DE1952522B2

DE1952522B2 - Kraft- und Drehmomentmeßanordnung

Info

Publication number: DE1952522B2
Application number: DE1952522A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Martini; Hans Conrad Dipl.-Ing. Neftenbach Sonderegger; Gelli Dr.Sc.Techn. Spescha
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1968-11-04
Filing date: 1969-10-18
Publication date: 1975-06-05
Also published as: DE6940548U; DE1952522A1; US3640130A; GB1286993A; AT310470B; CH502590A

Description

die Kraftmeßzellen zwischen den Montageplatten

65 unter Vorspannung gehalten sind, daß in dem Falle,

Die Erfindung betrifft eine Kraft- und Drehmo- daß jede Kraftmeßzelle auf mehr als eine Kraftkommentmeßanordnung mit mehreren, zwischen zwei poncntc selektiv anspricht, eine einwandfreie interne Montageplatten angeordneten Kraftmeßzellen, die Trennung der auf die Kraftmeßzelle wirkenden

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Kräfte in deren Komponenten gewährleistet ist, daß chenden Kraftmeßzellen versehen sein. Bei einer

jede Kraftmeßzelle auf ein auf die Montageplatten bevorzugten Ausführungsiorm der Erfindung jedoch

bezogenes Koordinatensystem ausgerichtet ist, daß spricht jede Kraftmeßzelle auf mehrere auf sie ein-

jede Kraftmeßzelle auf die gleiche(n), vorbestimm- wirkende Kraftkomponenten an. Von Vorteil ist da-

tß(n) Komponente(n) anspricht, und daß die Kraft- 5 bei, daß auf diese Weise Anordnungen geschaffen

meßzellen beidseitig mit planen, zueinander par- werden können, deren Meßwertkomponenten sich

tllelen und in gemeinsamen Ebenen liegenden Kraft- durch sehr einfache Schaltungen zu den gewünschten

