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Es
wird eine Vorrichtung zur Messung von Kraftprofilen vorgeschlagen,
die räumliche
Kräfte,
bestehend aus Normal- und Scherkraftanteil, ortsauflösend erfassen
kann und zudem in der Lage ist, diese Kraftkomponenten meßtechnisch
zu unterscheiden.
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Es
sind verschiedene Aufnehmer für
Druck- bzw. Kraftprofile bekannt, die orthogonal zur Aufnehmer-Oberfläche aufgebrachte
Kräfte
(im folgenden Normalkräfte
genannt) meßtechnisch
erfassen können. Diese
arbeiten zumeist auf resistiver (
DE
197 50 671 ,
DE 38 87
757 ) oder kapazitiver Basis (
DE
37 04 870 ). Teilweise sind diese Aufnehmer auch für nicht
orthogonal eingeleitete Kräfte
empfindlich, können
aber meßtechnisch
nicht zwischen Normal- und Scherkraftanteil unterscheiden.
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Aus
EP 0598 301 B1 ist
ein in Sandwich-Bauweise realisierter Meßaufnehmer bekannt, der die Änderung
von Scherkräften
mittels eines piezoelektrisch aktiven Sensormaterials erfassen kann.
Aktives Element des Sensors ist ein Polyvinylidin-Film (PVDF), der
beidseitig mit Elektroden kontaktiert und so polarisiert ist, daß die Änderung
wirkender Scherkräfte
zu einer durch die Elektroden meßbaren Potentialdifferenz führt. Gleichzeitig
wird der PVDF-Film als Transducer verwendet, der Ultraschall-Pulse
in eine oberhalb angeordnete Polyurethanschicht sendet und deren
Echo wieder empfängt. Über die
Laufzeit kann die Kompression und damit die wirkende Normalkraft
auf den Sensor gemessen werden. Aufgrund der Ausnutzung des piezoelektrischen
Effekts kann der Meßaufnehmer
lediglich die Änderung
der Scherkräfte
erfassen, eine Absolutwertmessung ist nicht möglich. Die somit erforderliche
Integration der Meßwerte
erzeugt naturgemäß eine große Drift des
Ausgangssignals, so daß der
Integrator nach einer kurzen Meßperiode
erneut abgeglichen werden muß. Zur
Erfassung der Normalkräfte
wird ein meßtechnisch
kompliziertes Verfahren verwendet, dessen zeitkritische Auswertung,
insbesondere bei einer Matrixanordnung der Sensorelemente, zu einem
erheblichen technischen Aufwand führt.
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In
EP 0595 521 B1 wird
ein Scherkraft-Aufnehmer beschrieben, bei dem die wirkende Kraft
durch die Auslenkung eines Cursor-Elements erfaßt wird. Die Anordnung besteht
aus einer Elektrodenmatrix, welche mit einem z-leitfähigen Material
beschichtet wurde. Über
der Elektrodenmatrix wird eine elastische Abdeckschicht angeordnet,
auf deren Unterseite der Cursor, eine leitfähige Platte, angebracht ist.
Dieser verbindet die darunter angeordneten Elektroden der Matrix
elektrisch leitend. Wirken nun Scherkräfte auf den Cursor, wird die elastische
Abdeckung gedehnt und der Cursor verändert seine Position, was durch
eine Messung des elektrischen Widerstands zwischen den benachbarten
Elektroden erfaßt
werden kann. Eine derartige Anordnung ist nicht in der Lage, Normalkräfte zu erfassen.
