DE102016119146A1

DE102016119146A1 - Kraftmesseinheit

Info

Publication number: DE102016119146A1
Application number: DE102016119146.9A
Authority: DE
Inventors: Olav Birlem
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-04-12

Abstract

Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) umfassend zumindest: eine Grundplatte (2), eine von der Grundplatte (2) beabstandet angeordnete Messplatte (3), wobei an die Messplatte (3) angreifende Kräfte und Drehmomente gemessen werden können, vier Messbolzen (4, 5, 6, 7), die zwischen der Grundplatte (2) und der Messplatte (3) angeordnet und die mit der Grundplatte (2) und der Messplatte (3) verbunden sind, mindestens einen Querdehnungsmessstreifen (4.6, 5.6) an jedem der Messbolzen (4, 5, 6, 7) zur Messung einer Querdehnung des entsprechenden Messbolzens (4, 5, 6, 7), und mindestens vier Längsdehnungsmessstreifen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.9, 4.10, 4.11, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.9, 5.10, 5.11, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4) an jedem der Messbolzen (4, 5, 6, 7) zur Messung von Längsdehnungen des entsprechenden Messbolzens (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmesseinheit insbesondere zum Messen von Kräften, die an einer Last an einer Hebevorrichtung angreifen.
Insbesondere im Bereich von Maschinen wie Kränen, Baggern, Robotern und ähnlichen ist es nötig, auftretende Kräfte zu messen. Dies gilt insbesondere für Kräfte, die von einer Last an einem Kran erzeugt werden. Es sind dazu Sensoren zum Messen von Kräften bekannt. Bekannte Sensoren weisen oft eine nur unzureichende Messgenauigkeit auf und überdecken oft nur einen kleinen Messbereich.
Weiterhin kann ein z. B. an einer Last eines Krans angreifendes Drehmoment die Messung einer Kraft erschweren oder verfälschen. Die Kompensation eines solchen Drehmoments ist in bekannten Lösungen regelmäßig nicht möglich.
Insbesondere beim Verfahren eines Krans kann es nötig sein, auftretende Kräfte und Drehmomente unterhalb entsprechender Grenzwerte zu halten. Dies erfordert zunächst die Messung der jeweiligen Größen, um den Kran dann so steuern zu können, dass die Kräfte innerhalb der Grenzwerte bleiben.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lösen bzw. zumindest zu verringern. Dazu wird eine Kraft- und Drehmomentmesseinheit beschrieben, die einen großen Messbereich überdeckt und dabei eine hohe Messgenauigkeit aufweist und auch auftretende Drehmomente kompensieren kann.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Kraft- und Drehmomentmesseinheit sowie mit einer Hebevorrichtung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Kraft- und Drehmomentmesseinheit und der Hebevorrichtung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Erfindungsgemäß wird eine Kraft- und Drehmomentmesseinheit vorgestellt, die zumindest umfasst:

– eine Grundplatte,
– eine von der Grundplatte beabstandet angeordnete Messplatte, wobei an die Messplatte angreifende Kräfte und Drehmomente gemessen werden können,
– vier Messbolzen, die zwischen der Grundplatte und der Messplatte angeordnet und die jeweils mit der Grundplatte und der Messplatte verbunden sind,
– mindestens einen Querdehnungsmessstreifen an jedem der Messbolzen zur Messung einer Querdehnung des entsprechenden Messbolzens, und
– mindestens vier Längsdehnungsmessstreifen an jedem der Messbolzen zur Messung von Längsdehnungen des entsprechenden Messbolzens.

Die Grundplatte ist vorzugsweise derart fixiert, dass die Messplatte sich durch die zu messenden Kräfte und Drehmomente relativ zu der Grundplatte verschiebt bzw. verdreht. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Grundplatte z. B. mit einem Kran fest verbunden ist, während die Messplatte z. B. mit einem Haken oder einer Seilhalterung des Krans verbunden ist. Besonders bevorzugt ist es, dass eine Bewegung einer Last eines Krans eine Bewegung der Messplatte zur Folge hat (insbesondere relativ zu der Grundplatte).
Vorzugsweise sind sowohl die Grundplatte als auch die Messplatte aus einem Metall gebildet, sodass die Grundplatte und die Messplatte den zu erwartenden auftretenden Kräften und Drehmomenten standhalten können ohne dass irreversible Verformungen der Grundplatte bzw. der Messplatte auftreten. Weiterhin ist die gesamte Messeinheit bevorzugt so ausgebildet, sodass ein mechanisches Schwingen der Messeinheit gedämpft wird und insbesondere ein Aufschwingen verhindert wird.
