DE1548705B2

DE1548705B2 - Kraft messwandler

Info

Publication number: DE1548705B2
Application number: DE19661548705
Authority: DE
Inventors: John W Erie Pa Kloss (V St A)
Original assignee: Lord Corp , Erie, Pa (V St A )
Priority date: 1965-07-26
Filing date: 1966-07-22
Publication date: 1971-02-18
Also published as: GB1147804A; US3438251A; DE1548705A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraft-Meßwandler für optische Ablesung.

Bei einem bekannten Kraft-Meßwandler mit optischer Ablesung sind zwei relativ zueinander verschiebbare Arme vorgesehen, zwischen denen ein Spiegel beweglich gehalten ist.

Bei dieser bekannten Anordnung steht nur ein kleines Übersetzungsverhältnis zur Verfügung. Hierunter leidet die Meßgenauigkeit, abgesehen davon, daß nur ein kleiner Meßbereich zur Verfügung steht.

Bei elektrisch arbeitenden Kraft-Meßwandlern ist es bekannt, vier ringartig und symmetrisch angeordnete, gelenkig miteinander verbundene Arme vorzusehen, wobei die Kraft in Richtung der Diagonale dieses Meßringes eingeleitet wird. Die elektrischen Meßelemente werden dann nahe den Ecken dieser Diagonale angeordnet, da dort die größten Verformungskräfte auftreten. Diese Verformungskräfte werden von den elektrischen Meßelementen erfaßt und in einer Schaltung ausgewertet.

Diese bekannten Anordnungen besitzen den Nachteil, daß der Schaltungsaufwand bei größerer Meßgenauigkeit und bei gefordertem größerem Meßbereich beträchtlich wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen rein optisch arbeitenden und damit in der Herstellung einfachen Meßring zu schaffen, der gleichwohl bei einem großen Meßbereich ein großes Auflösungsvermögen besitzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß jeder der Arme des Meßringes je einen Spiegel als optischen Signalgeber trägt, daß zur Einleitung eines Meßlichtstrahles ein Reflektor im Innern des Meßringes angeordnet ist und daß die Spiegelflächen den Meßlichtstrahl innerhalb des Meßringes von einem Spiegel jeweils zum nächsten reflektieren.

Je nach der Art der vorgesehenen Ablesevorrichtung kann der eintretende Meßlichtstrahl entweder in einem Abstand von dem austretenden Meßlichtstrahl gehalten werden oder mit diesem zusammenfallen.

Eine weitere Erhöhung der Meßgenauigkeit und des Meßbereiches ist möglich, wenn die Anordnung der Spiegel so gewählt wird, daß der Meßlichtstrahl zweimal, und zwar je in entgegengesetzter Richtung innerhalb des Meßringes herumgeführt wird.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt

F i g. 1 eine schematische Vorderansicht einer Ausführung des Kraft-Meßwandlers gemäß der Erfindung,

Fig. IA eine Seitenansicht der Ausführung der Erfindung, die in F i g. 1 gezeigt ist,

Fig. IB ein Grundriß der Optik der Fig. 1 und IA, wobei alle Bauteile der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen sind,

F i g. 2 eine schematische Vorderansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 A eine Seitenansicht der in F i g. 2 gezeigten Ausführung,

Fig. 2B ein Grundriß der Optik in Fig. 2 und 2 A, wobei alle Bauteile der Übersichtlichkeit wegen fortgelassen sind,

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht des Aufbaus einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 4 eine Vorderansicht der Ausführung nach F i g. 3 einschließlich des Aufbaus und der Optik,

Fig. 4A eine perspektische Ansicht des Prismenhalters für das Prisma in F i g. 4,

F i g. 5 und 6 Ansichten ähnlich der F i g. 4, aber mit zusätzlichen Ausführungen der Erfindung,

F i g. 7 ein Schnitt durch F i g. 5 nach Linie 7-7 dieser Figur in Pfeilrichtung und mit einer zusätzlichen Schaumschutzhaut,

F i g. 8 eine perspektivische Ansicht des Prisma in der Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 4, 5

ίο und 6,

Fig. 9 und 10 Schemata, die die Wirkungsweise der in der bevorzugten Ausführung der Erfindung benutzten Optik erläutern,

Fig. 11 bis 15 Ansichten mit der Wiedergabe von Einzelheiten einer Ausführung des Reflektorhalters, der nach der Erfindung verwendet werden kann, und Fig. 16 eine schematische Ansicht eines Autokollimators zur Verwendung mit der Erfindung.
In der Zeichnung geben gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wieder. Die in Fig. 1, IA und IB gezeigte Einrichtung gemäß der Erfindung gibt einen Meßwandler wieder, der aus einem hohlen Quadrat oder Parallelogramm besteht, daß die vier Seiten 10, 11, 12 und 13 hat, wobei die anliegenden Seiten durch Teile geringeren Querschnitts 14,15,16 und 17 verbunden sind, die vorzugsweise gekrümmte Verbindungen zum Ausschalten toten Ganges sind, für die aber auch andere Formen gelenkiger Verbindungen verwendet werden können.

