DE2117477B2 - Kraftmeßwertwandler - Google Patents

Description

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Sowohl aus der deutschen Auslegeschrift 263 351 als auch aus der schweizerischen Patentschrift 384 X95 fsteTn Verbindungselemente aufweisender Kraftmeßwertwandler bekannt, der sich in Kraftmeßnchtung senkrecht zur neutralen Achse des Biegebalkens unter einer relativ zur aufgebrachten Kraft geringen Kraft elastisch verformen kann.

Bei der Anordnung nach der deutschen Auslege schrift 1 263 351 wird ein Biegebalken verwendet der an beiden Enden eingespannt ist und mit seinem Mn-SsS* den Krafteinleitungsteil bildet. Zu beiden Seitendes Krafteinleitungsteils sind Dehnmeßstreifen vorgesehen. Um nun bei einer Verformung des B.egeta kens Längsspannungen in den d,e Dehnmeßstreifen tragenden Bereichen zu vermeiden, weist der Bieeebalken in Kraftmeßnchtung verlaufende Schlitze Lf und zwar in denjenigen Bereichen in denen die eigentlichen Biegebalk,nabschnitte in den gemeinsamen Krafteinleitungsteil übetgehen. Dabei bleibt zu feder Seite des Krafteinleitungsteils ein starrer Steg zwischen zwei von gegenüberliegenden Seiten in das Material hineinlaufenden Schlitzen stehen. Der starre Steg ist über ein Verbindungselement jeweils mn dem zugehörigen eigentlichen Biegebalkenabschnitt und dem Krafteinleitungsteil verbunden. Man erzielt auf diese Weise Verhältnisse, wie sie bei zwei einander gegenüberliegenden, jeweils gesondert beaufschlagten und nicht einstückig miteinander verbundenen Biegebalken gegeben sind.

Bei der Anordnung nach der schweizerischen Patentschrift 3S4X45 ist der Biegebalken mit semen Dehnmeßstreifen in einem luftdichten Gehäuse abgeschlossen. An der Durchführungsstelle des KrafteinieituniEsteilcs wird der luftdichte Abschluß zwischen dem Krafteinleitungsteil und dem Gehäuse über eine Membran oder über einen Balg hergestellt Um nur diejenigen auf den Biegebalken einwirkenden Kräfte 6₅ zu kompensieren, die aus einem Über- oder Unterdruck innerhalb des luftdichten Gehäuses resultieren ist an gegenüberliegender Stelle eine zweite Mcmbrar bzw ein /weiter Balg vorgesehen, der ebenfalls eint

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Verbindung zwischen dem Krafteinleitungsteil und «Jem Gehäuse darstellt sowie ebenfalls vom Atmosphärendruck beaufschlagt wird. Die Bälge bzw. die Membranen entsprechen den Verbindungselementen 4es Kraftmeßwertwandlers der eingangs beschriebenen Art.

Beiden bekannten Anordnungen ist ein wesentlicher Nachteil gemeinsam. Die Biegebalken müssen nämlich die gesamte Meßkraft aufnehmen. Sofern es sich um das Messen großer Kräfte handelt, müssen die Biegebalken entsprechend starr ausgebildet sein. Damit vermindert sich zwangläufig die absolute Meßgenauigkeit der Anordnung.

