DE102017213667A1

DE102017213667A1 - Kraft-Moment-Sensor

Info

Publication number: DE102017213667A1
Application number: DE102017213667.7A
Authority: DE
Inventors: Theo Doll; Thomas Machauer
Original assignee: Dr Doll Eng GmbH; Dr Doll Engineering GmbH
Current assignee: Dr Doll Eng GmbH; Dr Doll Engineering GmbH
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2018-02-22

Abstract

Ein Kraft-Moment-Sensor mit zwei Anschlussscheiben, von denen eine zur Verbindung mit einer Roboterseite und die andere zur Verbindung mit einer Werkzeugseite vorgesehen ist, mit mehreren Brückenelementen, die die beiden Anschlussscheiben einstückig miteinander verbinden, und mit einer Messsensorik, die ein Dehnmessstreifen-Messsystem aufweist, das Messstellen im Bereich jedes Brückenelementes vorsieht, ist bekannt. Erfindungsgemäß weist die Messsensorik ein Überwachungssystem auf, das einen Ausfall oder eine Fehlfunktion von wenigstens einer Funktionskomponente der Messsensorik erfasst. Einsatz in der Robotik.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Moment-Sensor mit zwei Anschlussscheiben, von denen eine zur Verbindung mit einer Roboterseite und die andere zur Verbindung mit einer Werkzeugseite vorgesehen ist, mit mehreren Brückenelementen, die die beiden Anschlussscheiben einstückig miteinander verbinden, und mit einer Messsensorik, die ein Dehnmessstreifen-Messsystem aufweist, das Messstellen im Bereich jedes Brückenelementes vorsieht.
Ein derartiger Kraft-Moment-Sensor ist aus der EP 0 261 071 A2 bekannt. Der Kraft-Moment-Sensor weist zwei zylindrische Anschlussscheiben auf, die über polygonale Brückenelemente einstückig miteinander verbunden sind. Den Brückenelementen sind Dehnmessstreifen zugeordnet, die Teil eines Dehnmessstreifen-Messsystems sind. Den Dehnmessstreifen ist eine Verarbeitungselektronik zugeordnet, die entsprechende Spannungsänderungssignale der Dehnmessstreifen erfasst und verarbeitet, um diese an eine Steuerelektronik einer Robotikeinheit weiterzugeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraft-Moment-Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der Anforderungen an eine funktionale Sicherheit, insbesondere entsprechend der Normenreihe EN/IEC 61508 bzw. EN ISO 13849, EN/IEC 61511 und EN/IEC 62061, erfüllt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Messsensorik ein Überwachungssystem aufweist, das einen Ausfall oder eine Fehlfunktion von wenigstens einer Funktionskomponente der Messsensorik erfasst. Das Überwachungssystem gewährleistet eine schnelle Reaktionsmöglichkeit bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion des Kraft-Moment-Sensors, da das Überwachungssystem an eine funktional sichere Steuerung der Roboterseite angeschlossen ist, die die Roboterseite unverzüglich stillsetzen kann. Die erfindungsgemäße Lösung ist für eine Robotikeinheit vorgesehen, bei der der Kraft-Moment-Sensor im Bereich einer Anschlussscheibe mit einem roboterseitigen Anschlussflansch und mit der anderen Anschlussscheibe mit einem werkzeugseitigen Anschlussflansch verbunden sind. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, den Kraft-Moment-Sensor für hohe Sicherheitsstandards einzusetzen. In vorteilhafter Weise wird durch das Überwachungssystem eine Redundanz der Messsensorik erzielt. Unter der funktionalen Sicherheit ist die korrekte Funktionalität des Kraft-Moment-Sensors zu verstehen. Das Überwachungssystem überwacht demzufolge, ob die Messsensorik richtig funktioniert, und ob die sensierten Werte plausibel sind. Dies wird insbesondere durch Vergleiche mit Referenzwerten erzielt. Die funktionale Sicherheit hat zum Ziel, konzeptionelle Fehler zu vermeiden und beim Auftreten anderer Fehler das Erreichen eines sicheren Zustands zu garantieren.
