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Die Erfindung betrifft eine Kraftsensorvorrichtung zur Einleitung und Messung einer Kraft.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der
DE 32 41 850 A1 eine Kraftmessvorrichtung mit einem Kranz aus achsparallelen Befestigungsbohrungen bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftsensorvorrichtung vorzuschlagen, die eine verbesserte Handhabung für ein breites Anwendungsspektrum bieten kann.
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Die Aufgabe wird, ausgehend von einer Kraftsensorvorrichtung der eingangs genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Die erfindungsgemäße Kraftsensorvorrichtung ist so ausgebildet, dass eine Kraft eingeleitet werden kann, die sodann vermessen werden soll. Hierzu kann bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung etwa ein Krafteinleitungselement in Form einer Welle oder eines Bolzens vorhanden sein. Bei dem Objekt, das die Kraft ausübt, handelt es sich beispielsweise um ein Werkzeug, welches dementsprechend mit dem Krafteinleitungselement bzw. dem Bolzen / der Welle verbunden wird. Die zu vermessende Kraft drückt sodann gegen die Welle / den Bolzen. Dementsprechend muss die Kraftsensorvorrichtung gegenüber dieser Krafteinwirkung abgestützt sein, denn es muss eine entsprechende, gleichgroße Gegenkraft (Reactio) ausgeübt werden, damit ein Dehnmessstreifen oder ein Piezoelement oder ein sonstiger Kraftaufnehmer zur Messung die Kraftwirkung erfährt und die Kraftsensorvorrichtung überhaupt eine Messung durchführen kann.
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Zur Messung können derartige Dehnmessstreifen verwendet werden, deren elektrischer Widerstand sich durch die mechanische Einwirkung bzw. Dehnung verändert. Denkbar ist auch, eine kapazitive Messung vorzunehmen. Ferner können Piezoelemente, auf die eine Kraft ausgeübt wird, verwendet werden. Auch andere Arten von Kraftaufnehmern können grundsätzlich eingesetzt werden. Die Kraftsensorvorrichtung kann grundsätzlich zur Messung von Zug-und/oder Druckkräften verwendet werden.
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Um die Kraftsensorvorrichtung zu lagern bzw. zu montieren, sodass bei Einleitung der Kraft auch eine Gegenkraft ausgeübt werden kann und die Kraftsensorvorrichtung nicht bewegt wird, umfasst diese ein Gehäuse, in dem Sensorkomponenten der Kraftsensorvorrichtung wie zum Beispiel die Sensorelektronik untergebracht sind. Es ist aber im Allgemeinen nicht notwendig, dass die gesamte Sensorelektronik oder alle Sensorkomponenten in dem Gehäuse selbst untergebracht sind. Zum Beispiel kann eine Auswerteeinrichtung in der Regel außerhalb des Gehäuses angebracht sein.
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Zur Montage umfasst das Gehäuse wenigstens eine Ausnehmung, die ein Durchgangsloch umfasst, welches wiederum in einer Vertiefung mündet. Durch diese Ausnehmung kann zur Montage der Kraftsensorvorrichtung eine Schraube durch das Gehäuse gesteckt werden. Durchgangsloch und Vertiefung müssen nicht durch eine spanabhebende Bearbeitung in das Gehäuse eingebracht werden. Das Gehäuse kann auch entsprechend geformt sein. Die Vertiefung kann beispielsweise auch in Form einer Senkbohrung vorliegen.
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Wird die Kraftsensorvorrichtung somit an einem Objekt, wie zum Beispiel einer Montageplatte befestigt, so kann zu diesem Zweck eine Schraube durch das Durchgangsloch gesteckt werden und in einem Gewinde in dem Objekt bzw. der Montageplatte verschraubt werden. Die Schraube kann so weit eingedreht werden, bis der Schraubenkopf vollständig innerhalb der Vertiefung verschwindet und gegen die Stirnseite der Vertiefung drückt bzw. an dieser anliegt, sodass das Gehäuse spielfrei an der Montageplatte bzw. an dem Objekt anliegt.
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Damit die Kraftsensorvorrichtung auch nicht um die Achse der Durchgangsbohrung herum gedreht werden kann, können vorteilhafter Weise mehrere Ausnehmungen (mit Durchgangslöchern und Vertiefungen) zur Montage vorgesehen sein.
