DE2919699A1

DE2919699A1 - Vorrichtung, insbesondere zur digitalen kraftmessung

Info

Publication number: DE2919699A1
Application number: DE19792919699
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Bernuth; @@ Honecker Siegfried Dipl Ing; @@ Irrgang Klaus Dr Ing; Gerd Dr Sc Techn Jaeger; @@ Wendt Hans-Joachim Dipl Ing
Original assignee: Nagema VEB
Current assignee: Rapido Waagen- und Maschinenfabrik O-8122 Ra GmbH
Priority date: 1978-07-11
Filing date: 1979-05-16
Publication date: 1980-01-24
Also published as: HU182657B; DD137619A1; CH643949A5; US4286879A; DE2919699C2; SU1015317A1

Description

Vorrichtung, insbesondere zur digitalen Kraftmessung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere zur digitalen Kraftmessung. Außerdem können mit dieser Vorrichtung auch die Meßgröße Weg und alle aus Kraft und Weg ableitbaren Größen digital gemessen werden.

Entsprechend der DDR-Patentschrift 94 905 ist eine Vorrichtung zur direkten digitalen Kraftmessung bekannt, die ein ,.leßelement enthält, das aus mehreren fest miteinander verbundenen transparenten Platten besteht. An einer Platte des Meßelementes, an der sogenannten Biegeplatte, greift die ivleßgröße Kraft an. Der Luftspalt, der durch diese Biegeplatte und der ihr gegenüberliegenden Platte gebildet wird, ist so gestaltet, daß bei Durchbiegung der Biegeplatte und bei Durchstrahlung des Meßelementes mit parallelen monochromatischem Licht eine interferentielle Drehstr-eif enverteilung entsteht. Mit Hilfe fotoelektrischer Empfänger werden bestimmte Stellen der interferentiellen Drehstreifenverteilung abgetastet. Optimale Verhältnisse ergeben sich, wenn die Interferenzstreifen am Meßbereichsanfang aus einer schrägen Anfangslage bis zum Meßbereichsende sich in eine zur Anfangslage symmetrischen Endlage drehen. Durch eine Justierung der Empfänger in y-Richtung wird der Umfang des Zeichenvorrates festgelegt, der dem wießbereichsumfang zugeordnet ist. Durch eine Abstandsjustierung der Smpfänger in x-Richtung kann die gewünschte Phasenlage der Ausgangssignale erreicht werden«

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Bei dieser Vorrichtung wird der Umfang deo Zeichenvorrates, der dem Ließbereichsumfang zugeordnet ist, durch den Abstand der Abtaststelle des Empfängers von der x-Achse bestiirjnt. Diese Zuordnung ändert sich also, wenn beispielsweise durch Temperaturschwanlamgen die relativen Lagen zwischen ^eßelement, optischen Abbildungssystem und fotoelektrischen: Empfänger verändert werden.

Aufgrund der Drehstreifenverteilung bleibt zwar der Abstand der Interferenzstreifen in x-Richtung konstant, jedoch in y-Kichtun«; ändert er sich in Abhängigkeit vom ,vert der Meßgröße. Somit wird die Anzahl der auswertbaren Interferenzstreifen von dem Interferenzstieifenabstand begrenzt, der fotoelektrisch noch ausgewertet werden kanne

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Bei außermittiger Kraftanlenkung an der Biegeplatte tritt ein Verwinden der Biegeplatte auf, wodurch sich der Abstand der Interferenzstreifen in x-Richtung und somit auch die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen ändert.

Die fest miteinander verbundenen Platten, die das ivießelement bilden, müssen aus hochwertigere und transparentem iwaterial bestehen.

Außerdem müssen die Platten eine hohe Oberflächengüte und Maßhaltigkeit besitzen, um die gewünschte Geometrie des Luftspaltes zu erreichen.

Es ist nicht möglich, den Verformungskörper aus einem Stück herzustellen, da die Flächen, die den Luftspalt einschließen, poliert sein müssen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, insbesondere den Abstand der Interferenzstreifen längs des Meßbereiches konstant zu halten, jedoch beliebig einzustellen,

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wobei relative Lageänderungen zwischen Meßeleitent (Verforüiungskörper), optischem Abbildungssystem und fotoelektrischeni Empfänger keinen Einfluß auf die Zuordnung des Umfangs des Zeichenvorrates zum Meßbereichsumfang haben und ein Verwinden der Biegeplatte keinen Einfluß auf die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen besitzt. Die Vorrichtung erlaubt die Verwendung von nichttransparentem Aaterial als VerformungskÖrpermaterial. Der Verformungskörper zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus. Außerdem soll die Möglichkeit geschaffen werden, hochwertiges Verforrnungskörpermaterial einzusparen, den Meßbereich in einfacher r/eise ändern zu können sowie auf optischem Γ/ege eine Eckenlastunabhängigkeit zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung, insbesondere zur digitalen Kraftmessung zu schaffen, die kleine üeßzeiten und hohe Auflösungen besitzt und auch unter Betriebsbedingungen funktionstüchtig bleibt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an einem gabelförmig gestalteten Verformungskörper ein kippinvariantes Interferometer angebracht wird.