In Ausgestaltung der Erfindung weist die Messsensorik wenigstens zwei unterschiedliche Elektronikkomponentensysteme auf, die sich bezüglich ihrer Resistenz gegen Umgebungseinflüsse unterscheiden. Diese unterscheiden sich insbesondere bezüglich ihrer Hard- und Softwarearchitektur. Falls daher aufgrund extremer Umgebungseinflüsse eines der Elektronikkomponentensysteme ausfällt, kann dieser Ausfall mittels des funktionstüchtigen anderen Elektronikkomponentensystems detektiert werden. Neben Umgebungseinflüssen in Form von extrem hohen oder tiefen Temperaturen sind auch Umgebungseinflüsse in Form von Strahlung für die Ausgestaltung von Relevanz.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind an jeder Messstelle vier Dehnmessstreifen vorgesehen, wobei jeweils zwei Dehnmessstreifen über jeweils eine Halbbrückenschaltung mit jeweils einer elektronischen Signalverarbeitungseinheit gekoppelt sind. Diese Ausgestaltung ermöglicht für jede Messstelle im Vergleich zu einer bekannten Vollbrückenschaltung eine Verdoppelung der Signalverarbeitungsmöglichkeiten. Dadurch kann sehr schnell der Ausfall oder die Fehlfunktion eines Dehnmessstreifens erkannt werden, da entsprechend verarbeitete Signale der zwei Signalverarbeitungseinheiten jeder Messstelle miteinander verglichen und über eine entsprechende zentrale und funktional sichere Steuerung ausgewertet werden können. Die beiden Signalverarbeitungseinheiten jeder Messstelle ermöglichen demzufolge indirekt eine gegenseitige Überwachung, wodurch sich eine Redundanz ergibt. Jedes Brückenelement weist zwei Messstellen auf.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine gerade Anzahl von wenigstens vier Brückenelementen mit einer entsprechend doppelten Anzahl von Messstellen vorgesehen, die mit jeweils einer elektronischen Signalverarbeitungseinheit gekoppelt sind. Durch vorzugsweise vier, sechs oder acht Brückenelemente, die die beiden Anschlussscheiben einstückig miteinander verbinden, kann die Anzahl der Messstellen für den Kraft-Moment-Sensor erhöht werden. Jeder Messstelle sind jeweils vier Dehnmessstreifen jeweils in Vollbrückenschaltung zugeordnet, wodurch eine relativ hohe Signalgenauigkeit der Messstellen erreichbar ist. Ein Ausfall oder eine Fehlfunktion im Bereich einer Messstelle kann durch die große Anzahl von Messstellen und durch die entsprechenden Vollbrückenschaltungen detektiert werden. In jedem Fall ist eine Fehlfunktion oder ein Ausfall einer entsprechenden Messstelle unverzüglich erfassbar, so dass schnell entsprechende Steuerbefehle an die Robotikeinheit ausgegeben werden können. Die verschiedenen Signalverarbeitungseinheiten ermöglichen eine gewünschte Redundanz.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist jede Messstelle acht Dehnmessstreifen in zwei Vollbrückenschaltungen auf, denen jeweils eine elektronische Signalverarbeitungseinheit zugeordnet ist. Hierdurch ist eine hohe Absolutgenauigkeit bezüglich der Messwerte des Kraft-Moment-Sensors erzielbar. Die Redundanz wird hier durch eine entsprechende Verdoppelung der Dehnmessstreifen und entsprechender Vollbrückenschaltungen und eine jeweils doppelte Signalauswertung erzielt. Die Dehnmessstreifen sind an dem jeweiligen Brückenelement jeweils unmittelbar nebeneinander positioniert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein weiteres Messsystem vorgesehen, das ein zu dem Dehnmessstreifen-Messsystem unterschiedliches Messprinzip aufweist. Durch diese Ausgestaltung wird eine Redundanz zwischen dem Dehnmessstreifen-Messsystem und dem wenigstens einen weiteren Messsystem erreicht. Das weitere Messsystem kann zwischen den beiden Anschlussscheiben des Kraft-Moment-Sensors räumlich integriert sein. Alternativ kann das Messsystem axial an eine stirnseitige Außenfläche einer Anschlussscheibe des Kraft-Moment-Sensors angefügt sein. Alternativ kann als weiteres Messsystem ein Kraft-Moment-System mit zu dem Dehnmessstreifen-Messsystem unterschiedlich ausgeführten und/oder angeordneten Dehnmessstreifen vorgesehen sein. Diese Dehnmessstreifen können vorteilhaft eine höhere Empfindlichkeit aufweisen, indem sie insbesondere als Halbleiter-Dehnmessstreifen gestaltet sind.
