DE1952522A1 - Mehrkomponenten- Kraft- und Momentenmessanordnung - Google Patents

Description

KISTLEa INSTRUMENTE AG WINTBRTHUR

Mehrkomponenten- Kraft- tsnd Momentenraessanordnung

In vielf-n Aufgaben der Messtechnik ist es notwendig, eine oder mehrere auf einen Körper einwirkende Kräfte in deren Einzelkomponenten in bezug auf ein Koordinatensystem zu zerlegen, wobei oft auch deren Momente in bezug auf dan Messkörper zu bestimmen sind. Solche Aufgaben gehören zu den schwierigsten der Messtechnik, und es werden in der Fachliteratur seis Jahren wissenschaftliche Arbeiten über solche Messysteme veröffentlicht. In den meisten Fällen sied solche Messanordnungen jedoch äuseerst korn plizierf. und sie können nur von Spezialisten bedient werden. Der Grund dieser Schwierigkeiten liegt in der Tatsache, dass fast alle bis heute eingesetzt au Mehrkomponenten-Kr aitmessger ate auf Dehnmessstreifenbasis aufgebeut sind. Mit dieser Technik ist es jedoch äusserst schwierig,

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Messelemente zu bauen, die in mehreren Kraftrichtungen empfindlich sind, da die einwandfreie Trennung der Kraftrichtungen in den Dehnarmen schwie -rig ist. Zudem entsteht auf diese Weise ein Messystem, das in verschiedenen Richtungen elastisch sein muss, wodurch gegenseitige Störeinflüsse unumgänglich sind. Auch kapazitive und induktive Messysteme eignen sich für die Mehrkomponenten-Kraftmessungen nicht, da diese wiederum auf eine elastische Verformung angewiesen sind, was bei Mehrkomponenten-Anwendung wiederum zu unbefriedigenden Störeinflüesen führt infolge gegenseitiger Beeinflussung der einzelnen Komponenten. Zudem erreicht man mit solchen Messanordnungen infolge der notwendigen Elastizität nur unbefrie -digende Eigenfrequenzen.

Gegenüber dem bekannten Stand der Technik eröffnet die erfindungsgemässe Mehr komponenten-Messanordnung erstmals ganz neue Möglichkeiten. Durch Verwendung neuer von der Anmelderin kürzlich auf den Markt gebrachten Mehrkomponenten-Messzellen ist es möglich geworden, komplizierte Kraft- und Momenteaainwirkungen auf bestimmte zu untersuchende Körper in die gewünschten Koordinatenachsen und Etinen zu zerlegen.

Wirken z. B, auf einen Messkörper verschiedene Kräfte in ganz verschiedenen Richtungen eia, so wird vorerst die resultierende Geeamtkraft räumlich in Koordinatenkräfte zerlegt, worauf die resultierenden Kraftmomente in den verschiedenen Koordinatenebenen bestimmt werden. Auf ein übliches Dreikoorinatensystem bezogen, kann ein räumlich beliebig auf einen Messpunkt angreifender Kraftvektor durch dessen Kraftkompo-

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nenten in X-, Y- und Z-Achse sowie durch die drei resultierenden Momente in den drei Koordinatenebenen vollständig definiert werden. Für den allgemeinen Fall sind somit 6 Messgröasen notwendig, die völlig simultan gemessen werden müssen, insbesondere wenn sich der Vektor in Grosse und Richtung im Zeitablauf ändert, was Üblicherweise der Fall ist.

Der Gedanke der Erfindung ist in den Figuren 1-10 dargestellt; Fig. 1 stellt eine kürzlich auf den Markt gebrachte Mehr komponenten- j Kraftmesszelle in Ansicht dar,

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Einbaupartie einer Mehrkomponenten-Kraftmesszelle,

Fig. 3 stellt eine aus vier Krtftmesezellen zusammengebaute Mehrkomponenten-Messeinheit dar,

Fig. 4 zeigt eine Mehrkomponenten -Messzelle im Grundriss mit den Kräfteverhältnissen wenn ein Drehmoment angreift, a

Fig. 5 zeigt eine Mehrkomponenten-Messeinheit. an welcher Momente in drei verschiedenen Ebenen angreifen,

