DE2529796C3

DE2529796C3 - Mehrkomponenten-Kraftmeßdose

Info

Publication number: DE2529796C3
Application number: DE2529796A
Authority: DE
Inventors: Richard B. Dayton Ohio Zipin (V.St.A.)
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1974-08-07
Filing date: 1975-07-03
Publication date: 1979-02-01
Also published as: FR2281560A1; GB1471805A; JPS5139079A; DE2529796A1; FR2281560B1; DE2529796B2; JPS5756688B2; AU8322975A; US3939704A; CA1039533A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrkomponenten-Kraftmeßdose, bestehend aus einem Gehäuse und einer konzentrisch im Gehäuse angebrachten Nabe, die mehrere Arme aufweist, wobei jeder Arm so im Gehäuse geführt ist, daß dieser bei Belastung der Kraftmeßdose eine freie, senkrecht zur Nabenachse gerichtete Relativverlagerung bezüglich des Gehäuses s in Richtung parallel zu seiner Längsachse ausführen kann, jedoch keine dazu quergerichtete Verlagerung.

Die Verwendung von mehrachsigen Kraftmeßdosen wurde im Zusammenhang mit automatisierten Montageverfahren: vorgeschlagen, wobei eine Haniiereinrichtung so gesteuert wird, daß sie bestimmte Monttgeaufgaben mittels einer sogenannten »Kraftrückkoppelungssteuerung« ausführen kann, wobei die auf die Hantiereinrichtung zurückübertragenen Reaktionskräfte bei Ausführung der Montageaufgabe verwendet

is werden, um Steuersignale zu erzeugen und die Montageaufgabe durchzuführen. Solch eine Anwendung erfordert eine Kraftmeßdose mit einer einfachen, leichtgewichtigen Konstruktion,, die noch dazu fähig sein muß, in einem weiten Bereich von dynamischen Belastungen zu funktionieren, da einerseits sehr leichte Teile, z.B. Abdichtringe, Stifte usw., und andererseits relativ schwere Teile, z.B. Gußstücke usw, von der Hantiereinrichtung montiert werden sollen. Die Reaktionskräfte können auch sehr stark variieren, was von der dynamischen Natur der besonderen durchzuführenden Montageaufgabe abhängt Untersuchungen haben gezeigt, daß für die Wirksamkeit einer solchen Kraftrückkoppelungs^teuerung Kräfte entlang jeder der orthogonalen Achsen und Biegemomente um jede dieser Achsen sehr genau gemessen werden müssen.

Ein Versuch, mehrachsige Kraftmeßdosen für oben beschriebene Anwendung einzusetzen, ist in der Master's Thesis mit dem Titel »Force Feedback Steering of a Tele-Operator System« von R. C G r ο ο m e, jr. in dem MIT Draper Laboratory Report T-575, im August 1972, beschrieben worden. Diese Anordnung besteht aus einer Nabe, die mit einem Gehäuse mittels vierer, in Kreuzform angeordneter freitragender Arme verbunden ist, wobei jeder der Arme in dem Gehäuse so gelagert ist, daß er sich entlang seiner Längsachse relativ zum Gehäuse verschieben kann. Widerstandsdehnungsmesser sind an jedem dieser Arme angebracht, um die seitlichen Kräfte zu messen, die von jedem der freitragenden Arme aufgenommen werden. Es wird weiterhin beschrieben, daß die so abgefühlten Kräfte so zerlegt werden, daß die drei Kräfte und drei Drehmomentkomponenten erhalten werden, denen die Kraftmeßdose ausgesetzt ist
Obwohl dieser Versuch äußerst einfach und wirksam

so ist, wird durch die Verwendung von Widerstandsdehnungsmeßelementen auf den freitragenden Armen zur Messung der Kräfte der dynamische Bereich der Belastungen beschränkt, die von der Vorrichtung gemessen werden können, da die Auflösung der

