DE3413756A1

DE3413756A1 - Kraftmesseinrichtung zur beruehrungslosen messung der vorschubkraft

Info

Publication number: DE3413756A1
Application number: DE19843413756
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 7016 Gerlingen Dobler; Hansjörg 7251 Weissach Hachtel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-04-12
Filing date: 1984-04-12
Publication date: 1985-10-24
Also published as: FR2563004A1; SE452803B; FR2563004B1; SE8501785D0; SE8501785L

Description

R. 19325 Vb
19.03.1984 Ott/by

Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1

Kraftmeßeinrichtung zur berührungslosen Messung der Vorschubkraft

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Kraftmeßeinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Als Vorsatz für Bohrmaschinen ist bereits eine solche Kraftmeßeinrichtung bekannt, die einen Sensor enthält, der gegenüber dem Gehäuse der Bohrmaschine unbeweglich angeordnet ist. Der von der Bohrmaschine angetriebene Bohrer ist über ein axial elastisches Federelement mit der Antriebswelle verbunden. Der Sensor mißt nun die axiale Verschiebung des Bohrers, die im wesentlichen proportional zur Vorschubkraft ist. Diese Anordnung besitzt jedoch den Nachteil, daß die durch das Lagerspiel auftretende axiale Verschiebung des Bohrers fälschlicherweise als eine dieser Verschiebung entsprechende Änderung der Vorschubkraft angezeigt wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftmeßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Meßgenauigkeit der Vorschubkraft durch das an der Antriebswelle auftre-

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tende Lager spiel nicht beeinträchtigt wird. Zu diesem Zweck sind ein Sensor oder mehrere Sensoren vorgesehen, die ein der Abstandsänderung zwischen Antriebswelle und Werkzeug entsprechendes elektrisches Signal abgeben, welches als Maß für die jeweilige Vorschubkraft angezeigt werden kann. Die Abstandsänderung zwischen Antriebswelle und Werkzeug ist ausschließlich durch die elastische Verformung des Federelementes bedingt, die vorzugsweise proportional zur jeweils auftretenden Vorschubkraft ist. Das an der Antriebswelle auftretende axiale Lagerspiel bewirkt jedoch eine gleichsinnige Verschiebung der Antriebswelle und des Werkzeuges, wobei eine Abstandsänderung zwischen Antriebswelle und Werkzeug nicht auftritt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Kraftmeßeinrichtung möglich. Es ist besonders vorteilhaft, sowohl auf der Antriebswelle als auch auf einem mit dem Werkzeug starr verbundenen Zwischenstück jeweils einen Meßring vorzusehen, und die Abstandsänderung zwischen beiden Meßringen mittels einer oder mehrerer elektromagnetischen Ringspulen zu messen. Die Ringspulen können dabei Teil einer Wheatstone-Brücke sein, die ein der Vorschubkraft proportionales Meßsignal abgibt. Da die durch das Lagerspiel und die Vorschubkraft auftretenden axialen Verschiebungen der als Meßobjekte dienenden Meßringe vorzugsweise im Bereich von wenigen zehntel Millimeter liegen, sind zusätzliche Linearisierungseinrichtungen in der Regel nicht erforderlich. Für besondere Anwendungsarten, bei denen größere Auslenkungen der Meßringe auftreten, können die Meßkennlinien der verwendeten Sensoren elektro-

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nisch in art sich bekannter Weise linearisiert werden.

Die erfindungsgeinäße Kraftmeßeinrichtung kann mit unterschiedlichen Arten von Sensoren arbeiten, die

-5 entsprechend den jeweiligen Anforderungen ausgewählt werden können. Als Sensoren sind beispielsweise Ringspulen, Stabsensoren, Flachspulen, kapazitive und optische Sensoren geeignet. Die verwendeten Meßobjekte sind dann natürlich an die jeweils verwendete Sensorart anzupassen.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Bohrmaschine mit einer erfindungsgemäßen Kraftmeßeinrichtung im Schnitt,

Figur 2 eine Ausführung der in Figur 1 dargestellten Kraftmeßeinrichtung mit einer einzigen Ringspule,

Figur 3 eine Brückenschaltung mit zwei Meßspulen, Figur 4 eine Brückenschaltung mit einer Meßspule und

Figur 5 bis Figur 7 weitere Ausführungsformen mit unterschiedlichen Sensoren.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist eine Kraftmeßeinrichtung 1 als Vorsatz auf das Gehäuse 2 einer Bohrmaschine 3 aufge-

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setzt und mit dem Gehäuse 2 starr verbunden.