einleitflächen versehen sind. Größen mathematisch zusammenfassen lassen.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anord-Anordnung besteht darin, daß sie einen in allen Rieh- io nung mit beliebig vielen Kraftmeßzellen aufgebaut tungen starren Körper bildet, der auch sich sehr sein, da die Kraftmeßzellen ein statisch unbestimmtes rasch ändernde Kräfte und Drehmomente zu erfassen System bilden. Beispielsweise können drei Kraftmeßvermag, da seine Eigenfrequenz hoch liegt. Ein wei- zellen vorgesehen sein, die an den Ecken eines gleichterer Vorteil liegt darin, daß bei der Verwendung seitigen Dreiecks angeordnet sind. Bei einer besondes erfindungsgemäßen Systems wegen dessen Starr- 15 ders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung heit die zu messenden Kräfte und Drehmomente dagegen sind vier Kraftmeßzellen zwischen die Monnicht verfälscht werden. Es kann beispielsweise bei tageplatten eingespannt, die an den Ecken eines Schnittkraftmessungen, bei denen das Werkzeug an Rechtecks angeordnet sind, wobei jede der vier Kraftder Meßanordnung und die Meßanordnung an dem meßzellen auf drei Komponenten anspricht. Ein be-Werkzeugsupport befestigt ist, nicht vorkommen, daß 20 sonderer Vorteil dieser Ausführungsform der Erfinsich der AnsteHwinkel des Werkzeuges wegen der dung liegt darin, daß auf diese Weise die Auswertung mangelnden Starrheit der Meßanordnung ändert und der erhaltenen, den einzelnen Komponenten entspredadurch völlig andere, falsche Kräfte und Drehmo- chenden elektrischen Meßwerte besonders einfach mente gemessen werden. Ein weiterer Vorteil der wird. Insbesondere lassen sich Drehmomente sehr starren Verbindung der Montageplatten miteinander 25 einfach mathematisch und damit auch mit wenig liegt daiin, daß die Anordnung nicht auf statisch be- Aufwand an Operationsverstärkern ermitteln. Besonstimmte Systeme beschränkt ist, sondern beliebige ders einfach wird die Ausführung dann, wenn die Anordnungen möglich sind, die so gewählt werden vier Kraftmeßzellen in den Ecken eines Quadrates können, daß sich eine möglichst einfache und wenig angeordnet sind. Es liegen dabei die Zentren paar-Aufwand an Rechenverstärkern erfordernde Verar- 30 weise symmetrisch zur X- und zur Y-Achse. Werden beitung der Meßwertkomponenten ergibt. Schließlich dabei je zwei X- und Y-Anschlüsse der einzelnen liegt noch ein Vorteil der erfindungsgemäßen An- Kraftmeßzellen paarweise herausgeführt, so können Ordnung darin, daß sie eine von ungleicher Vorspan- die Anschlüsse derart an Verstärker geführt werden, nungsverteilung unbeeinträchtigte Messung auch klei- daß drei Kraftkomponenten und ein Drehmoment ner Kräfte und Drehmomente ermöglicht. Der Grund 35 in der Z-Y-Ebene erfaßbar sind,
hierfür liegt darin, daß die Kraftmeßzellen beidseitig Werden beispielsweise einzelne Anschlüsse der mit Planflächen versehen sind und daß die Plan- Meßzellen in der X- und der Y-Komponente paarflächen exakt in zwei gemeinsamen parallelen Ebe- weise bezüglich je einer Drehmomentenachse zusamnen liegen. Die exakte Anordnung in zwei parallelen mengeschaltet und mit Verstärkern verbunden und Ebenen wird in der Herstellung dadurch erreicht, daß 40 werden alle Z-Komponenten der Meßzellen an Eindie Kraftmeßzellen einseitig plan geschliffen und mit zelverstärker angeschlossen, so können über einige dieser Planfläche auf eine der ebenfalls planen Mon- Operationsverstärker die Kraftkomponenten in den tageplatten angebracht werden. Nach dieser Vor- drei Koordinatenachsen und die drei Drehmomente montage werden sämtliche Kraftmeßzellen einer An- in den durch je zwei Koordinatenachsen definierten Ordnung gemeinsam überschliffen, wodurch erreicht 45 Ebenen ermittelt werden, wobei bei der Drehmomenwird, daß die zweiten Planflächen albr Kraftmeßzel- tenermittlung der Abstand der Kraftmeßzellenzentren len, die Krafteinleitflächen bilden, exakt in derselben voneinander als konstanter Faktor eingeht.
Ebene liegen, wobei die Abweichungen von der ge- Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform meinsamen Ebene kleiner als Vi₀₀₀ mm gehalten wer- der Erfindung sind ebenfalls vier Kraftmeßzellen zwiden können. Danach wird die zweite Montageplatte 50 sehen die Montageplatten eingespannt und an den aufgebracht, und es werden die beiden Montageplat- Ecken eines Rechtecks angeordnet; dabei spricht jede ten gegeneinander verspannt. Dadurch, daß die Kraft- der Kraftmeßzellen auf die senkrecht auf den Moneinleitflächen nicht nur zueinander genau parallel tageplatten stehende Komponente an. Diese Ausliegen, sondern daß auch alle Krafteinleitflächen in führungsform gestattet es, ein Kraft- und zwei Drehderselben gemeinsamen Ebene liegen, ist es möglich, 55 momente in einfacher Weise zu erfassen,
die hohe Empfindlichkeit von Piezozellen auszunut- Die Vorspannung der Montageplatten gegeneinzen, da wegen des praktisch völligen Fehlens unglei- ander kann auf verschiedene Weise verwirklicht sein, eher Vorspannungen und der dadurch bedingten beispielsweise durch symmetrisch zu den Achsen der Ausgleichsspannungen eine Messung von Null weg Kraftmeßzellen angeordnete Spannschrauben. Bei linear möglich ist. Erst durch das Vorsehen der zu- 60 einer besonders bevorzugten Ausführungsform der einander parallelen Krafteinleitflächen, die sämtlich Erfindung sind die Kraftmeßzellen mit einer zentrain zwei gemeinsamen Ebenen liegen, ist es möglich, len Bohrung versehen, durch die hindurch je eine eine völlig neue Meßplattform zu verwirklichen, die Vorspannschraube die beiden Montageplatten unter in sich starr und statisch unbestimmt ist und die Verspannung der Kraftmeßzellen zusammenspannl. einen sehr großen Meßbereich linear zu erfassen 65 Ein Vorteil der Verwendung von Kraftmeßzellen mit vermag. einer zentralen Bohrung und einer hindurchgesteck-

Bei einfachen Meßaufgaben kann die Anordnung ten Vorspannschraube liegt darin, daß auf diese

mit mehreren, jeweils auf eine Komponente anspre- Weise besonders zuverlässig eine sehr gleichmäßige

Spannungsverteilung an der Einspannstelle der Kraft- einheit nach F i g. 7, mit der eine Kraft und zwei meßzelle erzielt wird, die zur Kraftmeßzellenachse Drehmomente gemessen werden können,
rotationssymmetrisch ist, wodurch erreicht wird, daß Fig.9 eine Meßeinheit in schematischer Darstel-

Nebensprecheffekte sehr klein werden. Diese Neben- lung im Schnitt, bei der ein zusätzlicher Beschleunisprecheffekte wirken sich in der Weise aus, daß bei 5 gungsaufnehmer eingebaut ist, und
Auftreten einer Kraft in Richtung einer Koordinaten- F i g. 10 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanord-

achse auch an den Kraftmeßzellenausgängen, die den nung für eine Meßeinheit, wobei Nebensprech-Störanderen Koordinatenachsen zugeordnet sind, Signale signale kompensierbar sind.