Der Meßwandler ist mit oberen und unteren, diametral gegenüberliegenden Endflächen 18 und 19 zum Anschluß an Gegenstände oder Flächen versehenj deren Krafteinwirkung zu messen ist.

Die Krafteinleitung auf den Meßwandler ist eine lineare Übertragung auf die Endflächen 18 und 19. In dem Maße, in dem der Meßwandler Starrheit besitzt, kann er einer Abbiegung mit Kraft widerstehen. Er kann daher für sich als ein Kraftmesser oder »Meßring« verwendet werden.

Als Meßring ist er auf kleine Kräfte beschränkt, wenn er allein benutzt wird. Seine Verwendbarkeit für große Kräfte wird erreicht, indem man den Meßwandler innerhalb eines eine Belastung aufnehmenden Teils und in Wirkverbindung mit diesem anordnet, so daß eine Meßringeinheit gebildet wird. Fig; 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das entsprechend F i g. 5, 6 und 7 geschehen ist.

Die Krafteinleitung auf den Meßring geschieht mit Hilfe der Endzapfen 18 und 19, was eine entsprechende Verbiegung des die Belastung aufnehmenden Teils und des Meßwandlers bewirkt und somit eine entsprechende Anzeige in dem Hilfs-Autokollimator hervorruft.

Es werden drei Abwandlungen der grundsätzlichen optischen Anordnung offenbart. Sie sind in den Fig. 1, 2 und 4 wiedergegeben und nachstehend als die Typen I, II und III bezeichnet.

In der Ausführung des Meßwandlers, der in F i g. 1 gezeigt ist, hat jeder der vier Arme 10,11, 12 und 13 einen Spiegel, vorzugsweise einen Vorderflächenspiegel 20, 21, 22 und 23, der an ihr befestigt ist; dabei ist der Spiegel 20 optisch mit dem Spiegel 21, dieser mit dem Spiegel 22 und dieser wieder mit dem Spiegel 23 ausgerichtet.

Ein feststehendes Paar Reflektoren 24 und 25 ist vorgesehen, um einen gerichteten Lichtstrahl von außen in den Meßwandler auf den ersten Spiegel 20

Die Gesamtwinkeldifferenz zwischen den eintretenden und den austretenden Strahlen ist 16 Θ, wobei Θ die Drehung eines Spiegels oder des Prismas ist.

F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines optischen Systems des Typs III, aber ohne einen Aufbau aus einem Stück. Der Meßwandler ist aus vier starren Teilen 48 zusammengesetzt, die durch Knickungen 49 getrennt und mit Zwischenstücken 53 auf Zapfen 52 inner-

belastung und Gewindeteile 46 mit Gewinden 47 hat, die den Belastungsteil für Zugbelastungen geeignet machen.

F i g. 5 zeigt eine entsprechend dem Typ III ausgeführte Form der Erfindung, bei welcher die Funktionen der Teile genau die gleichen wie in F i g. 4 sind, bei der aber die Formen der gekrümmten Schlitze und die Formen der Seiten der Ausnehmun-

zu lenken, von dem er auf den zweiten Spiegel und von diesem auf den dritten Spiegel reflektiert wird, der seinerseits den Lichtstrahl auf den Reflektor 25 und zurück in den Autokollimator wirft. Das Rerlektor-Spiegel-System ist symmetrisch; Licht vom Autokollimator trifft die beiden Reflektoren 24 und 25 gleichmäßig und geht halb um das Spiegelsystem in der einen, halb in der andern Richtung. Die Wirkung ist in jeder Richtung die gleiche.

Die festsitzenden Reflektoren 24 und 25 sind auf io halb einer gemeinsamen Form eines Belastungsteils Stützen 26 angebracht. 44 gesetzt sind, der Endflächen für eine Druck-

Eine Änderung der senkrechten, diagonalen Ausdehnung des Meßwandlers verursacht eine entgegengesetzte Änderung der waagerechten diagonalen Ausdehnung, indem sie eine Drehung der vier Arme 10.11,12 und 13 und damit der vier Spiegel 20, 21, 22 und 23 bewirkt.