Der Verformungskörper kann auch in der Form einer Ringoder Rahmenfeder gestaltet werden.

Der gabelförmige Verformungskörper besteht aus einem biegesteifen Grundkörper und einer oder mehreren Biegeplatten, wobei der Grundkörper an einer Stelle fest im Gestell gehaltert ist.

Grundkörper und Biegeplatten können in einfacher Weise aus einem Stück, beispielsweise aus hochwertigem Federstahl oder Quarz hergestellt werden.

Zur Einsparung hochwertigen Verformungskörpermaterials gibt

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es mehrere Möglichkeiten, entweder man stellt nur die Biegeplatten aus hochwertigem I<Iaterial her und verbindet sie fest mit dem biegesteifen Grundkörper oder in die Biegeplatten werden zusätzliche Zwischenteile eingefügt, die so gestaltet sind, da3 3ie den größten feil der Deformation aufweisen. Im letzteren Fall müssen lediglich die Zwischenteile aus hochwertigem Verforrr/ungskörpermaterial hergestellt werden. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, die Zsischenteile aus kristallinem Quarz und den irundkörper sowie die Bi3geplatten aus Äieselgut herzustellen·

Jind mehrere Biegeplatten angeordnet, so werden die Biegeplatten an ihren freien binden durch ein Koppelelement fest miteinander verbunden. Die zu messende Kraft kann an einer der äußeren Biegeplatten oder am Koppelelement angelenkt werden.

Bei der Anordnung mit mehreren Biegeplatten bietet as sich an, die Biegeplatten gleichzeitig als Parallellenker für das Krafteinleitungssystem zu verwenden. Die Lastsäule ist hierbei direkt an die Biegeplatten angelenkt. An einer Anlenkstelle wird die Kraft auf den Verformungskörper übertragen. Diese Anlegestelle muß so ausgebildet sein, daß sie keine Momente überträgt. An der anderen 3telle ist die Lastsäule an eine Biegeplatte durch eine kinematische Führung angelenkt. Die kinematische Pührung muß so gestaltet sein, da;3 sie möglichst nur- vernachlässigbare Momente überträgt .

Durch eine Veränderung des Abstandes des kippinvarianten Reflektors der Biegeplatte von der Einspannstelle der Biegeplatte kann der gewünschte Meßbereich, eingestellt vi er den·

Durch das Anbringen mehrerer Lastsäulen in verschiedenen

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Abstanden wird durch Umstecken der Waagschale in einfacher »eise ein kehrbereichskraftmeßsystem erreicht.

Fest mit dem Verformungskörper werden nun die optischen Teile eines kippinvarianten Interferometers bekannter Bauart verbunden. Beispielsweise kann ein Michelson-Interferometer, in dessen Interferometerarme eine Strahlumlenkung durch kippinvariante Reflektoren (z.B. Trippelprismen) bewirkt wird, benutzt werden. Der optische Teiler, die beiden Interferometerspiegel sowie ein kipp invariant er Reflektor werden fest mit dem Grundkörper verbunden. Dabei ist es vorteilhaft, die Interferometerspiegel am optischen Teiler zu befestigen, da sich das fertigungstechnisch leicht realisieren läßt und einen robusten Aufbau ergibt. Der andere kippinvariante Reflektor ist fest an der Biegeplatte angeordnet. Bei Durchbiegung der Biegeplatte infolge der angreifenden Kraft ändert sich lediglich die optische Weglänge im Interferometerarm, nicht aber die Strahlrichtung der in den kippinvarianten Reflektor einfallenden Strahlen und der vom Reflektor zurückgeworfenen Strahlen. Der Abstand der Interferenzstreifen wird durch die Winkellage der beiden Interferometerspiegel, die am optischen Teiler befestigt sind, bestimmt.

