DE10351853A1 - Kraftmessvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Kräften, insbesondere Gewichten, oder kraftabhängigen Größen, wie Druck und Drehmoment, mit einem sich unter Krafteinwirkung verformenden Messkörper (1, 3) und einem mit dem Messkörper verbundenen, sich mit dem Messkörper unter Erzeugung eines Messsignals verformenden Sensorelement (4) sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung. Gemäß der Erfindung ist für das Sensorelement (4) ein mit dem übrigen Messkörper verschweißtes Trägerelement (3) vorgesehen. Das Sensorelement wird vor dem Verschweißen des Trägerelements (3) mit dem übrigen Messkörper (1) auf das Trägerelement (3) aufgebracht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Kräften, insbesondere Gewichten, oder kraftabhängigen Größen, wie Druck und Drehmoment, mit einem sich unter Krafteinwirkung verformenden Messkörper und einem mit dem Messkörper verbundenen, sich mit dem Messkörper unter Erzeugung eines Messsignals verformenden Sensorelement, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
  • Herkömmlich werden die Messkörper solcher Messvorrichtungen einstückig aus hochwertigem Federstahl hergestellt und Sensorelemente, vorzugsweise Dehnmessstreifen, mit dem Messkörper verklebt oder in Form fotolithografisch bearbeiteter Schichten auf den Messkörper aufgebracht. Die mitunter großvolumigen Messkörper erschweren die Anwendung von Dünnschichttechniken und lithografischer Verfahren, da sie in hierfür erforderlichen Vakuum-Fertigungseinrichtungen nur schwer zu handhaben und unterzubringen sind.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Kraftmessvorrichtungen der eingangs erwähnten Art, insbesondere großvolumiger solcher Kraftmessvorrichtungen, zu erleichtern bzw. zu ermöglichen.
  • Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass für das Sensorelement ein mit dem übrigen Messkörper verschweißtes Trägerelement vorgesehen ist.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst das Sensorelement auf das Trägerelement aufgebracht, wobei sich vorzugsweise in einem Herstellungsgang gleichzeitig eine Vielzahl solcher Trägerelemente mit aufgebrachtem Sensorelement herstellen lässt. Das mit dem Sensorelement versehene Trägerelement wird danach mit dem Messkörper verschweißt.
  • Die in den Abmessungen kleineren Trägerelemente, bei denen es sich vorzugsweise um dünne Federstahlbleche handelt, lassen sich leichter in Beschichtungseinrichtungen unterbringen und handhaben. Hochwertiger korrosionsbeständiger Federstahl braucht nur noch für das Trägerelement verwendet zu werden. Der übrige großvolumige Messkörper kann aus geringerwerfigem Material bestehen.
  • Das dünne Federstahlblech lässt sich als Trägerelement auch in gebogener Form verwenden und an unterschiedliche Messkörpergeometrien anpassen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Trägerelement mit dem übrigen Messkörper über wenigstens eine Ringnaht, welche vorzugsweise das Sensorelement umschließt, verschweißt.
  • Ferner ist in der bevorzugten Ausführungsform das Trägerelement angrenzend an eine in dem übrigen Messkörper gebildete Ausnehmung angeordnet. Das mit dem übrigen Messkörper verschweißte Trägerelement kann dann an die Stelle einer nach dem Stand der Technik einstückig mit dem Messkörper gebildeten Membran treten, deren Herstellung einen großen Bearbeitungsaufwand und Materialverbrauch mit sich brachte.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist eine das Sensorelement tragende Seite des Trägerelements der Ausnehmung zugewandt. Vorteilhaft lässt sich das Sensorelement so luftdicht abschließen und vor Korrosion schützen.
  • Zur Verbindung des Trägerelements mit dem Messkörper wird vorzugsweise das Widerstandsschweißverfahren eingesetzt, wobei die Verschweißung über einen insbesondere ringförmigen Schweißbuckel erfolgt. Ein solcher Schweißbuckel kann durch vorheriges Aufschweißen eines Rings auf den Messkörper erzeugt werden.
