DE19540782C1 - Oberschalige elektronische Waage mit zwei Übersetzungshebeln - Google Patents
Oberschalige elektronische Waage mit zwei ÜbersetzungshebelnInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine oberschalige elektronische Waage nach dem
Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation, mit einem parallel geführten
Lastaufnehmer, zwei Übersetzungshebeln zur Kraftuntersetzung, zwei
Kraftübertragungselementen, von denen das eine die Kraft vom Lastaufnehmer
auf den kurzen Hebelarm des ersten Übersetzungshebels überträgt und das andere
die Kraft vom langen Hebelarm des ersten Übersetzungshebels zum kurzen
Hebelarm des zweiten Übersetzungshebels überträgt, wobei der Lastaufnehmer,
die Parallelführung, die Übersetzungshebel, die Dünnstellen zur Lagerung der
Übersetzungshebel und die Kraftübertragungselemente einstückig aus einem
Metallblock herausgearbeitet sind, und mit einer Spule, die am langen Hebelarm
des zweiten Übersetzungshebels befestigt ist und die sich im magnetischen Feld
eines gehäusefesten Permanentmagneten befindet.
Waagen dieser Art sind z. B. aus der EP 518 202 A1 bekannt. Nachteilig an dieser
bekannten Bauart ist, daß für den Permanentmagneten kein Platz innerhalb des
einstückigen Blocks bleibt; in der EP 518 202 A1 ist deshalb vorgesehen, daß der
Permanentmagnet außerhalb des einstückigen Blocks angebracht ist und daß der
zweite Übersetzungshebel durch seitliche Verlängerungsstücke, die die Spule
tragen, verlängert ist. Dadurch sind aber die funktionellen und preislichen Vor
teile des einstückigen Aufbaues teilweise verloren. Außerdem ist die Lage des
Permanentmagneten, die sich bei der bekannten Waage zwangsläufig ergibt,
ungünstig: Bei Waagen mit einem einzigen Übersetzungshebel, wie sie z. B. aus der
US-PS 4, 799, 561 bekannt sind und wie sie schematisch in Fig. 5 gezeichnet ist,
befindet sich das Kraftübertragungselement 101 und der kurze Hebelarm 103 des
Übersetzungshebels in der Nähe des Lastaufnehmers 102 und der lange Hebelarm
104 des Übersetzungshebels endet mit der Spule 105 in der Nähe der gehäusefesten
Abstützung 100 der Parallelführung. Der Permanentmagnet 106 kann daher
direkt an der ortsfesten Abstützung 100 der Parallelführung montiert werden.
Wird nun ein zweiter Übersetzungshebel hinzugefügt, wie es schematisch in Fig. 6
gezeichnet ist, so befindet sich dessen kurzer Hebelarm 107 und das zweite
Kraftübertragungselement 109 in der Nähe der ortsfesten Abstützung 100 und der
lange Hebelarm 108 endet mit der Spule 105 in der Nähe des beweglichen
Lastaufnehmers 102. Dort stehen dann aber direkt keine
Befestigungsmöglichkeiten 110 für den Permanentmagneten 106 zur Verfügung, so
daß diese erst durch zusätzliche Streben außerhalb des Blockes geschaffen werden
müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Waage der eingangs genannten Art
für den Magneten Platz innerhalb des einstückigen Blocks zu schaffen und eine
solche Anordnung der beiden Übersetzungshebel anzugeben, daß sich der
Permanentmagnet wie bei Waagen mit einem einzigen Übersetzungshebel in der
Nähe der gehäusefesten Abstützung der Parallelführung befindet.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß beide Übersetzungshebel
Winkelhebel sind und daß das zweite Kraftübertragungselement waagerechte
Kräfte überträgt.
Unter einem Winkelhebel wird dabei ein Hebel verstanden, dessen beide
Hebelarme einen Winkel von ca. 90° miteinander bilden, so daß auch die
Eingangs- und die Ausgangskraft einen Winkel von ca. 90° miteinander bilden. Im
Gegensatz dazu sind bei einem "normalen" Hebel gemäß dem Stand der Technik
die Eingangs- und die Ausgangskraft parallel zueinander. Durch die
beiden Winkelhebel erfolgt also jeweils eine Änderung der Kraftrichtung um 90°,
so daß sich ein kurzer und ein langer Hebelarm jeweils in vertikaler Richtung
erstrecken. Dadurch zeigt das lange Ende des zweiten Übersetzungshebels mit der
Spule wieder zur gehäusefesten Abstützung der Parallelführung hin und der
Permanentmagnet kann direkt an dieser gehäusefesten Abstützung befestigt
werden. Auch die Einbaurichtung des Permanentmagneten ändert sich nicht, da
durch die zweimalige Kraftrichtungsänderung um 90° die Kraft an der Spule
wieder vertikal ist. Durch die vertikale Anordnung der beiden Hebelarme müssen
nicht mehr - wie beim Stand der Technik gemäß der EP 518 202 - zwei komplette
Übersetzungshebel übereinander angeordnet werden, so daß auch der Platz, der
für den Permanentmagneten zur Verfügung steht, größer wird, so daß ein
üblicher, aus den Waagen mit nur einem Übersetzungshebel bekannter
Permanentmagnet eingebaut werden kann.