Um mit diesem Verfahren Scherkräfte
genau bestimmen zu können,
muß entweder
die Auslenkung des Cursors sehr groß sein, was sich insbesondere
in Regelkreisen negativ auf die Grenzfrequenz und damit die Reglerdynamik
auswirkt, oder die Auflösung
der Elektrodenmatrix und damit der elektronisch Aufwand zur Auswertung
muß entsprechend
hoch sein. Zudem tritt bei dieser Anordnung durch den beweglichen
Cursor ein ständiger
Verschleiß der
Elektrodenfläche
auf, der durch zusätzliche Normalkräfte noch
verstärkt
wird. Die Lebensdauer eines solchen Meßaufnehmers ist aus diesem
Grunde gering.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung von Kraftprofilen
vorzuschlagen, mit der räumliche
Kräfte,
bestehend aus Normal- und Scherkraftanteil, ortsauflösend erfaßt und zudem
die Kraftkomponenten meßtechnisch
unterschieden werden können.
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Diese
Zielsetzung wird erfindungsgemäß durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand
der jeweiligen abhängigen
Ansprüche.
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Bei
einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 (im folgenden
auch Aufnehmer genannt) ist eine gleichzeitige Messung von Scher-
und Normalkräften
mit nur einer Sensoranordnung möglich.
Es handelt sich hierbei um eine Absolutmessung, bei der das Meßergebnis
nicht durch Integration herbeigeführt werden muß. Somit
weist der Aufnehmer eine hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit auf.
Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Aufnehmers
ist im Vergleich zu Lösungen
des Standes der Technik sehr einfach, wodurch die Herstellungskosten
niedrig sind und die Zuverlässigkeit
des Aufnehmers hoch ist. Die Auswertung der Meßsignale ist durch die Verwendung
resistiver Druckaufnehmer bzw. Drucksensor-Matrizen einfach zu realisieren, da
zur Meßwerterfassung
lediglich der Widerstand der Druckaufnehmer gemessen und in die
Kraftkomponenten umgerechnet werden muß. Bei der Messung bewirkt
das Meßprinzip
nur eine geringe Auslenkung, so daß eine hohe Steifigkeit des
Aufnehmers realisiert werden kann. Dies wirkt sich insbesondere
vorteilhaft auf Anwendungen aus, bei denen der Aufnehmer in Regelkreisen
betrieben werden soll. Aufgrund des Fehlens bewegter Teile tritt
nur ein geringer Verschleiß des
Aufnehmers auf, wodurch die Lebensdauer wesentlich verbessert wird.
Gerade in Anwendungen im Bereich der Handhabungstechnik stellt dies
einen entscheidenden Punkt dar. Durch den kompakten Aufbau einer
Sensorzelle des erfindungsgemäßen Aufnehmers
ist eine hohe räumliche
Auflösung
der Sensormatrix möglich.
Damit lassen sich sowohl Konturdaten des berührenden Objekts hochgenau erfassen
als auch die wirkenden Kräfte
auf das berührende
Objekt präzise
messen. Durch eine entsprechende Ausführung des erfindungsgemäßen Aufnehmers
ist ebenfalls eine Drehmoment-Messung in der aktiven Sensorebene
möglich.
Zur Erfassung der Druckverteilung unter den Kraftwandlern können verschiedene
Drucksensor-Technologien in der Anwendung eingesetzt werden. Hierdurch
ergibt sich eine größtmögliche Flexibilität des Aufnehmers
in Bezug auf den jeweiligen Einsatzbereich.
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Mögliche Ausführungsbeispiele
einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
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1: Matrixanordnung von Texeln
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2: Mögliche Ausführungsformen eines Texels
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3: Auswertungs-Beschaltung
eines Texels zur Bestimmung von Scher- und Normalkraftanteil
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4: verschiedene Formen von
Kraftwandlern
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5: Kraftwandler mit rutschhemmender
Beschichtung
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6: Matrixanordnung mit planer
Oberfläche
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7: Messung der Druckverteilung
unter den Kraftwandlern durch eine regelmäßige Drucksensor-Matrix
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8: Auswertungs-Beschaltung
eines Texels nach 7
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9: Messung der Druckverteilung
unter einem Kraftwandler mit kreissegmentförmigen Drucksensoren
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10: Anwendung als taktiler
Greifer
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11: Detailansicht des Greifer-Sensors
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12: Kraftwandler zur Bestimmung
von Drehmomenten
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13: Messung der Druckverteilung
unter einem Kraftwandler nach 12 mittels
einer regelmäßigen Drucksensor-Matrix.