Fig. 6 zeigt din Schaltungsanordnung zur Messung von Einzelkräften wie auch Momente, die auf der Meseeinheit von Figur 5 und 3 angreifen,

Fig. 7 . zeigt eine Messeinheit bestehend aua vier handelsüblichen Einkorn ponenten-Kraftmeaszellen,

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Fig, 8 zeigt die Schaltungsanordnung für eine Messeinheit nach Fig. 7, mit welcher eine Kraft und zwei Momente gemessen werden können,

Fig. 9 zeigt eine Messeinheit, in welcher zwei Kraftmess zellen sowie eine Beschleunigungsmesszelle so geschaltet sind, dass Beschleunigungseinflüsse kompensiert werden,

Fig. 10 zeigt die Schaltungsanordnung für eine Messeinheit bestehend aus vier Mehrkomponenten-Messzellen, wobei allfällige Querbeeinflussungen einzelner Komponenten kompensiert werden können.

Die Gedanken der Erfindung sollen nun aufgrund der Figuren näher beschrie

ben werden. In allen Beispielen sind piezoelektrische Messzellen dargestellt die Erfindung ist jedoch nicht an diese Zellenart gebunden. In Figur 1 ist eine eben auf den Markt gekommene Mehrkomponenten-Kraftmesezelle dargestellt. Die Kraftkomponenten wirken auf die obere Aufnahmefläche 1 und die untere Aufnahmefläche 2 ein. Damit Kräfte in der X- und Y-Richtung auf diese beiden Flächen übertragen werden können, ist es notwendig, dass die Messzelle unter mechanischer Vorspannung eingebaut ist. Zu diesem Zweck ist die Messzelle mit einer durchgehenden Bohrung 3 versehen, durch weiche entsprachende Vorspannschrauben gesteckt werden können. Die Messignale werden mit den Steckeranschlüssen 4, 5 und 6 abgeleitet.

In Figur 2 ist ein Beispiel dargestellt, wie eine Mehrkomponenten-Kraftmesszelle eingebaut wird. 21 stellt den Messkörper der Messzelle dar,

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22 das in verschiedenen Achsen empfindliche Element, die Anschlüsse sind mit 23 angedeutet,, Zur Uebertragung der Schubkräfte wird die Vorspannschraube 24 unte:<· hohe mechanische Vorspannung gesetzt. Diese Vorspann· schraube soll möglichst elastisch gestaltet werden, damit sie an der Ueber tragung der Kräfte einen verhältnismäseig kleinen Anteil übernimmt, d. h. dass die Kräfte hauptsächlich über das empfindliche Messelement 22 geleitet werden.

In Figur 3 ist eine Messeinheit dargestellt, in welcher vier Mehrkomponenten-Messzellen eingebaut sind. Diese sind zwischen der Grundplatte 31 und der Deckplatte 32 mittels Vorspannschrauben 33 fest verschraubt. Auf der Deckplatte 32 wird das zu untersuchende Messobjekt aufgebaut, an welchem Krafteinwirkungen in drei Komponenten gsmessen werden sollen. Für einen solchen Anwendungefall, wo nur die drei Kraftkomponenten von Interesse sind, genügt eine einfache Schaltung, in dsm alle X-Auegänge der Einzelzellen zusammsageschaltet auf einen Verstärker S6 geleitet werden. Dasselbe wird mit allen Y- und Z- Ausgängen der einzelnen Mehr komponenten-Messzsllen gemacht, welche an die Verstärker 3? und 38 angeschlossen werden. An deren Ausgängen können dann die Signale X, Y und Z weiter verarbeitet werden. Messeinheiten dieser Art werden hauptsächlich Anwendung in der Zerspanungstechnik finden, bei welchen die Reaktionskräfte verschiedener Eoarbeitungsvorgänge untersucht werden sollen. Für viele solcher Anwendungen genügt es, da3s eine einfache Messeinheit verfügbar ist, die völlig starr ist, damit hohe Eigenfrequenz aufweist und auf bequeme V/eise in drei Achsen kalibriert werden kann.