auftreten. Diese durch das Nebensprechen bedingten Bei der in F i g. 1 dargestellten Mehrkomponenten-

Störsignale werden bei der erfindungsgemäßen An- io Kraftmeßzelle wirkt die Kraft auf eine obere Aufordnung besonders klein, so daß sie das Meßergebnis nahmefläche 1 und eine untere Aufnahmefläche 2 nicht mehr nennenswert verfälschen. ein. Damit Kräfte in der X- und der Y-Richtung zwi-

Die Orientierung der Kraftmeßzellen, die jeweils sehen diesen beiden Flächen übertragen werden auf mehrere Komponenten ansprechen, auf das Ko- können, ist es notwendig, daß die Meßzelle unter ordinatensystem hat den Vorteil, daß die einer Ko- 15 mechanischer Vorspannung eingebaut ist. Zu diesem ordinatenachse zugeordneten Teilkomponenten in Zweck ist die Meßzelle mit einer durchgehenden einfacher Weise unter Vorzeichenberücksichtigung zentralen Bohrung 3 versehen, durch welche eine addiert werden können, wogegen bei beliebiger Orien- entsprechende Vorspannschraube gesteckt wird. Die tierung die einzelnen Komponenten auf das Koordi- Meßsignale für die einzelnen Komponenten stehen natensystem umgerechnet werden müßten, was einen 20 an Steckeranschlüssen 4,5 und 6 an.
erheblichen zusätzlichen Aufwand bei den nachge- F i g. 2 zeigt den Einbau einer derartigen Mehrschalteten Verstärkern und Rechnern erfordern komponenten-Kraftmeßzelle. Ein Meßkörper 21 würde. trägt Anschlüsse 23, die mit in verschiedenen Achsen

Erfiiidungsgemäße Meßanordnungen werden hau- empfindlichen Elementen 22 verbunden sind. Zur fig auch bei Meßaufgaben eingesetzt, bei denen Er- as Übertragung von Schubkräften, also in der Ebene schütterungen und Vibrationen auftreten, die der der Aufnahmeflächen 1 und 2 liegenden Kräften, eigentlichen Meßgröße überlagert sind und die nicht wird eine Vorspannschraube 24 durch die zentrale erfaßt werden sollen. Diese Beschleunigungen haben öffnung gesteckt und mechanisch ausreichend vorauf Grund des massebehafteten Aufbaues der An- gespannt. Die Vorspannschraube ist möglichst elaordnung Beschleunigungskräfte zur Folge, die Stör- 30 stisch gestaltet, damit sie an der Übertragung der signale ergeben. Bei einer bevorzugten Ausführungs- Kräfte einen verhältnismäßig kleinen Anteil nimmt, form der Erfindung ist daher die Meßanordnung mit also die Kräfte hauptsächlich über die empfindlichen mindestens einem Beschleunigungsaufnehmer zur Meßelemente 22 geleitet werden.
Kompensation der durch Beschleunigungskräfte ver- Die in F i g. 3 dargestellte Meßanordnung umfaßt

ursachten Fehlersignale versehen, dessen Ausgangs- 35 vier Mehrkomponenten-Meßzellen gemäß F i g. 1, die signal an einen Verstärker geführt ist. D-irch entspre- gemäß F i g. 2 eingebaut sind. Die Meßzellen sind chende Kalibrierung läßt sich die Empfindlichkeit zwischen zwei Montageplatten, einer Grundplatte 31 des Beschleunigungsaufnehmers so einstellen, daß und einer Deckplatte 32 mittels Vorspannschrauben das Fehlersignal praktisch völlig kompensiert wird. 33 fest verspannt. Die Vorspannschrauben 33 ent-Da der Beschleunigungsaufnehmer durch seinen Ein- 40 sprechen der Vorspannschraube 24 gemäß F i g. 2. bau in die Meßanordnung stets exakt derselben Be- Auf der Deckplatte 32 wird das zu untersuchende schleunigung ausgesetzt ist wie die Kraftmeßzellen, Meßobjekt aufgebaut, an dem Krafteinwirkungen in ist die beschriebene Beschleunigungskomponente über drei Komponenten gemessen werden sollen. Bei sehr große Bereiche hinweg wirksam. einem solchen Anwendungsfall, bei dem nur drei

Die Erfindung wird anschließend an Hand in der 45 Kraftkomponenten interessieren, genügt eine sehi Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher einfache Schaltung, bei der alle .Y-Ausgänge dei beschrieben und erläutert. Es zeigt Einzelzellen zusammen an einen Verstärker 36 ge-