Die Bohrmaschine 3 besitzt eine Antriebswelle 4, die in einem Rillenkugellager 5 gelagert ist. Die Antriebswelle 4 ist über ein als Membrane ausgebildetes Federelement 6 elastisch mit einem Zwischenstück 7 verbunden, das starr mit einem Bohrfutter 8 und einem in diesem eingespannten Bohrer 9 verbunden ist. Für die axiale Verschiebbarkeit des Zwischen-Stücks 7 gegenüber der Antriebswelle 4 besitzt die Antriebswelle 4 eine Führung 10, in die ein zylindrisches Führungselement 11 des Zwischenstücks 7 eingreift.

Mit der Antriebswelle 4 ist eine waagerechte Scheibe ——""12 starr verbunden, an deren Umfangsflache ein Meßring 13 befestigt ist. Ein entsprechender Meßring 14, der den gleichen Durchmesser besitzt, ist außen auf dem zylindrischen Zwischenstück 7 befestigt. In geringem Abstand von den beiden Meßringen 13, 14 sind zwei Ringspulen 15, 16 angeordnet, die mit dem Gehäuse 17 der Kraftmeßeinrichtung 1 starr verbunden sind. Die Meßringe 13, 14 können auch allgemein als Meßobjekte bezeichnet werden und stellen für die Ringspulen 15, 16 ringförmige Spulenkerne dar, die wenigstens teilweise in den Innenraum der Ringkerne 15, 16 eintauchen.

Bei Auftreten einer Vorschubkraft wird das Zwischenstück 7 gegen die Kraft des Federelementes 6 nach oben gedrückt. Der Abstand 1 zwischen beiden Meßringen 13 und 14 verringert sich dadurch entsprechend der jeweils vorhandenen Vorschubkraft. Eine durch das Lagerspiel bedingte axiale Verschiebung der Antriebswelle 4 hat eine gleichgerichtete und gleichgroße

-r-

Verschiebung des Zwischenstücks 7 zur Folge, so daß sich der Abstand 1 :

dadurch nicht ändert.

sich der Abstand 1 zwischen den Meßringen 13 und

δ Zum einfacheren Verständnis der Funktionsweise wird vorausgesetzt, daß beide Wicklungen der Ringspulen 15, 16 und beide Meßringe 13, 14 jeweils dieselben Abmessungen und elektrischen Eigenschaften besitzen. Außerdem sollen bei entspanntem Federelement 6 die Eintauchtiefe 1, und I₂ der Meßringe 13, 14 gleich groß sein. Die Gesamtlänge 1 beider Ringspulen 15, 16 zusammen betrage beispielsweise 6 mm. Die Eintauchtiefen sollen für diesen Fall L = L = 1 nun betragen.

Beim Bohren bewirkt die dazu erforderliche Vorschubkraft eine Durchbiegung der Membrane des Federelementes 6 und damit eine Verringerung des Abstandes 1 zwischen den Meßringen 13, 14. Dadurch ändert m

sich die Eintauchtiefe I₂ des Meßringes 14 geringfügig, so daß sich die Scheinwiderstandswerte der beiden Wicklungen verschieden groß ausbilden. Die Umsetzung der Spulenwiderstandsdifferenz in eine Spannungsdifferenz gibt ein Maß für die Vorschubkraft. Hierzu können die Spulen in einer Brückenschaltung angeordnet sein, wie sie in Figur 3 dargestellt ist. Die aus den beiden Meßspulen 15, 16 und zwei Widerständen R gebildete Brückenschaltung wird mit einer Träger spannung U-, gespeist, wobei eine Änderung der an der Meßbrücke abgegriffenen Meßspannung U_M ein Maß für die Vorschubkraft angibt.

Bei einem durch das Lagerspiel bedingten Versatz zwischen den rotierenden Teilen (4, 7) und den stationären Teilen der Bohrmaschine ändert sich je-

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doch die Durchbiegung der Membrane nicht. Die beiden Meßringe werden in diesem Fall gleichsinnig um dieselbe Wegstrecke verschoben. Entsprechend verhalten sich auch die Spulenscheinwiderstände, so daß die an der Brückenschaltung von Figur 3 abgegriffene Meßspannung U„ keine Spannungsschwankung erfährt. Das Lagerspiel wird so in der Meßwertanzeige unterdrückt.

