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Die Erfindung betrifft eine Kraftmesseinrichtung zur Erfassung einer längs einer Längsachse der Kraftmesseinrichtung wirkenden Kraft mit einem durch eine Krafteinwirkung verformbaren Kraftaufnehmer und mit einer Sensoreinrichtung, mit welcher in Abhängigkeit von einer Verformung des Kraftaufnehmers ein Messsignal erzeugt wird, wobei der Kraftaufnehmer einen in Richtung der Längsachse verformbaren hülsenförmigen Verformungskörper mit einer sich längs der Längsachse erstreckenden axialen Ausnehmung aufweist, der um eine Gewindespindel angeordnet werden kann, und wobei der Verformungskörper einen entlang der Längsachse verlaufenden und in Richtung der Längsachse durchgehenden Montageschlitz aufweist.
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Kraftmesseinrichtungen mit einem durch einwirkende Kräfte verformbaren Verformungskörper sind in zahlreichen verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. Ein Messbereich derartiger Kraftmesseinrichtungen kann beispielsweise durch eine Formgebung des Verformungskörpers oder durch eine Auswahl eines geeigneten Materials des Verformungskörpers vorgegeben werden. Eine durch eine Krafteinwirkung bewirkte Verformung des Verformungskörpers kann beispielsweise mit Dehnungsmessstreifen erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
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Kraftmesseinrichtungen, die zur Aufnahme von Zugkräften oder Druckkräften geeignet sind, weisen oftmals einen Verformungskörper auf, der an zwei gegenüberliegenden Außenseiten jeweils einen Krafteinleitungsbereich aufweist. Derartige Kraftmesseinrichtungen können zwischen zwei Bauteilen angeordnet werden, die relativ zueinander verlagert werden können und dadurch eine Zugkraft oder eine Druckkraft über die Krafteinleitungsbereiche auf den Verformungskörper übertragen und diesen dadurch verformen können. Die Formgebung des Verformungskörpers ist dabei oftmals nicht nur an den angestrebten Messbereich der Kraftmesseinrichtung angepasst, sondern auch im Hinblick auf eine möglichst hohe Präzision der Kraftmessung ausgelegt. So sollen beispielsweise unerwünschte Querkräfte das Messergebnis nicht übermäßig verändern und verfälschen können.
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Es sind auch Kraftmesseinrichtungen der eingangs genannten Gattung bekannt, bei denen der Verformungskörper hülsenförmig ausgebildet ist und eine sich längs der Längsachse erstreckende axiale Ausnehmung aufweist. In dieser axialen Ausnehmung kann beispielsweise eine Gewindespindel oder ein Bolzen angeordnet sein, so dass der Verformungskörper die Gewindespindel oder den Bolzen umgibt. Nachfolgend wird als Bolzen auch jedes beliebige längliche oder stabförmige Kraftübertragungselement angesehen, wobei dessen Querschnittsfläche nicht nur kreisförmig, sondern auch beispielsweise quadratisch, oval oder polygonal sein kann und sich gegebenenfalls längs seiner axialen Erstreckung auch verändern kann. Der um die Gewindespindel oder den Bolzen herum angeordnete Verformungskörper kann an einem ersten Ende in axialer Richtung relativ zu der Gewindespindel oder dem Bolzen festgelegt werden und mit seinem gegenüberliegenden Ende mit einem relativ zu der Gewindespindel oder dem Bolzen verlagerbaren Bauteil in Wirkverbindung stehen. Mit einer derart ausgebildeten und angeordneten Kraftmesseinrichtung können die längs einer Längsachse der Gewindespindel oder des Bolzens auftretenden Kräfte bzw. Belastungen erfasst werden.
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Zum Beispiel können mit einer solchen Kraftmesseinrichtung auch die auf einem Linear-Aktor mit einer Gewindespindel einwirkenden Kräfte gemessen werden. Es ist ebenfalls möglich, die auf Hubeinrichtungen oder Schlittenführungen einwirkenden Kräfte und Belastungen zu erfassen, die beispielsweise bei Werkzeugmaschinen oder Maschinenanlagen eingesetzt werden können.