F i g. 1 eine einzelne Kraftmeßzelle zum Erfassen leitet werden. In gleicher Weise werden alle Y- und von Kräften in den drei Achsen eines kartesischen alle Z-Ausgänge der einzelnen Mehrkomponenten-Koordinatensystems in perspektivischer Ansicht, 50 Meßzellen an Verstärker 37 bzw. 38 angeschlossen

F i g. 2 einen Schnitt durch die Kraftmeßzelle nach An den Ausgängen dieser Operationsverstärker ste-F i g. 1 in der Z-AT-Ebene, hen dann die den Kraftkomponenten X, Y und 2

Fi g. 3 eine Mehrkomponenten-Meßeinheit mit vier entsprechenden Signale an und können entsprechenc Mehrkomponenten-Kraftmeßzellen in perspektivi- weiterverarbeitet werden. Anordnungen dieser An scher Ansicht, 55 werden hauptsächlich in der Zerspanungstechnik an-

Fig.4 eine Draufsicht auf die Anordnung nach gewendet, wenn Reaktionskräfte verschiedener Be Fig.3 unter Darstellung der Kräfteverhältnisse bei arbeitungsvorgänge untersucht werden sollen. Be Angriff eines Drehmoments, vielen Anwendungsfällen genügt es, wenn eine robus

Fig.5 in perspektivischer Ansicht eine Mehrkom- und mechanisch einfach aufgebaute Meßeinheit ver ponenten-Meßeinheit, an der Drehmomente in drei 60 fügbar ist, die einen starren Körper darstellt, eine verschiedenen Ebenen angreifen, sehr hohe Eigenfrequenz aufweist und auf bequemt

Fig.6 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Weise in drei Achsen kalibriert werden kann. Mi Bestimmung der Einzelkräfte und Drehmomente, die der einfachen Schaltung mit nur drei Summierver bei einer Meßeinheit gemäß F i g. 5 oder 3 auftreten, starkem 36, 37 und 38 können jedoch keine Dreh

F i g. 7 eine Meßeinheit in schematischer Darstel- 65 momente bestimmt werden.

lung im Schnitt mit mehreren Einkomponenten- Eine Drehmomentenbestimmung wird anschließenc

Kraftmeßzellen, an Hand Fig.4 erläutert. Es ist angenommen, daC

Fig.8 eine Schaltungsanordnung für die Meß- in der Zeichenebene ein DrehmomentM, auf dei

ίο

oberen Montageplatte angreift. Die Abstände der Zentren der vier Kraftmeßzellen sind mit A und B bezeichnet. Greift nun das Drehmoment an irgendeiner Stelle der Ebene, beispielsweise in einem Punkt 41 an, so ergeben sich bezüglich der vier Zellen vier Einzelkräfte F₁ bis F₄ mit den dazugehörenden Hebelarmlängen ο, bis «₄. Das Gesamtdrehmoment M₂ ist damit gleich der Summe aller Einzeldrehmomente:

M, = IF-a.

IO

Werden diese Kräfte in ihren Komponenten zerlegt und werden an Stelle der Hebelarme die Koordinatenabstände der Meßzellenzentren A und B genommen, so laßt sich obige Formel auf den einfachen Ausdruck bringen:

wobei die Vorzeichen der Kräfte zu berücksichtigen sind. Somit kann nach Kenntnis der Abstandsachsen A, B sowie mit Kenntnis aller X- und Y-Komponenten jedes beliebige Drehmoment M in der Ebene X-Y bestimmt werden. Bedingung ist lediglich, daß die Polarität der Zellenausgangssignale richtungsabhängig ist, damit die Richtungen der Kraftvektoren eindeutig feststellbar sind. Das ist in F i g. 4 bei den Vektoren 42 und 43 angedeutet, die beide in der ^-Richtung wirken, jedoch verschiedene Vorzeichen aufweisen und dementsprechend auch verschiedene, nämlich positive und negative Ausgangssignale hervorbringen. Bei der perspektivischen Darstellung gemaß F i g. 5 weist die Meßanordnung wiederum vier Mehrkomponenten-Meßzellen auf, die zwischen die beiden Montageplatten, eine Grundplatte 51 und eine Deckplatte 52 eingespannt sind. Die Meßzellen sind zu den gewählten X- und Y-Achsen des Koordinatensystems symmetrisch angeordnet. An der Deckplatte 52 greifen Drehmomente in drei Ebenen an. Das Drehmoment M₂ in der Grundebene löst Schubkräfte, wie in F i g. 4 bereits gezeigt, aus. Das Drehmoment Mj, in der gezeigten Wirkungsrichtung ergibt auf Kraftmeßzellen 53 und 56 Belastungskräfte, auf Kraftmeßzellen 54 und 55 Entlastungskräfte. Eine gleichartige Wirkung hai ein Drehmoment M_x in der gezeigten Drehrichtung, wobei die Kraftmeßzellen 53 und 54 entlastet, die Kraftmeßzellen 55 und 56 belastet werden. Zu diesen drei Drehmomenten können nun auch noch die in Fig.3 gezeigten Einzelkraftkomponenten kommen, so daß für den allgemeinen Fall mit der Meßanordnung drei Kraftkomponenten sowie drei Drehmomente gleichzeitig gemessen werden können. Wird ein Meßobjekt auf der Deckplatte 52 befestigt, so kann jede beliebige Einzelkraft, die auf das Meßobjekt wirkt, aus diesen sechs Teilwerten vollständig definiert werden. Die Eigenschaft, daß die Kraftmeßzellen starr sind, führt in erwünschter Weise dazu, daß die gesamte Meßanordnung eine starre Einheit bildet, die in allen Richtungen hohe Eigenfrequenzen aufweist.

