grids arranged one above the other in two rows, the height H of the deformation zone can be selected correspondingly such that the height ratios according to the invention result. In this case, the total measuring grid height M is the sum of the individual measuring grid heights at a radial position on the application area 5 certainly.

3 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen rohrartigen Verformungszone 3. Die rohrartige Verformungszone, bzw. deren Höhe H, ist dabei definiert als der Teil des rohrartigen Abschnitts, bei dem die maximale Wandstärke W2 die Dicke des dünnwandigsten Abschnitt W1 um nicht mehr als 20% überschreitet. Im hier gezeigten Beispiel nimmt die Wandstärke entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von der Mitte der rohrartigen Verformungszone zu den Rändern hin leicht zu. Dies erleichtert den Wärmeabfluss aus der Mitte der rohrartigen Verformungszone und stabilisiert die hochbelasteten Übergangsbereiche der rohrartigen Verformungszone 3 zu den flanschartigen Teilen 1 und 2. Diese Dickenzunahme ist zu unterscheiden von den Übergangsradien. Die Übergangsradien sind nicht durch Messgitter abgedeckt und sie haben auch eine geometrisch unterscheidbar Form, wie z.B. einen anderen in der Regel sehr viel kleineren Radius bzw. überhaupt einen Radius, während der Steigungsverlauf im Bereich der Dickenzuname nicht notwendigerweise einer Kreisbahn folgen muss. Die Applikationsfläche 5 für die Dehnmessstreifen 4 ist vorzugsweise eben oder zylinderförmig und kann deutlich über die Grenzen der rohrartigen Verformungszone 3 hinausragen, um Platz für die Trägerfolien der DMS mit den darauf befindlichen Lötflächen für die Verdrahtung zu schaffen. 3 shows a section through an embodiment of the tube-like deformation zone according to the invention 3 , The tubular deformation zone, or its height H, is defined as the part of the tubular section in which the maximum wall thickness W2 does not exceed the thickness of the thinnest-walled section W1 by more than 20%. In the example shown here, according to a preferred embodiment of the invention, the wall thickness increases slightly from the center of the tubular deformation zone towards the edges. This facilitates the heat flow from the center of the tubular deformation zone and stabilizes the highly loaded transition regions of the tubular deformation zone 3 to the flange-like parts 1 and 2 , This increase in thickness is to be distinguished from the transition radii. The transition radii are not covered by measuring grids and they also have a geometrically distinguishable shape, such as another usually much smaller radius or even a radius, while the pitch curve in the range of Dickenzuname does not necessarily follow a circular path. The application area 5 for the strain gauges 4 is preferably flat or cylindrical and can be well beyond the limits of the tubular deformation zone 3 protrude to make room for the carrier foils of the strain gages with thereon soldering surfaces for the wiring.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 4493220 [0003, 0005]
US 2015/0160081 A1 [0003, 0005]

Claims

Force measuring device for single or multi-axis detection of acting forces and moments consisting of a first flange-like part ( 1 ), over which the forces to be measured are introduced, a second flange-like part ( 2 ), via which the introduced forces are absorbed and discharged, and a tubular deformation zone connecting these two parts (FIG. 3 ), about which all of the first flange-like part ( 1 ) acting tensile, compressive, torsional and shear forces on the second flange-like part ( 2 ), wherein at least the inner or outer cylindrical surface of the tubular deformation zone ( 3 ) as application area ( 5 ) for strain gauges ( 4 ) with measuring grids, and the measuring grids of the strain gauges ( 4 ) at least partially in the position of the tubular deformation zone ( 3 ), characterized in that the height H of the tubular deformation zone does not exceed 1.5 times the total measuring grid height M and the total measuring grid height M corresponds to the measuring grid height h, or, if a plurality of strain gauges ( 4 ) are arranged one above the other at the same radial position in the axial direction, the total measuring grid height M is defined as the sum of the measuring grid heights (h1 + h2 + ... + hx) of the measuring gratings of the strain gauges ( 4 ).

Force measuring device according to claim 1, characterized in that the ratio between the largest outer diameter D of the tubular deformation zone ( 3 ) and whose height H is greater than 10: 1.

Force measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the ratio between the total area of all in the region of the tubular deformation zone ( 3 ) applied measuring grid and the part of the application area ( 5 ), which the tubular deformation zone ( 3 ), is greater than 1: 3.

Force measuring device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the wall thickness W of the tubular deformation zone ( 3 ) in the area of the measuring grids of the strain gauges ( 4 ) in the axial direction to at least one of the flange-like parts ( 1 . 2 ) increases.

Force measuring device according to claim 4, characterized in that the wall thickness W of the tubular deformation zone ( 3 ) in the area of the measuring grids of the strain gauges ( 4 ) in the axial direction to both flange-like parts ( 1 . 2 ) increases.