DE3420884A1 - Kraft-drehmoment-aufnehmer - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Die Erfindung betrifft einen Kraft-Drehmoment-Aufnehmer entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Kraft-Drehmoment-Aufnehmer gehören zu der Gruppe der taktilen Sensoren, deren Aufgaben es sind, die charakteristischen, während des Fertigungsprozesses auftretenden Reaktionskräfte zu messen und derart in geeignete physikalische Größen umzusetzen, daß sie zur Weiterverarbeitung für die Steuerung von Werkzeugmaschinen und insbesondere von Industrieroboern geeignet sind.
• Eine bekannte Lösung zur Erfüllung der oben genannten Aufgabe ist der Fügesensor in der sogenannten Hi-T-Hand der Firma Hitachi(T.Goto a.o.: Preise Insertion Operation by Tactile Controlled Robot", Proceedings of the 4th International Symposium on Tokyo, Japan, November 1974, S.209-218).
• Dieser Aufnehmer besteht roboterarmseitig aus einem Wellenstumpf, an dem vier speichenartige, mit Dehnungsmeßstreifen bestückte Federelemente befestigt sind, deren Enden über einen Ring mit dem handseitigen Wellenstumpf verbunden sind. Der Aufnehmer ist nicht zum Einbau in andere Industrieroboter oder Werkzeugmaschinen geeignet. Der rotationssymmetrische Aufbau erlaubt nur eine Anbauposition. Dieser Aufnehmer kann keine Kräfte in Axialrichtung und keine Momente messen.
• Eine gleichzeitige Messung aller sechs Kraftkomponenten erlaubt ein bekannter Aufnehmer des IPA Fraunhofer Instituts, Stuttgart(M.Schweizer: Taktile Sensoren für programmierbare Handhabungsgeräte", Krausskopf-Verlag 1978, S.47-56). Dieser Aufnehmer besteht aus zwei starren, parallel angeordneten Plattn,verbunden durch jeweils drei parallel zur Rotationsachse und drei tangential angebrachte, mit Dehnungsmeßstreifen bestückte, auswechselbaren Blattfedern.
• Aus der DE-PS 2727704 ist ein Kraft-Drehmoment-Fühler bekannt, der drei Kräfte und drei Momente aufnehmen kann. Die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale zum IPA-Aufnehmer betreffen die einteilige Bauweise des Aufnehmers, die Anzahl der Stützen und die radial angeordneten Speichen. Im Einzelnen besteht dieser Kraft-Drehmoment-Fühler aus einer starren ersten Platte und einer parallel dazu angeordneten 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 Speichen und senkrecht sich dazu erstreckender Stützen fest mit der ersten Platte verbunden ist.Zur Messung der Verformung der Speichen und Stützen dienen auf diesen angebrachte Dehnungsmeßstreifen. Die Montage des zuvor beschriebenen IPA-Aufnehmers und des letztgenannten Fühlers, und damit die Krafteinleitung, erfolgt nur über die beiden starren Platten. Zusätzliche Montage- und Krafteinleitungsflächen erübrigen sich, da alle der sechs möglichen Komponenten im Kartesischen Koordinatensystem gemessen werden.
• In der Fertigungspraxis hat sich gezeigt, daß in den wenigsten Fällen alle sechs Komponenten, sondern meist nur zwei bis drei zur adaptiven Steuerung der Fertigungsprozesse erforderlich sind. Allerdings ist die Lage der Ebene der benötigten Meßkomponenten im konkreten Anwendungsfall unterschiedlich. Dem zusätzlichen Gewinn an Information durch das Messen weiterer Komponenten steht ein erheblicher Mehraufwand gegenüber. Die Auswertung von sechs Meßsignalen erfordert zum einen Hardware,die den Einsatz von Sechs-Komponenten-Aufnehmern verteuert, zum anderen eine aufwendige Software, die den Prozeßablauf verlangsamt.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kraft-Drehmoment-Aufnehmer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art derart zu verbessern, daß trotz der Beschränkung hinsichtlich der Zahl der zu messenden Kraft- und Drehmomentkomponenten der wesentliche Informationsgehalt erhalten bleibt, indem in Anpassung an das jeweilige Fertigungsverfahren eine beliebige Kombination beispielsweise zweier Kräfte und eines Drehmomentes ausgewählt werden kann.