In Fig.6 ist die für den soeben geschilderten allgemeinen Fall notwendige Schaltungsanordnung als Blockschaltbild dargestellt. Mehrkomponenten-Kraftmeßzellen 62, 63, 64 und 65 sind symmetrisch zu den gewählten X- und Y-Achsen angeordnet. Die Achsabstände sind wieder mit A und B bezeichnet. Die Ausgangssignale der einzelnen Kraftmeßzellen werden einer Gruppe von Vorverstärkern 66 bis 73 zugeführt. Den Vorverstärkern 66 bis 69¹ werden jeweils die zusammengeschalteten Werte von zwei X- und zwei Y-Ausgängen zugeführt. Den Verstärkern 70 bis 73 werden die einzelnen Ausgänge der Z-Komponenten je für sich zugeführt. An die Ausgänge der Vorverstärker sind eine Gruppe von Operationsverstärkern 74 bis 79 angeschlossen, die Addition und Subtraktion der verschiedenen vorverarbeiteten Signale vornehmen. Am Ausgang des Operationsverstärkers 74 erscheint die Kraftkomponente F_x, die Kraft in X-Richtung. Dieses Signal stellt die algebraische Summe aller A'-Komponenten der vier Kraftmeßzellen dar. In gleicher Weise bildet der Operationsverstärker 76 die algebraische Summe aller Y-Komponenten. Der Operationsverstärker 77 erfüllt die gleiche Aufgabe für alle Z-Komponenten. Im Operationsverstärker 75 wird aus allen X- und allen Y-Komponenten das Drehmoment M_z in der A^Y-Ebene bestimmt, wobei der Abstand A als Faktor im Ausgang berücksichtigt wird. In gleicher Weise arbeiten die Operationsverstärker 78 und 79, die die Drehmomente in der X- und der Y-Ebene, multipliziert mit dem zugehörigen Achsabstandsfaktor, liefern. Diese Anordnung ergibt somit die drei Einzelkräfte als auch die drei Einzeldrehmomente getrennt voneinander. In vorteilhafter Weise werden die so erhaltenen Signale in einem Mehrkanalschreiber registriert.

Wie bereits erwähnt, können die Zentren der Mehrkomponenten-Kraftmeßzellen statt an den Ecken eines Rechteckes an den Ecken eines Quadrates angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, die Zentren in einer anderen geometrischen Anordnung, beispielsweise an den Ecken eines gleichseitigen Dreieckes, anzuordnen. Schließlich ist es ebenso möglich, kein kartesisches, sondern irgendein anderes Koordinatensystem zu verwenden.

Aus der Darstellung gemäß Fig.6 geht hervor, daß es auch in einfacher Weise möglich ist, außer den drei Kräften F_x, F_y und F. lediglich Drehmomente in der X-Y-Hbenc, also M₂-Drehmomente, zu messen. Eine derartige Meßeinheit eignet sich insbesondere für Zerspanungsversuche, also für Schleif-, Fräsoder Bohrbearbeitung. Eine solche Anordnung benötigt anstatt der in F i g. 6 dargestellten acht Vorverstärker nur fünf und an Stelle der sechs Operationsverstärker nur drei Operationsverstärker.

In Fig. 7 ist eine Meßanordnung zur Lösung einer einfacheren Meßaufgabe dargestellt, bei dei zwei Drehmomente und eine resultierende Kraft gemessen werden soll. Für eine solche Aufgabe ist die Anordnung mit vier Standardkraftmeßzellen versehen. Diese Zellen 80, die mit Schrauben 82 zwischen der Grundplatte 83 und der Deckplatte 84 fes verschraubt sind, weisen einen Ausgang 81 auf. Di< Anordnung ist ebenfalls symmetrisch zur Y- um .Y-Achse vorgesehen. Das Drehmoment M_x, das ii der Y- und Z-Ebene wirkt, ruft in Zellen 85 und 8< Entlastung, in Zellen 83 und 87 Belastung hervoi Das Drehmoment M_y, das in der -X-Z-Ebene wirki bedingt in der dargestellten Wirkungsrichtung ein Belastung der Zellen 80 und 85 und eine Entlastun der Zellen 86 und 87.