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Die erfindungsgemäße Kraftsensorvorrichtung zeichnet sich u.a. dadurch aus, dass eine beidseitige Montage bzw. eine Montage an einem Objekt mit oder ohne Gewindebohrung ermöglicht wird und somit die Kraftsensorvorrichtung gemäß der Erfindung für verschiedene Anwendungen verwendet werden kann und zudem sehr gut handhabbar ist. Vor allem kann erfindungsgemäß die Anbringung bzw. Montage der Kraftsensorvorrichtung erleichtert werden.
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Zu diesem Zweck ist wenigstens ein Gewindeeinsatz vorgesehen, der in der Vertiefung aufgenommen werden kann. Der Gewindeeinsatz wiederum ist mit einer Gewindebohrung versehen, die im in der Vertiefung angeordneten Zustand des Gewindeeinsatzes so ausgebildet ist, dass die Gewindebohrung in Bezug auf dessen Längsachse fluchtend zum Durchgangsloch angeordnet ist. Somit wird ermöglicht, dass die Kraftsensorvorrichtung wahlweise mit oder ohne Gewinde ausgestattet ist, um eine Montage, angepasst an den jeweiligen Anwendungsfall, zu ermöglichen.
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Verfügt das Objekt, an dem die Kraftsensorvorrichtung montiert werden soll, über ein Gewinde, also handelt es sich beispielsweise um eine Montageplatte mit Gewindebohrung, so kann die Kraftsensorvorrichtung mit dem Gehäuse auf dem Objekt aufgesetzt und mit Schrauben daran befestigt werden. Die Schrauben werden dann durch das Gehäuse bzw. durch die Ausnehmung durchgesteckt und in die entsprechenden Gewinde der Montageplatte bzw. des Objekts eingeschraubt. In dieser Bohrung kann der Schraubenkopf sodann versenkt werden. Verfügt die Montageplatte bzw. das Objekt nicht über Gewindebohrungen, so können die Schrauben durch eine Bohrung der Platte (von der dem Sensor abgewandten Seite aus) und dann weiter durch die Ausnehmung im Gehäuse der Kraftsensorvorrichtung gesteckt werden. Zuvor wird in der Vertiefung sodann der Gewindeeinsatz platziert, sodass die Schraubengewinde in die Gewindebohrung der Gewindeeinsätze eingedreht werden können und das Gehäuse halten.
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Damit der Gewindeeinsatz nicht aus der Vertiefung herausgedrückt wird, wenn die Schrauben in den Gewindeeinsatz (von der Gehäuseseite kommend) eingedreht werden, umfasst der Gewindeeinsatz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Haltevorrichtung. Beim Eindrehen der Schrauben wird in der Regel nur eine geringe Kraft parallel zur Längsachse des Durchgangslochs wirken, sodass in der Regel auch die Haltevorrichtung nur dazu ausgebildet sein muss, vergleichsweise geringe Kräfte zu halten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Kraftsensorvorrichtung aber nicht nur dazu ausgebildet sein, an Objekten bzw. Montageplatten montiert zu werden, die entweder mit oder ohne Gewindebohrungen ausgestattet sind, sondern sie ermöglicht auch eine beidseitige Montage der Kraftsensorvorrichtung. Durch das Verwenden der Gewindeeinsätze kann gewissermaßen die Kraftsensorvorrichtung mit oder ohne Gewinde ausgestattet sein. Die Montageschrauben können zur Befestigung des Gehäuses gewissermaßen von beiden Seiten durch das Gehäuse geführt werden. Ein beidseitiges Anschrauben ist möglich.
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Denkbar ist darüber hinaus, dass für die Kraftsensorvorrichtung verschiedene Gewindeeinsätze mit unterschiedlichen Gewindearten und -größen bereitgestellt werden. D.h. je nachdem, welche Montagemittel vorgesehen sind, können sodann die passenden Gewindeeinsätze verwendet werden, ohne dass das Gehäuse getauscht oder sogar eine andere Kraftsensorvorrichtung verwendet werden muss. Stattdessen können die Gewindeeinsätze in der Regel schnell und ohne Aufwand getauscht werden. Zur Entnahme eines Gewindeeinsatzes kann auch eine Schraube in die Gewindebohrung ein Stück weit eingedreht werden. Anschließend wird durch Ziehen an der Schraube der Gewindeeinsatz entnommen.