• Anhand der folgenden Zeichnung soll die Erfindung nunmehr durch ein Anwendungsbeispiel erläutert werden. Fig. 1 zeigt die Erfindung in allgemeiner Darstellungsweise, wobei die parallelen Stützen 1, auf denen Dehnungsmeßstreifen 3 angebracht sind, die Flächen A und C miteinander verbinden. Die Flächen ADF und BCE werden jeweils zu zwei starren dreflächigen Winkeln derart zusammengefaßt, daß durch die Anordnung der Winkel der die Stützen beinhaltende kubische Raum vollständig umschlossen wird, wobei sämtliche sechs Flächen ABLDEF 7ur Krafteinleitung und Montage geeignet sind Eine Krafteinleitung auf zwei gegenüberliegenden Flächen führt zu einer Deformation der Stützen und damit zu einer Verschiebung der Flächen A und C zueinander.Aufgrund der starren Ausführung der beiden Winkel folgt daraus eine Verschiebung der Winkel zueinander. Eine Dehnungsfuge 10 verhindert in diesem Falle einen die Messung verfälschenden Kraftschluß zwischen den Winkeln.
• Fig. 2a bis 2c zeigt als Ausführungsbeispiel einen zwischen Hand und Arm eines Industrieroboters montierten Zweikomponenten-Kraftaufnehmer, mit dem alle drei Meßebenen des Kartesischen Koordinatensystems erzeugt werden können.
• Es zeigen: Fig. 2a die armseitige Befestigung an Fläche C und die handseitige Befestigung an der Fläche A.
• Gemessen werden Kräfte in der durch die gezeigte Anbringung aufgespannten X-Y-Ebene senkrecht zur Rotat ionachse von Hand und Arm.
• Fig. 2b die armseitige Befestigung an Fläche B und die handseitige Befestigung an Fläche D. Gemessen werden Kräfte in der durch die gezeigte Anbringung aufgespannten X-Z-Ebene.
• Fig. 2c die armseitige Befestigung an Fläche B und die handseitige Befestigung an Fläche D. Gemessen werden alle Kräfte in der durch die gezeigte Anbringung aufgespannten Y-Z-Ebene.
• Die Aufgabe wird bei einem Kraft-Drehmoment-Aufnehmer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegegebenen Art erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß einer Vielzahl spezielier Zwei- oder Drei-Komponenten-Aufnehmer beziehungsweise eines einzigen, aber sehr aufwendigen Sechs-Komponenten-Aufnehmers, ein einziger universeller Zwei- beziehungsweise Drei-Komponenten-Aufnehmer zum Einsatz kommt, dessen Anpassung an die speziellen Erfordernisse unterschiedlicher Fertigungsprozesse durch einfaches Wechseln der Montage- und Krafteinleitungsflächen erreicht wird.
• Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Fig.
• 3 sind die Stützen 1 und die Zwischenflansche 2 aus einem Metallstück gefertigt. Die Dehnungsmeßstreifen 3 werden so auf den Oberflächen der Stützen aufgebracht, daß Verformungen meßbar sind, die auf Kräfte in der Ebene des Zwischenflansches 2 sowie auf Momente um die Rotationsachse zurückzuführen sind. Zum Schutz gegen Überbeanspruchung wird eine Sicherungshülse 4 so über die Zwischenflansche 2 geschoben, daß sie mit dem einen Zwischenflansch durch Schrauben 5,mit dem anderen Zwischen flansch durch Bohrungen und Paßstifte 6 verbunden ist, die nur eine vorgegebene Beweglichkeit zulassen. An den Zwischenflanschen 2 werden die zweiflächigen Winkel 7 so durch Schrauben 8 verbunden, daß eine starre Verbindung gewährleistet ist und die Teile 1 bis 6 umschlossen werden. Die beiden Platten 9 werden mit jeweils einem Winkel durch Schrauben starr verbunden, so daß ein gegen Umwelteinflüsse geschützter geschlossener Körper in Form eines Kubus entsteht, ohne daß dabei eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Winkeln zustande kommt.