Als weiteres Messsystem kann vorteilhaft ein piezoelektrisches Messsystem vorgesehen sein. Ein derartiges Messsystem wird vorteilhaft an die außenseitige Stirnfläche einer Anschlussscheibe des Kraft-Moment-Sensors angefügt.
Alternativ oder ergänzend kann das weitere Messsystem als optisches Messsystem mit einem optischen Messprinzip ausgeführt sein. Ein derartiges optisches Messsystem ist vorzugsweise axial zwischen den beiden Anschlussscheiben integriert. Das optische Messsystem kann mehrere optische Messsensoren aufweisen, die über den Umfang des Kraft-Moment-Sensors radial innerhalb der Brückenelemente vorteilhaft unter Freilassung eines zentralen Durchtrittes für Kabeldurchführungen angeordnet sind. Ein entsprechendes optisches Messsystem kann gemäß der US 2014/0326882 A1 ausgeführt sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, die anhand der Zeichnungen dargestellt sind.
1 zeigt in einer Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensors,
2 eine Schnittdarstellung des Kraft-Moment-Sensors nach 1 entlang der Schnittlinie II-II in 1,
3 in einer Seitenansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensors,
4 eine Schnittdarstellung des Kraft-Moment-Sensors nach 3 entlang der Schnittlinie IV-IV in 3,
5 in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild einer Messstelle des Kraft-Moment-Sensors gemäß 4,
6 ein Blockschaltbild einer Messstelle des Kraft-Moment-Sensors nach 2,
7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensors in einer Seitenansicht,
8 eine Schnittdarstellung des Kraft-Moment-Sensors nach 7 entlang der Schnittlinie VIII-VIII in 7,
9 in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensors mit einem zweiten Kraft-Moment-System,
10 eine Seitenansicht des Kraft-Moment-Sensors nach 9,
11 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie XI-XI in 10 und
12 ein Brückenelement gemäß einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensors.
Ein Kraft-Moment-Sensor 1 nach den 1 und 2 weist zwei zylindrische Anschlussscheiben 2 und 3 auf, die über insgesamt drei hochkant ausgerichtete und polygonale Brückenelemente 4 parallel zueinander beabstandet und einstückig miteinander verbunden sind. Sowohl die Anschlussscheiben 2, 3 als auch die Brückenelemente 4 sind durch spanende Bearbeitung aus einem einstückigen Metallblock hergestellt. Beide Anschlussscheiben 2, 3 weisen jeweils einen zentralen, nicht näher bezeichneten Durchtritt auf, wobei die beiden Durchtritte der beiden Anschlussscheiben 2, 3 koaxial zu einer nicht dargestellten Mittellängsachse des Kraft-Moment-Sensors 1 ausgerichtet sind und miteinander fluchten.