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Eine Kraftmesseinrichtung, die eine Gewindespindel oder einen Bolzen umgeben, und die in der Längsrichtung auftretenden Kräfte erfassen soll, muss üblicherweise vor einem Einbau der Gewindespindel oder des Bolzens in eine Aufnahmevorrichtung oder eine Maschineneinrichtung auf die Gewindespindel oder auf den Bolzen aufgeschoben werden, bevor die Gewindespindel oder der Bolzen an beiden Enden in eine jeweils zugeordnete Aufnahmevorrichtung oder Lagereinrichtung eingesetzt wird. Eine nachträgliche Anbringung einer Kraftmesseinrichtung beispielsweise an eine Gewindespindel erfordert üblicherweise einen teilweisen oder vollständigen Ausbau der Gewindespindel aus den umgebenden Aufnahme- oder Lagereinrichtungen, damit die Gewindespindel in Längsrichtung in die axiale Ausnehmung des Verformungskörpers eingeführt werden kann.
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Aus Druckschriften
DE 34 37 246 A1 ,
DE 35 26 025 A1 und
DE 10 2005 040 186 A1 sind Kraftmesseinrichtungen bekannt bei welchen jeweils ein Verformungskörper einen entlang der Längsachse verlaufenden und in Richtung der Längsachse durchgehenden Montageschlitz aufweist, so dass die Montage der jeweiligen Kraftmesseinrichtung an einer Gewindespindel oder gegebenenfalls an einem Bolzen erleichtert ist.
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Es wird als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, eine Kraftmesseinrichtung mit einem Verformungskörper der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, dass der Verformungskörper besonders vorteilhafte Eigenschaften für die Kraftmessung aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Verformungskörper zwei quer zur Längsachse verlaufende Verformungsschlitze aufweist, die sich von einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen in radialer Richtung von außen bis zu der axialen Ausnehmung hin erstrecken. Der Verformungskörper weist zwei quer zur Längsachse verlaufende Verformungsschlitze auf, die sich von einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen in radialer Richtung von außen bis zu der axialen Ausnehmung hin erstrecken. Dabei kann vorgesehen sein, dass sich ein erster Verformungsschlitz von dem Montageschlitz aus nach innen zu der radialen Ausnehmung hin erstreckt, während sich ein zweiter Verformungsschlitz von einer gegenüberliegenden Seite aus ebenfalls zu der axialen Ausnehmung hin erstreckt. Die beiden Verformungsschlitze sind entlang der Längsachse beabstandet zueinander angeordnet. Die beiden von entgegengesetzten Seiten aus zur Mittenachse hin ragenden Verformungsschlitze bilden einen S-förmigen Verlauf des verbleibenden Materials des Verformungskörpers in einem Bereich um die beiden Verformungsschlitze. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Formgebung besonders vorteilhafte Eigenschaften des Verformungskörpers für die Kraftmessung ermöglicht und insbesondere eine hohe Präzision der Kraftmessung erlaubt.
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Bei einer in axialer Richtung bzw. entlang der Längsachse der Kraftmesseinrichtung auf den Verformungskörper einwirkenden Kraft verformt sich der Verformungskörper vor allem in einem Bereich um die zwei Verformungsschlitze. In diesem Bereich können in vorteilhafterweise die für eine Erfassung der Verformung des Verformungskörpers vorgesehene Messelemente wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen angeordnet sein, da dort die belastungsbedingte Verformung des Verformungskörpers besonders groß ist. Quer zur Längsachse verlaufende Verformungsschlitze können in einfacher Weise und vergleichsweise präzise hergestellt werden.
