DE3239002C2

DE3239002C2 - Waage mit Parallelogrammechanismus und Lastzelle

Info

Publication number: DE3239002C2
Application number: DE3239002A
Authority: DE
Inventors: Junichi Akashi Hyogo Hayashi
Original assignee: Yamato Scale Co Ltd
Current assignee: Yamato Scale Co Ltd
Priority date: 1981-10-28
Filing date: 1982-10-21
Publication date: 1986-08-07
Also published as: DE3239002A1; AU8940782A; AU535837B2; FR2515343A1; JPS6149608B2; US4509610A; GB2111226B; JPS5873821A; FR2515343B1; GB2111226A

Abstract

Es wird eine Waage beschrieben, die eine kragarmartige Lastzelle und einen Robervalschen Parallelogrammechanismus enthält, die durch eine Verbindungsstange spezieller Form verbunden sind, die eine erheblich verbesserte Meßgenauigkeit unabhängig von der Position der Last auf der Waagschale oder Plattform der Waage gewährleistet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Waage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine bekannte moderne Waage enthält im wesentlichen einen Parallelogrammechanismus, dessen einer vertikaler Teil an einem stationären Bügel oder einer stationären Halterung angebracht ist während der andere, zweite vertikale Teil mit einer Waagschale verbunden ist. Die vier verbindenden Abschnitte sind elastisch deformierbar ausgebildet und mit Dehnungsfühlern versehen, mit denen die dem Gewicht des Gegenstandes auf der Waagschale entsprechende Verformung gemessen wird. Ein Parallelogrammechanismus, der auch gelegentlich als Robervalscher Mechanismus bezeichnet wird, hat bekanntlich die Eigenschaft, daß die Deformation und damit der Meßwert unabhängig von der Position des gewogenen Gegenstandes auf der Waagschale ist. Eine Waage mit einer Kombination eines Parallelogrammechanismus und Dehnungsfühlern, also einer Art von Parallelogramm-Lastzelle, hat ferner den Vorteil, daß Aufbau und Herstellung einfach sind, daß die Empfindlichkeit hoch und die Herstellungskosten niedrig sind. Meßfehler und schlechte Reproduzierbarkeit der Meßwerte infolge einer anormalen Deformation des Parallelogrammechanismus lassen sich gemäß den Lehren der )A-OS 56-36 030 vermeiden. Ein bisher noch nicht gelöstes Problem besteht jedoch darin, daß bei solchen Waagen die Gefahr einer Korrosion durch Umgebungseinflüsse wie Feuchtigkeit und aggressive Gase besteht Es ist zwar bekannt die ganze Parallelogramm-Lastzelle in ein luftdicht abgedichtetes Gehäuse einzuschließen, dies vergrößert jedoch die Abmessungen in unerwünschter Weise und ist praktisch kaum realisierbar. Es ist auch schon bekannt, Lastzellen zu verwenden, deren Fühlerteil gegen Umgebungseinflüsse vollständig gekapselt ist Solche Lastzellen haben jedoch nicht die oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften einer Parallelogramm-Lastzelle. Man hat daher auch schon eine Lastzelle des letztgenannten Typs mit einem Parallelogrammechanismus kombiniert, wie z. B. aus JA-GM 54-30 863 bekannt ist Auch diese Waage läßt noch zu wünschen übrig, wie weiter unten noch erläutert werden soll.

Eine Waage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der US-PS 41 79 004 bekannt. Bei dieser bekannten Waage enthält die Lastzelle einen stabartigen Träger, der im Inneren des Parallelogrammechanismus an dessen einem vertikalen Teil befestigt ist und parallel zu den horizontalen Teilen verläuft. Das andere Ende des Trägers ist einstückig mit der Verbindungsstange verbunden, deren anderes Ende fest am unteren horizontalen Teil des Parallelogrammechanismus angebracht ist.

