DE3226386A1

DE3226386A1 - Device for three-dimensional force measurement

Info

Publication number: DE3226386A1
Application number: DE19823226386
Authority: DE
Inventors: Klaus W. Dipl.-Ing. Dr. 6233 Kelkheim Quirder
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1982-07-15
Filing date: 1982-07-15
Publication date: 1984-01-19

Abstract

For three-dimensional force measurement, a force-sensing element, preferably a plate, is arranged centrally inside a frame and is connected to this frame by webs with a rectangular profile. At least four webs of the same length provided with wire strain gauges are provided for each direction of force. At least two webs running parallel to one another are in each case attached in a positive and negative measuring direction.

Description

Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung Device for three-dimensional force measurement

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung mit Dehnungsmeßstreifen.The invention relates to a device for three-dimensional force measurement with strain gauges.

Mit Hilfe von Piezoaufnehmer und Dehnungsmeßsstreifen können die drei möglichen Kraftkomponenten, d.h. Längs- bzw. Druckkräfte und die Querkräfte erfaßt werden. Die bekannten Vorrichtungen erfordern jedoch viel Platz und können fUr kleine Meßstellen <40 mm2) nicht angewendet werden.The three possible force components, i.e. longitudinal or compressive forces and the transverse forces are recorded will. However, the known devices require a lot of space and can be used for small Measuring points <40 mm2) are not used.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu entwickeln, mit dem eine dreidimensionale Krafteinleitung detektiert werden kann und das auf kleine Meßstellen anbringbar ist.The present invention is therefore based on the object To develop a sensor with which a three-dimensional introduction of force can be detected can and can be attached to small measuring points.

Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einer Vorrichtung lösen läßt, bei der ein kraftaufnehmendes Element innerhalb eines Rahmens mittig angeordnet und mit dem Rahmen durch Stege mit rechteckigem Profil verbunden ist und für jede Kraftrichtung mindestens vier gleich lange und mit Dehnungsmeßstreifen versehene Stege vorgesehen sind, wobei jeweils in positiver und negativer Meßrichtung mindestens zwei parallel zueinander verlaufende Stege angebracht sind. Weitere vorteilhafte AusfUhrungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den UnteransprUchen 2 bis 8 beschrieben.It has been shown that this task with a device can solve, in which a force-absorbing element is centered within a frame arranged and connected to the frame by webs with a rectangular profile and for each direction of force at least four of the same length and with strain gauges provided webs are provided, in each case in the positive and negative measuring direction at least two parallel webs are attached. More beneficial Embodiments of the device according to the invention are set out in the subclaims 2 to 8.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Meßrahmen, einem mittig angeordneten kraftaufnehmenden Element, das vorzugsweise in Form einer Platte ausgebildet ist, sowie Stegen, die den Rahmen mit der Platte verbinden. Die Stege nehmen insbesondere die Druckkraft und die Längskraft auf. Die dritte Komponente, die Querkraft, kann gemäß einer AusfUhrungsform als Torsion, an einem zwischen Meßstelle und Platte angeordneten Balken gemessen werden. In einer anderen Aus führung sform werden zwei Meßrahmen senkrecht zueinander angeordnet, wobei der horizontal angeordnete Rahmen die Kraftmessung in der Ebene und der vertikal angeordnete Rahmen die Messung der Querkraft ermöglicht.The device according to the invention consists essentially of one Measuring frame, a centrally arranged force-absorbing element, which is preferably is designed in the form of a plate, as well as webs that connect the frame to the plate associate. In particular, the webs absorb the compressive force and the longitudinal force. The third component, the transverse force, can, according to one embodiment, be a torsion, can be measured on a bar arranged between the measuring point and the plate. In a In another version, two measuring frames are arranged perpendicular to one another, the horizontally arranged frame measuring the force in the plane and the vertically arranged frame enables the measurement of the transverse force.