• Sämtliche sechs Flächen der beiden, nunmehr dreiflächigen Winkel werden mit identischen Montagebohrungen versehen. Damit sind die sechs Flächen A bis F zur Krafteinleitung geeignet, so daß alle drei Meßebenen des Kartesischen Koordinatensystems erzeugt werden können. Diese Eigenschaft bleibt auch erhalten, wenn die Platten 9 weggelassen werden oder als Schutzkappen gegen Umwelteinflüsse nicht starr ausgebildet sind.
• Kraft-Drehmoment-Aufnehmer, der die bei Fertigungsprozessen auftretenden Reaktionskräfte aufnimmt und so umsetzt, daß dadurch Industrieroboter und Werkzeugmaschinen gesteuert werden, mit zwei dreiflächigen Winkeln, die derart angeordnet sind, daß ihre Flächen einen kubischen Raum vollständig umschließen, verbunden mittels zueinander paralleler deformierbarer, mit Dehnungsmeßstreifen versehener Stützen, wodurch angreifende Kräfte und Drehmomente durch Biegung der Stützen meßbar sind und jede Fläche der beiden Winkel mit identischen Montagebohrungen zum Anbau und zur Krafteinleitung geeignet ist, wodurch gewährleistet ist, daß schon bei Ausgestaltung des Aufnehmers als Zwei- beziehungsweise Drei-Komponenten- Aufnehmer eine einfache Anpassung an die speziellen Erfordernisse untarschiedlicher Fertigbngsprozesse durch Wechseln der Montage- und Krafteinleitungsflächen erreicht wird und somit jede der drei möglichen Meßebenen des Kartesischen Koordinatensystems erzeugt werden kann.
• Bezugsziffernliste 1 Stützen 2 Zwischenflansche 3 Dehnungsmeßstreifen 4 Sicherungshülse 5 Schrauben 6 Paßstifte 7 Winkel 8 Schrauben 9 Platten 10 Dehnungsfuge A Fläche B FLäche C Fläche D Fläche E Fläche F Fläche - Leerseite -

Claims (3)

1. Patentansprüche l.Kraft-Drehmoment-Aufnehmer bestehend aus zueinander parallelen deformierbaren Stütze,die zwischen kraftaufnehmenden Flanschen angeordnet sind, wobei auf den Stützen Dehnungsmeßstreifen oder andere Wegaufnehmer so angebracht sind, daß die angreifenden Kräfte und Drehmomente durch Biegung der Stützen meßbar sind, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h zwei starre dreiflächige Winkel, die derartig angeordnet sind, daß ihre Flächen einen kubischen Raum vollständig umschließen, wobei jeweils drei der sechs Flächen des Kubus starr verbunden sind, so daß sie zur Krafteinleitung und Befestigung geeignet sind, wobei bei Messung von nur zwei Kraftkomponenten und einer Drehmoment komponente durch Drehung des Kraft-Drehmoment-Aufnehmers jeweils zwei Flächen A und C oder B und D oder E und F zur Krafteinleitung dienen, so daß sämtliche Kombinationen von zwei Kraftkomponenten und der auf ihnen senkrecht stehenden Drehmomentkomponente aus der Gesamtheit aller drei Kraftkomponenten und drei Drehmomentkomponenten des Kartesischen Koordinatensystems möglich sind.
2. 2.Kraft-Drehmoment-Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den Winkeln und den Stützen nicht unmittelbar ist, sondern über runde oder eckige Zwischenflansche erfolgt, wobei die Zwischenflansche und Stützen beziehungsweise die Winkel und die Zwischenflansche durch Fertigung aus einem einzigen Metallstück starr verbunden sind oder die starre Verbindung durch Kleben, Verschrauben, Hartlöten oder ähnliche Verfahren erreicht wird.
3. 3.Kraft-Drehmoment-Aufnehmer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß statt der dreiflächigen Winkel zweiflächige Winkel mit Abdeckplatten als jeweils dritte Fläche verwendet werden, deren starre Verbindung mit den zweiflächigen Winkeln durch Kleben, Verschrauben, Hartlöten oder ähnliche Verfahren erreicht wird.