DE2727704B2

DE2727704B2 - Kraft-Drehmoment-Fühler

Info

Publication number: DE2727704B2
Application number: DE2727704A
Authority: DE
Inventors: Florian 8031 Eichenau Mettin; Lothar Dipl.-Phys. Dr. 8031 Gilching Schmieder; August 8031 Oberpfaffenhofen Vilgertshofer
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1977-06-21
Filing date: 1977-06-21
Publication date: 1979-06-13
Also published as: FR2395496B1; FR2395496A1; US4178799A; JPS548569A; DE2727704A1; CH628433A5; DE2727704C3; JPS5918645B2

Description

45

so

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Drehmoment-Fühler entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit einem Kraft-Drehmoment-Fühler können beispielsweise an einer Greifzange angreifende Kräfte und Drehmomente gemessen werden. Derartige Vorrichtungen werden insbesondere bei Manipulatoren eingesetzt, die zur Erfüllung ihrer komplexen Aufgaben (z. B. Montage oder Qualitätskontrolle) einen Informationsaustausch mit der Umwelt benötigen. m>

Fig. I zeigt eine derartige Greifzange, die ein Werkstück festhält, und deren Schließen zweckmäßig durch eine pneumatische Einrichtung bewirkt wird, bei welcher der Anpreßdruck leicht geregelt werden kann. Werden im Punkt 0 die dort angreifenden Kräfte und Momente gemessen, so kann der den Manipulator steuernde Prozeßrechner nicht nur das Gewicht Pl der Last, sondern mit Hilfe des gemessenen Drehmoments M auch den minimalen Hebelurm (r, P und M sind Vektoren)

messen. Da der Angriffspunkt einer Kraft längs ihrer Angriffslinie beliebig verschoben werden kann, ist eine Berechnung des wahren Hebelarms r nicht Tnöplich. Es können auch reine Lasidrehmoinente auftreten, z. B. beim Eindrehen einer Schraube. Diese können nur dann eindeutig gemessen werden, wenn die Lastangriffslinie durch den Bezugspunkt geht, so daß das von der Last verursachte Drehmoment Null wird.

F i g. 2 zeigt eine Konstruktion, bei welcher in jedem Finger der Zange eine Meßvorrielitung eingebaut ist Es gelten für den in der Mitte von Oi Lind O2 liegenden Punkt 0 die Gleichgewichtsbedingungen (P₁, M\, Pi, M₂ - in F i g. 2 nicht eingezeichnet — werden auf die Punkte Ot, O2 bezogen, sist ein Vektor)

Pl= Pi + Pi, M₁. = P_Lx r_min = (P₂ - P,) χ Λ- -1- M₁ + M₂, (2)

die wiederum Pl und r_mtn eindeutig festlegen, wenn die Offnungsweite Zi der Zange bekannt ist Da Gleichung (1) aber auch auf jeden Finger von Fig. 2 angewendet werden kann, sind auch die Angriffspunkte der Resultanten P\ *, P₂* bekannt, schließlich liefert die zweite Komponente (P₂*- P\*], durch zwei dividiert, den Anpreßdruck der Zange. Damit ist es möglich, eine Greifhand nach Fig.2 mit einem Elektromotor über eine Wegsteuerung zu betreiben, die durch laufendes Abfragen des Anpreßdrucks und entsprechende Korrekturen in eine Kraftsteuerung umgewandelt wird, wobei die Offnungsweite der Handzange jederzeit bekannt ist, so daß auch Werkstücke vermessen werden können. Schließlich ist es mögllich, das Gleiten eines Werkstücks festzustellen, da beim 'Übergang von der Haftreibung zur Gleitreibung eine plötzliche Verminderung der Tangentialkraft auf tritt.

Durch Anordnung von Dehnungsmeßstreifen können die an einem starren Körper angreifenden Kräfte und Momente festgestellt werden. Die Entkopplung der durch die verschiedenen Kräfte verursachten Dehnungen bereitet erhebliche Schwierigkeiten. Bei einem bekannten Fühler der eingangs genannten Art (Report Nr. E-2754 des Massachussetts Institute of Technology, März 1973) ist eine Aufnehmeirplatte an vier Balken aufgehängt (s. hierzu F i g. 3). Jeder Balken enthält je zwei Dehnungsmeßbrücken, welche die Verkrümmungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen messen und ist am Ende mit einer Kugel abgeschlossen. Die Kugeln gleiten in vier Hülsen, in dienen sie in Richtung der Balkenlängsachse gleiten können. Eine Normalkraft bewirkt dabei eine Durchbiegung; der'vier Balken, die von den Dehnungsmeßstreifen erfaßt und von einem Rechner ausgewertet werden. Auf diese Weise können die Normalkraft und die von ihr bei außermittigem Angriffspunkt bewirkten Drehmomente um die Achsen ei und ej gemessen werden, liine senkrecht dazu wirkende Tangentialkraft bewirkt eine Durchbiegung von nur zwei Balken, während die restlichen beiden Balken sich verschieben können und nicht beansprucht werden.