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Die Abmessungen des Montageschlitzes sind zweckmäßigerweise so vorgegeben, dass der Verformungskörper nicht nur von einem Ende der Gewindespindel aus mit seiner axialen Ausnehmung auf die Gewindespindel aufgeschoben werden kann, sondern dass die Gewindespindel quer zu der Längsachse seitlich durch den durchgehenden Montageschlitz in den Verformungskörper hinein verlagert werden kann, bis die Gewindespindel in der axialen Ausnehmung angeordnet ist. Dadurch wird es ermöglicht, dass die Kraftmesseinrichtung nachträglich an einer an beiden Enden jeweils in einer zugeordneten Aufnahme- oder Lagereinrichtung festgelegten Gewindespindel angeordnet und montiert werden kann, ohne dass die Gewindespindel teilweise oder vollständig aus der umgebenden Aufnahme- oder Lagereinrichtung ausgebaut werden muss. Eine nachträgliche Montage der Kraftmesseinrichtung um eine Gewindespindel herum wird dadurch wesentlich vereinfacht und erleichtert.
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Ein Einfluss des Montageschlitzes auf eine durch eine Krafteinwirkung erzeugte Verformung des Verformungskörpers kann durch eine geeignete Kalibration der Kraftmesseinrichtung berücksichtigt werden. Die Formgebung des Verformungskörpers kann im Hinblick auf den angestrebten Messbereich so vorgegeben werden, dass sich der Montageschlitz nicht nachteilig auf den angestrebten Verwendungszweck der Kraftmesseinrichtung auswirkt.
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Durch eine einstückige Ausgestaltung des Verformungskörpers kann im Vergleich zu einer mehrteiligen Ausgestaltung des Verformungskörpers eine merklich höhere Genauigkeit der Kraftmesseinrichtung erreicht werden, da keine Fügestellen existieren, welche die durch eine Krafteinwirkung erzwungene Verformung des Verformungskörpers beeinflussen können.
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Es ist vorgesehen, dass der Montageschlitz in Umfangsrichtung eine Schlitzbreite aufweist, die geringer als ein Durchmesser der axialen Ausnehmung in dem Verformungskörper ist. Die Schlitzbreite des Montageschlitzes ist zweckmäßigerweise an einen Durchmesser der Gewindespindel oder des Bolzen angepasst, so dass der Verformungskörper seitlich auf die Gewindespindel oder auf den Bolzen aufgeschoben werden kann und die Schlitzbreite des Montageschlitzes etwas breiter als der Durchmesser der Gewindespindel oder des Bolzens ist. Die axiale Ausnehmung in dem Verformungskörper kann einen größeren Durchmesser als den Durchmesser der darin angeordneten Gewindespindel oder des Bolzens aufweisen, um gewährleisten zu können, dass der Verformungskörper auch bei einer belastungsbedingten Verformung nicht mit der Gewindespindel oder dem Bolzen in Kontakt kommt. Gegebenenfalls können an einer Innenwand der axialen Ausnehmung Sensoren oder andere Messkomponenten angeordnet sein, die von dem umgebenden Verformungskörper vor Umgebungseinflüssen geschützt sind. Die Schlitzbreite des Montageschlitzes kann in vorteilhafter Weise so gering wie möglich vorgegeben werden.
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Es kann optional vorgesehen sein, dass sich die zwei Verformungsschlitze in radialer Richtung von außen bis mindestens zu einer in Längsrichtung verlaufenden Mittenachse der axialen Ausnehmung des Verformungskörpers erstrecken. Je weiter sich die Verformungsschlitze in radialer Richtung von außen in den Verformungskörper hinein erstrecken, umso ausgeprägter wird ein Schwächungsbereich des Verformungskörpers vorgegeben und umso größer kann eine belastungsbedingte Verformung des Verformungskörpers in einem die Verformungsschlitze umgebenden Bereich sein. Die mechanische Stabilität des Verformungskörpers kann beispielsweise durch eine geeignete Vorgabe einer Wandstärke des hülsenförmigen Verformungskörpers an den vorgesehenen Messbereich der Kraftmesseinrichtung angepasst sein.