Um die auftretenden Kräfte und Drehmomente, die sich unmittelbar in einer Verschiebung bzw. Verdrehung der Messplatte relativ zu der Grundplatte ausdrücken, messen zu können, sind die Messbolzen vorgesehen. Bei den Messbolzen handelt es sich vorzugsweise um zylinder- oder quaderförmige Körper. Bevorzugt sind die Messbolzen aus einem Metall gebildet (insbesondere aus dem gleichen wie die Grundplatte und/oder die Messplatte). Die Messbolzen stellen Abstandshalter dar, die zwischen der Grundplatte und der Messplatte angeordnet sind. Die Messbolzen sind bevorzugt derart mit der Grundplatte und mit der Messplatte verbunden, dass die zu messenden Kräfte bzw. Drehmomente keine Lösung dieser Verbindung bewirken können. Zu diesem Zweck können in einer Ausführungsform die Messbolzen stoffschlüssig mit der Grundplatte und mit der Messplatte verbunden sein, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform sind die Messbolzen in passgenauen Halterungen der Messplatte beziehungsweise der Grundplatte fest gelagert.. Auch ist es bevorzugt, dass die Messbolzen mit der Grundplatte und/oder mit der Messplatte verschraubt werden können. Dazu weisen die Messbolzen vorzugsweise ein Gewinde und die Grundplatte und die Messplatte je ein entsprechendes Gegenstück auf. In diesem Fall kann jeder Messbolzen insbesondere auch einzeln demontiert und ggf. ersetzt werden z. B. für eine Reparatur. Die Messbolzen können in einer Ausführungsform dazu mit Präzisionskontermuttern in/an der Mess- beziehungsweise Grundplatte festgelegt werden, sodass mechanische Verspannungen beim Aufbau der Einheit vermieden und eine exakte geometrische Ausrichtung möglich ist. Dies kann in vorteilhafter Weise durch Einbaustege und entsprechend korrespondierende Aussparungen in der Mess- beziehungsweise Grundplatte gewährleistet werden.
Wird die Messplatte relativ zu der Grundplatte verschoben oder verdreht, so bewirkt dies eine Dehnung und/oder Stauchung und/oder Biegung der Messbolzen. Diese Veränderungen an den Messbolzen werden über die Querdehnungsmessstreifen und die Längsdehnungsmessstreifen gemessen. Im Folgenden werden die Quer- und Längsdehnungsmessstreifen zusammenfassend als Dehnungsmessstreifen bezeichnet. Die Längsrichtung eines Dehnungsmessstreifens ist parallel zu einer Achse des jeweiligen Messbolzens definiert und damit in Richtung von der Grundplatte zu der Messplatte oder von der Messplatte zu der Grundplatte. Die Querrichtung ist senkrecht zu der Längsrichtung, wobei es mehr als eine Querrichtung geben kann. Legt man beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem an einen quaderförmigen Messbolzen, d.h. bei einem solchen, bei dem die Achsen paarweise senkrecht zueinander stehen, derart an, dass die Achsen des Koordinatensystems parallel zu den Kanten des Messbolzens ausgerichtet sind und dass die Grundplatte und die Messplatte in Ebenen parallel zu der x-y-Ebene liegen, so sind die Längsrichtung durch die z-Richtung und die Querrichtung vorzugsweise durch die x-Richtung und die y-Richtung gegeben. Hier gibt es also zwei ausgezeichnete Querrichtungen.
Wird beispielsweise eine Kraft in z-Richtung derart auf die Messplatte ausgeübt, dass die Messplatte und die Grundplatte zueinander gedrückt werden, so werden die Messbolzen entsprechend zusammengedrückt. Dieses bewirkt eine Verkürzung der Längsdehnungsmessstreifen. Da ein zusammengedrückter Messbolzen auch breiter wird, werden gleichzeitig die Querdehnungsmessstreifen gedehnt. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Messung mit nur einem Längsdehnungsmessstreifen kann durch die Zusammenschau der von allen Längsdehnungsmessstreifen und von allen Querdehnungsmessstreifen aufgenommenen Messwerte die Kraft in z-Richtung mit erhöhter Genauigkeit bestimmt und es können sowohl Materialinhomogenitäten und Temperaturschwankungen kompensiert werden..
Bei Kräften in x-oder y-Richtung sowie bei einem anliegenden Drehmoment um die z-Achse können beispielsweise die Messbolzen verbogen oder tordiert werden. Dies bewirkt auf einer Seite der Messbolzen eine Dehnung eines Längsdehnungsmessstreifens und zu einer Stauchung eines Längsdehnungsmessstreifens auf der gegenüberliegenden Seite desselben Messbolzens.
Bei Drehmomenten um die x- oder y-Achse können beispielsweise gegenüberliegende Messbolzen paarweise gestaucht und gestreckt werden. Aus den entsprechenden Messdaten der Dehnungsmessstreifen können auch in diesem Fall die Kraft bzw. das Drehmoment bestimmt werden.