Auch bei der aus der deutschen Patentschrift 1949924 bekannten Kraftmeßdose muß der die Dehnmeßstreifen tragende Meßkörper bei seiner Verformung die gesamte aufgebrachte Meßkraft aufnehmen, worunter seine absolute Empfindlichkeit beim Messen großer Kräfte leidet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftmeßwertwandler der bekannten Art zu schaffen, der diese Nachteile vermeidet und beim Messen von großen Kräften eine erhöhte Empfindlichkeit besitzt und dementsprechend im Bereich der großen Kräfte geringe Kraftunterschiede feststellen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbindungselemente als parallel zur neutralen Achse des Biegebalkens und senkrecht zur Kraftmeßrichtung verlaufende, bei Meßbelastung unter Zugspannung stehende Zugelemente ausgebildet sind, daß mindestens ein Zugelement die Enden von zwei sich parallel zur neutralen Achse des Biegebalkens und nebeneinander erstreckenden Flanschen des Halteteils bzw. des Krafteinleitungsteils verbindet und daß das freie Ende des Biegebalkens in einer zylindrischen Ausnehmung des Krafteinleitungsteils parallel zur neutralen Achse des Biegebalkens verschiebbar geführt ist.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftmeßwertwandlers sind insbesondere darin zu sehen, daß sich die Verbindungselemente parallel zur neutralen Achse des Biegebalkens und dementsprechend senkrecht zur Kraftmeßrichtung erstrecken. Sie sind daher als Zugelemente ausgebildet und nehmen bei Meßbelastung diejenige Resultierende dt Meßkraft auf, die parallel zu* neutralen Achse des Biegebalkens verläuft. Der Biegebalken seinerseits nimmt lediglich die rechtwinklig dazu verlaufende Komponente der Belastungskraft auf und wandelt sie in ein proportionales elektrisches Meßsignal um. Auf den Biegebalken wirkt also immer nur ein Teilbetrag der aufgebrachten Kraft ein, so daß der Biegebalken entsprechend schwächer und empfindlicher dimensioniert sein kann

Keiner der vorveröffentlichten Druckschriften können Hinweise auf diejenigen srfindungsgemäßen Merkmale entnommen werden, die es gestatten, einen Teil der aufgebrachten Meßkraft über Zugclemente direkt in den Halteteil einzuleiten und lediglich die senkrecht dazu verlaufende Komponente auf den Biegebalken wirksam werden zu lassen.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß bei einer außerordentlich stabilen Null-Lage sowohl positive als auch negative Kräfte in Kraftmeßrichtung gemessen werden können. Die Stabilität der Null-Lage ist dabei sowohl bei Temperaturänderung als auch bei mechanischer Überlastung in einem weiten Bereich gegeben. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Meßsignale des Kraftaicßwertwandlers zur Steuerung einer Werkzeugmaschine, beispielsweise einer Band- oder Drahtwaizmaschine, verwendet werden. Beispielsweise kann nur bei stabiler Null-Lage die Einstellung des Walzenspaltes zwischen den Maschinenwalaen dauerhaft und genau beibehalten werden.

Ein weiterer Vorteil ist in dem einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Kraftmeßwertwandlers zu sehen. So kann beispielsweise der erfindungsgemäße

ίο Wandler eine zylindrische Forn» aufweisen und in dem festen und dem beweglichen Teil in Ausnehmungen mit zylindrischer und konzentrischer Form untergebracht sein, die ganz oder teilweise in den entsprechenden Teilen vorgesehen sind. Dabei können diese

Ausnehmungen zeitsparend und mit großer Genauigkeit in einem Arbeitsgang durch Bohren auf einer Maschine hergestellt werden.

Der erfindungsgemäße Kraftmeßwertwandler kann außerdem in einfacher Weise gegen große Tempera-

ao turänderungen, aggressive Flüssigkeiten und Gase und gegen mechanische Überbeanspruchungen geschützt werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftmeßwertwandlers ist zwischen

»5 dem Krafteinleitungsteil und dem freien Ende des Biegebalkens ein Kontaktglied angeordnet, das mit einer gegen die Kraftmeßrichtung weisende Spitze am Krafteinleitungbteil anliegt. Dadurch können sowohl Biegekräfte als auch Scherkräfte in den Biegebalken

eingeleitet und mittels der Dehnmeßstreifen gemessen werden.