Die Benutzung eines einzigen Winkelhebels zur Anpassung der senkrechten
Gewichtskraft an eine waagerechte Spulenkraft ist bereits aus der DE
31 27 939 C2 bekannt. Dort findet sich jedoch keinerlei Hinweis auf eine
zweimalige Kraftumlenkung und ein waagerechtes Kraftübertragungselement.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Waage in einer ersten Ausge
staltung,
Fig. 2 einen Schnitt längs der strichpunktierten Linie II-II in Fig. 1.
Fig. 3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Waage in einer zweiten Ausge
staltung,
Fig. 4 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Waage in einer dritten Ausge
staltung,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Waage mit einem Übersetzungs
hebel gemäß dem Stand der Technik und
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Waage mit zwei Übersetzungs
hebeln gemäß dem Stand der Technik.
In der Seitenansicht in Fig. 1 erkennt man einen Lastaufnehmer 2, der über einen
oberen Lenker 4 und einen unteren Lenker 3 in Form einer Parallelführung mit
einem gehäusefesten Bereich 1 verbunden ist. Die Gelenkstellen der Lenker sind
mit 6 bezeichnet. Am Lastaufnehmer 2 ist über ein Zwischenstück 5 die
Waagschale 15 befestigt. Die Gewichtskraft des Wägegutes wird nun von einem
Vorsprung 7/17 des Lastaufnehmers 2 über ein erstes, vertikales
Kraftübertragungselement 8 auf einen Übersetzungshebel 9 übertragen. Der
Übersetzungshebel 9 ist mit einer Dünnstelle 19 an einem Vorsprung 14 des
gehäusefesten Bereiches 1 gelagert. Der Übersetzungshebel 9 ist ein Winkelhebel;
sein kurzer, waagerechter Hebelarm ist gleich dem waagerechten Abstand
zwischen dem Kraftübertragungselement 8 und der Dünnstelle 19; sein langer,
vertikaler Hebelarm ist gleich dem vertikalen Abstand zwischen der Dünnstelle 19
und dem zweiten Kraftübertragungselement 10.
Das zweite Kraftübertragungselement 10 erstreckt sich horizontal und überträgt
die reduzierte und umgelenkte Gewichtskraft auf einen zweiten Übersetzungshebel
11, der mit einer Dünnstelle 16 an einem Vorsprung 18 des gehäusefesten
Bereiches 1 gelagert ist. Der Übersetzungshebel 11 ist ebenfalls ein Winkelhebel;
sein kurzer, vertikaler Hebelarm ist gleich dem vertikalen Abstand zwischen dem
Kraftübertragungselement 10 und der Dünnstelle 16; sein langer, horizontaler
Hebelarm ist gleich dem horizontalen Abstand zwischen der Dünnstelle 16 und
dem Befestigungspunkt 21 der Spule 12 (= Angriffspunkt der Spulenkraft). Die
Spule 12 befindet sich im Luftspalt des Permanentmagneten 13, der direkt am
gehäusefesten Bereich 1 befestigt ist.
Durch die eben beschriebene Ausgestaltung der Übersetzungshebel 9 und 11 als
Winkelhebel befindet sich der Befestigungspunkt 21 der Spule 12 ganz in der Nähe
des gehäusefesten Bereiches 1, so daß der Permanentmagnet 13 problemlos am
gehäusefesten Bereich 1 befestigt werden kann. Die beschriebene Ausgestaltung
sorgt ebenfalls dafür, daß im Bereich des Permanentmagneten 13 innerhalb der
Lenker 3 und 4 der Parallelführung nur noch ein Übersetzungshebel Platz finden
muß, so daß der Permanentmagnet 13 relativ hoch sein darf. Dadurch ist der
Einsatz eines kräftigen Permanentmagneten möglich, wodurch die benötigte
Spulenkraft schon durch entsprechend kleinere Ströme - und damit kleinerer
Verlustleistung - erzielt werden kann. Die beschriebene Ausgestaltung erlaubt es
ferner, das waagerechte Kraftübertragungselement 10 relativ lang zu machen, da
in der waagerechten Richtung mehr Platz zur Verfügung steht als in der vertikalen
Richtung, die durch den vertikalen Abstand der Lenker 3 und 4 begrenzt ist. Ein
langes Kraftübertragungselement verringert die Probleme durch die Übertragung
von Querkräften auf die Übersetzungshebel.