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Es ist optional vorgesehen, dass die Kraftmesseinrichtung an mindestens einer Stirnseite des Verformungskörpers einen Krafteinleitungsflansch aufweist. Der Krafteinleitungsflansch kann einstückig an dem Verformungskörper ausgebildet sein. Es ist ebenfalls möglich und für eine einfache Anpassung der Kraftmesseinrichtung an unterschiedliche Einbausituationen vorteilhaft, dass der Krafteinleitungsflansch gesondert hergestellt und nachträglich mit dem Verformungskörper verbunden werden kann. Der Krafteinleitungsflansch kann eine Krafteinleitungsfläche aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass unerwünschte Querkräfte nur einen möglichst geringen Einfluss auf eine belastungsbedingte Verformung des Verformungskörpers haben können. Der Krafteinleitungsflansch kann eine Formgebung aufweisen, die an eine möglichst einfache und zuverlässige Verbindung mit einem angrenzenden Bauteil angepasst ist. Der Krafteinleitungsflansch kann aus einem anderen Material als der Verformungskörper hergestellt sein.
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Zweckmäßigerweise ist optional vorgesehen, dass der Krafteinleitungsflansch einen Montageschlitz aufweist. Der Montageschlitz kann hinsichtlich seiner Formgebung an den Montageschlitz des Verformungskörpers angepasst sein. Der Krafteinleitungsflansch kann bei einer Montage der Kraftmesseinrichtung an einer Gewindespindel in Umfangsrichtung dieselbe Ausrichtung wie der Verformungskörper aufweisen. Es ist ebenfalls denkbar, dass nach dem seitlichen Aufschieben und Anordnen des Verformungskörpers und des Krafteinleitungsflansches der Krafteinleitungsflansch relativ zu dem Verformungskörper verdreht wird und der Montageschlitz des Krafteinleitungsflansches eine andere Ausrichtung als der Montageschlitz des Verformungskörpers aufweist.
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Im Hinblick auf eine möglichst einfache und gleichwohl zuverlässige Verbindung der Kraftmesseinrichtung mit einem angrenzenden Bauteil ist vorgesehen, dass der Krafteinleitungsflansch mehrere in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnete und in Richtung der Längsachse durchgehende Befestigungsbohrungen aufweist. Der Krafteinleitungsflansch kann mit Hilfe von in den Befestigungsbohrungen angeordneten Schrauben mit einem angrenzenden Bauteil verbunden und daran festgelegt werden.
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Die erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung kann beispielsweise für Antriebsspindeln von Hubtischen oder für Schlittenführungen von Maschinen, insbesondere Werkzeugmaschinen verwendet werden und dabei die jeweils auf die Hubtische oder die Schlittenführungen einwirkenden Kräfte erfassen. Dabei können ohne weiteres Genauigkeiten von bis zu 1% der maximal erfassbaren Kräfte erreicht werden. Mit der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung können zahlreiche Anlagenkomponenten nachgerüstet und für eine intelligente und digitale Erfassung von Lastkollektiven ertüchtigt werden. Dadurch können nicht nur der Betrieb der Anlagenkomponenten vereinfacht und automatisiert werden, sondern auch die Betriebssicherheit erhöht werden. Auch können beispielsweise eine Beanspruchung der Anlagenkomponenten über die jeweilige Nutzungsdauer hinweg erfasst und geeignete Zeitpunkte für eine Wartung oder für einen Austausch der betreffenden Anlagenkomponente vorgegeben werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:
- 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung,
- 2 eine Draufsicht auf eine Stirnseite der in 1 dargestellten Kraftmesseinrichtung mit einem an der Stirnseite angeordneten Krafteinleitungsflansch,
- 3 eine schematische Darstellung eines Montagevorgangs der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung an einer Gewindespindel, die durch einen Montageschlitz seitlich in eine axiale Ausnehmung in den Verformungskörper der Kraftmesseinrichtung eingebracht wird, und
- 4 eine schematische Darstellung eines Hubtisches, der mit einer Gewindespindel verlagert werden kann, wobei die Kraftmesseinrichtung nachträglich um die Gewindespindel herum montiert und mit dem Hubtisch verbunden worden ist.