Wenn nun aber Tangential und Vertikal-Kräfte gleichzeitig auftreten, wird die Normalkraft die Kugeln gegen die Hülsen pressen und damit eine Haftreibung

erzeugen, die einen Teil der äußeren Tangentialkraft kompensiert, der für die Messung verloren ist Reibungskräfte, welche die Messungen verfälschen, treten auch auf, wenn die Vorrichtung verformt worden ist, was schon bei kurzzeitiger Überbelastung auftreten kann, so daß vier Kugeln samt ihren Hülsen nicht mehr streng in einer Ebene liegen.

Dieselben Schwierigkeiten bestehen auch bei einem verbesserten Fühler, der in der DE-OS 25 29 796 beschrieben ist. Be: diesem Fühler ist eine Nabe (14; siehe Rg. 5 der DE-OS) an vier freitragenden Armen (16 bis 22/ in dem Gehäuse (12) eingehängt, wobei die kugelförmigen Enden der Arme sich wieder in Richtung der Längsachse der Arme verschieben können. Eine Verbesserung gegenüber der alten Anordnung gemäß Fig.2 wird dadurch erreicht, daß für die Messung Verlagerungsgcber eingesetzt werden, welche die Verschiebung eines Speichenkreuzes (32) und eines Flansches (30) messen. Damit ist der oben geschilderte grundsätzliche Fehler jedoch nicht behoben.

Ferner sind Kraft-Drehmoineni-Füh'er bekannt, bei welchen zwei Speichenkreuze verwendet sinci die eine Messung von Biegelinien unmöglich machen bzw. stark verfälschen. (DE-OS 21 04 003; Gen. MoL Engin. J. 11 (1964)4,S. 15bis 18; ATZ69(1967)8,S.251 bis 255). Die DE-OS 21 04 003 dürfte sich aus diesem Grund auch auf die Messung von reinen Stauchungen bzw. Messungen beschränken, wobei auf die etwa lOmal größere Meßempfindlichkeit der Biegungsmessungen verzichtet worden ist. · jo

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kraft-Drehmoment-Fühler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart zu verbessern, daß praktisch keine die Biegungs- js messung verfälschende Komponenten auftreten können.

Diese Aufgabe wird bei einem Kraft-Drehmoment-Fühler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art erfhJungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung nunmehr beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen

F i g. I und 2 schematische Darstellungen zur Erläute^rung der Arbeitsweise bekannter Kraft-Drehmoment-Fühler,

Fig. 3 das Prinzip der in der DE-OS 25 29 796 beschriebenen Anordnung als Erläuterung, ■■> <)

F i g. 4 einen Aufriß bzw. eine Draufsicht auf ein Ausführung jbeispiel,

F i g. 5 eine Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels.

Fig.6a und 6b Darstellungen der auf einen Stab wirkenden Quer- bzw. Längskraft und

F i g. 7a und 7b Darstellungen eines Moments um eine tangentiale Achse bei einem bzw. bei zwei Speichenkreuzen.

Bei dem in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel bo ist eine Grundplatte 1 vorgesehen, parallel zu der eine Lastaufnehmerplatle 2 angeordnet ist Die Grundplatte 1 ist mit über vier vertikal zu einer Ebene gelegene Stützen 5 starr mit einem als Ring ausgebildeten Zwischenstück 3 verbunden. Der Ring 3 ist über vier h5 Speichen 4, welche in einer Ebene der Lastaufnehmerplatte 2 liegen, mit der .elben starr verbunden. Die Stützen 5 können gegenüber den Speichen 4 um 45° versetzt sein. An den Ober- und Unterseiten der Speichen 4 und an den senkrecht zur Ringperipherie liegenden Seiten der Stützen 5 sind bei diesem Ausführungsbeispiel Dehnungsmeßstreifen 6 bzw. 7 angebracht, welche die Verkrümmungen messen. Statt der Verkrümmungen können auch die senkrechten Verschiebungen von mindestens drei Punkten der Lastaufnehmerplatte 2 gegenüber der Ebene des Ringes 4 und die waagerechten Verschiebungen von mindestens drei Punkten auf der Lastaufnehmerplatte 2 oder des Rings 4 gegenüber der Grundplatte 1 mittels Verlagerungsgebern, wie es in der DE-OS 25 29 796 beschrieben wird, gemessen werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lastaufnehmerplatte 2 kreisförmig ausgebildet, und der Ring 3 ist ein Kreisring. Diese beiden Elemente können jedoch auch quadratisch oder rechteckförmig ausgebildet sein. Anstelle von vier Speichen und vier Stützen können auch drei Speichen und drei Stützen vorgesehen sein. Diese Anordnung ist insbesondre dann sinnvoll, wenn auch die Grundplatte 1 είπε keilförmige Gestalt hat