Da das vertikale Kraftübertragungselement 8 wegen der Beschränkung der
Bauhöhe nur relativ kurz gemacht werden kann, ist zur weiteren Entkopplung
zwischen dem Lastaufnehmer 2 und dem erstem Übersetzungshebel 9 der
Vorsprung 7/17 mit einer Dünnstelle 7 versehen, wie es im Schnitt in Fig. 2
erkennbar ist. Die blattförmige Dünnstelle 7 ist gegenüber der vertikalen
Gewichtskraft steif und überträgt sie ohne nennenswerte Deformation auf das
massive Ende des Vorsprunges 7/17 und über die Dünnstelle 20 auf das erste
Kraftübertragungselement 8. Gegenüber Querkräften und Verdrehungen, die z. B.
bei ausmittiger Belastung der Waagschale 15 entstehen, ist die blattförmige
Dünnstelle 7 jedoch nachgiebig, so daß diese Querkräfte und Verdrehungen nur
abgeschwächt auf den ersten Übersetzungshebel 9 übertragen werden. Zu dieser
Abschwächung kann außerdem beitragen, daß das Kraftübertragungselement 8
und die Dünnstelle 20 schmaler ausgebildet werden können als die Dünn
stelle 19 zur gehäusefesten Lagerung des Übersetzungshebels.
Eine zweite Ausgestaltung ist in Fig. 3 in Seitenansicht dargestellt. Der
gehäusefeste Bereich 31, der Lastaufnehmer 32, der untere Lenker 33, der obere
Lenker 34, die Dünnstellen 36 und 36′, die Waagschale 45 mit dem Zwischenstück
35, die Spule 42 sowie der Permanentmagnet 43 sind genauso aufgebaut wie die
entsprechenden Teile der ersten Ausgestaltung aus Fig. 1. Die Übertragung der
Gewichtskraft erfolgt wieder über einen Vorsprung 37/47 mit einer blattförmigen
Dünnstelle 37 über ein erstes, vertikales Kraftübertragungselement 38 auf den
kurzen Hebelarm des Übersetzungshebels 39. Das Kraftübertragungselement 38
wird dabei auf Druck beansprucht. Der Übersetzungshebel 39 ist mittels einer
Dünnstelle 49 an einem Vorsprung 44 des gehäusefesten Bereiches 31 gelagert. Der
Übersetzungshebel 39 ist wieder ein Winkelhebel; sein kurzer, waagerechter
Hebelarm ist gleich dem waagerechten Abstand zwischen dem
Kraftübertragungselement 38 und der Dünnstelle 49; sein langer, vertikaler
Hebelarm ist gleich dem vertikalen Abstand zwischen der Dünnstelle 49 und dem
zweiten Kraftübertragungselement 40. Das zweite Kraftübertragungselement 40
überträgt die reduzierte und umgelenkte, etwa waagerechte Kraft auf einen
zweiten Übersetzungshebel 41, der über eine Dünnstelle 46, eine Stelze 55 und eine
weitere Dünnstelle 56 an einem Vorsprung 57 des gehäusefesten Bereiches 31
gelagert ist. Der zweite Übersetzungshebel 41 ist wieder ein Winkelhebel; sein
kurzer, vertikaler Hebelarm ist gleich dem vertikalen Abstand zwischen dem
Kraftübertragungselement 40 und der Dünnstelle 46; sein langer, horizontaler
Hebelarm ist gleich dem horizontalen Abstand zwischen der Dünnstelle 46 und
dem Befestigungspunkt 51 der Spule 42.
Diese zweite Ausgestaltung unterscheidet sich von der ersten Ausgestaltung einmal
durch das auf Druck belastete Kraftübertragungselement 38. Dadurch kann die
Krafteinleitung an der Dünnstelle 54 in den ersten Übersetzungshebel 39 etwa auf
dieselbe Höhe gebracht werden wie die Dünnstelle 49 zur Lagerung des
Übersetzungshebels 39, was sich positiv auf das Ecklastverhalten der Waage
auswirkt. Zum anderen erfolgt der Ausgleich der verschiedenen
Bewegungsrichtungen zwischen dem langen Ende des ersten Übersetzungshebels
und dem kurzen Ende des zweiten Übersetzungshebels in Fig. 1 durch die
Dünnstellen an den Enden des Kraftübertragungselementes 10, während sie in Fig.