Kräfte in beliebiger Richtung und Drehmomente um beliebige Drehachsen stellen Kombinationen der zuvor beschriebenen Grundbeispiele dar. Folglich können auch solche beliebigen Kräfte und Drehmomente mit der beschriebenen Kraft- und Drehmomentmesseinheit gemessen werden.
Bei einem Dehnungsmessstreifen kann es sich um jeden Körper handeln, der dazu bestimmt und eingerichtet ist, eine Längenveränderung des Körpers elektrisch zu messen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der ohmsche Widerstand eines Dehnungsmessstreifens durch Längenveränderung des entsprechenden Dehnungsmessstreifens verändert wird.
Die relative Veränderung des ohmschen Widerstands ∆R/R eines Dehnungsmessstreifens im Verhältnis zu einer entsprechenden Längenänderung ε wird mit einem K-Faktor angegeben. Je größer der K-Faktor, umso sensiblere und genauere Messungen sind möglich. Das liegt daran, dass bei einem großen K-Faktor eine kleine Längenänderung eine große Widerstandsänderung hervorruft.
Es ist daher bevorzugt, Dehnungsmessstreifen mit möglichst großem K-Faktor zu verwenden. Besonders bevorzugt ist es, dass die Dehnungsmessstreifen einen K-Faktor von mehr als 2,5 insbesondere von mehr als 4 aufweisen. Besonders bevorzugt weisen die Dehnungsmessstreifen sogar einen K-Faktor von mehr als 50 auf. Insbesondere ist es bevorzugt, dass alle Dehnungsmessstreifen den gleichen K-Faktor aufweisen. Das kann eine Auswertung der Messergebnisse erheblich vereinfachen. Der K-Faktor eines Dehnungsmessstreifens hängt insbesondere von dem Material des Dehnungsmessstreifens ab. Insbesondere ist Silizium als Material für die Dehnungsmessstreifen bevorzugt, d.h. die gelängte oder gestauchte Leiterbahn des Dehnungsmessstreifens basiert auf Silizium. Silizium-Dehnungsmessstreifen können einen K-Faktor von bis zu 190 aufweisen.
Die Dehnungsmessstreifen sind vorzugsweise derart mit den Messbolzen verbunden, dass eine Verformung der Messbolzen eine entsprechende Längenänderung und eine damit einhergehende entsprechende Änderung des ohmschen Widerstands der Dehnungsmessstreifen bewirkt. Besonders bevorzugt ist es, dass die Dehnungsmessstreifen mit den Messbolzen verklebt, verlötet oder über Glasfritte oder Silbersintern verbunden wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Kraft- und Drehmomentmesseinheit sind die Messbolzen an Eckpunkten eines gedachten Rechtecks vorgesehen.
Jede Kraft kann als Überlagerung von Kräften in x-, y- und z-Richtung dargestellt werden. Daraus folgt, wie bereits oben angedeutet, dass eine Kraft in eine beliebige Richtung vorzugsweise durch Messung einer Kraftkomponente in x-Richtung, einer Kraftkomponente in y-Richtung und einer Kraftkomponente in z-Richtung gemessen wird. Dabei beziehen sich die Angaben x-, y- und z-Richtung bevorzugt auf ein kartesisches Koordinatensystem. Werden nun die Messbolzen wie in dieser Ausführungsform in einem (gedachten) Rechteck angeordnet, ergeben sich aus diesem unmittelbar drei bevorzugte Achsen (zwei entlang der Kanten des Rechtecks und eine senkrecht dazu, d.h. insbesondere entlang der Achsen der Messbolzen). Die Kraft- und Drehmomentmesseinheit kann außerhalb des gedachten Rechtecks Material aufweisen. Dies gilt insbesondere für die Grundplatte und für die Messplatte. Besonders bevorzugt ist es, dass das gedachte Rechteck ein Quadrat ist. In dem Fall kann eine Auswertung der Messergebnisse besonders einfach sein, z. B. weil eine Kraftkomponente in x-Richtung die gleichen Zahlenwerte liefert wie eine Kraftkomponente in y-Richtung (wobei die Messwerte lediglich mit Dehnungsmessstreifen an anderen Positionen aufgenommen werden).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kraft- und Drehmomentmesseinheit sind die Grundplatte und die Messplatte rechteckig und optional auch gleich groß ausgeführt, wobei die Grundplatte und die Messplatte im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, und wobei die Messbolzen benachbart zu jeweils einer Ecke der Grundplatte und der Messplatte angeordnet sind.