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14: Beispielhafte Ausführungsformen
eines auswechselbaren Kraftwandlers
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15: Auswechselbare Kraftwandler-Matrix
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Der
erfindungsgemäße Aufnehmer
in 1 besteht aus einer
Matrixanordnung einzelner Sensorzellen (11), im folgenden
auch Texels genannt. Die Detailansicht eines erfindungsgemäßen Texels
ist in 2 dargestellt.
Jedes Texel ist aus einem als Kraftwandler wirkenden Körper (21),
vorzugsweise mit einer rotationssymmetrischen Geometrie, aufgebaut,
der auf zwei oder mehreren diskreten Drucksensoren (22)
gelagert ist, die ein analoges Ausgangssignal in Abhängigkeit
des aufgebrachten Drucks liefern. Der Kraftwandler kann dabei entweder
direkt als Einzelelement auf die Oberfläche der Drucksensoren aufgebracht
oder aber in eine elastische Matte integriert sein, die über den
Drucksensoren angeordnet ist, wodurch insbesondere bei einer Matrixanordnung
die Montage des Aufnehmers vereinfacht wird. Das in 2 links dargestellte Texel eignet sich
zur eindimensionalen Scherkraftmessung, das rechte kann Scherkräfte in zwei
Richtungen aufnehmen.
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Wirkt
eine äußere Kraft
auf den Kraftwandler, entsteht ein charakteristisches Druckprofil
auf die Sensoren. Dabei können
die Scherkraft-Komponenten der auf das Texel wirkenden äußeren Kraft
durch eine Differenzbildung zwischen den Ausgangssignalen der jeweils
gegenüberliegenden
Drucksensoren bestimmt werden; die Normalkraft-Komponente ergibt sich als Mittelwert
aller Drucksensoren.
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Die
in 3 dargestellte Auswertungs-Schaltung
veranschaulicht die Ermittlung von Scher- und Normalkraftkomponenten
der angreifenden Kraft aus dem charakteristischen Druckprofil eines
Texels mit vier Drucksensoren. Aus den vier Ausgangssignalen des
Texels (31) werden über
zwei Differenzierer (32) die Scherkraft-Signale abgeleitet.
Parallel hierzu addiert das Summier-Glied (33) die Ausgangssignale
auf und teilt diese durch vier, um das Normalkraft-Signal zu erhalten.
Eine derartige Auswertung des Druckprofils kann sowohl in einer
elektronischen Schaltung als auch mittels eines Algorithmus auf
einem Mikrorechner realisiert werden.
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Die
Form des Kraftwandlers kann, wie in 4 gezeigt,
halbkugel-, kegel- bzw. kegelstumpf- oder hügelförmig sein. Zudem sind prismatische
und pyramidenartige Formen denkbar. Die halbkugelförmige Geometrie
ist zu bevorzugen, da sie einen definierten Krafteinleitungspunkt,
nämlich
den oberen Scheitelpunkt, aufweist. Bei einer kegelstumpfförmigen Geometrie
wird die zu messende äußere Kraft über die
obere Fläche
eingeleitet, wodurch sich eine vergrößerte Auflagefläche für das krafteinleitende
Objekt und damit eine stabilere Form des Aufnehmers ergibt, was
aber auch zu Meßsignalverfälschungen
durch nicht zentrisch aufgebrachte Kräfte führen kann. Zylinderförmige Kraftwandler
sind als Spezialform der kegelstumpfförmigen Wandler ebenfalls denkbar.