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Ohne Verwendung eines Gewindeeinsatzes kann die Montage einer entsprechenden Kraftsensorvorrichtung von einer bestimmten Seite aus erfolgen. Genauer gesagt kann die Schraube durch die Ausnehmung im Gehäuse gesteckt werden und in einem Gewinde einer Montageplatte oder dergleichen auf der anderen Gehäuseseite eingreifen. Kann die Montage jedoch aus baulichen Gründen nur von der gegenüberliegenden Seite erfolgen, so können die passenden Gewindeeinsätze verwendet werden, ohne dass die Kraftsensorvorrichtung umgebaut oder ausgetauscht werden muss.
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Der Gewindeeinsatz kann im Gehäuse zum Beispiel durch Formschluss und/oder durch Kraftschluss halten. Dies hängt je nachdem auch davon ab, von welcher Seite aus der Gewindeeinsatz in die Vertiefung eingebracht wird. Eine zumindest teilweise kraftschlüssige Halterung kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn der Gewindeeinsatz ebenfalls parallel zur Längsachse des Durchgangslochs platziert wird, weil sonst die Kraft, mit der die Schraube ins Gehäuse gesteckt wird, parallel zur Längsachse des Durchgangslochs wirkt und den Gewindeeinsatz herausdrücken kann.
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Beispielsweise kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein elastischer Ring, etwa ein Elastomerring bzw. ein Dichtungsring, am Halteelement vorgesehen sein, und zwar insbesondere am Außenmantel des Gewindeeinsatzes bzw. so, dass er die Gewindebohrung umgibt. Die Größe des elastischen Rings wird so gewählt, dass dieser etwas breiter als die Vertiefung an der entsprechenden Stelle ist, sodass der Ring eingepresst wird. Hierbei handelt es sich um eine relativ kostengünstige Variante, da der elastische Ring zum Beispiel als Dichtungsring ausgebildet sein kann und somit als Standardbauteil mit geringem Kostenaufwand bezogen werden kann.
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Denkbar ist aber auch, dass ein oder mehrere Magnete verwendet werden, die in den Gewindeeinsatz eingesetzt werden können. Auch hierzu können Aufnahmemulden in Form von Senkbohrungen oder sonstigen Ausnehmungen oder Vertiefungen innerhalb des Gewindeeinsatzes vorgesehen sein. Denkbar ist zum Beispiel, dass der Gewindeeinsatz ein ferromagnetisches Material umfasst, sodass die Magnete zunächst am Gewindeeinsatz selbst halten. Darüber hinaus kann das Gehäuse ein ferromagnetisches Material aufweisen oder aus einem solchen ausgebildet sein, sodass der Gewindeeinsatz am Gehäuse in der Vertiefung gehalten wird. Ein derartiger Magnet kann beispielsweise gegenüber einem elastischen Ring den Vorteil aufweisen, dass dieser nicht so schnell verschleißt. Andererseits wiederum ist es denkbar, dass Magnete nicht für jeden Anwendungsfall verwendet werden können, falls entsprechende Magnetfelder stören sollten.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann der Gewindeeinsatz in seinem Querschnitt so ausgebildet sein, dass er formschlüssig in die Vertiefung passt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn im Querschnitt Gewindeeinsatz und/oder Vertiefung nicht kreisrund ausgebildet sind, da sich sonst beim Drehen der Schraube der Gewindeeinsatz in der Vertiefung mitdrehen könnte, vor allem dann, wenn sich das Gewinde verhaken oder infolge der Reibung kurzzeitig blockieren sollte. Gewindeeinsatz und Vertiefung können beispielsweise einen ovalen Querschnitt oder ein Polygonzug aufweisen. Der Querschnitt kann beispielsweise auch viereckig ausgebildet sein. Hieraus ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Verdrehsicherung. Diese Verdrehsicherung ermöglicht, die Schraube in den Gewindeeinsatz einschrauben zu können, ohne den Gewindeeinsatz befestigen zu müssen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Gewindeeinsatz hinsichtlich seiner Höhe vollständig in der Vertiefung versenkbar ist, sodass es von außen nicht auffällt, ob der Gewindeeinsatz überhaupt vorhanden ist oder nicht. Gewissermaßen bleibt die Oberfläche relativ eben ohne Erhebungen.