Jedes Brückenelement 4 bildet jeweils zwei Messstellen für ein Dehnmessstreifen-Messsystem, das nachfolgend näher beschrieben wird. Jedes Brückenelement 4 ist mit einer radial zur Mittellängsachse des Kraft-Moment-Sensors 1 erstreckten zylindrischen Bohrung versehen, in der jeweils auf gegenüberliegenden Seiten zwei Dehnmessstreifeneinheiten 5 flächig aufgebracht sind. Die Dehnmessstreifeneinheiten können mit einem oder mehreren Dehnmessstreifen, vorzugsweise mit vier Dehnmessstreifen, versehen sein, insbesondere analog des Patentes DE 10 2015 215 099 B3 . Zudem weist jedes Brückenelement 4 an gegenüberliegenden Seitenrändern jeweils eine konkave Einbuchtung auf, in der jeweils ein Dehnmessstreifen der Dehnmessstreifeneinheit 5 flächig aufgebracht ist. Die Dehnmessstreifeneinheiten 5 jedes Brückenelementes 4 und damit von jeweils zwei Messstellen sind auf einer Anschlussplatine 6 verdrahtet, die unmittelbar benachbart zu einer Frontseite des jeweiligen Brückenelementes 4 angeordnet und befestigt ist. Die jeweilige Anschlussplatine 6 ist formstabil gestaltet und weist eine kreisförmige Bohrung auf, die mit der zylindrischen Bohrung des jeweiligen Brückenelementes 4 fluchtet. Hierdurch sind äußerst kurze Verdrahtungswege zwischen den einzelnen Dehnmessstreifeneinheiten 5 und der Anschlussplatine 6 gewährleistet. Jede Anschlussplatine 6 ist in nachfolgend näher beschriebener Weise mit einer Platinenanordnung 7 verbunden, die mehrere Elektronikplatinen sowie zwischen den benachbarten Elektronikplatinen erstreckte flexible Verbindungselemente umfasst, in denen entsprechende Leitungen integriert sind, um die benachbarten Elektronikplatinen miteinander zu verbinden. Alle Elektronikplatinen der Platinenanordnung 7 sind hochkant ausgerichtet und – in der Draufsicht gesehen – nach Art eines gleichmäßigen Sechsecks (2) positioniert. Hierzu weist die Anschlussscheibe 3 einen einstückig angeformten, sechseckigen Stützblock auf, dessen orthogonal von der Anschlussscheibe 3 abragende Seitenränder mit Befestigungsbohrungen versehen sind, in denen Befestigungsschrauben befestigt werden können, die zur Sicherung der Elektronikplatinen in der hochkanten Ausrichtung dienen.
Der Kraft-Moment-Sensor 1 ist für den Einsatz bei einer Robotikeinheit vorgesehen. Der Kraft-Moment-Sensor wird zwischen eine Robotikseite und eine Werkzeugseite eingefügt, um Krafteinwirkungen eines entsprechendes Werkzeugs und der Robotikseite sensibel erfassen zu können. Die Robotikseite wird vorzugsweise durch einen Roboterarm gebildet, der mit einem Anschlussflansch versehen ist, an den die Anschlussscheibe 3 mittels entsprechender Befestigungsschrauben angefügt werden kann. Eine gegenüberliegende, außenseitige Stirnfläche der Anschlussscheibe 2 wird mit einem entsprechenden Anschlussflansch der Werkzeugseite verbunden. Die Robotikeinheit weist eine elektronische, funktional sichere Steuereinheit auf, die den Robotikarm und die Werkzeugseite steuert.