Eine besonders einfache Ausgestaltung und leichte Herstellbarkeit wird durch eine vorteilhafte Ausführungsform erreicht, bei der der Halteteil und der

Krafteinleitungsteil einstückig miteinander ausgebildet sind, wobei zwischen den Zugelementen und den zugehörigen Flanschen Schlitze vorgesehen sind.

In vorteilhafter Weise sind als Überlastungsschutz justierbare Schrauben vorgesehen, die sich durch die

Flansche des Halteteils und von der Außenseite her erstrecken und derart mit dem Krafteinleitungsteil zusammenwirken, daß die Spitzenbewegung des Krafteinltitungsteils von den Schrauben aufgenommen wird.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftmeßwertwandlers zeichnet sich dadurch aus, daß der Krafteinleitungsteil oberhalb des Halteteils liegt, daß der Halteteil an seinem zum ersten Zugelement gehörenden Flansch veran-

kert ist, daß das zweite Zugelement zwei horizontale, nebeneinander liegende und parallele Arme von Halteteil und Krafteinleitungsteil miteinander verbindet und daß der Kraftangriffspunkt an einem Fortsatz des Krafteinleitungsteiles vorgesehen ist, welcher auf der

dem ersten Zugelement abgewandten Seite des zweiten Zugelementes liegt. Bei dieser Ausführungsform verläuft die Fläche, an der der Halteteil befestigt ist, nicht senkrecht zur neutralen Achse des Biegebalkens, sondern parallel zu dieser Achse.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Vertikalansicht eines ersten Kraftmeßwertwandlers,

Fig. 2a eine Vertikalansicht einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 2b eine andere Vertikalansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 2a und

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Vertikalansicht die in Fig. 1 gezeigte Ausführung besitzen, d. h. es

einer dritten Ausführungsform. kann eine Fläche aufweisen, die sich in Kontakt mit

In Fig.l weist der Kraftmeßwertwandler einen fe- der Oberfläche der zweiten Ausnehmung 9 befindet, sten Halteteil 1 und einen Krafteinleitungsteil 2 auf, Wenn im letzteren Fall der Wandler sowohl positive die miteinander durch zwei Verbindungs- oder Zug- 5 als auch negative Kräfte anzeigen soll, kann er darüber elemente 3 verbunden sind, die als schwache Federn hinaus in geeigneter Weise mit zwei Kontaktgliedern in Meßrichtung des Kraftmeßwertwandlers (im fol- ausgestattet sein, die einander gegenüberliegend angenden kurz Wandler genannt) wirken. geordnet sind.