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Je nach Ausführungsvariante der Erfindung können die Ausnehmungen bzw. Durchgangsbohrungen um das Kraft- Einleitungselement herum in regelmäßigen Winkelabständen angeordnet sein, sodass die Kraft auch gleichmäßig auf das Gehäuse verteilt wird. Denkbar ist aber auch eine von diesem Aufbau abweichende Ausbildung. Das Verwenden bestimmter Winkelabstände kann auch als Codierung eingesetzt werden, d.h. die Kraftsensorvorrichtung kann nur an bestimmten Objekten oder Montageplatten befestigt werden, weil die Ausnehmungen bzw. Gewindebohrungen fluchtend übereinander gebracht werden müssen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Kraftsensorvorrichtung gemäß der Erfindung mit Magnethaltevorrichtung für Gewindeeinsätze,
- 2: einen schematischen Schnitt durch eine Kraftsensorvorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Dichtungsring als Haltevorrichtung, sowie
- 3: einen schematischen Schnitt durch eine Kraftsensorvorrichtung gemäß der Erfindung, wobei die Schraube in eine Gewindebohrung der Montageplatte gedreht ist.
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1 zeigt eine Kraftsensorvorrichtung 1 mit einem Gehäuse 2, an der ein Bolzen 3 gelagert ist. Über den Bolzen 3 kann eine Kraft auf die Kraftsensorvorrichtung 1 übertragen und vermessen werden. Im Gehäuse 2 sind weitere Komponenten zur Messung der Kraft untergebracht, beispielsweise ein Dehnmessstreifen oder ein Piezoelement, auf das die zu vermessende Kraft einwirkt. Auch ein Teil der Sensorelektronik kann darin untergebracht werden. Darüber hinaus umfasst das Gehäuse Ausnehmungen 4, die das Gehäuse 2 vollständig durchsetzen und ein Durchgangsloch 5 und eine Vertiefung 6 umfassen.
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Die Kraftsensorvorrichtung 1 ist an einer Montageplatte 7 befestigt. In 1 sind zwei unterschiedliche Montagearten gezeigt: Zum einen ist die Montageplatte 7 mit Gewindebohrungen 8, zum Teil auch mit Durchgangsbohrungen 9 ausgestattet. In dem Bereich, wo die Ausnehmung 4 über einer Gewindebohrung 8 positioniert ist, genügt es zur Befestigung der Kraftsensorvorrichtung 1 an einer Montageplatte 7, eine Schraube 10 von der Seite der Kraftsensorvorrichtung 1 durch die Ausnehmung 4 hindurchzustecken und die Schraube 10 in das Gewinde 8 in der Montageplatte 7 einzuschrauben. Die Schraube 10 ist hinsichtlich ihrer Länge so ausgebildet, dass sie vollständig in die Gewindebohrung 8 eingedreht werden kann und ihr Schraubenkopf 11 in der Vertiefung 6 vollständig aufgenommen wird. An der Oberseite des Gehäuses 2 steht die Schraube 10 bzw. der Schraubenkopf 11 somit nicht heraus.
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Zum anderen ist im rechten Bereich in 1 eine Schraube 10 von unten, d.h. zunächst durch die Montageplatte und dann durch die Ausnehmung 4 im Gehäuse 2 hindurchgesteckt, also mit der Gewindeseite der Schraube 10 zum Gehäuse 2 hin. Damit die Schraube 10 die Kraftsensorvorrichtung 1 halten kann, ist ein Gewindeeinsatz 12 vorgesehen, der in die Vertiefungen 6 eingebracht wird.
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Im Querschnitt besitzt der Gewindeeinsatz 12 die Form eines Vierecks, genauer eines Rechtsecks mit ungleichlangen Seiten und mit abgerundeten Kanten. Der Gewindeeinsatz 12 ist formschlüssig (mit gewissem Spiel) in der Ausnehmung 4 aufgenommen. Demzufolge ist der Gewindeeinsatz 12 verdrehsicher in der Ausnehmung 4 gelagert. Auch wenn die Schraube 10 beim Eindrehen einen mechanischen Widerstand erfährt, verkantet oder dergleichen, kann sich der Gewindeeinsatz 12 nicht mitdrehen.