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Sobald jedoch in hinein ähnlichen Fall Momente auftreten, die gemeosen werden sollen, müssen weitere Fragen berücksichtigt werden.

In Figur 4 ist eine Messeinheit, bestehend aus vier Mehr komponenten -Messzellen, im Grundriss dargestellt. Ea wird angenommen, dass in der Grundrissebene ein Drehmoment Mz auf der oberen Montageplatte angreife. Die Abstände der Zentren der vier Zellen sind mit A und B bezeichnet. Greift nun das Moment irgendwo in der Ebene an, z. B. im Punkt 41, so ergeben sich bezüglich der vier Zellen vier Einzelkräfte Fi-Fa nut den dazugehörenden Hebellängen a^ - a^. Das Gesamtmoment Ma ist damit gleich der Summe aller Einzelmomentes

Mz « ^F . a

Werden Diese Kräfte in ihre Komponenten zerlegt und werden anstelle der Hebelarme die Koordinatenabstände der Messzellenzentren A ; B genommen, so lässt sich obige Formel auf den einfachen Auedruck bringen

Mz ■ -~ · / A (*2LFy) + 3 (^ Fx)J .

wobei die Vorzeichen der Kräfte zu berücksichtigen sind. Somit kann nach Kenntnis der Abstandachaen A, B sowie mit Kenntnis aller X- und Y-Komponenten jedes beliebige Moment M in der Ebene X und Y einwandfrei definier'; v/erdea. Bedingung ist, das3 die Polarität der Zelienausgangssignale richtungsabhängig ist, damit die Richtungen der Kraftvektoren eindeutig fesigsl^ sind. Dies ist bei den Vektoren 42 und 43 angedeutet, die beide in der X-Richtung wirken, jedcch verschiedene Vorzeichen aufweisen und demz-ifolge auch verschiedene und zwar positive und negative Ausgaiigssignale hervorbringen müssen.

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*- ^/! OÄÖ ORJGINAt

In Figur 5 ist der Gedanke der Momente noch weiter ausgeführt, In dieser Messeinheit sind wiederum vier Mehrkomponenten-Messzellen zwischen der Grundplatte 51 und der Deckplatte 52 fest verschraubt. Zu den ge wählten X- und Y-Achsen des Meeeyetems sind die Messzellen symmetrisch an·

geordnet. Auf der Deckplatte 52 greifen nun Drehmomente in drei Ebenen an. Das Drehmoment Mz in der Grund ebene löst Schubkräfte, wie in Figur geneigt, aus. Das Drehmoment My in der gezeigten Wirkungsrichtung er -gibt auf den Zellen 53, 56 Belastungekräfte, auf den Zellen 54, 55 Entlastungskr&fte. Eine Ähnliche Wirkung hat ein Drehmoment Mx in der ge -zeigten Drehrichtung, in dem die Zellen 53 und 54 entlastet, die Zellen 55 und 56 belastet werden. Zu diesen drei Momenten können nun ohne weiteres auch die in Figur 3 erwähnten drei Einzelkraftkomponenten kommen, so dass ffir den allgemeinen Fall mit der gleichen Messeinheit drei Kraftkomponenten sowie drei Kraftmomente gleichzeitig gemessen werden, Wird nun ein Messobjekt auf der Messplatte 52 montiert, eo kann jede beliebige Einzelkraft, die auf das Messobjekt wirkt, aus den sechs Komponenten vollstandig definiert werden. Durch die Tatsache, dass sehr starre Zellen zu einer ebenfalls sparren Einheit verschraubt sind, wird ein Messy&tem erhalten, das sich für breite Anwendung von Kraftmecsungen eignet, da es in allen Richtungen hohe Eigenfrequensen ergibt.