Anhand der 2 ist erkennbar, dass für die sechs Messstellen drei Elektronikplatinen der Platinenanordnung vorgesehen sind, die zu einer Elektronikplatineneinheit 7 miteinander gekoppelt sind. Die drei weiteren dargestellten Elektronikplatinen ermöglichen einen redundanten Aufbau des Sensorsystems. Den Dehnmessstreifeneinheiten 5 jeder Messstelle des jeweiligen Brückenelementes 4 sind Halbbrückenschaltungen zugeordnet, wie sie anhand der 6 erkennbar sind. Im Vergleich zu einer Vollbrückenschaltung kann somit durch die Halbbrückenschaltungen eine Verdopplung der Ausgangssignale erzielt werden. Dabei definieren entsprechend variable Widerstände R₁ bis R₄ die sich durch Verformungen der Brückenelemente 4 im Betrieb des Kraft-Moment-Sensors ergebenden Widerstandsänderungen einer angelegten Spannung U_E. Jeweils zwei Dehnmessstreifeneinheiten 5 sind mittels zwei Konstantwiderständen zu einer Halbbrückenschaltung gekoppelt, die eine entsprechende Ausgangsspannung U_A erzeugen. Die Aufspaltung in Halbbrückenschaltungen erfolgt durch eine Messverstärkerelektronik, die der Elektronikplatineneinheit 7 zugeordnet ist. Zusätzlich zu entsprechenden Messverstärkern sind A/D-Wandler vorgesehen. Die entsprechenden Messverstärker und die A/D-Wandler sind Teil einer Sensorelektronik. Zudem weist die Sensorelektronik einen Recheneinheit auf, die eine entsprechende Berechnung von Kräften und Momenten der Messstellen, die auch als Messkanäle bezeichnet werden, mittels einer Matrixmultiplikation vornimmt. Die vorliegende Ausführungsform nimmt somit eine Aufspaltung von Vollbrücken in Halbbrücken vor und benötigt zwei Sensorelektroniken, um entsprechende Signale redundant verarbeiten zu können. Durch die beiden Halbbrückenschaltungen gemäß 6 ergibt sich demzufolge eine Verdopplung der Messsignale, die über zwei Sensorelektroniken S verarbeitet werden können. Ein Ausfall einer Dehnmessstreifeneinheit 5 kann somit in einfacher Weise durch Vergleich mit der Auswertung der anderen Halbbrückenschaltung derselben Messstelle erfasst werden.
Der Kraft-Moment-Sensor 1a gemäß den 3 bis 5 entspricht vom grundsätzlichen Aufbau her dem Kraft-Moment-Sensor 1 nach den 1, 2 und 6, so dass nachfolgend lediglich auf die Unterschiede des Kraft-Moment-Sensors 1a eingegangen wird. Funktionsgleiche Bauteile oder -abschnitte des Kraft-Moment-Sensors 1a werden mit gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung des Buchstabens a versehen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird ergänzend auf die Ausführungen zu dem Kraft-Moment-Sensor 1 gemäß den 1, 2 und 6 verwiesen.
Der Kraft-Moment-Sensor 1a weist insgesamt sechs Brückenelemente 4a auf, die gleichmäßig über den Umfang der beiden Anschlussscheiben 2a, 3a verteilt und einstückig mit den Anschlussscheiben 2a, 3a verbunden sind. Jedes Brückenelement 4a bildet zwei Messstellen des Dehnmessstreifen-Messsystems. Jedem Brückenelement 4a sind mehrere Dehnmessstreifeneinheiten 5a zugeordnet. Vorteilhaft weisen die Dehnmessstreifeneinheiten 5, 5a am Innenumfang der Kreisbohrung jeweils drei auf einer gemeinsamen Trägerfolie gehaltene Dehnmessstreifen auf, wohingegen die Dehnmessstreifeneinheiten 5, 5a an den konkaven Außenkonturen jeweils lediglich einen Dehnmessstreifen aufweisen. Insgesamt sind so jedem Brückenelement 4, 4a jeweils acht Dehnmessstreifen zugeordnet also jeweils vier pro Messstelle. Auch die Anordnung der Anschlussplatinen 6a ist identisch zu der Ausführungsform nach den 1 und 2. Die Platinenanordnung weist insgesamt sechs Elektronikplatinen auf, die zu zwei Elektronikplatineneinheiten 7a verbunden sind, und die jeweils radial benachbart zu jeweils einer Messstelle positioniert sind. Die Dehnmessstreifen 5a sind mit ihren variablen Widerständen R₁ bis R₄ gemäß 5 zu jeweils einer Vollbrückenschaltung verdrahtet, die jeweils über vier Anschlussstellen an eine Elektronikplatine 7a angeschlossen ist. Die Elektronikplatine 7a, die zur Signalverarbeitung der Messsignale der Dehnmessstreifen 5a dient, ist an die zentrale Steuereinheit S_a der Robotikeinheit angeschlossen. Mit U_A und U_E sind die Ausgangsspannung und die Eingangsspannung für die jeweilige Vollbrückenschaltung bezeichnet.