Dehnungsmesser dieses Types sehr begrenzt ist

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftmeßdose zu schaffen, die sowohl einfach aufgebaut ist, als auch fähig ist, vielachsige Belastungen in einem weiten dynamischen Belastungsbereich mit großer Empfindlichkeit zu messen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich zu den Armen ein mit der Nabe starr verbundenes Speichenkreuz mit mehreren Speichen vorhanden ist, die von der Nabenachse radial nach

μ außen ragen, weiterhin erste Weggeber zur Messung der Verlagerung von Punkten, von denen je einer auf jeder Speiche liegt, in einer Ebene senkrecht zur Nabenachse und in radialer Richtung, einen ringförmi-

gen Flansch, der von der Nabe radial nach außen ragt, und zweite Weggeber zur Messung der Verlagerung von vier Punkten auf dem Flansch in Richtung der Nabenachse, wobei diese Punkte in einer Ebene senkrecht zur Nabenachse liegen und wobei sich je ein Punkt auf den Ecken eines Quadrats, dessen Mitte auf der Nabenachse liegt, befindet.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zusammenfassend wird eine Kraftmeßdose zur Messung von Kräften entlang dreier orthogonaler Achsen, sowie von Biegemomenten um jede dieser Achsen geschaffen, wobei die Kraftmeßdose von einfacher Konstruktion ist, jedoch einen weiten Bereich dynamischer Arbeitsbelastungen genau messen kann. Die Kraftmeßdose besteht aus einem Gehäuse, das Kräfte und Momente übertragend mit einer zentralen Nabe mittels eines Paares von in Kreuzform angeordneten, nachgiebigen, freitragenden Armen verbunden ist Jeder Arm ist längs seiner Achse gleitend in dem Gehäuse angeordnet, so daß er Querbelastung entlang der entsprechenden orthogonalen Achsen in einer Querebene der Kraftmeßdose keinen Widerstand entgegensetzt Verlagerungen der Nabe relativ zum Gehäuse werden durch vier Gruppen von Weggebern gemessen, wobei jede Gruppe die relative seitliche Bewegung parallel zu jeder der orthogonalen Achsen an einander gegenüberliegenden Stellen, die radial von der Mittelachse der Kraftmeßdose entfernt liegen, mißt Diese Verlagerungen werden dazu verwendet, Signale zu erzeugen, welche den Kraftkomponenten entlang jeder der orthogonalen Achsen, also auch der Biegemomente um jede dieser Achsen entsprechen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Darin zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine mehrachsige Kraftmeßdose,

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 nach F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 nach F i g. 1,

Fig.4 eine Seitenansicht einer mehrachsigen Kraftmeßdose, teilweise geschnitten, und

F i g. 5 eine Draufsicht auf eine mehrachsige Kraftmeßdose in Richtung der Pfeile 5-5 in F i g. 4.

Als Beispiel könnte die Verwendung von nur drei freitragenden Armen genannt werden, die in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind und sechs Übertragern anstelle von vier oder acht, so daß sechs Kraft- und Momentkomponenten erhalten werden können.

In den Zeichnungen irt die Kraftmeßdose mit 10 bezeichnet; sie besteht aus einem Gehäuse 12 und einer Nabe 14, c'ie innerhalb des Gehäuses 12 von vier freitragenden Armen 16, 18, 20 und 22 gehalten wird, welche mit einem Ende an einem zentralen Teil 24 der Nabe 14 befestigt sind. Die anderen Enden werden in dem Gehäuse 12 mittels vierer, teilweise sphärisch ausgebildeter Enden 26, die in Büchsen 28 gleiten, gehalten.

Um die verschiedenen Verlagerungen von radial mit Abstand zueinander angeordneter Stellen, die jedoch in bezug zur Nabe 14 festliegen, relativ zum Gehäuse 12 zu messen, ist die Nabe 14 mit einem Flansch 30 und einem Speichenkreuz 32 versehen, wobei jedes Teil an einander entgegenliegenden Enden der Nabe 14 befestigt ist

Das Speichenkreuz 32 besteht aus vier sich radial erstreckenden Speichen Ji, 36, 38 und 4(1, die jede in eine im Gehäuse 12 ausgebildete Ausnehmung 42 im Spiel eingreifen. Die Ausnehmungen 42 bilden für die Speichen 34, 36, 38 und 40 einen festen Anschlag bei einem übergroßen Weg, Die Speichen 34 bis 40 haben je eine seitliche Kante 44, 46, 48 und 50, die entlang der Achsen liegen, welche die zentrale Achse der Kraftmeßdose schneiden.