In Figur 6 ist die für den eben erörterten allgemeinen Fall notwendige Schaltungsanordnung im Grundriss dargestellt. Die Mehrkomponfmten-Messz?llen 62, 63, 54 und öS sind wiederum symmetrisch zu den gewählten X- und Y-Achsen angeordnet. Der Abstand der Elemente in der Y-Rieh ·

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tung ist mit A bezeichnet, der Abstand der Elemente in der X-Richtung ist mit B bezeichnet. Die Ausgangssignale der einzelnen Zellen werden nun einer Gruppe von Vorverstärkern 66, 67, 68, 69, 70, 71» 72 und 73 zugeführt. In die Verstärker 66, 67, 68 und 69 kommen jeweils die zusammengeschalteten Werte von zwei X- und zwei Y-Ausgängen zusammen. In die Verstärker 70, 71, 72 gelangen die Einzelauegänge der Z-Komponenten. fin die Ausgänge dieser Vorverstärker sind nun eine Gruppe von Operationsverstärkern 74, 75, 76, 77, 78 und 79 angeschlossen. Diese Operationsverstärker nehmen nun die Addition und Subtraktion der verschiedenen vorbereiteten Signale vor. Am Ausgang des Operationsverstärkers 74 erscheint die Kraftkomponente in X-Richtung Fx. Das Signal stellt die algebraische Summe aller X-Komponenten der vier Zellen dar. Die gleiche Aufgabe hat der Operationsverstärker 76, der die algebraische Summe aller Y-Komponenten der vier Zellen abgibt. Der Operationsverstärker 77 führt die gleiche Aufgabe für alle Z-Komponenten der vier Messsellen durch Im Operationsverstärker 75 wird mittels der Verarbeitung aller X- und aller Y-Komponenten das Moment Mz in der X-Y Ebene bestimmt, wobei der Abstand A gleichzeitig als Faktor im Ausgang eingeschlossen ist. Aehnliche Aufgaben führen die Operationsverstärker 78 und 79 aus, welche die Momente in den X-Y -Ebenen wiederum multipliziert mit dem zugehörenden Achsabstandfaktor herausgeben. Mit dieser Anordnung erhält man somit die drei Einzelkomponenten als auch die drei Momente vollständig ge -trennt voneinander. Vorteilhaf terweiae werden die Signale in einem Mehr -kanalschreiber weiter verarbeitet. Anhand der Figuren 5 und 6 ist der

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Hauptgedanke der Erfindung auf ein Mes system, bezogen, in welchem alls Wirkungen auf die drei Koordinatenachsen X, Y und Z bezogen werden sollen. Dementsprechend sind die einzelnen Mehrkomponenten-Messzellen in Bezug auf diese gewählten Achsen angeordnet. Im gezeigten Fall sind die Angriffspunkte auf ein Rechteck bezogen. Es ist aber auch ohne weiteres möglich und auch einfacher, die Angriffspunkte in einem Quadrat wirken zu lassen. Es ist ferner auch möglich, die Angriffspunkte in einer anderen geometrischen Anordnung, z. B. in einem gleichseitigen Dreieck, wirken zu lassen. Anstelle des üblichen X-Y-Z- Koordinatensystems, dessen Einzelkoordinaten räumlich um 90° versetzt angeordnet sind, ist es ohne weiteres auch im Gedanken der Erfindung, ein anderes Koordinatensystem zu ver wenden, dessen Einzelkoordinaten in einem anderen Winkelverhältnis zueinander stehen. Sinngemäss mus3 damit die Anordnung der einzelnen Mehrkomponentea-Messzellen erfolgen.

Aus der allgemeinen Anordnung der Figur 6 geht ohne weiteres auch hervor, daes eine sehr praktische Anordnung so gebildet werden kann, dass ausser den drei Kraftkomponenten lediglich Momente in der X -Y-Ebene, also Mz Momente, gemessen v/erden. Eine solche Messeinheit eignet sich insbesondere für Zerspanungsversuche, wo Schleif-, Fräs- und Bohrversuche durchgeführt werden müssen. Eine solche Anordnung benötigt anstelle :1er in Figur 6 vorgesehenen acht Vorverstärker nur deren fünf,und anetelle der sechs Operationsverstärker sind nur deren drei notwendig. Der Aufwand mit einer solchen Anordnung ist deshalb bedeutend geringer.