Besonders bevorzugt ist, dass das weiter oben beschriebene gedachte Rechteck mit der Form der Grundplatte und der Messplatte übereinstimmt. Alternativ ist bevorzugt, dass die Kanten des gedachten Rechtecks zu den Kanten der Grundplatte und zu den Kanten der Messplatte parallel ausgerichtet sind. Dies ist deshalb bevorzugt, weil in dem Fall die Messbolzen nicht ganz am Rand der Grundplatte und der Messplatte angeordnet sein müssen. Aus Stabilitätsgründen ist es aber bevorzugt, dass die Messbolzen in der Nähe der Ecken der Grundplatte und der Messplatte angeordnet sind; das ist unter der Formulierung „benachbart zu jeweils einer Ecke der Grundplatte und der Messplatte“ zu verstehen. Durch die rechteckige Ausführung der Grundplatte und der Messplatte drücken sich die ausgezeichneten Achsen d. h. insbesondere die weiter oben bereits diskutierten x-, y- und z-Achsen in der Form der Kraft- und Drehmomentmesseinheit aus. Das bedeutet, dass die Kraft- und Drehmomentmesseinheit und insbesondere die Grundplatte und die Messplatte Kanten parallel zu den entsprechenden Achsen aufweist. Das kann eine Montage und insbesondere eine Ausrichtung der Kraft- und Drehmomentmesseinheit erheblich vereinfachen. Wie auch bei dem gedachten Rechteck ist es bevorzugt, dass die Grundplatte und die Messplatte quadratisch und optional auch gleich groß ausgeführt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kraft- und Drehmomentmesseinheit weisen die Messbolzen jeweils eine rechteckige Grundfläche und vier Seitenwände auf, wobei an jeder der vier Seitenwände jeweils einer der Längsdehnungsmessstreifen vorgesehen ist.
Durch die rechteckige Form der Messbolzen drücken sich die ausgezeichneten Achsen (d. h. insbesondere die weiter oben bereits diskutierten x-, y-und z-Achsen) auch in der Form der Messbolzen aus. Bevorzugt sind die Messbolzen derart angeordnet und orientiert, dass jede der Seitenflächen parallel zu zwei der Achsen ausgerichtet ist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Seitenflächen parallel zu den Kanten der Grundplatte und der Messplatte ausgerichtet sind.
Vorzugsweise sind die Längsdehnungsmessstreifen an jeder der Seitenwände an einer gleichen jeweiligen Stelle angeordnet (z. B. immer jeweils im Zentrum der jeweiligen Seitenwand). Das kann die Auswertung erleichtern. Der Querdehnungsmessstreifen kann an jeder beliebigen der vier Seitenwände eines Messbolzens angeordnet sein. Bevorzugt ist, dass der Querdehnungsmessstreifen bei allen Messbolzen an der jeweils gleichen Seitenwand angeordnet ist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die jeweiligen Dehnungsmessstreifen an allen Messbolzen an den jeweils gleichen Stellen angeordnet sind, d.h., dass alle Messbolzen auf gleiche Art mit den Dehnungsmessstreifen bestückt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kraft- und Drehmomentmesseinheit weisen die Messbolzen jeweils eine kreisförmige Grundfläche auf.
Die kreisförmige Grundfläche kann die Herstellung der Messbolzen erleichtern. Die für die vorherige Ausführungsform beschriebenen Vorteile lassen sich insbesondere durch die Anordnung der Dehnungsmessstreifen auf den Messbolzen erzielen. Eine derartige Anordnung und Orientierung der Dehnungsmessstreifen lässt sich vorteilhaft durch rechteckige und wie zuvor beschrieben ausgeführte Messbolzen erreichen. Dennoch sind auch Messbolzen mit runden Querschnittsflächen möglich. Es ist bevorzugt, dass die Längsdehnungsmessstreifen analog zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform angeordnet sind. D. h., dass die Längsdehnungsmessstreifen vorzugsweise auf einer Verbindungslinie oder deren Verlängerung zwischen zwei benachbarten Messbolzen angeordnet sind.
Vorzugsweise sind die Längsdehnungsmessstreifen gleichmäßig um den Umfang der Messbolzen verteilt angeordnet, d. h. insbesondere immer im Abstand von 90°. Außerdem sind alle Längsdehnungsmessstreifen vorzugsweise in der gleichen Höhe (d.h. Abstand zur Grundplatte in z-Richtung) angeordnet. Das kann die Auswertung erleichtern. Der Querdehnungsmessstreifen kann an jeder beliebigen Stelle des jeweiligen Messbolzens angeordnet sein. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die jeweiligen Dehnungsmessstreifen an allen Messbolzen an den jeweils gleichen Stellen angeordnet sind, d.h., dass alle Messbolzen auf gleiche Art mit den Dehnungsmessstreifen bestückt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kraft- und Drehmomentmesseinheit sind jeweils zwei Längsdehnungsmessstreifen in Längsrichtung des entsprechenden Messbolzens beabstandet voneinander angeordnet.
Bei rechteckig ausgeführten Messbolzen ist bevorzugt, dass an jeder der Seitenwände der Messbolzen jeweils ein Paar der Längsdehnungsmessstreifen angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Paare der Längsdehnungsmessstreifen an jeder der Seitenwände an einer jeweils gleichen Stelle angeordnet z. B. immer jeweils an einem oberen und einen unteren Rand der jeweiligen Seitenwand.