Die Dicke und Breite des Zwischenstücks 3 ist zweckmäßigerweise mindestens doppelt so groß wie die entsprechenden Abmessungen der Speichen und Stützen, damit möglichst die gesamte Verformungsenergie in die Speichen und Stützen geht, deren Verformungen gemessen werden.

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Eine in Richtung e2 angreifende Normalkraft verbiegt die Speichen 4, während die Stützen 5 infolge der großen Steifigkeit des Rings 3 nur auf Druck belastet werden, was von den Dehnungsmeßstreifen 7 auf den Stützen 5 nicht registriert wird. Eine Tangentialkraft in Richtung ei belastet zwei der Speichen 5 auf Druck und die beiden anderen auf Biegung in der Richtung, in der sie von den Dehnungsmeßstreifen nicht registriert wirrt, abpr alle Stützen 5 erfahren Biegungen, die auf zwei dieser Stützen gemessen werden. Versuche haben Überkopplung-.η ergeben, die unter 3% liegen. Eine bleibende Verformung infolge Überbelastung verursacht lediglich eine Nullpunktsverschiebung der Dehnungsmeßstreifen, die beim Betrieb mil Rechnern ohnehin laufend kompensiert wird.

Dadurch, daß nur Biegeverformungen gemessen werden, wird eine hohe Genauigkeit der Messungen erreicht, denn die als Störungen auftretenden sonstigen Verformungen (Stauchung, Dehnung, Schub) sind um eine Größenordnung kleiner. Um diese Meßmethode durchführen zu können, ist es unabdingbar, daß die Speichen nur in einer Ebene liegen. Wenn dagegen zwei zueinander parallele Speichenkreuze in Tandemanordnung (siehe F i g. 7b) verwendet werden, wie dies in Gen. Mot. Engin. J. 11 (1%4), 4, Fig.5 angegeben ist, wird, ganz gleich, ob die Längsdehnungen oder die Biegeverformungen gemessen werden, eine um eine Größenordnung geringere Empfindlichkeit erhalten. Dieser Sachverhalt soll an einer. Beispiel näher erläutert werden.

Ein Stab, der mit einer Längskraft P auf Druck belastet wird (siehe F ί g. 6b), erfährt eine Stauchung in derGröRp von

^f längs —

P_

Wh

wobei £der Elastizitätsmodul, b die Breite des Stabes und hd'ic Dicke des Stabes ist

Um die entsprechende Stauchung bzw. Dehnung bei der Querbelastung zu ermitteln (siehe F i g. 6a), muß die Biegelinie des zweiseitig eingespannten Stabes

mit

£M

R 2B

Px²I

= Tib« -

(4)

_ (I -S)M '*"*' 4/-ML

wobei y die Auslenkung, χ die Entfernung vom linken Stabende, /die Länge des Stabes und ß=£MV12 ist, zweimal differenziert werden, so daß sich ergibt: in

und hieraus ergibt sich

I ;²M² P I
H 16 R^T 3

I M²(\-{)² \. 4 Ehh I.

V =

2Ii

(I -2.V//I.

Die maximale Dehnung ist dann gleich

4Ii

IPI

Ehh¹

15)

16)

Λ/- /
4 Ehh

Durch Differenzieren nach ; und Nullset/en folgt hieraus

+ (1.IRi²UIh)²

Hieraus ergibt sich beispielsweise für b = /; =
Verhältnis von

mm ein ->o Mit den oben angegebenen Abmessungen und IJR = 1/2 (siehe Fig. 5 in Gen. Mot. Engin. .1. Il (1964)) ergibt sich

c = 4/29. (13)

(7)

Es werden nunmehr die Verhältnisse bei Belastung eines einfachen Speichenkreuzes (siehe F i g. 7a) und einer Tandemanordnung (siehe F i g. 7b) mit einem tangentialen Moment M betrachtet. Im ersten I all erleiden zwei Speichen eine Verbiegung und liefern eine Dehnung f _quCr nach Gl. (6). in der Pl durch MI/(2R) zu ersetzen ist:

I Heraus folgen die Verhältnisse der gemessenen Dehnungen in den verschiedenen Konstruktionsanorviiiungcn:

cn, = 2/Ϊ = 29/2.