Sowohl die Halbbrückenschaltungen gemäß 6 als auch die Vollbrückenschaltungen gemäß 5 stellen Wheatstonesche Brückenschaltungen dar.
Die gegenüber der Ausführungsform nach den 1 und 2 verdoppelte Anzahl von Brückenelementen 4a ermöglicht an jeder Messstelle eine Vollbrückenschaltung und damit eine höhere Absolutgenauigkeit entsprechender Sensorsignale des Kraft-Moment-Sensors 1a. Zudem gewährleistet die Verdopplung der Messstellen in Verbindung mit einer zusätzlichen Sensorelektronik einen redundanten Systemaufbau.
Analog der Ausführungsform nach den 3 bis 5 weist eine nicht dargestellte Ausführungsform eines Kraft-Moment-Sensors ebenfalls sechs Brückenelemente zwischen gegenüberliegenden Anschlussscheiben auf, die insgesamt zwölf Messstellen eines Dehnmessstreifen-Messsystems bilden. Unterschiedlich bei der nicht dargestellten Ausführungsform ist es, dass die Platinenanordnung zwei unterschiedliche Elektronikkomponentensysteme aufweist, wobei entsprechende Elektronikkomponenten der beiden unterschiedlichen Elektronikkomponentensysteme aus unterschiedlichen Komponenten hergestellt sind oder in anderer Art und Weise unterschiedlich ausgestaltet sind, um bezüglich definierter Umgebungseinflüsse störungsunanfällig zu sein. Entsprechende Umgebungseinflüsse sind insbesondere Strahlung oder extreme Temperaturen.
Ein ebenfalls nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung weist nicht innerhalb des Sensors, sondern vielmehr extern angeordnete Sensorelektroniken auf, d. h. wenigstens eine außerhalb des Kraft-Moment-Sensors installierte Sensorelektronik.
Bei der Ausführungsform gemäß den 7 und 8 wird eine Ausfallsicherheit und Redundanz des Kraft-Moment-Sensors 1b dadurch gebildet, dass in dem Kraft-Moment-Sensor 1b zwei unterschiedliche Messprinzipien integriert sind. Der Kraft-Moment-Sensor 1b entspricht von seinem grundsätzlichen Aufbau der Ausführungsform gemäß den 1 und 2. Funktionsgleiche Teile oder Abschnitte werden demzufolge mit gleichen Bezugszeichen unter Hinzufügung des Buchstabens b versehen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird ergänzend auf die Ausführung zu dem Kraft-Moment-Sensor 1 gemäß den 1, 2 und 6 verwiesen.
Der Kraft-Moment-Sensor 1b weist ein Dehnmessstreifen-Messsystem auf, das entweder dem Dehnmessstreifen-Messsystem gemäß den 1, 2 und 6 entspricht, oder über Vollbrückenschaltungen analog 5 ausgewertet wird. Anhand der 8 ist erkennbar, dass lediglich eine Elektronikplatineneinheit 7b vorgesehen ist.