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In Figur 7 ist eine einfachere Messaufgabe dargestellt, bei welcher 2 Momente und eine resultierende Kraft gemessen werden sollen. Für eine solche Aufgabe können vier Standardkreftmesszellen; wie sie handelsüblich sind, verwendet werden. Diese Zellen 80 weisen einen Ausgang 81 auf. Sie werden wiederum mit Schrauben 82 zwischen der Grundplatte 83 und der Deckplatte 84 fest verschraubt. Ihre Anordnung ist wiederum symmetrisch sur Y- und X - Achse vorgesehen. Das Moment Mx, das in der Y- und Z-Ebene wirkt, ruft in den Zellen 85 und 86 Entlastung, in den Zellen 83 und 87 Belastung hervor. Das Moment My, das in der X-Z- Ebene wirkt, bedingt in der dargestellten Wirkungerichtung eine Belastung der Zellen 80 und 85 und eine Entlastung der Zellen 86 und 87.

In Figur 8 ist eine Schaltungsanordnung gezeigt, welche eine Messeinheit entsprechend Figur 7 benötigt. Die vier Einkomponenten-Messzellen 90, 91 92 und 93 3ind mit den Achsabständen A und B symmetrisch zu den X- und Y-Achsen angeordnet. Die Ausgänge der vier Zellen werden einzeln zu den vier Vorverstärkern94, 95, 96 und 97 geführt. Der Operationsverstärker 98 summiert alle Auagangssignale der Vorverstärker und gibt somit die gesamte resultierende Kraft Fz an. Auf den Operationsverstärker 99 werden die Ausgänge der symmetrisch zur Y-Achse angeordneten Gruppen von Zellen durch Umkehrverstärker zu einer Spannung entsprechend Kraft « My * -=r- verarbeitet. In ähnlicher Weise wird im Operationsver - stärker 100 die Gruppe der symmetrisch der X-Achse angeordneten Zellen

2 zur Kraft ■ Mx · -r- verarbeitet. Diese KrSfte sind mit den entsprechenden

Faktoren den zu messenden Momenten proportional. Es xteh&n -ornit ®iue

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Kraft und zwei Momente für die Weiterverarbeitung auf dem Anzeigegerät oder Recorder zur Verfügung* Auch für die Verwendung von nur Einkornponenten-Messzellen ist es ohne weiteres möglich, anstelle der Anordnung der Zellen in einem Viereck, dieselben in einem Quadrat oder in einem Dreieck, oder aber einer anderen geometrischen Figur anzuwenden. Infolge der Starrheit der Zellen ist es auch möglich, dass die Zelle nicht nur in einer Ebene, sondern in zwei oder mehreren Ebenen, die in verschiedenen Winkelmaseen zueinander stehen, einzubauen. Auf diese Weise ist es möglich, auch mit Einkomponenten-Messzellen Kräfte in mehreren Komponenten zu messen. Die Anordnung wird jedoch kompliziert und aufwendig in der Herstellung. Dies liegt hauptsächlich im Grund, dass die Zellen alle pro eine Ebene auf die genau gleichen Einbaumas se gearbeitet sein müssen.

In verschiedenen Anwendunceprob lernen, wo Mehr komponenten- Kraft- und Momentmessungen durchgeführt werden sollen, treten Vibrations- und damit BescTileuniguageVerhältnisse gleichzeitig mit den angreifenden Kräften auf. Dies ist meistens der Fall, wenn die Aufspannplatte, auf welche die Mehrkomponenten-Messeinheit montiert wird, nicht eine sehr grosse Masse aufweist. Durch das Auftreten von Vibrationen werden Beschleunigungskräfte har vor gerufen, die in gewissen Fällen eine Fälschung der tatsächlich auftretenden Kraftvektoren mitsichbringea. In solchen Fällen muss versucht werden, diese durch die Beschleunigungskräfte bewirkten Signale zu eliminieren.