Sind die Messbolzen rund ausgeführt, so sind die Paare der Längsdehnungsmessstreifen bevorzugt gleichmäßig um den Umfang der Messbolzen verteilt angeordnet, d. h. insbesondere immer im Abstand von 90°. Außerdem sind alle Paare der Längsdehnungsmessstreifen vorzugsweise in der gleichen Höhe, d.h. mit gleichem Abstand des Zentrums eines Paares der Längsdehnungsmessstreifen zur Grundplatte in z-Richtung angeordnet. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die jeweiligen Paare von Längsdehnungsmessstreifen an allen Messbolzen an den gleichen Stellen angeordnet sind.
In dieser Ausführungsform kann aufgrund der Redundanz der Längsdehnungsmessstreifen eine besonders gute Messgenauigkeit erreicht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kraft- und Drehmomentmesseinheit sind an jedem der Messbolzen jeweils zwei der Querdehnungsmessstreifen angeordnet.
Bei rechteckig ausgeführten Messbolzen ist es bevorzugt, dass die Querdehnungsmessstreifen an unterschiedlichen Seitenwänden angeordnet sind, vorzugsweise an benachbarten. Bei runden Messbolzen ist es bevorzugt, dass die Querdehnungsmessstreifen mit einem Abstand von 90° zueinander angeordnet sind. Allgemein ist es bevorzugt, dass die Querdehnungsmessstreifen in der gleichen Höhe, d.h. mit gleichem Abstand zur Grundplatte in z-Richtung, angeordnet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kraft- und Drehmomentmesseinheit sind die Messbolzen hohl ausgeführt.
Durch die hohle Ausführung der Messbolzen sind diese besonders biegbar. Damit kann eine angreifende Kraft bzw. ein angreifendes Drehmoment zu einer besonders stark ausgeprägten Verformung der Messbolzen führen. Dies wiederum kann zu besonders großen Messsignalen und damit zu besonders sensiblen und genauen Messergebnissen führen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kraft- und Drehmomentmesseinheit weisen die Messbolzen jeweils mindestens eine Ausrichtungshilfe auf.
Die Ausrichtungshilfe ist vorzugsweise körperlich ausgeführt, d. h. die Ausrichtungshilfe geht über eine bloße Markierung hinaus. Bei der Ausrichtungshilfe kann es sich beispielsweise um einen oder mehrere Stifte (mit einem oder mehreren Löchern als entsprechende Gegenstücke), Nute, oder Leitschienen handeln. Bevorzugt ist eine Ausrichtungshilfe als eine abgeschrägte Kante eines ansonsten runden Bereichs der Messbolzen ausgeführt. Durch die Ausrichtungshilfe kann insbesondere sichergestellt werden, dass die Messbolzen richtig orientiert sind, insbesondere in Bezug auf die Messachsen. Dies ist für eine verlässliche Messung unter Berücksichtigung der Messachsen wichtig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kraft- und Drehmomentmesseinheit bilden bei zumindest einem der Messbolzen einer der Querdehnungsmessstreifen und einer der Längsdehnungsmessstreifen einen Doppeldehnungsmessstreifen.
Die Zusammenfassung eines Querdehnungsmessstreifens und eines Längsdehnungsmessstreifens zu einem Doppeldehnungsmessstreifen kann insbesondere die Herstellung vereinfachen. Die Bauform derartiger Doppeldehnungsmessstreifen ist kleiner als die Summe zweier einfacher Dehnungsmessstreifen. Hinsichtlich der Funktion unterscheidet sich der Doppeldehnungsmessstreifen vorzugsweise nicht von einem einzelnen Querdehnungsmessstreifen in Kombination mit einem einzelnen Längsdehnungsmessstreifen. Vorzugsweise sind alle Querdehnungsmessstreifen in Doppeldehnungsmessstreifen mit jeweiligen Längsdehnungsmessstreifens zusammengefasst.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kraft- und Drehmomentmesseinheit sind die Dehnungsmessstreifen derart miteinander verschaltet, dass Widerstandsänderungen in den Dehnungsmessstreifen nach dem Prinzip einer Wheatstone‘schen Brückenschaltung messbar sind.
Die Veränderung des ohmschen Widerstands der Dehnungsmessstreifen kann in einer Ausführungsform mittels einer direkten Messung stattfinden. Dazu wird ein Strom an den zu vermessenden Dehnungsmessstreifen angelegt und die darüber abfallende Spannung ermittelt. Um eine bessere Messgenauigkeit zu erzielen, kann vorzugweise eine Schaltung nach Art einer Wheatstone’schen Brücke verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kraft- und Drehmomentmesseinheit ist eine Mehrzahl Wheatstone‘scher Brückenschaltungen vorgesehen, so dass Kräfte in drei Messachsen und Drehmomente um die drei Messachsen ermittelt werden können.