Wenn man bei dieser bekannten Waage die Lastzelle kapseln will, um sie gegen Umgebungseinflüsse zu schützen, muß der Parallelogrammechanismus relativ groß bemessen werden, da sich die Lastzelle im Inneren des Parallelogrammechanismus befindet. Eine Kapselung der Lastzelle und ein kompakter Parallelogrammechanismus lassen sich bei dieser bekannten Waage also nicht gleichzeitig verwirklichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die obengenannte bekannte Waage dahingehend weiterzubilden, daß sowohl die Lastzelle gekapselt als auch der Parallelogrammechanismus kompakt und raumsparend aufgebaut werden kann.

Diese Autgabe wird bei einer gattungsgemäßen Waage erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Waage sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Bei der Waage gemäß der Erfindung kann die Lastzelie gekapselt und gleichzeitig kann der Parallelogrammechanismus raumsparend aufgebaut werden, ohne daß die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Wägungen leiden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer bekannten Waage mit Parallelogrammgelenkmechanismus und Lastzellen;
Fig.2 eine Seitenansicht einer bekannten, metallgekapselten Lastzelle;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer bekannten Waage, welche einen Parallelogrammgelenkmechanismus und eine mit diesem über eine Lasche gekoppelte metallgekapselte Lastzelle enthält;

Fig.4 eine Seitenansicht einer bekannten Waage, welche eine metallgekapselte Lastzelle in Kombination mit einem elastisch deformierbaren Parallelogrammmechanismus enthält;

Fig.5 eine Seitenansicht einer Waage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 6 eine Frontansicht eines Teiles der Waage gemäß F i g. 5, suf die bei der Erläuterung der Arbeitsweise dieser Waage Bezug genommen wird;

F i g. 7 eine teilweise geschnittene Ansicht in einer Ebene VII-VII derFig.5;

F i g. 8 eine Seitenansicht der Waage gemäß F i g. 5, auf die zur Erläuterung der Arbeitsweise dieser Waage Bezug genommen wird und

F i g. 9 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Waage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In allen Zeichnungen sind entsprechende Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die in F i g. 1 dargestellte bekannte Waage arbeitet mit einer Parallelogramm-Lastzellenanordnung. Die Anordnung enthält vier elastisch verformbare Teile 1,2, 3 und 4 welche die Gelenke eines Roberval-Mechanismus bilden und außerdem Dehnungsmessuagsabschnit- Ie darstellen. An den Teilen 1,2,3 und 4 sind Dehnungsfühlelemente 6 und 7 einer Dehnungsmessungsanordnung angebracht, die mit einem Überzug 8 bzw. 9 z. B. aus Silikongummi oder einem Kunstharz versehen sind. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist eines der vertikalen Elemente des Roberval-Mechanismus an einem stationären Bügel oder Halterung befestigt während das andere vertikale Element mit einem schalenförmigen oder plattenförmigen Wiegeteller 5, der im folgenden als »Waagschale« bezeichnet werden soll, gekoppelt ist. Es ist ein spezielles Merkmal des Roberval-Mechanismus, daß gleiche Gewichte Wi, W^ und W3, auch wenn sie auf verschiedene Stellen der Waagschale gelegt werden, die gleiche Deformation der Lastzelle bewirken und damit den gleichen Gewichtswert liefern.

Die Überzüge 8 und 9, mit denen die Dehnungsfühler üblicherweise überzogen sind, können jedoch das Eindringen von Feuchtigkeit nie ganz verhindern und wenn der Dehnungsfühler aus feinem Draht besteht, können Meßfehler auftreten, da die eindringende Feuchtigkeit die elektrische Isolation verschlechtert. Außerdem können die Abschnitte 1 bis 4, an denen die Dehnung gemessen wird, durch die Einwirkung aggressiver Gase korrodieren, was eine Änderung der Elastizitätseigenschaften und entsprechende Meßfehler zur Folge hat. Es ist zwar möglich, den Einfluß schädlicher Umwelteinflüsse dadurch auszuschalten, daß man die ganze Parallelogramm-Lastzellenanordnung mit einem luftdichten Gehäuse versieht. Ein solches Gehäuse macht die Waage jedoch unerwünscht groß und teuer.