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Eine in den 1 und 2 schematisch dargestellte exemplarische Kraftmesseinrichtung 1 weist einen hülsenförmigen Verformungskörper 2 auf, der einstückig aus einem geeigneten Material hergestellt ist und beispielsweise aus Metall besteht. Der hülsenförmige Verformungskörper 2 weist eine sich entlang einer Längsachse 3 erstreckende axiale Ausnehmung 4 auf. Die axiale Ausnehmung 4 weist ihrerseits eine im Wesentlichen zylinderförmige Formgebung auf. Ein Durchmesser der axialen Ausnehmung 4 ist etwas größer als ein Durchmesser einer in den 1 und 2 nicht dargestellten Gewindespindel, die durch die axiale Ausnehmung 4 hindurch verlaufend so angeordnet werden kann, dass der hülsenförmige Verformungskörper 2 die Gewindespindel umgibt.
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Der Verformungskörper 2 weist einen ebenfalls entlang der Längsachse 3 verlaufenden und in Richtung der Längsachse 3 sich über den gesamten Verformungskörper 2 hinweg erstreckenden Montageschlitz 5 auf. Eine in Umfangsrichtung gemessene Breite des Montageschlitzes 5 ist geringer als der Durchmesser der axialen Ausnehmung 4 und lediglich geringfügig größer als der Durchmesser der Gewindespindel, die durch den Montageschlitz 5 in die axialen Ausnehmung 4 eingeführt werden können soll.
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Der Verformungskörper 2 weist zwei quer zu der Längsachse 3 verlaufende Verformungsschlitze 6 auf, die sich von einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen 7, 8 jeweils von außen in radialer Richtung bis zu der axialen Ausnehmung 4 hin erstrecken. In 1 ist ersichtlich, dass sich die beiden Verformungsschlitze 6 in radialer Richtung bis über die mittig in der axialen Ausnehmung 4 verlaufende Längsachse 3 hinweg bzw. über eine Mittenachse der axialen Ausnehmung 4 hinweg erstrecken. Durch die beiden Verformungsschlitze 6 erhält der Verformungskörper 2 bei einer seitlichen Ansicht, wie sie näherungsweise in 1 dargestellt ist, eine näherungsweise S-förmige Formgebung bzw. Kontur. In einem Verformungsbereich 9 zwischen den beiden in axialer Richtung beabstandeten und sich jeweils radial von außen bis über die Längsachse 3 hinweg erstreckenden Verformungsschlitzen 6 ist eine Bohrung 10 angeordnet, sodass zwischen der Bohrung 10 und dem jeweils angrenzenden Verformungsschlitz 6 jeweils ein Verformungssteg 11 gebildet wird. Durch die Verformungsschlitze 6, die Bohrung 10 und die Verformungsstege 11 können eine Verformung des Verformungsbereichs 9 bei einer in Richtung der Längsachse 3 auf den Verformungskörper 2 einwirkenden Kraft begünstigt werden und eine Verformungsrichtung sowie eine Verformungsamplitude bei der Krafteinwirkung vorgegeben werden, wird. Beispielsweise durch eine geeignete Anordnung von Dehnungsmessstreifen im Bereich der Verformungsstege 11 kann eine Verformung des Verformungskörpers 2 in Abhängigkeit von einer einwirkenden Kraft präzise erfasst werden. Es können auch andere Verformungssensoren oder Messeinrichtungen zur Erfassung der auf den Verformungskörper 2 einwirkenden Kräfte an dem Verformungskörper 2 angeordnet sein. Die mit den Dehnungsmessstreifen oder mit anderen Verformungssensoren oder Messeinrichtungen erzeugten Messsignale können über einen Messdatenanschluss 12 in eine externe und nicht dargestellte Auswerteeinrichtung überführt werden.