Da das Lagerspiel u.U. erst dann auftritt, wenn sich die Membrane teilweise durchgebogen hat, kann zur Erhöhung der Meßsicherheit und Meßgenauigkeit die Kraftmeßeinrichtung so ausgelegt werden, daß zwischen der Eintauchtiefenänderung der beiden Meßringe 13, 14 und der jeweils dadurch verursachten Meßspannungsschwankung ein proportionaler Zusammenhang besteht. Dies kann insbesondere durch geeignete Abmessungen der Meßringe 13, 14 und der Spulen 15, 16 erfolgen, wobei auch die Wahl der Trägerfrequenz entsprechend gewählt werden kann. Darüberhinaus besteht auch die Möglichkeit, die Meßkennlinien der Sensoren bzw. der Spulen mittels zugeordneter Verstärker elektronisch zu linearisieren.

Figur 2 zeigt den Längsschnitt einer Kraftmeßeinrichtung 18, bei der als Sensor eine einzelne Ringspule 19 verwendet ist. Die zugehörige Brückenschaltung ist in Figur 4 abgebildet.

Die Lagerspielunterdrückung in der Meßwertanzeige kann man auch bei einem Einspulensensor verwirklichen, bei dem die Meßringe 13, 14 wie in Figur 1 angeordnet sind. Auch hier bewirkt eine vom Lagerspiel herrührende gleichsinnige Verschiebung der Meßringe 13, 14 keine Meßspannungsänderung, da die

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gesamte Eintauchtiefe 1 = I₃ + I₄ sich dadurch nicht ändert. Dagegen bewirkt die zum Bohren notwendige Vorschubkraft eine Durchbiegung der Membrane des Federelementes 6, wodurch sich der Abstand beider Meßringe zueinander verringert. Die Gesamteintauchtiefe 1 vergrößert sich dadurch, so daß sich die Meßsignalspannung ü_M (Figur 4) entsprechend ändert.

In Figur 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der Stabsensoren 20 starr mit dem Gehäuse 17 der Kraftmeßeinrichtung 1 verbunden sind.

Bei der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform werden ebenfalls Stabsensoren 21 verwendet, die jedoch parallel zur Mittelachse der Meßringe 13, 14 angeordnet sind.

Eine Kraftmeßeinrichtung mit einem Einspulensensor 22 - z. B. Flachspule - ist in Figur 7 dargestellt. Die beiden Meßringe 13, 14 sind zu beiden Seiten des Einspulensensors 22 in Verlängerung zu seiner Mittelachse angeordnet.

Claims

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19.03.1984 Ott/by

Robert Bosch GmbH, 7(X)O Stuttgart 1

Ansprüche

Kraftmeßeinrichtung zur berührungslosen Messung der von einer Antriebsmaschine über die Antriebswelle auf ein rotierendes Werkzeug übertragenen Vorschubkraft, mit einem in axialer Richtung elastischen Federelement, das die Antriebswelle mit dem Werkzeug kraftschlüssig verbindet, mit wenigstens einem starr mit dem Gehäuse der Antriebsmaschine verbundenen Sensor und einem starr mit dem Werkzeug verbundenen Meßobjekt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Meßobjekt (13) starr mit der Antriebswelle (4) verbunden ist,und daß der oder die den Meßobjekten (13, 14) zugeordneten Sensoren (15, 16;

19) ein dem jeweiligen Abstand (1 ) der beiden Meßobjekte (13, 14) entsprechendes Signal abgeben.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren als elektromagnetische Ringspulen (15, 16; 19) ausgebildet sind, und daß die beiden Meßobjekte im Innern der Ringspulen (15, 16; 19) konzentrisch angeordnete Meßringe (13, 14) aus elektrisch leitendem Material sind.
3. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

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dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (15, 16; 19; 20; 21; 22) Teil einer Meßbrücke sind, die jeweils ein dem Abstand (1 ) der Meßobjekte (13, 14) proportionales Meßsignal (U_M) abgibt.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkennlinien der Sensoren (15, 16; 19; 20; 21; 22) elektrisch linearisiert sind.