Die seitliche Bewegung jeder dieser Kanten 44 bis 50 wird mittels Verlagerungsgebern, vorzugsweise 52, 54,

ίο 56 und 58 abgetastet, die im Gehäuse 12 angeordnet sind und so gelagert sind, daß ihre Kontaktspitzen 60 im Eingriff mit den entsprechenden Kanten 44 bis 50 gehalten werden. Diese Geber sind vorzugsweise solche mit großem Iinearitätsbereich, die sehr genaue Verlagerungsmessungen über einen Bereich ausführen können, der viel größer ist als derjenige bei der Verwendung von Dehnungsmessern.

Solche Weggeber sind an sich gut bekannt und im Handel überall erhältlich, so daß sie hier nicht genauer beschrieben zu werden brauchen. Es reicht aus festzustellen, daß jede Bewegung der ''ontaktspitze 60 ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das genau dem Ausmaß dieser Bewegung entspricht Eine seitliche Bewegung des Flansches 30 entlang von linien, die zu den Achsen der Kraftmeßdose 10 parallel laufen, wird mittels von Weggebern 62,64,66 und 68 gemessen, die ebenfalls im Gehäuse 12 befestigt sind und so angeordnet sind, daß sie mit dem äußeren Rand 70 des Flansches 30 in Abständen von 90° an dessen Umfang

so im Eingriff stehen. Der äußere R?nd 70 ist so angeordnet, daß er mit den Bereichen 71 und 73 des

Gehäuses 12 im Eingriff steht, um einen festen Anschlag

bei einer zu großen Verlagerung zu bilden.

Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß

entsprechend der seitlichen Verlagerung der Nabe 14 an acht beschriebenen Stellen entsprechende Signale erzeugt werden, die verwandt werden können, um weitere Signale zu bilden, die den Hauptkraftkomponenten entlang jeder der orthogonalen Achsen und den

Biegemomenten um diese Achsen entsprechen.

Jede Gebergruppe, bestehend aus einem in radialer Richtung gegenüberliegend angeordneten Paar stellt sowohl ein Mittel zur Messung einer Kraftkomponente entlang einer zur Achse der Weggeber in der Gruppe parallelen Achse dar und ebenfalls ein Mittel zur Messung des Biegemoments, das auf die orthogonale Achse quer zur Ebene, in welcher die Achsen des speziellen Weggeber-Paares angeordnet sind, dar, da die algebraische Summierung der Verlagerungen, die von dem Weggeber-Paar gemessen werden, auf einzigartige Weise dieses Biegemoment definiert, was einem mit diesem Gebiet vertrauten Fachmann ohne weiteres klar ist Die so erzeugten elektrischen Signale können daher kombiniert und in dieser Weise durch bekannte Schaltkreistechniken aufgelöst werden, um

Signale zu bilden, die jeder der Kraftkomponenten and Biegemomente zur Verwendung in einem Steuersystem

entsprechen.

Es ist bekannt, daß diese Weggeber fähig sind, äußerst

fco genaue Verlagerurgsmessungen durchzuführen bzw. in einem Bereich von Verlagerungen zu arbeiten, welcher deutlich größer ist als derjenige, der bei der Verwendung von Meßinstrumenten zur Dehnungs- bzw. Spannungsmessung erreicht werden kann. Diese Weg-

bi geber haben ebenfalls ausgezeichnete dynamische Meßeigenschaften, s > daß di? Kraftmeßdose sowohl die Einfachheit der Kraftmeßdose aufweist, die von Groom, jr. beschrieben wurde, als auch die beschriebenen

Leistungseigenüchaften.