Ein Bespiel einer solchen Anordnung i3x in Figur 9 gezeigt, wo Beschleu-

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nigungskräfte in einer Achse kompensiert werden sollen. Ee ist jedoch ohne weiteres möglich, auch in mehreren Komponenten Beschleunigungs -kräfte zu kompensieren, was jedoch entsprechend grösseren Aufwand an Signalverarbeitungeger äien bedingt. Zwischen der Grundplatte 110 und der Deckplatte 111 sind die beiden cp-Messzellen 112 und 113 durch Schrauben 114 und 115 fest montiert. Die beiden Zellen sind in der Z-Achse empfindlich. Auf der Deckplatte 111 ist der Messaufbau 116 montiert. Dies könnte z.B. eine Raketenkammer sein. Die Grundplatte Ho ist ihrerseits auf dem Rahmen 117 montiert. In diesen Rahmen können nun durch NachbarprOfstand&Vibrationen eingeleitet werden, welche Beschleunigung b der ganzen Messeinheit in Richtung der Z - Achse hervorrufen. Durch diese Beschleunigung wird die von den beiden Zellen 112 und 113 gemessene Kraft and das Moment, herrührend vom Verbrennungsvorgang der Rakete, gefälscht. Es muss somit die Grosse der Beschleunigung gemessen werden und ihr Produkt, die resultierende Kraft Fb ■ Masse des Messaufbaues mrd Beschleunigung, eowie das Moment entsprechend der Lage des Schwerpunktes, von der gesamt gemessenen Kraft und dem Moment der beiden Zellen abgezogen werden. Dieser Vorgang wird durch eine Anordnung von Vorverstärkern und Operationsverstärkern durchgeführt. Die Signale, welche von den beiden Kraftmeeszellen 112, 113 und dem Beschleunigungsgeber 118 herrühren, werden in den Vorverstärkern 119, 120 und 121 verstärkt. Die Summe der beiden Kraftsignale wird im Operationsverstärker 122 gebildet und liefert einen der gesamten Kraft proportionalen Wert. Im Operationsverstärker 123 wird die Differenz der beiden Krafteignale gebildet, so dass dessen Aus gangs signal proportional

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dem Moment My ist. Beide so gev/onnenen Ausgangseignale werden je über einen Verstärker 124, 125 geführt, welcher das Signal ohne Veränderung passieren lässt, jedoch zusätzlich positive und negative Eingänge zur Einfügung von Korrektursignalen aufweist, Vom Verstärker 120 wird an den Potentiometern 126 und 127 der für die Beschleunigungskompensation benötigte Betrag abgegriffen und auf den Additions- oder Subtraktionseingang der Verstärker 124 und 125 geführt. Ebenso werden durch nicht idealen Messaufbau verursachte Querbeeinfluesungen der beiden Messkanäle jj kompensiert, indem an den Potentiometern 128 und 129 die entsprechenden Beträge abgegriffen und auf den Additions- oder Subtraktionseingang der Verstärker 124 und 125 geführt werden,

Bei der Durchführung von Mehr komponenten- und Mehrmomenten-Messungen stellt sich in der Praxis of ein weiteres Problem, nämlich dasjenige der Querbeeinflussung oder "Crosstalk". Diese Schwierigkeit ist hauptsächlich auf Verspannungswirkungen zwischen Grund- und Deckplatte und den einzelnen Mesezellen zurückzuführen. Die Störung wird festgestellt, ⁽

wenn in einer fertig eingebauten Messeinheit Kalibrierung durchgeführt werden soll und Kalibrierkräfte in bestimmten Achsen auf die Messeinheit gegeben werden. Wird z. B. in der Z-Richtung belastet, so kann in der X-Komponente und/oder in der Y-Komponente ein Fehlersignal festgestellt v/erden. In vielen Fällen ist es nun erwünscht, diese Fehlersignale an der fertig eingebauten Mesoanlage kompensieren zu können. Eine eolchs Kompensationsschaltung benötigt wiederum eine Gruppe von Operationsverstärkern mit entsprechenden Abgleichwiderständen. Bs ist ohne weiteres möglich, dass sowohl Kräfte wie auch Momente mit einer solchen