Für spezielle Anwendungsfälle, wie die Messung von Kräfteverteilungen in Flächen, kann mit einer zeilenförmigen Anordnung dieses Sensors diese Fläche zeilenweise abgetastet werden.For special applications, such as the measurement of force distributions in areas, with a line-shaped arrangement of this sensor this area can be scanned line by line.

Die Erfindung wird anhand beiliegender Zeichnungen, die lediglich eine Ausführungsform betreffen, näher erläutert. Es zeigen in schematischer Vereinfachung Fig. 1 die erfindungsgemaße Vorrichtung, bei der die Querkraft als Torsion gemessen wird; Fig, 2 Skizze der Kräfte in X- und Y-Richtung an der Platte und am Balken; Fig. 3a,b und c Schaltung der Dehnungsmeßstreifenbrücken.The invention is based on the accompanying drawings, which are only relate to an embodiment, explained in more detail. It show in schematic simplification Fig. 1 the device according to the invention, in which the transverse force is measured as torsion; 2 shows a sketch of the forces in the X and Y directions on the plate and on the beam; Fig. 3a, b and c Circuit of the strain gauge bridges.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird die kraftaufnehmende Platte 9 mit dem Meßrahmen 10 über Stege verbunden. Die Stege 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8 dienen zur Aufnahme der Druckkraft X und die Längskraft Y. Die Anordnung und Anzahl der Stege ist für die Erfassung wesentlich. Für jede Kraftrichtung werden vorzugsweise vier Stege vorgesehen, die jeweils parallel zueinander laufen. So sind zur Erfassung der Druckkraft X die Stege 1, 2, 3 und 4 und zur Erfassung der Längskraft Y die Stege 5, 6, 7 und 8 vorgesehen. Jeweils zwei Stege, z.B. 2/4, 1/3 usw. verlaufen parallel zueinander und sind in negativer und positiver Meßrichtung angeordnet. Die Stege weisen ein rechteckiges Profil auf.In the embodiment according to FIG. 1, the force-absorbing plate 9 connected to the measuring frame 10 via webs. Bars 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 and 8 serve to absorb the compressive force X and the longitudinal force Y. The arrangement and number the web is essential for the detection. For each direction of force are preferred four webs are provided, each running parallel to one another. So are used to capture the webs 1, 2, 3 and 4 for the compressive force X and the for recording the longitudinal force Y the Bars 5, 6, 7 and 8 are provided. Two bars each, e.g. 2/4, 1/3, etc. run parallel to each other and are arranged in the negative and positive measuring direction. The webs have a rectangular profile.

Beidseitig an gegenüberliegenden Flächen werden die Dehnungsmeßstreifen 11 angebracht.The strain gauges are placed on opposite surfaces on both sides 11 attached.

Die Platte 9 wird über einen Balken 12, der vorzugsweise ein rechteckiges Profil besitzt, mit der Meßstelle verbunden. An diesem Balken werden vorzugsweise vier Dehnungsmeßstreifen 13 befestigt, mit denen die Querkraft Z in einer Torsionsmessung erfaßt werden kann. Die Dehnungsmeßstreifen werden z.B. an gegenüberliegenden Flächen des Balkens befestigt, wobei auf jeder Fläche zwei Dehnungsmeßstreifen angebracht werden.The plate 9 is over a beam 12, which is preferably a rectangular Profile, connected to the measuring point. At this bar are preferred four strain gauges 13 attached, with which the transverse force Z in a torsion measurement can be detected. The strain gauges are, for example, on opposite surfaces of the beam, with two strain gauges attached to each surface will.

In Fig. 2 sind die Platte 9 und der Balken 12 sowie die an ihnen greifenden Kräfte in X- und Y-Richtung skizziert. Zunächst werden die Kräfte in den Stegen 1 bis 4 betrachtet, die zur Messung der X-Komponente dienen.In Fig. 2, the plate 9 and the beam 12 and the gripping on them Forces in X and Y directions sketched. First, the forces in the webs 1 to 4 considered, which are used to measure the X component.