In der hier beschriebenen Ausführungsform ist das Speichenkreuz 32 und der Flansch 30 von der Ebene der freitragenden Arme 16 bis 22 versetzt, hauptsächlich für eine Erleichterung der Herstellung. Diese drei Flächen können jedoch auch zusammenfallen, so daß die freitragenden Arme und die Kontaktspitzen der acht (oder sechs) Weggeber alle in der gleichen Fläche liegen, wodurch das Kreuzkoppeln der Signale verringert wird, die von der Verlagerung jedes Teiles erzeugt werden. Die freitragenden Arme sind mit rundem Querschnitt dargestellt Wenn jedoch eine unterschiedliche Steifheit gewünscht wird, können die Armquerschnitte rechteckig oder von irgendeiner anderen Gestalt sein, urn die Steifheit in den verschiedenen Richtungen der speziellen Anwendung genau anzupassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Mehrkomponenten-Kraftmeßdose, bestehend aus einem Gehäuse und einer konzentrisch im Gehäuse angebrachten Nabe, die mehrere Arme aufweist, wobei jeder Arm so im Gehäuse geführt ist, daß dieser bei Belastung der Kraftmeßdose eine freie, senkrecht zur Nabenachse gerichtete Relativverlagerung bezüglich des Gehäuses in Richtung parallel zu seiner Längsachse ausführen kann, jedoch keine dazu quergerichtete Verlagerung, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Armen (16 bis 22) ein mit der Nabe (14) starr verbundenes Speichenkreuz (32) mit mehreren Speichen (34 bis 40) vorhanden ist, die von der Nabenachse radial nach außen ragen, weiterhin erste Weggeber (52 bis 58) zur Messung der Verlagerung von Punkten, von denen je einer auf jeder Speiche (34 bis 40) liegt, in einer Ebene senkrecht zur Nabenachse und in radialer Richtung, einen ringförmigen Flansch (30), der von der Nabe (14) radial nach außen ragt, und zweite Weggeber (62 bis 68) zur Messung der Verlagerung von vier Punkten auf dem Flansch (30) in Richtung der Nabenachse, wobei diese Punkte in einer Ebene senkrecht zur Nabenachse liegen und wobei sich je ein Punkt auf den Ecken eines Quadrats, dessen Mitte auf der Nabenachse liegt, befindet

2. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Weggeber (52 bis 58) zur Messung der Verlagerung eines Punktes auf den Speichen aus mehreren Gebern (52 bis 58) mit großem Linearitätsbereich bestehen, daß die zweiten Weggeber (62 bis 68) zur Messung der Verlagerung von zwei Giappen radial entgegengesetzt liegender Punkte auf dem Fi nsch ebenfalls aus mehreren solcher Geber (62 bis 68) bestehen, und daß jeder Weggeber (52 bis 58, 62 bis 68) eine Kontaktspitze (60) aufweist

3. Kraftmeßdose nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (34 bis 40) des Speichenkreuzes (32) Enden haben, die in Ausnehmungen (42) eingreifen, welche in dem Gehäuse (12) angeordnet sind, und daß die ersten Weggeber (52 bis 58), welche die ersten Abtastmittel bilden, in dem Gehäuse (12) angeordnet sind und so gelagert sind, daß ihre Kontaktspitzen (60) im Eingriff mit den entsprechenden Punkten auf den Speichen (34 bis 40) gehalten werden.

4. Kraftmeßdose nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (30) einen äußeren Rand (70) aufweist, der sich in das Gehäuse (12) erstreckt, und daß die zweiten Weggeber (62 bis 68), welche die zweiten Abtastmittel bilden, im Gehäuse (12) angeordnet sind und so gelagert sind, daß ihre Kontaktspitzen (60) im Eingriff mit den Punkten auf dem äußeren Rand (70) gehalten werden.

5. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichenkreuz (32) und der Flansch (30) an einander entgegengesetzt liegenden Längsenden der Nabe (14) angebracht sind.