F i g. 8 zeigt die zur Meßeinheit nach F i g. 7 ge eignete Schaltungsanordnung. Die vier Einkompc nenten-Meßzellen 90, 91, 92 und 93 sind mit de Achsabständen A und B sj'mmetrisch zu der X- un der Y-Achse angeordnet. Die Ausgänge der vier Ze len werden einzeln vier Vorverstärkern 94 bis 9 zugeführt. Ein Operationsverstärker 98 summiert al!

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9 ίο

Aiisgangssignale der Vorverstärker und gibt somit und 1215 geführt. Ebenso werden durch nicht völlig

die gesamte resultierende Kraft F₂ an. Durch einen symmetrischen Meßaufbau verursachte Querbeein-

Operationsverstärker 99 werden die Ausgänge der flussungen der beiden Meßkanäle kompensiert, indem

symmetrisch zur Y-Achse angeordneten Gruppen von an Potentiometern 128 und 129 die entsprechenden

Zellen durch Umkehrverstärker zu einer Spannung 5 Beträge abgegriffen und auf den Additions- oder

entsprechend der Kraft M_V2/B verarbeitet. In glei- Subtraktionseingang der Verstärker 124 und 125 ge-

cher Weise wird in einem Operationsverstärker 100 führt werden.

die Gruppe der symmetrisch zur X-Achse angeord- Bei der Durchführung von Mehrkomponentenmesneten Zellen zur Kraft M_xI/A verarbeitet. Diese sungen tritt in der Praxis, wie bereits erwähnt, Kräfte sind mit entsprechenden Faktoren den zu io häufig ein weiteres Problem, nämlich das sogenannte messenden Drehmomenten proportional. Es stehen Nebensprechen oder »Crosstalk«, auf. Ein am Nebensomit eine Kraft und zwei Drehmomente für die sprechen beruhendes Störsignal wird dadurch fust-Weiterverarbeitung auf dem Anzeigegerät oder dem gestellt, wenn bei einer fertigen Meßanordnung Aufzeichner zur Verfügung. Kräfte in der Richtung nur einer Achse aufgebracht In F i g. 9 ist eine Meßanordnung mit einem zu- 15 werden, jedoch die Ausgänge für die hierzu senkrechsätzlichen Beschleunigungsaufnehmer mit angeschlos- ten Komponenten ein Signal abgeben. Durch die sener Verstärkeranordnung dargestellt. Zwischen den rotationssymmetrische Einspannung der einzelnen beiden Montageplatten, einer Grundplatte 110 und Kraftmeßzellen durch die Vorspannschraube wird einer Deckplatte 111 sind Kraftmeßzellen 112 und dieser Nebensprecheffekt und damit das Störsignal 113 durch Vorspannschrauben 114 und 115 einge- ao sehr klein. Es ist jedoch möglich, dieses Störsignal spannt. Dargestellt ist lediglich die Beschleunigungs- durch Kompensation weiter zu vermindern. Eine kompensation für die Z-Achse. Auf der Deckplatte derartige Kompensationsschaltung ist in Fig. 10 dar-111 ist der Meßaufbau 116 befestigt, beispielsweise gestellt. Es ist ohne weiteres möglich, sowohl Kräfte eine Raketenbrennkammer. Die Grundplatte 110 ist als auch Drehmomente in einer solchen Anordnung ihrerseits auf einem Rahmen 117 angebracht. In die- as frei von Störsignalen, also völlig kompensiert, zu sen Rahmen können, beispielsweise von benachbar- messen. In der Fig. 10 ist der Einfachheit halber ten Prüfständen, Vibrationen eingeleitet werden, lediglich die Kompensation der Kräfte in den drei welche Beschleunigungen b der gesamten Meßanord- Koordinatenachsen dargestellt. In der dort dargenung in Richtung der Z-Achse hervorrufen. Durch stellten Anordnung sind nur Kräfte zu messen, so diese Beschleunigung wird die von den beiden Kraft- 30 daß die einzelnen X-, die Y- und die Z-Anschlüsse meßzellen 112 und 113 gemessene Kraft, die von dem zusammengefaßt werden können. Es sind dabei die Verbrennungsvorgang in dei Raketenbrennkammer X-Anschlüsse an einem Verstärker 131, die Y-Anherrührt, verfälscht. Es wird daher die Größe der Schlüsse an einem Verstärker 132 und die Z-An-Beschleunigung gemessen und bei der Auswertung Schlüsse an einem Verstärker 133 geführt. In einen berücksichtigt. Noch zweckmäßiger ist es, sogleich 35 Operationsverstärker 134 wird nun ein Kompensaeine Kompensation durchzuführen, was mit der als tionswert X, ausgehend vom Y- und X-Signal, einge-Blockschaltbild dargestellten Verstärkeranordnung leitet. Treten z. B. bei einer Kalibrierkraft von 100 kp gemäß F i g. 9 erfolgt. Es wird dabei nicht nur das in der X-Achse infolge der erwähnten Störeffekte an Produkt aus Masse und Beschleunigung = Kraft, den Ausgängen F₁, und F₁ Signale auf, die ein Vorsondern auch das Drehmoment entsprechend der 40 handensein von Kräften in der Y- und der Z-Rich-Schwerpunktlage, von der gesamten gemessenen tung vortäuschen, so werden diese wie folgt kompen-Kraft und dem gemessenen Drehmoment der beiden siert, wobei berücksichtigt ist, daß die diese Effekte Zellen abgezogen. Die von den beiden Kraftmeß- bewirkenden mechanischen Kopplungen sich in erster zellen 112 und 113 sowie einem Beschleunigungs- Näherung linear verhalten. Erscheint beispielsweise geber 118 herrührenden Signale werden in Vorver- 45 am Ausgang des Y-Kanals ein Signal entsprechend stärkern 119 bis 121 verstärkt. In einem Operations- —5 kp, so wird an einem Potentiometer 137 die dem verstärker 122 wird die Summe der beiden Kraft- Wert 5 kp entsprechende Spannung abgegriffen und signale gebildet. In einem Operationsverstärker 123 auf einen addierenden Eingang eines Operationswird die Diffe-enz der beiden Kraftsignale gebil- Verstärkers 135 geführt. Dadurch fällt das Signal F_v det, so daß dessen Ausgangssignal proportional einem 50 auf Null ab. In gleicher Weise wird beispielsweise ein Moment Λ/,, ist. Beide so gewonnenen Ausgangssignale Störsignal von +7 kp am Ausgang F_z dadurch komwerden über je einen Verstärker 124 und 125 ge- pensiert, indem eine entsprechende Spannung an führt, der das Signal ohne Veränderung passieren einem Potentiometer 138 abgegriffen und auf einen läßt, der jedoch zusätzliche positive und negative subtrahierenden Eingang eines Operationsverstärkers Eingänge zum Aufschalten von Korrektursignalen 55 136 geführt wird. Es ist auf diese dargestellte und aufweist. Vom Verstärker 120 wird an Potentiometern beschriebene Weise mit sehr einfachen Mitteln und 126 und 127 der für die Beschleunigungskompensa- wenig Aufwand möglich, die Fehlereinflüsse dei tion benötigte Betrag abgegriffen und auf den Addi- anderen Kraftkomponenten in jedem einzelnen dei tions- oder Subtraktionseingang der Verstärker 124 drei Ausgänge völlig auf Null zu kompensieren.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 auf mindestens eine vorbestimmte, auf diese Zellen Patentansprüche- einwirkende Kraftkomponente selektiv ansprechen und mit einer Verstärkeranordnung verbunden sind,