Erstens muß ein Gleichgewicht der Kräfte vorliegen, d.h. #X = 0 oder x = (X1 - x3) + (X2 - X4) Zweitens müssen die Momente um den Punkt A ausgeglichen sein: #MAX =0= X (a (a + b) - (X1 + X2)a X1 + X2 = X (a + b) / a Drittens muß die Summe der Momente um den Punkt B gleich Null sein: #MBX = 0 = Xb - (X3 + X4) a = 0 X3 + X4 = X b/a Weiterhin verursacht eine Längskraft Y Momente um die Punkte A und B, die von den "X-Stegen" aufgenommen werden müssen: #MAY = 0 = Y(d + c/2) - (X'1 + X'2) a X'1 + X'2 = Y(d + c/2)a und #MBY = 0 = Y (d + c/2) - (X'3 + X'4) a X 3 + X'4 = Y (d + c/2) a Wie man sieht, sind die aus der Längskraft Y resultierenden Federkräfte in allen X-Stegen gleich groß.First, there must be a balance of forces, i.e. #X = 0 or x = (X1 - x3) + (X2 - X4) Second, the moments around point A must be balanced be: #MAX = 0 = X (a (a + b) - (X1 + X2) a X1 + X2 = X (a + b) / a Third, the The sum of the moments around point B must be zero: #MBX = 0 = Xb - (X3 + X4) a = 0 X3 + X4 = X b / a Furthermore, a longitudinal force Y causes moments around the points A. and B, which have to be picked up by the "X-bars": #MAY = 0 = Y (d + c / 2) - (X'1 + X'2) a X'1 + X'2 = Y (d + c / 2) a and #MBY = 0 = Y (d + c / 2) - (X'3 + X'4 ) a X 3 + X'4 = Y (d + c / 2) a As you can see, the resulting from the longitudinal force are Y. The same spring forces in all X-bars.

Die Betrachtung der Kräfte in den Stegen 5 bis 8, die zur Messung der Y-Komponenten dienen, führen zu analogen Werten unter BerUcksichtigung der anderen Hebellängen. Es gilt im einzelnen: Erstens muß die Summe aller Kräfte in Y-Richtung gleich Null sein: Y = 0 oder Y = (Y7 -Y7) + (Y8 - Y5) Zweitens müssen sich auch hier die Momente um die Punkte C und D, die mit der Längskraft Y korrespondieren, aufheben: = 0 = Y (c + d) - (Y7 + Y8) c Y7 + Y8 = Y (c + d) / c und #MDY = 0 - Y d - (Y5 + Y6) c + Y6 = Y d/c Drittens darf auch aus der Druckkraft X kein Moment um die Punkte C und D resultieren, so daß folgt: #MCX = 0 = X (a/2 + b) - (Y'7 + Y'8) c Y'7 + Y'8 = X (a/2 + b) / C und #MDX = 0 = X (a/2 + b) - (Y'5 + Y Y'6) c Y 5 + Y'6 = X (a/2 + b) / C Auch hier sind die von der X-Komponente hervorgerufenen Kräfte in den "Y-Federn" gleich groß.Consideration of the forces in the webs 5 to 8, which are used for the measurement the Y-components lead to analogous values taking into account the others Lever lengths. The following applies in detail: First, the sum of all forces in the Y-direction must be be zero: Y = 0 or Y = (Y7 -Y7) + (Y8 - Y5) Second, must also here the moments around points C and D, which correspond to the longitudinal force Y, cancel: = 0 = Y (c + d) - (Y7 + Y8) c Y7 + Y8 = Y (c + d) / c and #MDY = 0 - Y d - (Y5 + Y6) c + Y6 = Y d / c Thirdly, there must be no moment from the compressive force X either around points C and D so that it follows: #MCX = 0 = X (a / 2 + b) - (Y'7 + Y'8) c Y'7 + Y'8 = X (a / 2 + b) / C and #MDX = 0 = X (a / 2 + b) - (Y'5 + Y Y'6) c Y 5 + Y'6 = X (a / 2 + b) / C Here, too, are those caused by the X component Forces in the "Y-springs" are the same.