3 durch die beiden Dünnstellen 46 und 56 an den Enden der Stelze 55 erfolgt.
Durch diese Ausgestaltung ist der kurze Hebelarm des zweiten Übersetzungs
hebels 41 kompakter aufgebaut und daher weniger anfällig gegen
Temperaturunterschiede und der lange Hebelarm des Übersetzungshebels 41 kann
etwas länger ausgebildet sein.
In Fig. 3 ist zusätzlich eine Möglichkeit zur Justierung der Ecklastfreiheit der
erfindungsgemäßen Waage gezeigt. Für die Ecklastfreiheit muß der vertikale
Abstand der beiden Dünnstellen 36′ am gehäusefesten Bereich 31 einen
bestimmten Wert haben. Dieser Wert läßt sich fertigungstechnisch nur mit einer
gewissen Toleranz von z. B. 0,01 mm einhalten, so daß eine möglichst feinfühlige
Justiermöglichkeit mit einem maximalen Hub von ± 0,01 mm notwendig ist. Zu
diesem Zweck ist in Fig. 3 eine Schraube 71 vorgesehen, die durch ein vertikales
Loch 72 in der Nähe der Dünnstellen 36′ im gehäusefesten Bereich 31
hindurchreicht und die auf der Oberseite durch eine Mutter 73 und auf der
Unterseite durch eine Mutter 74 gehalten wird. Durch mehr oder weniger starkes
Anziehen der Muttern 73 und 74 kann eine mehr oder weniger große Druckkraft
auf den gehäusefesten Bereich 31 ausgeübt werden und dadurch der vertikale
Abstand der Dünnstellen 36′ geringfügig verändert werden. Da die Steifigkeit der
Schraube 71 je nach Ausgestaltung um den Faktor 10 . . . 100 geringer ist als die
Steifigkeit des gehäusefesten Bereiches 31 ergibt eine Verstellung an einer der
Muttern 73 oder 74 z. B. um 0,1 mm nur eine Abstandsänderung der Gelenkstellen
36′ um 0,01 . . . 0,001 mm. Eine weitere Steigerung der Feinfühligkeit ist dadurch
möglich, daß die Muttern 73 und 74 (und die zugehörigen Gewindeteile der
Schraube 71) verschiedene Gewindesteigungen aufweisen. (Der Durchmesser der
beiden Gewinde kann dabei gleich oder unterschiedlich sein.) Durch Drehen an
der Schraube 71 entsteht dadurch ein Differenzgewinde, mit dem eine noch
feinfühligere Justierung möglich ist. - Durch die Wahl der Differenz der beiden
Gewindesteigungen und durch die Wahl des Verhältnisses der Steifigkeiten
zwischen der Schraube 71 und dem umgebenden gehäusefesten Bereich 31 kann
dadurch die Feinfühligkeit der Justierung und der maximale Justierhub in einem
sehr weiten Bereich an die Erfordernisse der speziellen Waage angepaßt werden.
Die Steifigkeit des gehäusefesten Bereiches 31 in der Umgebung der
Befestigungsstellen für den oberen und unteren Lenker kann z. B. dadurch
verändert werden, daß der obere und der untere Lenker in zwei schmalere
Teillenker aufgeteilt wird, die sich vor und hinter der Zeichenebene in Fig. 3
befinden, und daß der gehäusefeste Befestigungsbereich entsprechend schmaler
oder breiter ausgebildet wird.
In Fig. 4 ist eine alternative Bauform für die Ecklastjustierung gezeigt. Die
Schraube 81 weist hier wieder im oberen Bereich 85 und im unteren Bereich 86
Gewinde mit verschiedener Steigung auf. Der Gewindebereich 85 wirkt mit einem
korrespondierenden Innengewinde 87 zusammen, das direkt in den oberen Teil
des Loches 82 im gehäusefesten Bereich 31 geschnitten ist. Der mittlere und untere
Teil des Loches 82 ist gewindefrei. Auf den Gewindebereich 86 ist eine Mutter 84
aufgeschraubt. Beim Drehen der Schraube 81 wird durch die unterschiedliche
Steigung der beiden Gewinde wieder eine mehr oder weniger große Druckkraft
auf den umliegenden gehäusefesten Bereich 31 ausgeübt. - Die restlichen Teile der
Waage in Fig. 4 entsprechen der Ausführungsform von Fig. 3 und sind deshalb
nicht nochmals bezeichnet und erläutert.