1. Kraft- und Drehmomentmeßanordnung mit der eine Anzeigeanordnung nachgeschaltet ist, die mehreren, zwischen zwei Montageplatten ange- 5 sowohl eine Anzeige der von den KrattmelJzellen geordneten Kraftmeßzellen, die auf mindestens eine messenen Kraftkomponente(n) als auch daraus bevorbestimmte, auf diese Zellen einwirkende Kraft- stimniter Drehmomentkomponenten liefert,
komponente selektiv ansprechen und mit einer Derartige Anordnungen sind bekannt (D.-PS Verstärkeranordnung verbunden sind, der eine 9 57 980; Product Engineering, 39 L1968J, H. 14, Anzeigeanordnung nachgeschaltet ist, die sowohl io S. 70 und 71). Diese bekannten Anordnungen sind eine Anzeige der von den Kraftmeßzellen gemes- relativ komplizierte Gebilde, die zwischen zwei Sysenen Kraftkomponente(n) als auch daraus be- sterne geschaltet werden und die Kräfte und Mostimmter Drehmomentkomponenten liefert, da- mente zwischen diesen beiden Systemen aufzunehdurchgekennzeichnet.daßdie Montage- men gestatten. Dazu sind die Anordnungen mit sechs platten (31, 32 bzw. Sl, 52 bzw. 110, 111) starr 15 selektiv in jeweils einer Richtung empfindlichen miteinander verbunden sind, daß diese Verbin- Kraftmessern versehen, über die die Kräfte und die dung durch mehrere starre Kraftmeßzellen (I, II, in Kräfte zerlegten Drehmomente geleitet und erfaßt III, IV) gebildet ist, daß die Kraftmeßzellen zwi- werden. Zum Messen dienen die Dehnung erfasschen den Montageplatten unter Vorspannung sende Meßelemente. Von Nachteil ist bei diesen begehalten sind, daß in dem Falle, daß jede Kraft- 20 kannten Anordnungen, daß die beiden Systeme, zwimeßzelle auf mehr als eine Kraftkomponente se- sehen denen Kräfte und Drehmomente zu bestimmen lektiv anspricht, eine einwandfreie interne Tren- sind, nachgiebig miteinander verbunden sind. Durch nung der auf die Kraftmeßzelle wirkenden Kräfte diese erforderliche Elastizität der Anordnung ist die in deren Komponenten gewährleistet ist, daß jede Eigenfrequenz des Systems relativ niedrig, so daß Kraftmeßzelle auf ein auf die Montageplatten be- 25 höherfrequente Kraft- und Drehmomentenänderunzogenes Koordinatensystem ausgerichtet ist, daß gen nicht erfaßbar sind. Außerdem müssen die jeweils jede Kraftmeßzelle auf die gleiche(n), vorbestimm- in einer Achse empfindlichen Meßelemente über te(n) Komponente(n) anspricht und daß die elastische Schneiden oder ähnlich mit der Kraftein-Kraftmeßzellen beidseitig mit planen, zueinander leitung gekoppelt sein, damit ihnen nur die eine parallelen und in gemeinsamen Ebenen liegenden 30 Kraftkomponente zugeführt wird, die sie aufnehmen Krafteinleitflächen versehen sind. sollen. Dadurch werden die bekannten Anordnungen