Vorzugsweise sind die Dehnungsmessstreifen derart mit einer Auswerteeinheit verbunden, dass eine Wheatstone’sche Brückenschaltung unter Verwendung aller Dehnungsmessstreifen möglich ist, wobei jeder Dehnungsmessstreifen vorzugsweise an jeder Stelle der Wheatstone’schen Brückenschaltung eingesetzt werden kann.
Vorzugsweise ist die Verdrahtung der Dehnungsmessstreifen auf einer Platine angeordnet, sodass Verdrahtungsfehler vermieden und Fertigungszeit durch Voranfertigung der Verdrahtungsplatinen eingespart werden kann. Weiterhin kann eine solche Verdrahtungsplatine neben der Verdrahtung der Dehnungsmessstreifen weitere elektrische und elektronische Komponenten aufweisen, wie beispielsweise Operationsverstärker, Analog-Digitalwandler sowie einen Digitalsignalprozessor zur Kommunikation von Messwerten in digitalisierter Form an eine weiterverarbeitende Einheit. Weiterhin kann die Verdrahtungsplatine mindestens einen Neigungswinkelsensor zur Ermittlung der Neigung der Messeinheit in x-, y- und z-Richtung aufweisen. Ein solcher Neigungsmesser ermöglicht die Ermittlung der exakten Lage der Messeinheit gegenüber einem Bezugssystem, welches die Neigung der Messeinheit gegenüber dem Erdmagnetfeld ermitteln und gegebenenfalls die Messeinheit eine Korrektur der ermittelten Kräfte aus den geometrischen Achsen in die Erdfeldachsen vornehmen kann.
Die Messeinheit kann bevorzugt auf der Platine weiterhin einen Beschleunigungssensor aufweisen, wobei der Beschleunigungssensor die Beschleunigung bevorzugt in alle drei Raumrichtungen ermitteln kann. Ein solcher Beschleunigungssensor ermöglicht die Ermittlung von Beschleunigungen der Messanordnung. Die ermittelten Beschleunigungen können in bevorzugt digitaler Form an eine Steuerzentrale weitergeleitet werden, sodass die Steuerzentrale basierend auf den Beschleunigungsinformationen zum Beispiel Kollisionen der Messeinheit mit Fremdkörpern durch Ansteuern des Krans oder Roboters vermeiden kann. Auf diese Weise können Fehlinterpretationen der ermittelten Kraftsignale verhindert und die Plausibilität der Messungen geprüft werden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Hebevorrichtung aufweisend zumindest eine Kraft- und Drehmomentmesseinheit zum Messen von Kräften und Drehmomenten, die durch eine Last an der Hebevorrichtung angreifen, wobei die Kraft- und Drehmomentmesseinheit zumindest umfasst:

– eine Grundplatte,
– eine von der Grundplatte beabstandet angeordnete Messplatte, wobei an die Messplatte angreifende Kräfte und Drehmomente gemessen werden können,
– vier Messbolzen, die zwischen der Grundplatte und der Messplatte angeordnet und die mit der Grundplatte und der Messplatte verbunden sind,
– mindestens einen Querdehnungsmessstreifen jeweils an jedem der Messbolzen zur Messung einer Querdehnung des jeweiligen Messbolzens, und
– mindestens vier Längsdehnungsmessstreifen an jedem der Messbolzen zur Messung von Längsdehnungen des entsprechenden Messbolzens.

Bei der Hebevorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Kran, einen Bagger oder einen Roboterarm handeln. Insbesondere kann es sich bei der Hebevorrichtung um einen Portalkran handeln.
Die Auswerteeinheit weist vorzugsweise eine Schaltung auf, die wie weiter oben beschrieben eine Auswertung gemäß der Wheatstone’schen Brückenschaltung ermöglicht, insbesondere derart, dass jeder Dehnungsmessstreifen an jeder Stelle der Wheatstone’schen Brückenschaltung eingesetzt werden kann.
Die weiter oben beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der Kraft- und Drehmomentmesseinheit sind auf die beschriebene Hebevorrichtung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Hebevorrichtung ist die Kraft- und Drehmomentmesseinheit wie weiter oben beschrieben ausgeführt.
Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen schematisch:
1: eine horizontale Schnittansicht auf eine Kraft- und Drehmomentmesseinheit, und
2: eine vertikale Schnittansicht auf die Kraft- und Drehmomentmesseinheit aus 1.