Die Meßrichtung des Wandlers fällt zusammen mit In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Haioder läuft parallel zu der Richtung der Kraft F_h. In ¹⁰ teteil 1 an einem Unterbau od. dgl. angebracht, wähdem Wandler kann ein an sich bekannter Biegebalken rend der Tragarm 12 an dem Krafteinleitungsteil anverwendet werden, der einen Befestigungsteil 4 und gebracht ist. Eine Rolle 13 ist in dem Tragarm 12 ein freies Ende 5 aufweist. In der in Fig. 1 dargestell- mit ihrer Achse 14 gelagert. Über die Rolle 13 ist ten Ausführungsform hat das Befestigungsteil 4 zylin- beispielsweise eine Schnur 15 geführt, in der eine drische Gestalt. Dasselbe gilt für das freie Ende 5, das »5 Spannung S wirkt. Die Spannung ruft eine resultieaußerdem Ausnehmungen aufweist, an denen Dehn- rende Kraft R in der Achse 14 hervor, deren Richtung meßstreifen 7 angebracht sind. Der Halteteil 1 ist mit von der auf- und ablaufenden Richtung der Schnur einer ersten Ausnehmung 8 in Form einer durchge- 15 auf der Rolle 13 abhängt und die zerlegt werden henden Bohrung für den Befestigungsteil 4 versehen. kann in eine horizontale Kraftkomponente F_h, die mit In gleicher Weise hat der Krafteinleitungsteil 2 eine »° der Meßrichtung zusammenfällt, und in eine vertikale zweite Ausnehmung 9, in die sich das freie Ende 5 Kraftkomponente F„. Da die Zugelemente 3 in Meßdes Wandlers erstreckt, wobei die beiden Ausneh- richtung bzw. in der horizontalen Richtung schwach mungen koaxial ausgeführt sind und so bemessen sind, sind, wird der größte Teil der horizontalen Kraftkomdaß die neutrale Achse 10 des Wandlers im wesentli- ponente F_h von dem Wandler aufgenommen. Da die chen parallel zu den Zugelementen 3 verläuft und daß »5 Zugelemente 3 in der vertikalen Richtung starr sind, die Meßrichtung (F_h) im wesentlichen unter einem wird die vertikale Kraftkomponente F„ in entsprerechten Winkel zu der neutralen Achse 10 ist. Der chender Weise vollständig von den Zugelementen Halteteil 1 hat außerdem erste Flansche la' und la", aufgenommen. In diesem Beispiel ist die zu messende die sich an zweiten Flanschen la' und la" vorbei er- Kratt eine horizontale Kraft, jedoch ist es selbstverstrecken, die an dem Krafteinleitungsteil 2 vorgese- 3<» ständlich möglich, daß nichthorizontale Kräfte auf den hen sind, wobei schließlich die Zugelemente 3 die En- Wandler wirken, wenn diesem eine einer solchen den der ersten und den entsprechenden der zweiten Kraft entsprechende Lage zugeordnet ist, so daß die Flansche miteinander verbinden. In der Ausf ührungs- Meßrichtung jeweils senkrecht zu der neutralen Achse form der Fig. 1 erstrecken sich die ersten Flansche 10 des Wandlers ist. Die Ausführungsform der Fig. 1 la', la" des Halteteils 1 auch außerhalb der zweiten as weist auch einen Überlastungsschutz mit Schrauben Flansche la', la" des Krafteinleitungsteils 2, der sich 16 auf, die sich durch die ersten Flansche la' und la" daher in den Halteteil 1 herab erstreckt. Eine auf den am Haiteteil I von der Außenseite her in das Innere Krafteinleitungsteil 2 wirkende Last verursacht daher des Wandlers erstrecken. Bei dieser Richtung der eine Spannung in den zwei Zugelementen 3, die somit Schrauben 16 wirkt der Krafteinleitungsteil 2 mit den auf Zugspannung - und nicht wie im Fall der vorbe- 40 Schraubenenden derart zusammen, daß die Spitzenkannten Wandler auf Druckspannung - dimensioniert bewegung des Krafteinleitungsteils 2 von den Schrauwerden und daher mit verhältnismäßig kleinen Ab- ben 16 aufgenommen wird. Die Schrauben 16 sind messungen ausgeführt sein können. in ihn'justierten Stellung mittels Sicherungsmuttern

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 erstrecken sich in dem Halteteil 1 gesichert.

die ersten und die zweiten Ausnehmungen 8,9 außer- 45 Der Wandler nach den Fig. 2a und 2b ist gegendem derart, daß die neutrale Achse 10 des Wandlers über der oben erläuterten Ausführungsform um 90° parallel zu den Längsrichtungen der Zugelemente 3 gedreht, wobei die neutrale Achse des Wandlers nun angeordnet ist, die in Fig. 1 mit der Zeichenebene parallel zu den Querrichtungen der Zugelemente 3 zusammenfällt. Der Wandler kann einstückig aus ei- verläuft. Diese Anordnung des Wandlers ermöglicht nem Block hergestellt sein, in dem Schlitze in bekann- 50 eine niedrige Bauhöhe, die in manchen Anwendungster Weise zur Erzeugung des Halteteils 1 und des fällen bedeutsam ist. Im Fall der Fig. 2 bewirken die Krafteinleitungsteils 2 ausgebildet werden können, Einlauf-und Auslaufrichtungen der Schnur 15 an der wobei diese Schlitze darüber hinaus in geeigneter Rolle 13, daß die resultierende Kraft R in dem Lager Weiseso ausgebildet sein können, daß sie einen Über- mit der Meßrichtung zusammenfällt. Die dargestellte lastungsschutz bilden oder die Verwendung eines 55 Ausfühmngsform zeigt auch das obenerwähnte Kon-Überlastungsschutzes gestatten. taktglied 11 in Gestalt eines spitzen Keils, der dicht