    •
  • Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Messvorrichtung nach der Erfindung in Explosionsdarstellung,
  • 2 ein zur Herstellung von Trägerblechen für Dehnmessstreifen vorbereitetes Blechstück,
  • 3 das Blechstück von 2 mit aufgebrachten Dehnmessstreifen,
  • 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Messvorrichtung nach der Erfindung mit einem rondenförmigen Trägerblech für Dehnmessstreifen, und
  • 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Messvorrichtung nach der Erfindung mit einem gebogenen rechteckigen Trägerblech für Dehnmessstreifen.
  • 1 zeigt einen aus Stahl gefertigten Messkörperteil 1 in Form einer Ringscheibe und zur Verbindung mit dem Messkörperteil vorgesehene Rondenteile 2 und 2'. Die Rondenteile bestehen jeweils aus einem Trägerblech 3, auf das eine in Dünnschichttechnik hergestellte, Dehnmessstreifen 4 und Anschlusskontakte 5 umfassende Struktur aufgebracht ist.
  • Der Messkörperteil 1 weist zwei zueinander parallele Einschlitzungen 6 und zwei Durchgangslöcher 7 auf. Die Durchgangslöcher können der Befestigung des Messkörperteils, z.B. an einem Messobjekt, oder der Krafteinleitung dienen.
  • Durch Kanäle 8 hindurch lassen sich Anschlussleitungen 9 zu den Anschlusskontakten 5 führen.
  • Wie aus 2 und 3 hervorgeht, dient zur Herstellung der Rondenteile 2, 2' ein Blechstück 10, an dem durch Ätz-, Stanz- oder Laserbearbeitung Durchbrüche oder Schwachstellen 11 gebildet sind, so dass sich insgesamt neun Rondenteile ausbrechen lassen.
  • Das Blechstück 10 kann mit Hilfe von Bohrungen 12 reproduzierbar in Bearbeitungspositionen befestigt werden. In entsprechenden Bearbeitungseinrichtungen wird zunächst eine Isolierschicht, die z.B. aus Al2O3 oder SiO2 besteht oder durch eine nanomere Sol-Gel-Schicht, die aus der flüssigen Phase aufgetragen wird, gebildet ist, auf die auszubrechenden Rondenteile aufgebracht und danach werden in einem fotolithografischen Verfahren die Strukturen mit den Dehnmessstreifen 4 und Anschlusskontakten 5 gebildet. So können durch Bearbeitung des Blechstücks 10 gleichzeitig neun Rondenteile 2 erzeugt werden.
  • Zur Herstellung der in 1 in Einzelteilen gezeigten Messvorrichtung werden die aus dem Blechstück 10 ausgebrochenen, mit der Dünnschichtstruktur versehenen Rondenteile 2, 2' im Widerstandsschweißverfahren mit dem Messkörperteil 1 verbunden, wobei die Rondenteile 2, 2' jeweils konzentrisch zur Auflage gegen einen Schweißring 14 kommen, welcher eine zentrale Ausnehmung 13 in dem Messkörperteil 1 umgibt.
  • Der vorstehende, im Querschnitt im wesentlichen dreieckige Schweißring 14 könnte durch Aufschweißen eines im Querschnitt quadratischen Rings auf den Messkörperteil 1 hergestellt sein, wobei auch hierfür das Widerstandsschweißverfahren anwendbar wäre. Es ist ferner denkbar, einen im Querschnitt quadratischen oder rautenförmigen Schweißring konzentrisch zur Durchgangsöffnung 13 mit einer Rautenecke gegen den übrigen Messkörper anliegend anzuordnen, zu fixieren und die Verschweißung der Rondenteile mit dem Messkörperteil über den Ring in einem einzigen Schweißarbeitsgang durchzuführen.
  • Beim Verbinden der Teile im Widerstandsschweißverfahren ist darauf zu achten, dass der Bereich, in welchem durch den Schweißringvorsprung 14 eine umlaufende Verbindungsnaht gebildet wird, keine Isolierschicht aufweist.