In Fig.2 ist eine Lastzelle 10 eines anderen bekannten Typs dargestellt, bei der der eigentliche Dehnungsfühler vollständig gekapselt und luftdicht in ein Metallbalgengehäuse eingeschlossen ist. Bei solchen Lastzellen tritt zwar das Problem einer Beeinträchtigung durch Umgebungseinflüsse nicht auf, sie haben andererseits jedoch nicht die vorteilhaften Eigenschaften des Roberval-Mechanismus, da sie unterschiedliche Meßwerte liefern, wenn gleiche Gewichte W₄ und W= an Hebearmen unterschiedlicher Länge angreifen.

In F i g. 3 ist eine bekannte Waage dargestellt, bei der eine Lastzelle 10 gemäß Fig. 2 mit einem Parallelogramm- oder Roberval-Mechanismus kombiniert ist. Bei der dargestellten Konstruktion kann der oben erwähnte Nachteil der Lastzelle 10 nicht auftreten. Es ist jedoch bekannt, daß solche Waagen wegen der Reibung in den vier Gelenken 13, 14, 15 und 16 des Parallelogrammcchanismus unerwünschte Todbereiche und Hystereseeigenschaften aufweisen.

In F i g. 4 ist eine Waage dargestellt, die aus der offengelegten japanischen Gebrauchsmusterschrift 54-30 863 bekannt ist und eine Kombination des Federgelenk-Parallelogrammechanismus gemäß F i g. i mit der Lastzelle gemäß Fig.2 enthält. Diese Waage enthält also vier elastisch verformbare Teile 17,18,19 und 20 anstelle der Drehgelenke 13,14,15 und 16 (F i g. 3). Die Lastzelle und der Parallelogrammechanismus sind über eine Schubstange 21 gekoppelt, die mit zwei Schwenklagern 21a und 216 in Berührung steht. Bei dieser Konstruktion wird der oben erwähnte Nachteil der Waage gemäß F i g. 3 vermieden, dafür besteht hier die Gefahr, daß die Messungen infolge eines wackeligen Sitzes der Schubstange 21 in den Lagern 21a und 216 schlecht reproduzierbar sind. Man kann einen solchen wackeligen Sitz zwar dadurch vermeiden, daß man die Lastzelle über die Schubstange 21 vorspannt. Diese Vorspannung verringert jedoch den Meßbereich der Waage in unerwünschter Weise, da letzterer die Differenz zwischen der maximalen Nennlast der Lastzelle und der Vorspannungslas: ist

Eine solche Anordnung hat außerdem den oft sehr störenden Nachteil, daß keine negative Last gemessen werden kann, da sich dann die Lager 21a und 21 b abheben, wie leicht einzusehen ist.

F i g. 5 zeigt ein typisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Waage, die die oben geschilderten Nachteile vermeidet und bei der ein Parallelogrammechanisinus 22 des in F i g. 1 dargestellten Typs mit einer metallgekapselten Lastzelle 23 des in Fig. 2 dargestellten Typs über eine Verbindungsstange 24 fest miteinander gekoppelt sind.

Der Parallelogrammechanismus 22 enthält zwei vertikale Teile 25 und 26, sowie zwei horizontale Teile 27 und 28, die durch vier elastisch verformbare Teile 29, 30, 31 und 32 miteinander gekoppelt sind. Der vertikale Teil 25 ist mit einer Waagschale 34 über eine Tragstange 35 fest gekoppelt während der vertikale Teil 26 an einem stationären Bügel 33 der Einrichtung oder dergleichen befestigt ist, so daß sich der vertikale Teil 25 zusammen mit der Waagschale 34 in vertikaler Richtung bewegen kann. An der Innenfläche des vertikalen Teiles 25 springt ein Bügei oder Winkel 36 vor, der ein durchgehendes Loch zur Aufnahme der Verbindungsstange 24 aufweist. Die horizontalen Teile 27 und 28 haben ebenfalls Löcher 37 bzw. 38, durch das die Verbindungsstange 24 frei hindurchzutreten vermag.