Man sieht, daß die Meßeinrichtungen für die.X- bzw. Y-Kraftkomponenten bis auf einen Anteil, der aber auf jeweils allen vier Stegen einer Meßeinrichtung gleich ist, entkoppelt sind.It can be seen that the measuring devices for the X and Y force components except for a portion, which is on all four webs of a measuring device is the same, are decoupled.

Die Z-Komponente wird vorzugsweise als Torsion im waagrechten Teil des Balkens gemessen. Als Nachteil muß vermerkt werden, daß bei dieser Art der Messung die Platte und damit die Feder stäbe die Kräfte für das Gegenmoment aufbringen müssen. Diese zusätzliche Belastung ist nicht symmetrisch auf die acht Stege verteilt, sondern wird in der Hauptsache von "Y-Federn", die nun als Torsionsstäbe fungieren, getragen, während die "X-Federn" nur in der "Einspannung" an der Platte schief belastet werden.The Z component is preferably used as a torsion in the horizontal part of the bar measured. It must be noted as a disadvantage that with this type of measurement the plate and thus the spring rods have to apply the forces for the counter-torque. This additional load is not distributed symmetrically over the eight bars, but rather is mainly carried by "Y-springs", which now function as torsion bars, while the "X-springs" are only loaded crookedly in the "clamping" on the plate.

Der waagrechte Teil des Balkens wird andererseits durch die X-und Y-Kräfte auf Biegung beansprucht.The horizontal part of the bar, on the other hand, is indicated by the X and Y-forces stressed on bending.

Die Dehnungsmeßstreifen werden beidseitig an den Stegen geklebt zu einer Rollbrücke verschaltet, wie es auch aus Fig. 3a und b hervorgeht. Im einzelnen sollte hierdurch erreicht werden - eine Erhöhung der Empfindlichkeit durch eine Vollbrückenschaltung, - eine Verringerung der Temperaturdrift und - eine Kompensation der Biegemomente, da bei Torsion z.B.The strain gauges are glued to the bars on both sides connected to a roller bridge, as can also be seen from Fig. 3a and b. In detail should be achieved by this - an increase in sensitivity by a Full bridge circuit, - a reduction in temperature drift and - a compensation the bending moments, since in the case of torsion e.g.

jeweils das obere Meßgitter der einen und das unter Gitter der anderen Seite gestaucht respektive die anderen zwei Gitter gestreckt werden. Die Biegebelastung des Steges hingegen bedeutet z.B. eine Stauchung der beiden unteren Gitter, während die oberen gestreckt werden. Die Biegebeanspruchung erzeugt somit keine Ausgangsspannungsdifferenz. the upper measuring grid of one and the lower grid of the other Side compressed or the other two grids are stretched. The bending load of the bar, on the other hand, means, for example, a compression of the two lower grids, while the upper ones are stretched. The bending stress therefore does not generate any output voltage difference.

Die Federstäbe der X- und T-Richtung werden ebenfalls beidseitig mit Einfach-Dehnungsmeßstreifen beklebt und jeweils zu Vollbrücken zusammengeschaltet. Hierbei wird berücksichtigt, daß in jeweils zwei Stegen einer Kraftkomponente eine vom Betrag her gleich große Kraft eingeleitet wird, die aber einmal als Druckkraft als Gitterstauchung und einmal als Zugkraft also Gitter streckung wirkt Außerdem ist aus der Summenformel der angreifenden Kräfte eine Zuordnung der Dehnungsmeßstreifen in der Vollbrückenschaltung abzuleiten (s. Fig. 3). Bei den in Fig. 2 skizzierten Kräften, z.B. in X-Richtung, gilt: X = (X1 - X3) + ( X2 - X4) wobei X1 = X2 = X/2 . (a + b)/a und X3 = X1 = X/2 . b/a ist.The spring bars of the X and T direction are also on both sides with Single strain gauges stuck on and connected to full bridges. Here it is taken into account that in every two webs a force component is one the same amount of force is introduced, but once as a pressure force as a lattice compression and once as a tensile force so lattice stretching also acts is an assignment of the strain gauges from the sum formula of the acting forces derive in the full bridge circuit (see Fig. 3). In the outlined in FIG Forces, e.g. in the X direction, the following applies: X = (X1 - X3) + (X2 - X4) where X1 = X2 = X / 2 . (a + b) / a and X3 = X1 = X / 2. b / a is.