Kegelförmige
Kraftwandler eignen sich besonders für hochempfindliche Anwendungen,
bei denen kleine Kräfte
erfaßt
werden sollen, die durch den als Hebel wirkenden spitzen Kegel verstärkt werden.
Um die Steifigkeit des Aufnehmers in Diagonalrichtung zu verbessern,
können
auch prismatische oder pyramidenstumpfförmige Kraftwandler zum Einsatz
kommen.
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Die
Oberfläche
des Kraftwandlers muß rutschhemmend
ausgeführt
sein, damit eine ausreichende Haftung zu einem die Kraft einleitenden
Objekt besteht, um die zu messenden Scherkräfte sicher zu übertragen.
Der Kraftwandler kann entweder aus einem elastischen Material bestehen
oder aber mit diesem beschichtet sein. Letztere Variante wird vor
allem bei größeren Kraftwandlern,
die mit großen
Scherkräften
belastet werden, eingesetzt.
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Der
Kern (51) des in 5 dargestellten
Kraftwandlers besteht dabei aus einem steifen Material, vorzugsweise
Aluminium, welches eine übermäßige Deformation
des Kraftwandlers verhindert und gleichzeitig die Auflagefläche für die Drucksensoren
(52) bildet. Auf dessen Oberfläche wird ein weichelastischer
Belag (53) als Rutschhemmer aufgebracht, um einen bestmöglichen
Kontakt zum krafteinleitenden Objekt zu gewährleisten.
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Um
die aktive Oberfläche
des Aufnehmers für
den industriellen und medizinischen Einsatz vor Verschmutzung zu
schützen
und eine einfache Reinigung zu ermöglichen, kann wie in 6 gezeigt, der Raum zwischen
den Kraftwandlern mit einem Elastomer gefüllt werden (61). Hierzu
wird vorzugsweise ein Material eingesetzt, welches eine wesentlich
höhere
Elastizität
bzw. Kompressibilität
als der Kraftwandler aufweist, damit dessen seitliche Auslenkung
bei der Messung nicht beeinflußt
wird. Besonders geeignet hierfür
sind beispielsweise aufgeschäumte
Elastomere. Zusätzlich
kann die Oberfläche
mit einer elastischen Folie (62) abgedeckt werden, die
ggf. an den Scheitelpunkten (63) der Kraftwandler beispielsweise
durch Verkleben angebracht wird.
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7 zeigt eine Verbesserung
des erfindungsgemäßen Aufnehmers,
bei dem anstatt diskreter Drucksensoren eine Drucksensor-Matrixanordnung mit
einer regelmäßigen Sensorverteilung
(
71), wie beispielsweise in
DE
197 50 671 beschrieben, verwendet wird. Hierdurch kann
der Verkabelungsaufwand der Drucksensoren reduziert und damit der
Herstellungsprozeß des
Aufnehmers stark vereinfacht werden. Die Scherkraft-Achsen sind
im Vergleich zum Aufnehmer in
1 um
45° gedreht,
was durch eine trigonometrische Umrechnung des aufbereiteten Komponentensignals
korrigiert wird. Anstelle dieser Korrektur können die Scherkräfte, wie
in
8 dargestellt, auch über die
nebeneinander liegenden Drucksensoren berechnet werden. Hierzu werden
jeweils die Ausgangssignale der beiden benachbarten Sensorzellen
eines Texels (
81) über Summierglieder
(
82) aufsummiert und danach dem entsprechenden Differenzierer
(
83) zugeführt,
der aus den gegenüberliegenden
Paaren die Druckdifferenz und damit die Scherkraft-Komponente berechnet. Über ein weiteres
Summierglied (
84) wird die Normalkraft-Komponente berechnet.
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Um
eine bessere meßtechnische
Signaltrennung der einzelnen Sensorzellen eines erfindungsgemäßen Aufnehmers
und eine gleichzeitige Verbesserung der Empfindlichkeit zu erreichen,
werden des weiteren kreissegmentförmige Drucksensoren zur Aufnahme
des Druckprofils unter den Kraftwandlern vorgeschlagen, wie diese
in 9 links dargestellt
sind. Der Freiraum (91) zwischen den Drucksensoren (92)
bewirkt eine Minderung des Übersprechens
zwischen Scher- und Normalkraftanteilen.