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Schaltung völlig kompensiert werden können. Am Beispiel der Figur 10 soll der Einfachheit halber eine Kompensation lediglich der Kräfte in den drei Koordinatenachsen dargestellt werden. Es ist wiederum eine Messeinheit bestehend aus vier Mehrkomponente π-Mess zellen vorausgesetzt. Da nur Kräfte zu messen sind, können die einzelnen X-Anschlüsse verbunden werden und gemeinsam an den Verstärker 131 geleitet werden. Dasselbe gilt für die Y-Anschlüsse, die ebenfalls gemeinsam an den Verstärker 132 geleitet werden, sowiefür die Z-AnschlOsse, die dem Verstärker 133 zugeleitet werden. In den Operationsverstärker 134 kann nun je ein Kompensationswert X, ausgehend vom Y- und X-Signal, eingeleitet werden. Wenn

nur.
z. bYüi der X-Achse eine Kalibrierkraft von 100 kp gelegt wird, so können infolge der erwähntes Störeffekte auch an den Ausgängen Fy und Fz Signale erscheinen, welche ein Vorhandensein von Kräften in der Y- und Z-Richtung vortäuschen. Da die diese Effekte bewirkenden mechanischen Kopplungen sich in erster Näherung linear verhalten, können sie mittels der Operationsverstärker 134, 135 vztd 136 wie folgt kompensiert werden? Ersahekit am Ausgang des Y-Kanals ein Signal entsprechend z. B. -5 kp, bo wird am Potentiometer 137 die dem. Wert 5 kp entsprechende Spannung abgegriffen und auf den positiven (addisrenden) Eingang des Operationsverstärkers 13S geführt. Dadurch sinkt das Signal Fy auf 0. Ein Störsignal VO3 z. B. +7 kp am Ausgang Fz wird kompensiert, in dem eine entsprechende Spannung stm Potentiometer 133 abgegriffen und auf den negativen (subtrahier&ndea) Eingang des Operationsveretärkers 138 geführt wird.

Es ist aus der Schaltungsanordnung ersichtlieh, dass es auf diese Weise

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mit einfachen Mitteln möglich ist, auf jeden einzelnen der drei Ausgänge die FehlereinflüB3e der Nachbarausgänge vollständig auf Null zu kompensieren. Voraussetzung dazu ist, dass eine einwandfreie Kali riereüirichtung vorhanden ist, mit welcher nacheinander Kräfte in den drei Achsen aufgebracht werden können.

Die Erfindung gestattet somit. Mehr komponenten- Kraft- und Momenten -messprobleme mit ganz neuen Anordnungen zu lösen. Bedingung für die einwandfreie Durchführung solcher komplizierter Messungen ist der hochprfixiae Einbau von sehr starren Messzellen entsprechend den Anforderungen der gewünschten Koordinatenrichtungen. Als vorteilahft haben sich für diese Messungen piezoelektrische Mess zellen erwiesen. Der Gedanke der Erfindung ist jedoch nicht auf die Konstruktionsart der Messzelle gebunden. Von Bedeutung ist lediglich, dass die Measzellen sehr starr sind und eire einwandfreie interne Trennung der Kräfte nach Koordinatenrichtungen gewährleiaten. Die Anordnungen der Measzellen zu einer Messeinheit werden Üblicherweise in einer Ebene durchgeführt. Es ist aber auch möglich, die Zelle in zwei oder mehreren Ebenen vollständig starr zu verspannen. Von Vorteil ist es. wenn für diese Anordnungen Messzellen mit zentralen DurOhgangsbohrungen verwendet werden, wodurch eich einfache und übersichtliche Einbauverhältnisae ergeben. Die im Zusammenhang mit der Anordnung der Messzeilen stehende Schaltung der Vor· und Operationsverstärker hängt ganz voa dem gewünschten Ausweriungsuinfang ab. Die aufgezeigten Sebaltungnanorcinungen ermöglichen erstmalig vollständig definierte Messung von Kräften und deren Momenten, Es werden ferner die notwendigen Schritte gezeigt, um auch auftretende Beschleuni·

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gungen zu kompensieren, wie auch durch die Montage der einzelnen Messz3ilen bedingte Fehler der gegenseitigen Beeinflussung einzelner Komponenten zu kompensieren. Es ist deshalb möglich, mit den in der Erfindung dargestellten Anordnungen Meeeprobleme zu lösen, die bis anhin nicht im Bereich des Möglichen waren.