In dem Kraft-Moment-Sensor 1b ist noch ein weiteres Messsystem 8b integriert, das als optisches Messsystem gestaltet ist. Wie anhand der 7 und 8 erkennbar ist, sind insgesamt vier optische Messsensoren vorgesehen, die um den zentralen Durchtritt der Anschlussscheibe 3b herum über einen Umfang der Anschlussscheibe 3b verteilt angeordnet sind, und die zu der gegenüberliegenden Anschlussscheibe 2b hin erstreckt sind. Anhand der 8 ist erkennbar, dass die optischen Messsensoren des optischen Messsystems 8b auf dem sechseckigen Stützblock positioniert sind, der von den aufrecht stehenden Elektronikplatinen der Platinenanordnung 7b umgrenzt ist. Die vier optischen Messsensoren sind zwischen nicht näher bezeichneten Bohrbildern zum Anschluss der Anschlussscheibe 3b an einen entsprechenden Trägerflansch der Robotikseite positioniert, so dass ein Montieren oder Lösen der Anschlussscheibe 3b relativ zum entsprechenden Trägerflansch der Robotikseite durch die optischen Messsensoren nicht behindert wird. Die elektronische Auswertung der optischen Messsensoren ist in 8 nicht näher dargestellt, kann jedoch sowohl sensorintern als auch sensorextern zur Signalverarbeitung der jeweiligen Messkanäle (Messstellen) installiert werden.
Durch die Ausführungsform gemäß den 7 und 8 wird eine besonders hohe Ausfallsicherheit erzielt, da sich ein redundanter Messaufbau durch zwei vollkommen unterschiedliche Messsysteme, nämlich das Dehnmessstreifen-Messsystem einerseits und das optische Messsystem 8b andererseits ergibt. Die optischen Messsensoren des optischen Messsystems 8b können analog zu dem optischen Messsensor ausgeführt sein, wie er in der US 2014/0326882 A1 beschrieben ist.
Bei der Ausführungsform nach den 9 bis 11 ist der Kraft-Moment-Sensor 1, wie er anhand der 1 und 2 dargestellt und beschrieben ist, ergänzt um ein weiteres Messsystem, nämlich ein Kraft-Moment-System 10. Das Kraft-Moment-System 10 ist axial an eine Anschlussscheibe des Kraft-Moment-Sensors 1 angefügt. Das Kraft-Moment-System 10 ist ebenfalls mit Dehnmessstreifen versehen, die im Bereich von drei radial erstreckten Stegbrücken 13 angeordnet sind. Die Dehnmessstreifen sind als Halbleiter-Dehnungsmessstreifen ausgeführt, die gegenüber den bei dem Kraft-Moment-Sensor 1 verwendeten Dehnmessstreifen eine erheblich höhere Empfindlichkeit aufweisen, da sie bereits bei geringen Verformungen starke Veränderungen des elektrischen Widerstandes bewirken. Die Stegbrücken 13 erstrecken sich radial zwischen einem äußeren Ring 11 und einer inneren Anschlussscheibe 12 des Kraft-Moment-Systems 10. Die innere Anschlussscheibe 12 und der äußere Ring 11 sind über die Stegbrücken 13 einstückig miteinander verbunden. Die Halbleiter-Dehnungsmessstreifen stehen über in 11 angedeutete Anschlüsse 14 mit einem Elektronikkomponentensystem einer elektronischen Signalverarbeitungseinheit des Kraft-Moment-Systems 10 in Verbindung. Das Kraft-Moment-System 10 liefert im Betrieb des Kraft-Moment-Sensors unabhängig sensierte Werte an die zentrale Steuereinheit, so dass anhand dieser Ergebnisse überprüft werden kann, ob der Kraft-Moment-Sensor 1 mit dem anderen Dehnmessstreifen-Messsystem korrekt arbeitet. Entsprechend umgekehrt ermöglicht der Vergleich der durch die unterschiedlichen Messprinzipien erfassten Werte auch für das Kraft-Moment-System 10 Hinweise, ob dieses richtig funktioniert oder nicht.