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Um
das Ausgangssignal einer Sensorzelle des erfindungsgemäßen Aufnehmers
weiter zu verbessern, können
weitere redundante Drucksensoren unter dem Kraftwandler angeordnet
werden. 9 rechts zeigt
die Aufsicht auf die Drucksensoranordnung einer derartigen Sensorzelle
mit acht Drucksensor-Segmenten (91) unter dem Rand des
Kraftwandlers sowie einem Drucksensor im Zentrum (93).
Durch eine Filterung der Ausgangssignale der Randsensoren kann eine
wesentlich zuverlässigere
Aussage über
die Richtung des wirkenden Scherkraftanteils gemacht werden. Über das
Ausgangssignal des zentralen Drucksensors kann die Normalkraft-Komponente
korrigiert werden.
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In
10 ist ein Roboter-Greifer
(
101) dargestellt, auf dessen Backen (
102) je
ein erfindungsgemäßer Aufnehmer
(
103 +
104) so angeordnet ist, daß damit
die von dem gegriffenen Objekt ausgeübten Scherkräfte in X-Richtung
erfaßt
werden können
und der Aufnehmer in Y-Richtung eine hohe Steifigkeit aufweist.
Der erfindungsgemäße Aufnehmer
besteht aus einer Drucksensor-Matrix nach
DE 197 50 671 (
103) sowie
einer wellenförmig
profilierten Abdeckung (
104) aus einem elastischen Material,
welche dem Schutz der Drucksensor-Matrix sowie als Kraftwandler
dient.
11 zeigt eine
Detailansicht des Aufnehmers. Jeweils zwei Sensorzellen (
111)
sind unter einer Lippe (
112) des Kraftwandlers angeordnet
und bilden ein Texel (
113). Soll gleichzeitig in Y-Richtung
eine räumliche
Auflösung
erzielt werden, können
hintereinander mehrere Sensorzellen-Paare unter einer Lippe angeordnet
sein. Um eine bessere Trennung der Texel zu erreichen, kann die Oberfläche der
Lippe zwischen den Texels ebenfalls unterbrochen sein (
114).
Eine Abschrägung
der Kanten des Profils vergrößert dabei
die Stabilität
des Kraftwandlers und ermöglicht
eine einfache Herstellung durch Prägen oder Gießen. Die
Auswertung der Rohdaten des Meßaufnehmers
erfolgt wie in
3 gezeigt,
jedoch lediglich eindimensional ohne die Y-Komponente. Sie wird
vorzugsweise als Algorithmus realisiert und von dem zur Abtastung
der Drucksensor-Matrix
eingesetzten Mikrocontroller durchgeführt. Als Ausgangsdaten stehen
je Texel die Normalkraft- sowie die Scherkraft-Komponente in digitaler
Form zur Verfügung.
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Ein
erfindungsgemäßer Aufnehmer
zur zusätzlichen
Messung des angreifenden Drehmoments in der Meßebene verwendet den in
12 dargestellten Kraftwandler.
Ein halbkugelförmiger
Grundkörper
(
121) aus einem elastischen Material, vorzugsweise Polyurethan,
wird an der Auflagefläche
mit einer Kerbstruktur (
122) versehen, die beim Verwinden
des Grundkörpers
eine Druckdifferenz bewirkt. Unter dem Aufnehmer werden acht Drucksensoren
zur Auswertung des Druckprofils eingesetzt. So können sowohl das Drehmoment
um die Hochachse des Kraftwandlers, beide Scherkraft-Anteile sowie
die Normalkraft in einer einzigen Messung bestimmt werden.