Die Gesamtwinkeldifferenz zwischen den einfallenden und den zurückgeworfenen Strahlen ist 8 Θ,
wobei Θ gleich der Winkeldrehung jedes der vier 20 gen 32 geändert sind, um das Innere der Ausneh-Spiegel ist. mung dem Befestigen von Reflektoren mit plan-

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung parallelen Vorderflächen anzupassen, wird das in F i g. 2 abgebildete optische System ver- F i g. 7 ist ein Schnitt durch F i g. 6 nach Linie 7-7

wendet. Das ist der Typ II. In dieser Ausführung ist der F i g. 6, in Pfeilrichtung gesehen. Aus F i g. 7 ist jeder der vier Arme 10, 11, 12 und 13 durch einen 25 ersichtlich, daß das Innere und Äußere der Meß-Teil geringen Querschnitts 14,15,16 und 17 getrennt ririgeinheit und des von ihr umschlossenen Meß- und hat an ihr befestigte Spiegel 20,21,22 und 23. wandlers durch einen Kunststoffschaum geringer Auf der Stütze 26 sitzen feste Reflektoren 24 sowie Elastizität geschützt werden kann, der eine Wärme-63 und 64. Licht von einem Autokollimator wird schranke bildet. An der Vorderseite des Prismas 45 durch den Reflektor 24 auf den ersten Spiegel 2Ö, 3a ist eine Öffnung gelassen, um zu dem Meßwandler von diesem auf den zweiten Spiegel 21, von diesem optischen Zugang zu haben. Ein dünner Kunststoffauf den dritten Spiegel 22 und von diesem dann auf bogen kann zuerst auf die Außenflächen des Meßden vierten Spiegel 23 geworfen, von dem es auf den wandlers aufgebracht werden, um den Schaum an feststehenden Reflektor 64 geworfen wird, der es auf einem Ausfüllen der Höhlung oder Ausnehmung 32 die Spiegel 23,22,21 und 20 und dann zum Reflektor 35 ^zu hindern, bevor der Schaum aufgebracht wird. 24 zurücklenkt, der es wieder zurück in den Auto- Ebenso muß der Schaum an einem Eindringen in kollimator wirft. die bogenförmigen Schlitze 28 gehindert werden.

Eine Änderung der senkrechten diagonalen Aus- In Fig. 11 bis 15 sind verschiedene Möglichkeiten

dehnung des Meßwandlers bewirkt eine umgekehrte zum Anbringen eines Spiegels M zwischen zwei Änderung der waagerechten Diagonale und ruft eine 40 Sätzen von drei Kugeln B gezeigt. Das Anbringen Drehung der Spiegel 20, 21, 22 und 23 hervor. erfolgt an drei Stellen von Haltekiammern C mit Die Gesamtwinkeldifferenz zwischen auftreffenden Federn 5 auf den Armen 58 des Meßringes, um ein und zurückgeworfenen Strahlen ist 16 Θ, wobei Θ die Werfen des Spiegels zu verhindern. Die Spiegel müs-Drehung eines der Spiegel ist. sen ebenso daran gehindert werden, sich in irgend-

Der Reflektor 63 ist hinzugekommen, um eine fest- 45 einer Richtung rechtwinklig zur Normalen des Spiestehende Bezugsrichtung zu schaffen. gels zu bewegen oder sich um die Normale zu dre-

Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung wird ein optisches System, wie in Fig. 4 gezeigt, verwendet. Das ist der Typ III. Bei dieser Ausführung sind an drei von vier Armen 10, 11 und 12 Spiegel 43 angebracht. Der vierte Arm 13 trägt ein Prisma

hen. Zusätzlich können Unterlegplatten F₁, P₂ vorgesehen sein (Fig. 13 bis 15), in die die KugelnB eingelassen sind.