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   fx.JKraft- und Momentenme3sanordnung bestehend aus mehreren Kraftmesszellen und Verstärkeranordnungen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kraftmess zellen zu einer Messeinheit so zwischen Montageplatten fest verschraubt sind und bezüglich Koordinatenachsen so angeordnet sind, dass Momentenbildung möglich ist, wozu die Signale der Kraftmesszellen zwecks Auswertung zu einer Gruppe von Verstärkern und deren Ausgänge wiederum zu einer Gruppe von Operationsverstärkern geleitet wird, wodurch sowohl die einzelnen Kraftkomponenten als auch die Kraft momente messbar sind.
2. 2. Kraft- und Momentenmessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einer Messeinheit zusammengefassten und in bestimmter Symmetrie zu den Messachaen angeordneten Kraftmesszellen jede in mehreren Komponenten empfindlich ist und je nach Kraftrichtung negative oder positive Signale abgeben, welche direkt elektrisch summiert werden können.
3. 3. Kraft- und Momentenmessanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, das3 die in einer Messeinheit zusammengebauten Messgeber auf piezoelektrischen Kristallen aufgebaut sind und unter mechanischer Vorspannung starr verachraubt sind.
4. 4. Kraft- und Momentenmessanordnung nach Anspruch 1. 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einze!anschlÜ3se der Messzelleu in der X- und Y-Komponente paarweise bezüglich je einer Momeiuenachse zusammen -

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   geschaltet werden und mit Verstärkern verbunden sind, währenddem alle Z-Komponenten der Messzellen an einzelne Verstärker angeschlossen sind worauf die Verstärkerausgänga zwecks Einzelkomponenten- und Momenten bildung einer Gruppe von Operationsverstärkern zugeführt werden.
5. 5. Kraft- und Momentenmessanordnung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass vier Mehrkomponenten-Messzellen so zu einer Messeinheit zusammengebaut sind, dass deren Zentren paarweise symmetrisch zur X- und Y-Achse liegen, dass ferner alle vier Z-Anschlüsse gemeinsam auf einen Ausgang geführt sind und je zwei X- und Y-Anschlüsse paarweise herausgeführt sind, welche Anschlüsse auf 5 Verstärker und anschliesssnd auf 3 Operationsverstärker geleitet sind, worauf drei Kraftkomponenten und ein Drehmoment in der X-Y- Ebene gemessen werden können.
6. 6. Kraft- und Momentenmessanordnung nach Anspruch 1,2,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Einkomponenten-Kraftmess zellen zu einer Messeinheit so zusammengefasst sind, dass durch symmetrische Anordnung Momentenbiidung möglich-ist und dass die Signale zu je einem Verstärker geführt werden, worauf die Verstärkerausgänge mit Operationsverstärkern gruppenweise so zusammengeschaltet werden, dass die Summeneinzeikraftgwie auch die Momente verfügbar sind,
7. 7. Kraft- und Momentenmessanordnung nach Anspruch 1, 2,3,4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der durch mehrere Messzellen gebildetem Messeinheit ein oder mehrere Besehleunigungsaufnehmer eingebaut sind, deren Ausgangssignal ebenfalls über Verstärker- und Operaiionsverstär-

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   ker bo geleitet wird, dass allfällige durch Bewegung der Messeinheit erzeugte Beschleunigungskräfte und deren Momente durch Kompensation eliminiert werden können.
8. 8. Kraft- und Momentenxnessanordnung nach Anspruch 1,2, 3, 4,5, 6 und dadurch gekennzeichnet, dass zwecke Kompensation von Störeinflüs3er. einzelner Komponenten den Verstärkern ein Kompensatorgerät nachgeschaltet ist, dessen Operationsverstärker so geschaltet sind, dass jeder Messkanal einzeln in bezug auf jede Messkomponente so kompensiert wer ■· den kann, dass allfällige Störeinflüsse oder "Crosstalk" einzelner Korapo -nenten auf Null abgeglichen werden können.
9. 9. Kraft- and Momentenmessanordnung nach Anspruch 1,2,3,4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzellen in mehreren Ebenen, die zueinander in bestimmten Winkeln stehen können, zu einer starren Messeinheit gefügt sind.

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