Nun bewirkt die Kraft X1 eine Gitterstauchung, d.h. aber eine Verringerung des Gitterwiderstandes. Die Kraft X2 hingegen führt zu einer Gitterstreckung also einer Widerstandeerhöhung. Xhnliches gilt für die Kräfte X3 und Xq und zwar streckt X3 den Steg und X4 staucht den Steg. In der oben beschriebenen Gleichung ist die Zuordnung der Dehnungsmeßstreifen schon durch die Klammern angedeutet. Diese zunächst willkürlich erscheinende Zuordnung wird schon verständlich, wenn man formal die BrUckenspannung für eine Halbbrücke herleitet.Now the force X1 causes a lattice compression, i.e. a decrease of the grid resistance. The force X2, on the other hand, leads to a lattice stretching an increase in resistance. The same applies to the forces X3 and Xq, namely stretches X3 the bar and X4 compresses the bar. In the equation described above, the Allocation of the strain gauges already indicated by the brackets. This first Allocation that appears to be arbitrary is already understandable if one formalizes the Derives bridge voltage for a half bridge.

Im unbelasteten Fall gilt für die BrUckenspannung U1 an der Diagonalen: unter Anwendung der Spannungsteilerformel (vgl. die Zuordnung in Fig. 3).In the unloaded case, the following applies to the bridge voltage U1 on the diagonal: using the voltage divider formula (see the assignment in Fig. 3).

Bleibt man bei dem bisher gewählten Belastung fall für die X-Richtung, so gilt nun zunächst fUr die einzelnen Gitterwiderstände: R'1l = R11 - # R11 R'21 = R21 + # R21 R'31 = R31 + #R31 R'41 = R41 = #R41 Zwischen der auf den Feder stab wirkenden Kraft und der Widerstandsänderung des Meßgitters gilt folgender Zusammenhang R/R0 = k# d.h. die relative Widerstandsänderung ist direkt proportional der Dehnung des beklebten Materials, die wiederum ist direkt proportional der wirkenden Kraft. Damit folgt aber, daß nach einer Normierung der Gitterwiderstände für die relative Widerstandsänderung die proportionalen Kräfte in die Gleichung eingesetzt werden können.If one stays with the previously chosen load case for the X-direction, The following applies to the individual grid resistances: R'1l = R11 - # R11 R'21 = R21 + # R21 R'31 = R31 + # R31 R'41 = R41 = # R41 Between the rod on the spring acting force and the change in resistance of the measuring grid, the following relationship applies R / R0 = k # i.e. the relative change in resistance is directly proportional to the elongation of the glued material, which in turn is directly proportional to the force acting. But it follows that after a normalization of the grid resistances for the relative Change in resistance the proportional forces are plugged into the equation can.

Bekanntlich gilt F / (A mit F - Kraft, A - Stegquerschnittsfläche und E - Elastizitätsmodul, so daß folgt R/R0 = = F K / (A E) E) F wobei h die Zusammenfassung der Konstanten bzw. des Proportionalitätsfaktors darstellt. Führt man dies noch über in die bisher verwendete Nomenklatur, so gilt R'11/R11 = 1 - #R11/R11 = 1 - h1X1 Setzt man nun voraus, daß die Gitterwiderstände bei allen eingesetzten Dehnungsmeßstreifen im unbelasteten Fall gleich sind R11 = R21 = R31 = R41 = R0' außerdem gelte für alle der gleiche Porportionalitätsfaktor k.It is well known that F / (A with F - force, A - cross-sectional area of the web and E - Young's modulus such that R / R0 = = F K / (A E) E) F where h is the summary represents the constants or the proportionality factor. Do you still do this over into the nomenclature used so far, then R'11 / R11 = 1 - # R11 / R11 = 1 - h1X1 If we now assume that the grid resistances of all the strain gauges used in the unloaded case the same are R11 = R21 = R31 = R41 = R0 'also apply to all the same proportionality factor k.