  • Die Messvorrichtung nach 1 kann zur Messung von Zugkräften und bei geeigneter Krafteinleitung auch zum Messen von Druckkräften verwendet werden, wobei zu messende Kräfte von z.B. 1000 Newton in Betracht kommen.
  • In der in 1 gezeigten Messvorrichtung sind, bei geeigneter Abdichtung der Kanäle 8, die die Dehnmessstreifen 4 umfassenden Strukturen nicht der Außenumgebung ausgesetzt und damit vor Korrosion geschützt.
  • In den folgenden 5 und 6 sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl wie in den vorangehenden Figuren bezeichnet, wobei der betreffenden Bezugszahl jeweils der Buchstabe a bzw. b beigefügt ist.
  • Eine in 5 gezeigte Messvorrichtung weist einen Messkörperteil 1a in Form einer Schraube auf, an deren Kopf 15 eine Öffnung 13a und in der Öffnung durch eine Einsenkung eine Ringschulter für die Aufnahme eines Schweißrings 14a gebildet ist, über welchen sich ein Rondenteil 2a mit dem Messkörperteil 1a im Widerstandsschweißverfahren verbinden lässt. Diese Ausführungsform stellt eine erhebliche Verbesserung der in der DE 197 12 436 A1 beschriebenen, einen schraubenförmigen Messkörper aufweisenden Messvorrichtung dar.
  • Vorteilhaft ist wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel eine Dünnschichtstruktur 4a auf dem Rondenteil gegen die Außenumgebung abgeschlossen und dadurch vor Korrosion geschützt.
  • Das als Drehmomentaufnehmer geeignete Ausführungsbeispiel von 6 weist einen Messkörperteil 1b mit einem Mittelstück 16 und zwei Vierkantansätzen 17 auf. Die Vorrichtung kann z.B. zur Drehmomentmessung in rotierenden Wellen oder in Drehmomentschraubenschlüsseln verwendet werden.
  • An dem Mittelstück 16 sind zwei einander diametral gegenüberliegende Aussparungen 13b gebildet und mit einem Schweißring 14b umrandet. Über den Schweißring 14b lässt sich ein Trägerblech 3b mit aufgebrachten Dehnmessstreifen 4b mit dem Messkörperteil 1b im Widerstandsschweißverfahren verbinden.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Messung von Kräften, insbesondere Gewichten, oder kraftabhängigen Größen, wie Druck und Drehmoment, mit einem sich unter Krafteinwirkung verformenden Messkörper (1, 3) und einem mit dem Messkörper verbundenen, sich mit dem Messkörper unter Erzeugung eines Messsignals verformenden Sensorelement (4), dadurch gekennzeichnet, dass für das Sensorelement ein mit dem übrigen Messkörper (1) verschweißtes Trägerelement (3) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement ein Trägerblech (3) umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement einen, insbesondere in Dünnschichttechnik hergestellten, Dehnmessstreifen (4) umfasst.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) mit dem übrigen Messkörper (1) über wenigstens eine, vorzugsweise das Sensorelement (4) umschließende, Ringnaht verschweißt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) angrenzend an eine in dem übrigen Messkörper (1) gebildete Ausnehmung (13) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Sensorelement (4) tragende Seite des Trägerelements (3) der Ausnehmung (13) zugewandt ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) mit dem Messkörper (1) über einen, insbesondere ringförmigen, Schweißbuckel (14) verbunden ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Kraftmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) zunächst auf ein Trägerelement (3) aufgebracht und das Trägerelement (3) dann mit dem übrigen Messkörper (1) verschweißt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Blechteil (10) gleichzeitig eine Vielzahl von Sensorelementen (4) aufgebracht und das Blechteil (10) dann unter Bildung einer entsprechenden Vielzahl von ein Sensorelement (4) aufweisenden Trägerelementen (3) zerteilt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschweißung des Trägerelements (3) mit dem übrigen Messkörper (1) im Widerstandsstandsschweißverfahren erfolgt.
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