2. Kraft- und Drehmomentmeßanordnung nach nicht nur kompliziert in ihrem Aufbau, sondern sie Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede lassen sich auch nicht zu kleinen, kompakten Bau-Kraftmeßzelle auf mehrere auf sie wirkende einheiten zusammenfassen. Schließlich müssen wegen Kraftkomponenten anspricht. 35 der Nachgiebigkeit die Anordnungen der Kraftmeß-

3. Kraft- und Drehmomentmeßanordnung nach zellen so getroffen sein, daß statisch bestimmte Sy-Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier sterne entstehen.

Kraftmeßzellen zwischen die Montageplatten ein- Es sind auch Kraftaufnehmer mit piezoelektrischen gespannt sind, die an den Ecken eines Rechtecks Meßzehen bekannt (DT-PS 1195512), die so ausangeordnet sind, und daß jede der vier Kraft- 40 gebildet sind, daß sie nur eine in einer Richtung wirmeßzellen auf drei Kraftkomponenten anspricht. kende Kraft aufnehmen Um eine Kraft aus einer

4. Kraft- und Drehmomentmeßanordnung nach beliebigen Richtung aufnehmen zu können, müssen Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier drei derartige Systeme mit entsprechender Orientie-Kraftmeßzellen zwischen die Montageplatten ein- rung zusammengebaut sein. Ein derartiges Dreifachgespannt sind, die an den Ecken eines Rechtecks 45 system eignet sich jedoch nicht zum Einbau an Stelte angeordnet sind, und daß jede der Kraftmeßzel- der Dehnungsmeßsysteme in den bekannten Mehrlen (90, 91, 92, 93) auf die senkrecht auf den komponenten-Meßanordnungen, weil sich sonst sehr Montageplatten stehende Komponente anspricht. komplizierte Anordnungen zum Verteilen und Zufüh-

5. Kraft- und Drehmomentmeßanordnung nach ren der einzelnen Kraftkomponenten ergeben, einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch 50 Außerdem sind diese bekannten Systeme speziell auf gekennzeichnet, daß die Kraftmeßzellen mit je das Erfassen von Beschleunigungen und nicht auf das einer zentralen Bohrung (3) versehen sind, durch Erfassen von von außen einwirkenden Kräften abdie hindurch je eine Vorspannschraube (24 bzw. gestimmt.

114) die beiden Montageplatten unter Verspan- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird

nung der Kraftmeßzellen zusammenspannt. 55 darin gesehen, eine Meßanordnung zu schaffen, die es

6. Kraft- und Momentenmeßanordnung nach ermöglicht, Kräfte und Drehmomente bis zu sehr einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch hohen Frequenzen gleichzeitig zu erfassen und angekennzeichnet, daß mindestens ein Beschleuni- zuzeigen.

gungsaufnehmer (118) zur Kompensation der Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einer

durch Beschleunigungskräfte verursachten Fehler- 60 Anordnung der eingangs genannten Art, erfindungs-

signale vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal zu gemäß dadurch, daß die Montageplatten starr mit-

einem Verstärker (120) geführt ist. einander verbunden sind, daß diese Verbindung

durch mehrere starre Kraftmeßzellen gebildet ist, daß