Die metallgekapselte Lastzelle 23 ist mit ihrem Basisende an einem Arm oder einer Stütze 39 befestigt, welche vom vertikalen Teil 26 nach oben vorspringt. Das andere Ende der Lastzelle ragt nach Art des freien Endes eines einseitig eingespannten Trägers gerade bis über das Loch 27, so daß eine Kragarmano/dnung gebildet wird. Das freie Ende 40 der Lastzelle weist ein vertikal durchgehendes Loch auf, das mit den Löchern 27 und 28 sowie dem durchgehenden Loch im Winkel 36 fluchtet. Auf die Konstruktion des Inneren und der Abdichtung der Lastzelle 23 braucht nicht eingegangen zu werden, da solche Lastzellen wohl bekannt sind.

Die Verbindungsstange 24 hat zwei Endteile in Form von Schraubenbolzen und einen dazwischenliegenden mittleren Teil mit einem Paar erster flacher Teile 41 und 42 und einem dazwischenliegenden einzigen zweiten flachen Teil 43. Das obere Ende der Verbindungsstange 24 reicht durch das Loch im freien Ende 40 der Lastzelle 23 und ist an diesem durch Schraubenmuttern 44 und 45 fest verbunden. Das untere Ende der Verbindungsstan-

ge reicht in entsprechender Weise durch das Loch im Winkel 36 und ist mit diesem durch Schraubenmuttern 46 und 47 fest verbunden. In diesem fest angebrachten Zustand verlaufen die Ebenen der ersten flachen Teile 41 und 42 parallel zur Ebene des Parallelogramms, d. h. der Papierebene in F i g. 5, während die Ebene des zweiten flachen Teiles 43 senkrecht zu dieser Ebene, also senkrecht zur Achse Y- Y' in Fi g. 5, der Torsionsachse des Parallelogrammechanismus verläuft. Wie in F i g. 6 durch gestrichelte Linien dargestellt ist, kann die Anordnung bei der Einwirkung entsprechender Belastungen IV₉, Wio und W_n um die mit Cbezeichnete Achse Y-Y' tordiert werden.

Mit der in der oben beschriebenen Weise konstruierten Waage können sehr genaue und reproduzierbare Messungen unabhängig von der Position der auf die Waagschale 34 einwirkenden Last gemacht werden. Dies hat folgenden Grund: Wenn eine Last auf die Waagschale 34 gelegt wird, wirkt sie auf die Lastzelle 23 über den vertikalen Teil 25 und die Verbindungsstange 24. Die Lastzelle 23 und der Parallelogrammmechanismus werden dabei mit zunehmender Belastung zunehmend vertikal ausgelenkt, außerdem kann der Parallelogrammechanismus 22 bei entsprechender Position der Last auch noch tordiert werden. Angenommen, auf die Waagschale werde nur die in F i g. 6 schematisch dargestellte Last W) gelegt, so wird die Anordnung um einen Punkt C in Uhrzeigerrichtung tordiert, wie durch die gestrichelten Linien stark übertrieben dargestellt ist Die Tordierung überträgt sich auch auf die Verbindungsstange 24. Würde die Tordierung so wie sie ist auf die Lastzelle übertragen, so würden auf die Lastzelle gleichzeitig Torsions- und Biegekräfte einwirken, so daß die Richtung der resultierenden Kraft von der Nennrichtung abweicht und die Meßgenauigkeit stark leidet. Der Widerstand der Verbindungsstange 24 gegen Biegekräfte, die aus der Torsion resultieren, ist jedoch wegen der ersten flachen Teile 41 und 42 sehr klein. Die Verbindungsstange 24 verformt sich also unter der Wirkung der Torsion so, wie es in F i g. 7 dargestellt ist, so daß Störungen durch die Torsion vermieden werden und die Kraft nur in der Haupt- oder Nennrichtung auf das freie Ende 40 der Lastzelle 23 übertragen wird.