In 12 ist ein Brückenelement 4c dargestellt, das für einen Kraft-Moment-Sensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung einsetzbar ist, wie er gemäß 1, gemäß 3, gemäß 7 oder gemäß 10 dargestellt ist. Dabei ist in einfacher Weise jedes Brückenelement 4c mit einer doppelten Anzahl von Dehnmessstreifeneinheiten 5c versehen, die jeweils parallel zueinander und symmetrisch zu einer neutralen Phase der jeweiligen Konturen des jeweiligen Brückenelementes angeordnet und befestigt sind. Die Befestigung der jeweils parallelen Dehnmessstreifeneinheiten 5c erfolgt in gleicher Weise wie bei den Dehnmessstreifeneinheiten 5, 5a und 5b. Durch entsprechende Verdopplung der Dehnmessstreifeneinheiten lässt sich in analoger Weise ein redundanter Systemaufbau erzielen, der die gewünschte funktionale Sicherheit für einen entsprechenden Kraft-Moment-Sensor erzielt, wie dies bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Fall war. Analog zur 12 lässt sich die Applikation symmetrisch beanstandeter, an der neutralen Phase angebrachter Dehnmessstreifen auch auf Halbleiterdehnmessstreifen anwenden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Installation auf eine gegenüber dem Brückenelement 4, 4a, 4b geänderte Geometrie entsprechend der in 9 dargestellten Stegbrücken 13 zu adaptieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0261071 A2 [0002]
US 2014/0326882 A1 [0011, 0038]
DE 102015215099 B3 [0026]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Normenreihe EN/IEC 61508 [0003]
EN ISO 13849 [0003]
EN/IEC 61511 [0003]
EN/IEC 62061 [0003]

Claims

Kraft-Moment-Sensor (1, 1a, 1b) mit zwei Anschlussscheiben (2, 3; 2a, 3a; 2b, 3b), von denen eine zur Verbindung mit einer Roboterseite und die andere zur Verbindung mit einer Werkzeugseite vorgesehen ist, mit mehreren Brückenelementen (4, 4a, 4b), die die beiden Anschlussscheiben (2, 3; 2a, 3a; 2b, 3b) einstückig miteinander verbinden, und mit einer Messsensorik, die ein Dehnmessstreifen-Messsystem aufweist, das Messstellen im Bereich jedes Brückenelementes (4, 4a, 4b) vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsensorik ein Überwachungssystem aufweist, das einen Ausfall oder eine Fehlfunktion von wenigstens einer Funktionskomponente der Messsensorik erfasst.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsensorik wenigstens zwei unterschiedliche Elektronikkomponentensysteme aufweist, die sich bezüglich ihrer Resistenz gegen Umgebungseinflüsse unterscheiden.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Messstelle vier Dehnmessstreifen (5) vorgesehen sind, wobei jeweils zwei Dehnmessstreifen (5) über jeweils eine Halbbrückenschaltung mit jeweils einer elektronischen Signalverarbeitungseinheit gekoppelt sind.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von wenigstens vier Brückenelementen (4a) mit einer entsprechend doppelten Anzahl von Messstellen vorgesehen ist, die mit jeweils einer elektronischen Signalverarbeitungseinheit gekoppelt sind.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messstelle acht Dehnmessstreifen in zwei Vollbrückenschaltungen aufweist, denen jeweils eine elektronische Signalverarbeitungseinheit zugeordnet ist.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiteres Messsystem (8b) vorgesehen ist, das ein zu dem Dehnmessstreifen-Messsystem unterschiedliches Messprinzip aufweist.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem ein piezoelektrisches Messprinzip aufweist.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Messsystem axial an eine Anschlussscheibe angefügt ist.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (8b) ein optisches Messprinzip aufweist.
Kraft-Moment-Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine weitere Messsystem, insbesondere das optische Messsystem (8b), axial zwischen den beiden Anschlussscheiben (2b, 3b) integriert ist.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Messsystem als Kraft-Moment-System mit unterschiedlich ausgeführten und/oder angeordneten Dehnmessstreifen gestaltet ist.