13 zeit eine mögliche Anordnung
des Kraftwandlers über
einer Drucksensor-Matrix
nach
DE 197 50 671 mit
gleichförmig
verteilten Drucksensor-Zellen,
bei der jeweils 8 Drucksensor-Zellen (
131) dazu genutzt
werden, das vom Kraftwandler (
132) unter Belastung erzeugte
charakteristische Druckprofil zu erfassen. Eine mögliche numerische
Auswertung des Sensorrohsignals, die im wesentlichen auf einer Mittelwert- und
Differenzbildung beruht, ist in Gleichung (1.1) bis (1.4) angegeben.
Die Bezeichnungen der Sensorzellen S1 bis S8 entsprechen der Darstellung
in
13.
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Zur
Verbesserung der Genauigkeit des Normalkraftanteils können auch
die vier innen liegenden Drucksensoren (133) zur Berechnung
mit Gleichung (1.3) herangezogen werden.
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Um
eine verlängerte
Lebenszeit in Anwendungen zu erreichen, bei denen große Scherkräfte auftreten und
es damit zu übermäßiger Abnutzung
des rutschhemmenden Kraftwandler-Belags kommen kann, wird ein erfindungsgemäßer Aufnehmer
mit auswechselbaren Kraftwandlern vorgeschlagen. Bei großen Texeln
können
hierbei die Kraftwandler einzeln ausgewechselt werden. Der in 14 dargestellte Kraftwandler
besteht aus einem Grundkörper,
der mit den Drucksensoren verbunden ist, sowie einem lösbaren Oberteil,
welches den Meßkontakt
zum krafteinleitenden Objekt herstellt. Der Kraftwandler besteht
aus einem festen Material, vorzugsweise Aluminium. Zur Verbesserung
der Hafteigenschaften mit dem krafteinleitenden Objekt wird er mit
einem gummiartigen Material, vorzugsweise Polyurethan, beschichtet.
Die lösbare
Verbindung der beiden Teile muß so
gestaltet sein, daß sie
sich während
der Messung nicht lösen
kann. Zur Verbindung wird in 14 links
eine zentrale Schraubverbindung (141) eingesetzt, bei welcher
der Träger
(142) einen Gewindebolzen aufweist und das lösbare Oberteil
(143) ein Innengewinde besitzt. Zur Montage sind an den
Seiten des lösbaren
Oberteils Schlüsselflächen (144)
vorgesehen, so daß die
Verbindung mit einem Steckschlüssel-Werkzeug einfach
gelöst
werden kann. Alternativ wird eine Verbindung zwischen Träger und
Oberteil nach 14 rechts vorgeschlagen,
wobei das Oberteil (143) durch außenliegende Verbindungen (145),
insbesondere Schraubverbindungen, auf dem mit den Drucksensoren
(146) verbundenen Träger
(142) fixiert wird. Zur Zentrierung wird der Träger (142)
mit einem Dorn (147) ausgeführt, der in die entsprechende
Bohrung im Oberteil paßt.
Bei kleineren Texeln ist die in 15 gezeigte
Lösung,
bei der die Kraftwandler (151) auf einem Träger (152)
angeordnet sind, der komplett ausgewechselt werden kann, zu bevorzugen.
Dabei werden die Kraftwandler vorzugsweise als Teil einer elastischen
Matte (152) ausgeführt,
die über
eine gitterartige oder gewebeartige Verstrebung (153) versteift
wurde, um so eine Delokalisierung der Kraftwandler bei großen Scherkräften zu
verhindern. Die Kraftwandler-Matte wird am Rand und bei größeren Flächen auch
zwischen den Drucksensoren fixiert (154), wobei vorzugsweise
Schraubverbindungen eingesetzt werden. Um einen Verzug oder Ausreißen des
Trägers
zu verhindern, wird durch einen zusätzlichen Metallrahmen (155) über dem
Träger
die Klemmfläche
vergrößert.