Fig. 16 zeigt einen typischen Autokollimator, der mit jedem der gezeigten Meßwandler oder Meßringe benutzt werden kann, und der in einem Gehäuse ein Paar optischer Keile W_x, W₂ besitzt, deren Drehung (Ringe 60, 61) eine Ausrichtung der optischen

Spiegel 43^4 wirft, der auf den Spiegel 435, dieser auf den Spiegel 43 C wirft, der ihn auf die versilberte Außenfläche des Prismas 45 reflektiert, das den

45. Die vier Arme 10, 11, 12 und 13 sind durch Krümmungen 33, 34, 35 und 36 getrennt. Ein Autokollimator wirft einen gerichteten Lichtstrahl von

außen auf das Prisma 45, dessen unter 45° geneigte, 55 Systeme des Meßwandlers und des Autokollimators versilberte Fläche den Strahl nach oben auf den erlaubt, ohne in Wirklichkeit die mechanischen

Achsen der beiden Teile zu ändern. Die Keile sind unabhängig voneinander einstellbar und haben gleiche Winkel. Sie können die Ablenkung eines

Strahl zum Spiegel 43 C dann zu 43 B und 43 A und 60 einzelnen Keils verdoppeln oder zu Null subtranach unten in das Prisma 45 zurückleitet, in dem hieren.

die unter 45° geneigte Innenflfläche den Strahl nach Grundsätzlich bestehen alle dargestellten Meß-

außen und zum Autokollimator zurückleitet. Die wandler aus einem hohlen Quadrat mit starren Seicrste (Vorder-) Fläche des Prismas 45 ist halbver- ten und biegsamen Ecken. Die Krafteinleitung gesilbert und schafft eine Bezugsrichtung. Die Halb- 65 schieht an zwei gegenüberliegenden Ecken. Das Versilberung kann ihrer Art nach dichroitisch sein optische System sitzt innerhalb des Quadrats, und automatisch den Bezugs- und den Meßstrahlen Zwei Abwandlungen des optischen Systems sind

eine unterschiedliche Farbumsetzung geben. erläutert. Bei der einen Ausführung sitzen vier Spie-

gel je auf einer Seite des Quadrats, und ein Paar festsitzender Reflektoren ist vorgesehen, um einen gerichteten Lichtstrahl von außen auf den ersten der vier Spiegel zu lenken, dann zu dem zweiten, dritten und vierten Spiegel, danach auf den zweiten festsitzenden Reflektor und zurück in den Autokollimator. (Das Refiektor-Spiegel-System ist symmetrisch; Licht vom Autokollimator fällt auf beide festen Spiegel gleichmäßig und geht halb um das Spiegelsystem in einer Richtung und halb in der anderen Richtung; die Wirkung ist in beiden Richtungen die gleiche.)

Das zweite optische System ist durch die Tatsache gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel, statt von dem zweiten festen Reflektor in den Autokollimator zurückgeworfen zu werden, wieder durch das Spiegelsystem, aber in der entgegengesetzten Richtung, zurückgeleitet und in den Autokollimator vom ersten Reflektor zurückgeworfen wird. Zwei Ausführungen dieses zweiten Systems sind erläutert, auf sie ist vorstehend als Typ II und Typ III Bezug genommen.

F i g. 1 zeigt das optische System des ersten Typs, das in einem schematischen Meßwandler eingebaut ist. Fig. 10 zeigt nur die Optik der zweiten Ausführung des zweiten Typs, den Typ III, der ein auf einer der Seiten des hohlen Quadrats sitzendes Prisma statt festsitzender Reflektoren verwendet.

Da die Form des Wandlers einer fortschreitenden Bewegung längs einer Diagonale unterworfen ist, wandert das Quadrat aus seiner ursprünglichen Form aus und wird ein Parallelogramm. Jeder Spiegel

unterliegt einer Winkeländerung Θ =-~y Einheits-

2. L·

winkeln, wobei d die Eingangsübertragung in Zoll oder Millimetern und L die Seitenlange des Quadrats in derselben Einheit, gemessen von Eckgelenk zu Eckgelenk, ist. Es wird angenommen, daß der Winkel klein ist und die Vereinfachung sin Θ = Θ gilt. (0 ist kennzeichnend in Winkelminuten.)

Der Zweck der Verwendung einer Vielzahl von Spiegeln besteht darin, eine optische Vergrößerung des entwickelten Winkels zu erhalten. Eine Anordnung der Spiegel, wie beim Typ I, ergibt ein vierfaches Ergebnis dessen, was zu beobachten wäre, wenn der Autokollimator nur auf einen Spiegel wirkte. Zwei Umläufe, wie bei Typ II und III, verdoppeln das Ergebnis auf das Achtfache eines einzelnen Spiegels.

Der Autokollimator wird verwendet, um das Kippen eines einzelnen Spiegels zu beobachten und anzuzeigen. Zu diesem Zwecke ist er üblicherweise kalibriert, unmittelbar den Winkel Θ abzulesen, selbst wenn er 2 Θ abfühlt. Die Zunahme an Empfindlichkeit gegenüber einem einzelnen Spiegel wird durch Dividieren der Anzeige durch 2 Θ, nicht durch Θ erhalten.