Hilfe einer monochromatischen Lichtquelle und eines Kondensors wird auf den optischen Teiler paralleles monochromatisches Licht geleitet» Am optischen Teiler erfolgt eine Aufteilung in zwei Teilbündel. Die beiden Teilbündel v/erden jeweils durch die kippinvarianten Reflektoren umgeleitet, gelangen zu den am Teilerwürfel befestigten Interferometerspiegeln, werden an diesen reflektiert, durchlaufen die kippinvarianten Reflektoren noch einmal, werden am optischen Teiler wieder vereinigt und interferieren. Bei Durchbiegung der Biegeplatte infolge der angreifenden Kraft ändert sich der Gangunterschied der interferierenden Bündel

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und die Interferenzstreifen wandern aus. Die Anzahl der Interferenzstreifen, die bei einer bestimmten Meßwertänderung auswandern, hängt vom Abstand des kippinvarianten Reflektors der Biegeplatte vom Biegezentrum ab.

Ein Objektiv bildet die Interferenzstreifen auf die fotoelektrischen Empfänger ab. Die fotoelektrischen Empfänger müssen lediglich in Richtung senkrecht zu den Interferenzstreifen justiert werden, um die gewünschten Phasendifferenzen zu erhalten. Zur Realisierung des Inkrementalverfahrens wird das Interferenzbild an zwei um benen Stellen fotoelektrisch abgetastet.

rens wird das Interferenzbild an zwei um 90° phasenverscho-

Zur Einschränkung der Eckenlastempfindlichkeit werden die beiden kippinvarianten Reflektoren jeweils an den beiden Biegeplatten in einer zur y-z-Ebene parallelen Ebene diametral bezüglich des Koordinatenursprungs angeordnet. Die kippinvarianten Reflektoren sollten so nah wie möglich zum Koppelelement und vom Koppelelement aus gesehen vor den Biegegelenken angebracht werden.

Die -Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt:

Fig. 1: Anordnung mit Grundkörper und einer Biegeplatte

Fig. 2: Anordnung mit Grundkörper und zwei Biegeplatten

Fig. 3: Anordnung der Bauteile des Interferometers zur Beseitigung der Eokenlastempfindlichkeit

Gemäß Fig. 1 besteht der Verformungskörper aus dem biegesteifen Grundkörper 6, aus der Biegeplatte 7 a und aus dem fest eingefügten Zwischenteil 8.

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Grundkörper 6 und Biegeplatte 7 a bestehen aus Kieselgut, während Zwischenteil 8 aus kristallinem Quarz besteht. In das Zwischenteil 8 ist eine Wut eingefräst, so daß dieses Teil den größten Teil der Deformation aufweist_o An einer Stelle ist der Grundkörper 6 fest im Gestell 9 gehaltert_o Mit dem Grundkörper 6 sind der optische Teiler 3 und der kippinvariante Reflektor 5 b fest verbunden. Am optischen Teiler 3 sind die Interferometerspiegel 4 a und 4 b angebracht. Der kippinvariante Reflektor 5 a ist fest mit der Biegeplatte 7 a verbunden. Mit Hilfe der monochromatischen Lichtquelle 1 und des Kondensors 2 wird auf den optischen Teiler 3 paralleles monochromatisches licht geleitet. Am optischen Teiler 3 erfolgt eine Aufteilung in zwei Teilbündelo Die beiden Teilbündel werden jeweils durch die kippinvarianten Reflektoren 5 a und 5 b umgeleitet, gelangen zu den Interferometerspiegeln 4 a und 4 b, werden an diesen reflektiert, durchlaufen die kippinvarianten Reflektoren 5 a und 5 b noch einmal, werden am optischen Teiler 3 wieder vereinigt und interferieren. Mittels des Objektivs 11 wird die Interferenzerscheinung auf die fotoelektrischen Empfänger 12 projiziert_o Diesen sind Impulsformerstufen und ein Vor-Rückwärts-Zähler 14 nachgeschaltet„ Die Kraft P wird über das Krafteinleitungssystem, bestehend aus Waagschale 20, Lastsäule 10, Parallellenker 18 und Ankoppelelement 19, auf die Biegeplatte 7 a geleitet„ Mit zunehmender Kraft P biegt sich die Biegeplatte 7 a durch und an den fotoelektrischen Empfängern 12 wandern die Interferenzstreifen aus* Die Anzahl der vorbeilaufenden Interferenzstreifen wird im Vor-Rückwärts-Zähler 14 gezählt und ist ein direktes Maß für den Wert der Kraft P.