Der Krafteinleitungsteil 2 des Wandlers wirkt auf ander Oberfläche der zweiten Ausnehmung 9 anliegt, das freie Ende 5 über ein Kontaktglied 11, das sich Gemäß Fig. 2b ist der Wandler mit Einschnitten verin Kontakt mit der Oberfläche der zweiten Ausneh- sehen, die zur Bildung eines Streifens oder eines flamung 9 befindet, und zwar entweder in Punktkontakt 60 chen Abschnitts führen, der sich senkrecht zur Zeichoder in Flächenkontakt, je nach Art des verwendeten nungsebene erstreckt, wobei dieser Streifen auf Wandlers. Wenn der Wandler die Biegebeanspru- beiden Seiten Dehnmeßstreifen 7 trägt,
chungen wahrnimmt, sollte das Kontaktglied U ent- Bei ^em beschriebenen Wandler wird durch den sprechend ein spitzes Teil aufweisen, das sich in Kon- symmetrischen Aufbau und die geringen über die takt mit der Oberfläche der zweiten Ausnehmung 9 65 Verbindungselemente übertragenen Kräfte u. a. die befindet. Wenn andererseits der Wandler Schubkräfte gewünschte Temperatur-Stabilität erreicht. Diese gewahrnimmt, die durch die Biegung des Biegebalkens 6 ringe Kraftübertragung über die Verbindungselehervorgerufen sind, kann das Kontaktglied 11 auch mente wurde dadurch erreicht, daß sie sich in ge-

spanntem Zustand (oder unter Zugbeanspruchung) befinden und daß nicht die Gefahr besteht, daß sie abbrechen; sie können daher mit vergleichsweise geringen Abmessungen hergestellt werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers. Der Krafteinleitungsteil 2 ist dabei unterhalb des Halteteils 1 angeordnet. Anstatt die Enden der ersten und zweiten Flansche miteinander zu verbinden, die sich wie oben aneinander vorbei erstrecken, verläuft ein weiteres Verbindungselement 3' zwischen zwei an dem Halteteil 1

bzw. an dem Krafteinleitungsteil 2 einander gegenüberliegenden Teilen \b bzw. 2b. Der verbleibende erste Flansch la'des Halteteils 1 ist an der feststehenden Basis befestigt, während die zu messende Krafl an einem Befestigungsteil 2c an dem Krafteinleitungsteil 2 außerhalb des Verbindungselemente 3' aul der von der feststehenden Basis abgewandten Seite angreift.

Selbst wenn die abgewandelte Ausführungsforni

ίο derart unsymmetrisch ist, ist die Dimensionierung dei Verbindungsteile vorteilhaft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

S09525/2C

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Claims (5)

21 17 477 Patentansprüche:

1. Kraftmeßwertwandler mit einem Dehnmeßstreifen tragenden Biegebalken, der an seinem eieen Ende mit einem als Kraftwiderlager dienenden Halteteil fest verbunden ist und an seinem freien Ende mit einem zweiten, den Kraftangriffspunkt aufweisenden Krafteinleitungsteil in Wirkeingriff steht, und bei dem die beiden kraftübertragenden Teile über mindestens zwei in Kraftfneßrichtung senkrecht zur neutralen Achse des Biegebalkens unter einer relativ zur aufgebrachten Kraft geringen Kraft elastisch verformbare Verbindungselemente verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente als parallel zur neutralen Achse des Biegebalkens und senkrecht zur Kraftmeßrichtung verlaufende, bei Meßbelastung unter Zugspannung stehende Zugelemente (3) ausgebildet sind, daß mindestens ein Zugelement (3) die Enden von zwei sich parallel zur neutralen Achse des Biegebalkens und nebeneinander erstreckenden Flanschen (Ia', la"; 2a', 2a") des Halteteils (1) bzw. des Krafteinleitungsteils (2) verbindet und daß das freie Ende (5) des Biegebalkens (6) in einer zylindrischen Ausnehmung (9) des Krafteinleitungsteils (2) parallel zur neutralen Achse des Biegebalkens verschiebbar geführt ist.

2. Kraftmeßwertwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Krafteinleitungsteil (2) und dem freien Ende (S) des Biegebalkens ein Kontaktglied (11) angeordnet ist, das mit einer gegen die Kraftmeßrichtung weisenden Spitze am Krafteinleitungsteil (2) anliegt.

3. Kraftmeßwertwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halteteil (1) und der Krafteinleitungsieil (2) einstückig miteinander ausgebildet sind und daß zwischen den Zugelementen (3) und den zugehörigen Flanschen (Ia', la"; 2a', 2a"; 2c) Schlitze vorgesehen sind.

4. Kraftmeßwertwandler nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als überlastungsschutz justierbare Schrauben (16) vorgesehen sind, die sich durch die Flansche (Ia', la") des Halteteils (1) und von der Außenseite her erstrecken und derart mit dem Krafteinleitungsteil (2) zusammenwirken, daß die Spitzenbewegung des Krafteinleitungsteils von den Schrauben aufgenommen wird.

5. Kraftmeßwertwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafteinleitungsteil (2)oberhalbdes Halteteils (1) liegt, daß der Halteteil (1) an seinem zum ersten Zugelement (3) gehörenden Flansch (Ia') verankert ist, daß das zweite Zugelement (3') zwei horizontale, nebeneinander liegende und parallele Arme (16, 2b) von Halteteil (1) und Krafteinleitungsteil (2) miteinander verbindet und daß der Kraftangriffspunkt an einem Fortsatz (2c) des Krafteinleitungsteiles (2) vorgesehen ist, welcher auf der dem ersten Zugelement (3) abgewandten Seite des zweiten Zugelementes (3') liegt (Fig. 3).

Die Erfindung betrifft einen Kraftmeßwertwandler mk einem Dehrfmeßstreifen tragenden B,egebalken, TZSem einen Ende mit einem als Kraftwiderlader an seinem ciu£j . verbunden ist und an seiger dienenden Halt**^^^^^^^^ ^^

nkt 'aufweisenden Kraftemleitungsteil in "griff steht, und bei dem die beiden kraftuber-^δ —-ile über mindestens zwei in kraftmeß-• hti.no senkrecht zur neutralen Achse des Biegebalkens unter efner relativ zur aufgebrachten Kraft geringen Kraft elastisch verformbare Verbindung*- pipmeiite verbunden sind.

Im allgemeinen werden Kraftmeßwertwandler (im folgenden kurz Wandler genannt) dazu verwendet um aus zu messenden Kräften ein elektrisches S.gnal zu SeugeTdessen Größe von der Große der zu mesaJ« Kmft abhängt Dabei ist es wünschenswert, Sfö^ÄeWitig eine HalKvorrichtung ?ürd£ Werkstück od. dgl. bildet, auf das beispielsweise die zu messende Kraft wirkt Außerdem sollen dS Kraftmeßwertwandler standardisierte Außenabmess^ngen aufweisen, so daß der Wandler be, vermiedenen Anwendungsfällen verwendet werden kanr. Darüber hinaus Kann die Haltevorrichtung be, Summten Ausführungsformen den Wandler vor meSscher Beschädigung und/oder vor Außenein-