In der Praxis ist der beschriebene Meßwandler in Größen der Kraft oder Verschiebung bei einer Autokollimatoranzeige in Winkelminuten oder -Sekunden oder sonstigen Winkeleinheiten zu eichen. Eine richtige Auswahl von d und L würde eine 1:1-Entsprechung zwischen gewöhnlichen Winkeleinheiten und den Eingabeeinheiten ermöglichen. Umgekehrt können besonders geeichte Autokollimatoren verwendet werden.

Fig. 10 ist eine schematische Wiedergabe des optischen Systems des Typs III, bei der die ursprünglichen Stellungen der drei Spiegel in ausgezogenen Strichen und die abgelenkte Stellung gestrichelt gezeigt sind. Jeder Spiegel und das Prisma werden um den Winkel Θ gedreht. Die Pfeile zeigen übertrieben die schrittweise Zunahme der optischen Anordnung, die zu einer Abweichung von 16 Θ am Ausgang führt. Die Typen I und II wirken in derselben Weise mit nur geringfügigen Unterschieden.

Eine praktische Empfindlichkeit des Meßwandlers wird durch Zuordnen von Werten zu d und L und die Annahme einer Größe für das optische Ergebnis erreicht. Ein typisch handelsüblicher Autokollimator hat einen vollen Skalenbereich von 10 Minuten. Die eingegebene Energie, die benötigt wird, um eine volle Skalenanzeige im Autokollimator zu erhalten, ist für einen Meßwandler mit einer Diagonalen von 10 cm für den Typ I 0,375 mm und für die Typen II und III 0,1875 mm.

Diese Zahlen lassen sich beispielsweise mit der benötigten Ablenkung des Durchmessers eines handelsüblichen, runden Meßrings vergleichen: Ein moderner Meßring muß eine Durchmesseränderung von wenigstens 1 mm auf die ganze Skala haben.
Der Abstand des Autokollimators von dem Spiegelsystem ist unwichtig. Ein guter Autokollimator mit einer Objektivlinse von 50 mm Durchmesser arbeitet auf eine Entfernung von 30 m. Die beschriebenen Meßwandler erfordern so große optische Elemente, wie sich mit der Gedrungenheit vereinbaren läßt.

Eine Bezugsrichtung muß gegeben sein, um den Meßwandler in der Praxis verwenden zu können. Das »Signal« ist die Differenz zwischen der anfänglichen Richtung des austretenden Strahls und der endlichen Richtung, wenn angenommen wird, daß die Ebene des Meßwandlers konstant ist. Mit der Zugabe eines Bezugsrichtungsbildes kann die endliche Richtung des austretenden Strahls um den Betrag der Abweichung im Bezugsstrahl korrigiert werden.

Während eine Farbgebung nicht wesentlich ist, kann sie doch ein wünschenswerter Zusatz sein. Der Typ III kann kodiert werden, indem ein dichroitischer Belag als ein teilweise reflektierender Belag auf der ersten Fläche des Prismas 45 verwendet wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Kraft-Meßwandler für optische Ablesung, der vier ringartig und symmetrisch angeordnete, gelenkig miteinander verbundene Arme aufweist und bei dem die Kraft in Diagonalrichtung dieses Meßringes eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Arme (10, 11, 12,13) je einen Spiegel (20 bis 23; 43) als optisehen Signalgeber trägt, daß zur Einleitung eines Meß-Lichtstrahles ein Reflektor (24, 25) im Innern des Meßringes angeordnet ist und daß die Spiegelflächen den Meßlichtstrahl innerhalb des Meßringes von einem Spiegel jeweils zum nächsten reflektieren.

2. Kraft-Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Spiegel von einem Prisma (45 bzw. 51) gebildet ist.

3. Kraft-Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung der Spiegel, daß der eintretende Meß-Lichtstrahl in einem Abstand von dem austretenden Meß-Lichtstrahl gehalten wird.

4. Kraft-Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung der Spiegel, daß der eintretende Meß-Lichtstrahl bei

unbelastetem Meßring mit dem austretenden Meß-Lichtstrahl zusammenfällt.

5. Kraft-Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung der Spiegel, daß der Meß-Lichtstrahl zweimal, je in entgegengesetzter Richtung innerhalb des Meßringes herumgeführt ist (F i g. 5).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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