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In den Gewindeeinsatz 12 sind zwei Aufnahmemulden eingelassen, um darin zwei Magnete 13 aufnehmen zu können. Da sowohl der Gewindeeinsatz 12 als auch das Gehäuse 2 aus einem ferromagnetischen Material bestehen, wird der Gewindeeinsatz 12 am Gehäuse 2 gehalten. Die Gewindebohrung 14 des Gewindeeinsatzes 12 ist so angeordnet, dass sie fluchtend mit dem Durchgangsloch 5 verläuft. Zudem wird durch eine Haltevorrichtung in Form der Magnete 13 der Gewindeeinsatz 12 am Gehäuse 2 gehalten, wenn die Schraube 10 durch das entsprechende Durchgangsloch 5 geschoben wird. Damit kann der Gewindeeinsatz 12 nicht aus der Vertiefung 6 bzw. Ausnehmung 4 herausfallen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Schnittdarstellung in 2 skizziert. Eine Kraftsensorvorrichtung 1 mit einem Gehäuse 2 ist an einer Montageplatte 7 festgeschraubt. Die Schraube 10 wird dabei von der der Sensorvorrichtung 1 abgewandten Seite der Montageplatte 7 durch die Ausnehmung 4 mit dem Durchgangsloch 5 eingebracht. In der Vertiefung 6a ist ein Gewindeeinsatz 12a angeordnet, in den das Gewinde der Schraube 10 eingreifen kann. Damit der Gewindeeinsatz 12a jedoch nicht durch die Schraube 10 aus der Vertiefung 6a gestoßen wird, ist an der seitlichen Mantelfläche des Gewindeeinsatzes 12a ein Dichtungsring 13a aus einem Elastomer angeordnet, wobei die Dimensionierung so gewählt ist, dass der Dichtungsring 13a einen Kraftschluss zur Innenwand der Vertiefung 6a ermöglicht. Im Querschnitt können die Vertiefung 6a und der in der Vertiefung 6a vollständig aufgenommene Gewindeeinsatz 12a beispielsweise oval ausgebildet sein. Auch diese Formgebung ermögliche eine Verdrehsicherung. Sie bietet im Zusammenhang mit dem Dichtungsring 13a zudem den Vorteil, dass dieser nicht um eine Kante herum gelegt werden muss, also passgenauer anliegt und auch einfacher angebracht werden kann. Es ist aber auch denkbar, dass bei dieser kraftschlüssigen Anwendung eine Vertiefung bzw. ein Gewindeeinsatz mit einem Polygon-Querschnitt, eventuell mit abgerundeten Kanten, verwendet wird. Darüber hinaus ist an dem Bolzen 3 ein Werkzeug 15 angebracht, dass eine Kraft F ausübt, welche auf die Kraftsensorvorrichtung 1 übertragen und von dieser vermessen wird.
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Ergänzend zeigt 3 einen schematische Schnitt durch eine Kraftsensorvorrichtung, wie sie in den 1 oder 2 dargestellt ist, bei der die Schraube 10 durch das Gehäuse 2 gesteckt und in eine Gewindebohrung 8 in der Montageplatte 7 eingeschraubt worden ist.
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Allen Ausführungsbeispielen und Weiterbildungen der Erfindung ist gemeinsam, dass wenigstens ein Gewindeeinsatz vorgesehen ist, der so ausgebildet ist, dass er in der Vertiefung aufgenommen werden kann und eine Gewindebohrung aufweist, die im in der Vertiefung angeordneten Zustand des Gewindeeinsatzes so ausgebildet ist, dass die Gewindebohrung in Bezug auf dessen Längsachse fluchtend zum Durchgangsloch angeordnet ist, um eine beidseitige Montage und/oder eine Montage an einem Objekt mit oder ohne Gewindebohrung zu ermöglichen. Erfindungsgemäß erlaubt die Kraftsensorvorrichtung folglich eine verbesserte Montage bzw. allgemein eine verbesserte Handhabung für ein breites Anwendungsspektrum.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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