Anhand von Fi g. 8 soll nun der Fall betrachtet werden, daß sich die Position der einwirkenden Last ändert, wie durch Pfeile W₆, W₇ und W₈ dargestellt ist. Wenn die Last in der Position W₆ auf die Waagschale 34 einwirkt, wird die Waagschale 34 gerade nach unten gedrückt

Wenn die Last dagegen an der Position W₇ oder We einwirkt, wird die Waagschale 34 schräg nach unten gedrückt. Die vertikale Auslenkung sei mit d\ bezeichnet. Die entsprechende Abwärtsbewegung des Winkels 36 ist ebenfalls d\, dasselbe gilt für das mit dem Winkel 36 über die Verbindungsstange 24 verbundene Ende 40 der Lastzelle 23. Wegen des Unterschiedes zwischen der Länge der parallelen Teile 27 und 28 des Parallelogrammechanismus 22 und der Länge des Biegearms der Lastzelle 23 tritt jedoch, wie in Fig. 8 übertrieben groß dargestellt ist. eine horizontale Verschiebung a, des Winkels 36 des Parallelogrammechanismus 22 zusätzlich zur vertikalen Auslenkung d\ ein. Das freie Ende 40 der Lastzelle 23 erfährt andererseits eine horizontale Verlagerung a₂ zusätzlich zur vertikalen Auslenkung d\. Die horizontalen Verlagerungen a\ und a₂ sind verschieden und dieser Unterschied ist die Ursache der Verbiegung der Verbindungsstange 24 in der Ebene des Parallelogrammechanismus 22. d. h. in F i g. 8 in der Zeichenebene. Wenn die Verbiegung direkt, also so wie sie ist.

auf die Lastzelle 23 übertragen würde, träten in der Lastzelle störende, von der Haupt- oder Nennkraftrichtung verschiedene Kraftkomponenten auf, die die Meßgenauigkeit beeinträchtigen. Da jedoch der zweite flache Teil 43 der Verbindungsstange 24 einen extrem niedrigen Biegewiderstand hat und sich elastisch verformt, wie es in Fig.8 dargestellt ist, werden die oben erwähnten Störungen vermieden, da die Kraft auf die Lastzelle 23 praktisch nur in der Haupt- oder Nennrichtung übertragen wird. Auch wenn also eine Teillast oder unsymmetrische Last auf die Waagschale 34 zur Einwirkung gebracht wird, können durch die dabei auftretenden Biegungen und Torsionen keine Störungen auftreten, da sich die ersten und/oder zweiten flachen Teile 41, 42 und 43 der Verbindungsstange 24 sehr leicht biegen und dadurch störende Kraftkomponenten verhindern, so daß sehr genaue Messungen gewährleistet sind.

Die Unempfindlichkeit einer Waage der oben beschriebenen Art gegen die geschilderten Störeinflüsse wurde anhand einer für einen Meßbereich von 5 kg bemessenen Ausführungsform geprüft. Die Waagschale war eine ebene Platte mit einer Seitenlänge von 450 mm. Ein- und dasselbe Gewicht wurde an Positionen W₇ und Wg, die einen Abstand von 150 mm in Richtung nach vorne bzw. hinten von der Mitte hatten, gelegt und ferner an Positionen Wg und Wn (F i g·. 6) die einen Abstand von 150 mm nach links bzw. rechts von der Mitte hatten. Die Meßwerte wurden einzeln ermittelt und ihre Differenzen bestimmt. Die Differenz zwischen den Wägungen an den Positionen W₇ und W₈ betrug 1/1000 des Gewichtswertes vor der Einjustierung der Waage und 1/10 000 bis 1/15 000 nach der Einjustierung. Im Gegensatz dazu betrug der Fehler 1/200 bis 1/400 vor und nach der Einjustierung, wenn der Verbindungsstab 24 durch einen ohne ebene Teile ersetzt würde.

Mit der vorliegenden Waage können also stabile, sehr genaue und reproduzierbare Meßwerte im ganzen Meßbereich durchgeführt werden, auch wenn die Waagschale ungleichmäßig oder partiell belastet wird.