3 M I
Ehh'² R ■

12 Ll -S)Rh

25.30/21.

(X)

In diesem Fall treten neben den Verbiegungen der vier Speichen zusätzliche Dehnungen und Stauchungen durch Längskräfte auf. Nur ein Teil ξΜ des Moments wird von den Verbiegungen, der Rest (1 -S)M wird von den Dehnungen aufgenommen.

Die entsprechende Dehnung folgt aus Gl. (3). in der P durch (1 — ξ)Μ/{4 L)zu ersetzen ist:

Entsprechend ist in Gl. (8) jetzt M durch ;Λ//2 zu ersetzen:

IEhIr R

(10)

Um die Konstante £ zu bestimmen, ist die gesamte elastische Energie aufzustellen und anschließend ihre Ableitung nach ί gleich Null zu setzen (Prinzip der virtuellen Verrückung):

V = 4 fßy"

-dx +4Pl,

längs ·

Welche Dehnung auch gemessen wird, bei der

r> Tandemanordnung liegt die Meßempfindlichkeit um eine Größenordnung schlechter.

Bei dem in F i g. 5 dargestellten, abgewandelten Ausführungsbeispiel ist eine ringförmige Grundplatte I über ein massives Mittelstück 3 mit der Aufnehmcrpiat-

4(i te 2 verbunden. Verbindungselemente sind die parallel zur Grundplattenebene liegenden Speichen 4 und die senkrecht dazu verlaufenden Stützen 5. auf den Stützen werden vermittels der Dehnungsmeßbrücken 7 die Tangentialkräfte und das senkrecht zu Grundplatten-

j") ebene liegende Drehmoment gemessen. Eine Arbeitsplatte 8, welche an der Aufnehmerplaite 2 mittels der Bolzen 9 befestigt ist, bewirkt eine Begrenzung durch Anschlag an die Grundplatte 1.

Eine starre Verbindung kann dadurch erreich!

>n werden. daU die Anordnung 1—2 — 3 aus einem Stück gedreht bzw. gefräst wird. Diese starre Verb^: .dung kann jedoch auch durch andere Verfahren, beispielsweise durch Hartlöten, erreicht werden, was besonders bei größeren Anordnungen zweckmäßig erscheint.

Statt der Dehnungsmeßstreifen 6 und 7 können auch Verlagerungsgeber 10 verwendet werden, welche die relativen Verschiebungen zwischen der Grundplatte 1 und der Aufnehmerplatte 2 messen, und zwar in zwei zueinander senkrechten Richtungen, wie dies in F i g. 5 dargestellt ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Kiaft-Drehmoment-Fühler mit einer starren ersten Platte und einer parallel dazu angeordneten s starren zweiten Platte, die miteinander durch deformierbare Stützen verbunden sind, und mit einem Zwischenstück, über das die zweite Platte mittels parallel zu ihr sich erstreckender, verformbarer Speichen und mindestens drei senkrecht sich <° dazu erstreckender, verformbarer Stützen fest mit der ersten Platte verbunden ist, wobei die Speichen und Stützen im Verhältnis zu den Platten und denn Zwischenstück so dimensioniert sind und Dehnungsmeßstreifen auf den Speichen und Stützen so angebracht sind, daß die angreifenden Kräfte und Drehmomente allein durch Biegung der Verformungskörper meßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei parallel zu den Platten (1, 2) und dem Zwischenstück (3) sich erstreckende und in einer Ebene iiegende Speichen vorhanden sind.

2. Kraft-Drehmoment-Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und Breite des Zwischenstücks (3) mindestens doppelt so groß wie die entsprechenden Abmessungen der Stützen (5) und der Speichern (4) sind.

3. Kraft-Drehmoment-Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die starn; Verbindung zwischen den Platten (1, 2) und dem so Zwischenstück (3) sowie den Stützen (5) und den Speichen (4) dadurch erreicht wird, daß die gesamte Anordnung aus einem einzigen Metallstück gefräst bzw. gedreht wird oder die itarre Verbindung durch Hartlöten Kleben oder ähnliche ν erfahren zustande J5 kommt.

4. Kraft-Drehmoment-Fühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (7) auf den parallel zur Grundplatte liegenden Flächen der Speichen (4) und auf den senkrecht zur Kreisperipherie liegenden Flächen der Stützen (3) angebracht sind.