Die Stegparameter A und E werden ebenfalls für alle gleich angesetzt, so daß sich die Spannungsteilergleichung fur den Belastungsfall folgendermaßen umschreiben läßt: Setzt man nun die von X abhängigen Größen für Xlusw. ein, so sieht man, daß sich die Änderungsanteile im Nenner zu Null ergänzen, d.h. aber der Gesamtwiderstand der Brücke bleibt für alle BelastungsfSlle konstant. Es folgt also U'1 = UB 0,5 - 0,125 hX (a + b - b) / a] = UB (0,5 - 0,125 hX) das bedeutet aber nichts anderes, als daß die Brückenspannung unabhängig von der Länge der Hebelarme a und b ist. Die Konstanz des Brückengesamtwiderstandes sowie die Unabhängigkeit des Ausgangssignals läßt sich in gleicher Weise für die Y-Richtung nachweisen, daher wird hier auf eine Darstellung verzichet.The web parameters A and E are also set to be the same for all of them, so that the voltage divider equation for the load case can be rewritten as follows: If one now sets the quantities dependent on X for Xl etc. one, one can see that the change components in the denominator add up to zero, ie the total resistance of the bridge remains constant for all load cases. It follows that U'1 = UB 0.5 - 0.125 hX (a + b - b) / a] = UB (0.5 - 0.125 hX) but that means nothing other than that the bridge tension is independent of the length of the lever arms a and b is. The constancy of the total bridge resistance and the independence of the output signal can be demonstrated in the same way for the Y-direction, which is why it is not shown here.

Die wechselseitige Belastung der "X- bzw. Y-Federn" durch die jeweils andere Komponente wird für die vier Stege als gleich groß aufgezeigt. Eine Betrachtung der Vorzeichen der Widerstandsänderung läßt nun sofort erkennen, daß diese Anteile zwar in jedem Zweig mitgemessen werden, durch die Zusammenschaltung aber keinen Beitrag zur Hauptbrückenspannung liefern.The mutual loading of the "X and Y springs" by the respective other components are shown to be the same size for the four bars. A consideration the sign of the change in resistance now shows immediately that these components can be measured in each branch, but not due to the interconnection Contribute to the main bridge voltage.

Claims

Patent claims X device for three-dimensional force measurement with strain gauges, characterized in that a force-absorbing element (9) arranged centrally within a frame (10) and through with the frame (10) Web (1 to 8) is connected with a rectangular profile and that for each direction of force at least four webs of equal length and provided with strain gauges (11) are provided are, with at least two parallel in the positive and negative measuring direction mutually extending webs are attached.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the force-absorbing Element (9) consists of a plate and that a beam (12) is provided which connects the measuring point with the plate (9).

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the width of the webs (1 to 8) is less than the width of the frame (10).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the frame (10) is attached to a stiffening plate.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the measurement in the third direction of force by means of torsion measurement on the beam (12) attached strain gauges (13) takes place.

6. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that two frames are arranged perpendicular to each other, one of which is a frame for force measurement in the plane and the other is used to measure in the third direction of force and that for measurement in the third direction of force, at least four webs are provided in the frame are.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that that all strain gauges of one force direction are interconnected to form a roller bridge are, with two strain gauges in a quarter branch being the geometric ones Compensate for the dimensions of the measuring device in the direction of force to be measured, respectively four strain gauges in a half bridge compensate for the temperature effects and increase the signal and all eight strain gauges in the roller bridge die Compensate for influences from the directions of force that are not to be taken into account.

8. Apparatus according to claim 7, characterized in that £ r the Bar four strain gauges are interconnected to form a full bridge and for temperature compensation or

Enlargement of the output signal are used.