Nach Pig. 2 sind die Enden der Biegeplatten 7 b durch das Koppelelement 15 verbunden. Die optischen Bauelemente des Interferometers sind genau so wie bei der Anordnung nach Pig. 1 angeordnet· Auch die fotoelektrische Auswertung erfolgt in gleicher Weise, über die Lastsäule 10 wird die

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Kraft F auf die untere Biegeplatte 7 b mittels eines Spurlagers 17 übertragen. An die obere Biegeplatte 7 b ist die Lastsäule 10 durch eine kinematische Führung 16 angelenkt. Obere und untere Biegeplatte 7 b dienen gleichzeitig als Parallellenker 18. Im gewählten Beispiel sind zwei Lastsäulen 10 angebracht. Durch Umstecken der Waagschale 20 wird somit ein Zweibereichskraftmeßsystem erreicht.

Fig. 3 zeigt den Schnitt A-A der Fig. 2 mit veränderter Anordnung der optischen Teile des Interferometers., In dieser speziellen Anordnung, die eine jickenlastunempfindlichkeit bewirkt, ist der eine kippinvariante Reflektor 5 a an der unteren Biegeplatte 7 b und der andere kippinvariante Reflektor 5 b an der oberen Biegeplatte 7 b befestigt. Die kippinvarianten Reflektoren 5 a, 5 b sind in einer zur y-z-Ebene parallelen Ebene diametral bezüglich des Koordinatenursprungs im minimal möglichen Abstand in x-Richtung vom Koppelelement 15 angeordnete Zur Strahlumlenkung ist in einem Interferometerarm ein zusätzlicher Umlenkspiegel 21 vorhandene

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Verwendete Bezugszeichen

1	monochromatische Lichtquelle
2	Kondensor
3	optischer Teiler
4 a, 4 b	Interferometerspiegel
5 a, 5 b	kippinvariante Reflektoren
6	Grundkörper
7 a, 7 b	Biegeplatten
8	Zwischenteil
9	Gestell
10	Lastsäule
11	Obj ektiv
12	fotoelektrische Empfänger
13	Impulsformerstufen
H	Vor-Rückwärts-Zähler
15	Koppelelement
16	kinematische Führung
17	Spurlager
16	Parallellenker
19	Ankopplungs element
20	Waagschale
21	Umlenkspiegel
P	Kraft

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Claims

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rat ent ansprüche

Ί." Vorrichtung, insbesondere zur digitalen Kraftmessung, bestehend aus Verformungskörper, Interferometer mit optischem 'Teiler, festen und beweglichen kippinvarianten Reflektoren, monochromatischer Lichtquelle, optischen Systemen, fotoelektrischen Empfängern, Impulsformerstufen und Vor-Rückwärts-Zähler, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem Stück gefertigte Verformungskörper, beispielsweise aus Quarz, aus einem biegesteifen Grundicürper (6), der fest im" Gestell (9) gehalbert ist und an dem ein optischer Teiler (3) und Interferometerspiegel (4a; 4b) sowie ein kippinvarianter Reflektor (5b) fest angebracht sind, und einer Siebplatte (7a), an der die zu messende Kraft I¹' angreift, und an der ein kippinvarianter Reflektor (5a) fest angeordnet ist, besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eier Verformungskörper aus dem Grundkörper (6) und mehreren Biegeplatten (7b) besteht, und daß die Biegeplatten (7b) an ihren freien i)nden durch ein Koppelelement (15) fest miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftangriffspunkt an einer der Biegeplatten (7b) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Einspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftangriffspunkt am Koppelelement (15) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (6) und das Koppelelement (15) aus Kieselgut und die Biegeplatten (7a; 7b) aus kristallinem Quarz bestehen.

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Vorrichtung nach. Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, da3 in die aus ivieseigut bestehenden Eiegeplatten (7a; 7b) ein aus hochwertigem Verformungskörpermaterial, z. E. kristallinem yuara, bestehendes Zwischenteil (ö) eingefügt ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastsäule (10) an der oberen Biegeplatte (7b) durch eine kinematische Fährung (16) und an der unteren Biegeplatte (7b) durch eine momenfcenfreie Ankopplung angelenkt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in bestimmten Abständen in x-Ricntung mehrere Lastsäulen (10) sowie Anlenksteilen angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch, gekennzeichnet, daß die Interferometerapiegel (4a; 4b) feat mit dem optischen Teiler (3) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein kippinvarianter Reflektor (5a) an der unteren Biegeplatte (7b) und ein zweiter kipp invariant ei¹ Reflektor (5b) an der oberen Biegeplatte (7b) angeordnet sind und da3 die Reflektoren (5a; 5b) in einer zur y-z-ibene parallelen Ebene diametral bezüglich des Koordinatenursprungs im minimal möglichen Abstand in x-Richtung vom Koppelelement (15) angeordnet sind.

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