1 zeigt eine horizontale Schnittansicht einer Kraft- und Drehmomentmesseinheit 1 umfassend eine Messplatte 3 mit vier Messbolzen (einem ersten Messbolzen 4, einem zweiten Messbolzen 5, einem dritten Messbolzen 6 und einem vierten Messbolzen 7). An jedem Messbolzen 4, 5, 6, 7 sind mehrere Längsdehnungsmessstreifen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 angeordnet. Die Messbolzen 4, 5, 6, 7 sind an Eckpunkten der Messplatte 3 angeordnet. Die Messplatte 3 ist rechteckig ausgeführt. Außerdem sind die Messbolzen 4, 5, 6, 7 hohl, was als eine doppelte Wandung angedeutet ist. Die Kraft- und Drehmomentmesseinheit 1 ist in einer Hebevorrichtung 12 enthalten. Außerdem eingezeichnet sind eine x-Achse 9 und eine y-Achse 10. Weiterhin zeigt 1 schematisch eine Platine 13, die auf der Messplatte angeordnet sein kann. Die Platine kann die Verdrahtung der Dehnungsmessstreifen zumindest teilweise aufnehmen sowie weitere elektrische und elektronische Komponenten wie Beschleunigungssensoren, Analog-Digital-Wandler und/oder einen digitalen Signalprozessor aufweisen, sodass die von den Dehnungsmessstreifen bereitgestellten analogen Signale digitalisiert und an eine signalverarbeitende Einheit weitergeleitet werden können.
In 2 ist die Kraft- und Drehmomentmesseinheit 1 aus 1 in einer vertikalen Schnittansicht gezeigt. Hier ist zu erkennen, dass die Kraft- und Drehmomentmesseinheit 1 weiterhin eine Grundplatte 2 aufweist, die von der Messplatte 3 beabstandet ist. Die Messbolzen, von denen hier nur der erste Messbolzen 4 und der zweite Messbolzen 5 dargestellt sind, weisen Seitenwände 8 auf. Zusätzlich zu den in 1 gezeigten Längsdehnungsmessstreifen 4.1, 4.2, 4.4, 5.1, 5.2, 5.4 sind hier weitere Längsdehnungsstreifen 4.5, 4.9, 4.10, 4.11, 5.5, 5.9, 5.10, 5.11 sowie zwei Querdehnungsmessstreifen 4.6, 5.6 eingezeichnet. Einige der Längsdehnungsmessstreifen 4.5, 5.5 und der Querdehnungsmessstreifen 4.6, 5.6 bilden jeweilige Doppeldehnungsmessstreifen 4.8, 5.8. Außerdem sind zwei weitere Doppeldehnungsmessstreifen 4.7, 5.7 eingezeichnet, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht auf die Unterteilung in Längsdehnungsstreifen und Querdehnungsmessstreifen hingewiesen wird. Außerdem sind die x-Achse 9 und eine z-Achse 11 eingezeichnet.
Es wird darauf hingewiesen, dass neben den in den Darstellungen der 1 und 2 abgebildeten Dehnungsmessstreifen noch weitere Dehnungsmessstreifen vorgesehen sind. Die Anordnung ergibt sich symmetrisch aus den Darstellungen der 1 und 2: An jeder Seitenwand jedes Messbolzens sind jeweils zwei Längsdehnungsmessstreifen vorgesehen, während an jedem Messbolzen zwei Doppeldehnungsmessstreifen vorgesehen sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen Grund- und Messplatte eine vergleichsweise große Kantenlänge auf, wobei die Messbolzen in den Ecken der Platten angeordnet sind, da eine große Kantenlänge eine exaktere Ermittlung der Kräfte und Momente ermöglicht als eine Einheit mit kürzeren Kantenlängen, da die Stützpunkte des Abfangens der Hebelkräfte weiter voneinander entfernt liegen und die durch das Moment verursachte Kraft sich geringer auswirkt.
Unter einer vergleichsweise großen Kantenlänge wird hier insbesondere eine Kantenlänge mindestens von 100 mm [Millimeter], insbesondere von mindestens 200 mm und insbesondere von mindestens 400 mm verstanden.
Bezugszeichenliste

1: Kraft- und Drehmomentmesseinheit
2: Grundplatte
3: Messplatte
4: erster Messbolzen
5: zweiter Messbolzen
6: dritter Messbolzen
7: vierter Messbolzen
4.1–4.5: Längsdehnungsmessstreifen
4.6: Querdehnungsmessstreifen
4.7, 4.8: Doppeldehnungsstreifen
4.9–4.11: Längsdehnungsmessstreifen
5.1–5.5: Längsdehnungsmessstreifen
5.6: Querdehnungsmessstreifen
5.7, 5.8: Doppeldehnungsstreifen
5.9–5.11: Längsdehnungsmessstreifen
6.1–6.4: Längsdehnungsmessstreifen
7.1–7.4: Längsdehnungsmessstreifen
8: Seitenwand
9: x-Achse
10: y-Achse
11: z-Achse
12: Hebevorrichtung
13: Platine

Claims

Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) umfassend zumindest: – eine Grundplatte (2), – eine von der Grundplatte (2) beabstandet angeordnete Messplatte (3), wobei an die Messplatte (3) angreifende Kräfte und Drehmomente gemessen werden können, – vier Messbolzen (4, 5, 6, 7), die zwischen der Grundplatte (2) und der Messplatte (3) angeordnet und die jeweils mit der Grundplatte (2) und der Messplatte (3) verbunden sind, – mindestens einen Querdehnungsmessstreifen (4.6, 5.6) an jedem der Messbolzen (4, 5, 6, 7) zur Messung einer Querdehnung des entsprechenden Messbolzens (4, 5, 6, 7), und – mindestens vier Längsdehnungsmessstreifen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.9, 4.10, 4.11, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.9, 5.10, 5.11, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4) an jedem der Messbolzen (4, 5, 6, 7) zur Messung von Längsdehnungen des entsprechenden Messbolzens (4).