Außerdem können sowohl positive als auch negative Kräfte oder Belastungen gemessen werden, da die beiden Enden der Verbindungsstange 24 fest fixiert sind.

Fig.9 zeigt eine gegenüber Fig.5 abgewandelte Ausführungsform der vorliegenden Waage, bei der die Lastzellen-Paraüelograrnmechanismus-Anordnung umgekehrt ist und der Verbindungsstab 24 daher normalerweise auf Druck belastet wird. Auch hier erhält man die oben erwähnten hervorragenden Ergebnisse, wenn der Verbindungsstab 24 in der beschriebenen Weise ausgebildet ist

Es besteht die Möglichkeit, daß der Nullpunkt der Anzeige sich mit der Temperati·- ändert, wenn die Bauelemente voneinander verschiedene lineare Expansionskoeffizienten haben. Der Nullpunkt ändert sich

z. B. wenn sich der Abstand zwischen dem Bügel oder Winkel 36 und dem Endteil 40 einerseits und die Länge des Verbindungsstabes 24 selbst andererseits unterschiedlich ändern. Es ist daher zur Vermeidung von Temperatureinflüssen wünschenswert, den Hauptkörper der Lastzelle, den Parallelogrammechanismus, den Halterungsarm 39 der Lastzelle 23 und den Verbindungsstab 34 aus Materialien herzustellen, die denselben Wärmeexpansionskoeffizienten haben.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen hat die Verbindungsstange 24 zwei erste abgeflachte Teile und einen zweiten abgeflachten Teil, selbstverständlich können beispielsweise auch ein erster und zwei zweite abgeflachte Teile vorgesehen sein. Anstelle

des aus Metall bestehenden Balgen- oder Wellrohrgehäuses der Lastzelle 23 kann ein solches aus genügend Feuchtigkeits- und gasdichtem Urethan- oder Butylgummi verwendet werden.

Im Vorstehenden wurde also eine Waage mit einer kragarmartigen Lastzelle und einem Robervalschen Parallclogrammechanismus beschrieben, die durch eine Verbindungsstange spezieller Form verbunden sind, die eine erheblich verbesserte Meßgenauigkeit unabhängig von der Position der Last auf der Waagschale oder Plattform der Waage gewährleistet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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30

40

45

50

55

60

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Claims

Patentansprüche:

1. Waage mit Parallelogrammechanismus, welcher zwei vertikale Teile (25,26). von denen der eine (26) an einer stationären Halterung (32) angebracht und der zweite (25) mit einer Waagschale (34) verbunden ist, sowie zwei horizontale Teile (27, 28), die an beiden Enden elastisch verformbare Abschnitte (29-32) aufweisen und mit den vertikalen Teilen parallelogrammartig gekoppelt sind, enthält, und mit einer kragarmartigen Lastzelle (23), deren eines Ende mit der stationären Halterung fest verbunden ist und deren freies Ende (40) durch ein Verbindungsteil mit einem Ende einer Verbindungsstange (24) fest verbunden ist, die an ihrem anderen Ende durch ein weiteres Verbindungsteil fest mit dem Parallelogrammechanismus verbunden ist und die mindestens einen ersten flachen Teil (41), dessen Ebene parallel zur Parallelogrammebene verläuft sowie mindestens einen zweiten flachen Teil (43), dessen Ebene senkrecht zur Parallelogrammebene verläuft, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsteile lösbare Verbindungen (44, 45, 46,47) mit dem zweiten vertikalen Teil (35) bzw. dem freien Ende (40) der außerhalb des Parallelogrammechanismus angeordneten Lastzelie (23) sind und die Verbindungsstange (24) austauschbar ist.

2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastzelle (23) einen luftdicht gekapselten Dehnungsfühler enthält.

3. Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen und die horizontalen Teile (25, 26,27, 28) des Parallelogrammechanismus, der Hauptkörper der Lastzelle (23), die stationäre Halterung (26,39) der Lastzelle und die Verbindungsstange (24) aus Werkstoffen mit den gleichen Wärmeexpansionskoeffizienten bestehen.