Die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ecklastjustiervorrichtungen können
selbstverständlich auch in der Ausgestaltung nach Fig. 1 und 2 eingesetzt werden.
Beide Ausgestaltungen in den Fig. 1 und 3 sind so gestaltet, daß sie fast nur
durchgehende Ausbrüche aufweisen, so daß sie beispielsweise durch
Drahterodieren, Fräsen im Stapel und eventuell sogar durch Strangpressen
hergestellt werden können. Selbstverständlich sind durch kompliziertere
Fertigungstechniken auch Geometrien mit sehr viel kürzeren Hebelarmen - und
damit größeren Übersetzungsverhältnissen - möglich. Beispielsweise können in
Fig. 3 zwei Stelzen 55 vorgesehen sein, die vor und hinter der Zeichenebene
angeordnet sind, während der lange Hebelarm des Übersetzungshebels 41 in der
Zeichenebene mittig dazwischen angeordnet ist. Dadurch kann der vertikale
Abstand der Dünnstellen 40 und 46, also der kurze Hebelarm, ohne Kröpfung und
unabhängig von dem Durchmesser des benutzten Fräsers praktisch beliebig klein
gemacht werden.
Claims (5)
1. Oberschalige elektronische Waage nach dem Prinzip der elektromagnetischen
Kraftkompensation mit einem parallel geführten Lastaufnehmer (2, 32), zwei
Übersetzungshebeln (9 und 11; 39 und 41) zur Kraftuntersetzung, zwei
Kraftübertragungselementen (8 und 10; 38 und 40), von denen das eine
Kraftübertragungselement (8, 38) die Kraft vom Lastaufnehmer (2, 32) auf den
kurzen Hebelarm des ersten Übersetzungshebels (9, 39) überträgt und das
andere Kraftübertragungselement (10, 40) die Kraft vom langen Hebelarm des
ersten Übersetzungshebels (9, 39) zum kurzen Hebelarm des zweiten
Übersetzungshebels (11, 41) überträgt, wobei der Lastaufnehmer (2, 32), die
Lenker (3, 4, 33, 34) der Parallelführung, die Übersetzungshebel (9, 11, 39, 41), die
Dünnstellen (16, 19, 46, 49) zur Lagerung der Übersetzungshebel (9, 11, 39, 41)
und die Kraftübertragungselemente (8, 10, 38, 40) einstückig aus einem
Metallblock herausgearbeitet sind, und mit einer Spule (12, 42), die am langen
Hebelarm des zweiten Übersetzungshebels (11, 41) befestigt ist und die sich im
magnetischen Feld eines gehäusefesten Permanentmagneten (13, 43) befindet,
dadurch gekennzeichnet, daß beide Übersetzungshebel (9 und 11; 39 und 41)
Winkelhebel sind und daß das zweite Kraftübertragungselement (10; 40)
waagerechte Kräfte überträgt.
2. Oberschalige Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
dem Lastaufnehmer (2, 32) und dem ersten Kraftübertragungselement (8, 38)
eine senkrechte, blattförmige Dünnstelle (7, 37) vorgesehen ist.
3. Oberschalige Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das zweite Kraftübertragungselement (10) an beiden Enden je eine Dünnstelle
aufweist.
4. Oberschalige Waage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Übersetzungshebel (41) über eine Stelze (55) an
einem gehäusefesten Bereich (31) gelagert ist.
5. Oberschalige Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Ecklastjustierung zwei Schrauben (71, 81) vorgesehen
sind, die in der Nähe der Dünnstellen (36′) der gehäusefesten Endpunkte der
Lenker (33, 34) durch ein vertikales Loch (72, 82) im gehäusefesten Bereich (31)
führen und die an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende Außengewinde
verschiedener Steigung aufweisen, daß diese Außengewinde mit
entsprechenden, in Muttern (73, 74, 84), Gewindehülsen oder direkt im Loch
(82) geschnittenen Innengewinden (87) am oberen und unteren Ende des
Loches (72, 82) zusammenwirken, so daß bei Verdrehen der Schrauben (71, 81)
aufgrund der Differenz der Gewindesteigungen eine mehr oder minder große
Kompressionskraft auf den gehäusefesten Bereich (31) in der Umgebung des
Loches (72, 82) ausgeübt wird.
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