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach Anspruch 1, wobei die Messbolzen (4, 5, 6, 7) an Eckpunkten eines gedachten Rechtecks vorgesehen sind.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Grundplatte (2) und die Messplatte (3) rechteckig ausgeführt sind, wobei die Grundplatte (2) und die Messplatte (3) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, und wobei die Messbolzen (4, 5, 6, 7) benachbart zu jeweils einer Ecke der Grundplatte (2) und der Messplatte (3) angeordnet sind.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messbolzen (4, 5, 6, 7) jeweils eine rechteckige Grundfläche und vier Seitenwände (8) aufweisen, und wobei an jeder der vier Seitenwände (8) jeweils einer der Längsdehnungsmessstreifen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.9, 4.10, 4.11, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.9, 5.10, 5.11, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4) vorgesehen ist.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messbolzen (4, 5, 6, 7) jeweils eine kreisförmige Grundfläche aufweisen.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jeweils zwei Längsdehnungsmessstreifen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.9, 4.10, 4.11, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.9, 5.10, 5.11, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4) in Längsrichtung des entsprechenden Messbolzens (4, 5, 6, 7) beabstandet voneinander angeordnet sind.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei an jedem der Messbolzen (4, 5, 6, 7) jeweils zwei der Querdehnungsmessstreifen (4.6, 5.6) angeordnet sind.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messbolzen (4, 5, 6, 7) hohl ausgeführt sind.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Messbolzen (4, 5, 6, 7) jeweils mindestens eine Ausrichtungshilfe aufweisen.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei zumindest einem der Messbolzen (4, 5, 6, 7) einer der Querdehnungsmessstreifen (4.6, 5.6) und einer der Längsdehnungsmessstreifen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.9, 4.10, 4.11, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.9, 5.10, 5.11, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4) einen Doppeldehnungsmessstreifen (4.7, 4.8, 5.7, 5.8) bilden.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Dehnungsmessstreifen derart miteinander verschaltet sind, dass Widerstandsänderungen in den Dehnungsmessstreifen nach dem Prinzip einer Wheatstone‘schen Brückenschaltung messbar sind.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach Anspruch 11, wobei eine Mehrzahl Wheatstone‘scher Brückenschaltungen vorgesehen ist, so dass Kräfte in drei Achsen (9, 10, 11) und Drehmomente um die drei Achsen (9, 10, 11) gemessen werden können.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Dehnungsmesstreifen auf Silizium basiert.
Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens die Verdrahtung eines Dehnungsmessstreifens auf einer Platine (13) angeordnet ist und die Platine (13) mindestens einen Analog-Digital-Wandler, einen Digitalsignalprozessor sowie einen Neigungswinkelsensor und einen Beschleunigungssensor aufweist.
Hebevorrichtung (12) aufweisend zumindest eine Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) zum Messen von Kräften und Drehmomenten, die durch eine Last an der Hebevorrichtung (12) angreifen, wobei die Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) zumindest umfasst: – eine Grundplatte (2), – eine von der Grundplatte (2) beabstandet angeordnete Messplatte (3), wobei an die Messplatte (3) angreifende Kräfte und Drehmomente gemessen werden können, – vier Messbolzen (4, 5, 6, 7), die zwischen der Grundplatte (2) und der Messplatte (3) angeordnet und die mit der Grundplatte (2) und der Messplatte (3) verbunden sind, – mindestens einen Querdehnungsmessstreifen (4.6, 5.6) an jedem der Messbolzen (4, 5, 6, 7) zur Messung einer Querdehnung des entsprechenden Messbolzens (4, 5, 6, 7), und – mindestens vier Längsdehnungsmessstreifen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.9, 4.10, 4.11, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.9, 5.10, 5.11, 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 7.1, 7.2, 7.3, 7.4) an jedem der Messbolzen (4, 5, 6, 7) zur Messung von Längsdehnungen des entsprechenden Messbolzens (4). wobei die Hebevorrichtung weiterhin eine signaltechnisch mit der Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) verbundene Auswerteeinheit umfasst.
Hebevorrichtung (12) nach Anspruch 15, wobei die Kraft- und Drehmomentmesseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgeführt ist.