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An einer ersten Stirnseite 13 des Verformungskörpers 2 ist ein Krafteinleitungsflansch 14 angeordnet. Auch der Krafteinleitungsflansch 14 weist ebenso wie der Verformungskörper 2 einen Montageschlitz 15 auf. Der Krafteinleitungsflansch 14 ist durch mehrere in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnete Befestigungsschrauben 16, die durch in Richtung der Längsachse 3 verlaufende Befestigungsbohrungen 17 hindurch ragen, mit dem Verformungskörper 2 verbunden. Der Krafteinleitungsflansch 14 kann vorab mit dem Verformungskörper 2 verschraubt und gemeinsam mit diesem seitlich auf eine Gewindespindel aufgeschoben werden. Es ist ebenfalls möglich, den Verformungskörper 2 und den Krafteinleitungsflansch 14 unabhängig voneinander seitlich auf die Gewindespindel aufzuschieben und anschließend miteinander zu verschrauben. In diesem Fall könnte auch der Montageschlitz 15 des Krafteinleitungsflansch 14 in Umfangsrichtung relativ zu dem Montageschlitz 5 des Verformungskörpers 2 verdreht ausgerichtet sein, falls ein vollständiges Umgreifen der in der axialen Ausnehmung 4 angeordneten Gewindespindel durch die Kraftmesseinrichtung 1 gewünscht oder vorteilhaft ist.
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In 3 ist exemplarisch ein Moment während der Montage der Kraftmesseinrichtung 1 auf einer Gewindespindel 18 dargestellt. Die Kraftmesseinrichtung 1 weist den Verformungskörper 2 und den Krafteinleitungsflansch 14 auf, wobei sowohl der Montageschlitz 5 des Verformungskörpers 2 als auch der Montageschlitz 15 des Krafteinleitungsflansches 14 relativ zueinander fluchtend und in Umfangsrichtung in dieselbe Richtung ausgerichtet sind. Die Kraftmesseinrichtung 1 wird seitlich auf die Gewindespindel 18 aufgeschoben, bis die Gewindespindel 18 in der axialen Ausnehmung 4 angeordnet ist und die Kraftmesseinrichtung 1 die Gewindespindel 18 umgibt.
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In 4 ist exemplarisch die Anordnung der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung 1 an der Gewindespindel 18 eines Hubtisches 19 dargestellt. Der an der ersten Stirnseite 13 des Verformungskörpers 2 angeordnete Krafteinleitungsflansch 14 ist kraftübertragend an einer Unterseite 20 des Hubtisches 19 festgelegt. An einer der ersten Stirnseite 12 gegenüberliegenden Stirnseite 21 des Verformungskörpers 2 ist ebenfalls ein Krafteinleitungsflansch 22 befestigt. Der Krafteinleitungsflansch 22 steht in einem Gewindeeingriff mit der Gewindespindel 18 und wird bei einer Rotationsbewegung der Gewindespindel 18 in axialer Richtung verlagert. Mit der Kraftmesseinrichtung 1 kann über die Verformung des Verformungskörpers 2 insbesondere im Bereich der Verformungsstege 11 eine im Wesentlichen in Richtung der Gewindespindel 18 bzw. der Längsachse 3 der Kraftmesseinrichtung 1 auf den Verformungskörper 2 einwirkende Kraft erfasst werden. Auf diese Weise können mit der Kraftmesseinrichtung 1 beispielsweise die während einer Verlagerung des Hubtisches 19 auftretenden bzw. auf die Gewindespindel 18 und den Hubtisch 19 einwirkenden Kräfte erfasst und kontrolliert werden. Es ist ebenfalls möglich, mit der Kraftmesseinrichtung 1 beispielsweise das Erreichen eines Endanschlags für eine Verlagerung des Hubtisches 19 oder ein unvorhergesehenes Auffahren des Hubtisches 19 auf ein Hindernis festzustellen. Die erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung 1 kann nachträglich an der Gewindespindel 18 angeordnet werden, ohne die Gewindespindel 18 von dem Hubtisch 19 zu lösen oder aus den jeweiligen Lagereinrichtungen herauszunehmen. Der Hubtisch 19 kann demzufolge ohne größeren Montageaufwand nachträglich mit einer Kraftmesseinrichtung 1 an der Gewindespindel 18 ausgerüstet und für eine automatisierte Steuerung oder Regelung einer kontrollierbaren Verlagerung des Hubtisches 19 ertüchtigt werden.
