DE3817315C1 - Device for the measurement of axial forces in rotating assemblies - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Axialkräften und -beschleunigungen in rotierenden Bauteilen, insbesondere in sich drehenden Wellen, mittels eines Sensors, bei dem eine mechanische Bean­ spruchung in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, wobei das rotierende Bauteil senkrecht zu seiner Drehachse geteilt ist und die beiden Bauteilhälften mittels Spannelementen zusammengehalten werden und wobei der Sensor zwischen den beiden Bauteilkräften angeordnet ist.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der DE-AS 10 54 253 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung, die zur Schubmessung in einem Maschinenteil dient, beruht die Messung der auftretenden Kräfte auf einer durch die Schubkraft und entgegen einer elastischen Gegenkraft bewirkten Abstandsänderung der beiden Bauteilhälften zueinander. Die durch diese Abstandsänderung hervorge­ rufene Veränderung eines Magnetfeldes wird bei dieser bekannten Anordnung mittels einer Hallsonde gemessen und das so gewonnene Meßsignal wird über Schleifringe von rotierenden Bauteil abgegriffen.

Weiterhin ist aus der DE 32 18 351 A1 eine Vorrichtung zur Messung von Axialkräften an einer rotierenden Welle bekannt, an der drehbaren Welle radial sich nach außen erstreckende Arme aus einem piezoelektrischen Werkstoff angeordnet sind, aus deren Verformung bei Bewegung der Welle ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird, was ebenfalls über eine Schleifringanordnung von der Welle nach außen geleitet und dort weiterverarbeitet wird.

Ein Nachteil derartiger Anordnungen ist darin zu sehen, daß bei einer Meßsignalübertragung mittels Schleif­ ringen Übertragungsverluste entstehen können, die zu einer Verfälschung des Meßsignals führen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß keine Schleifringübertrager erforderlich sind und somit eine störungsfreie Auswertung des Meßsignals ermöglicht wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, daß bei einer derartigen Vorrichtung die einander zugewandten Stirnflächen der beiden Bauteilhälften mit Axiallagern versehen sind, deren den Stirnflächen abgewandte Außenseiten jeweils eine Aufnahme für den Sensor aufweisen und zwischen denen der Sensor ver­ spannt ist und daß dem rotierenden Bauteil eine Mo­ mentenstütze zugeordnet ist, die mit dem Sensor ver­ bunden ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dabei zugleich den Vorteil auf, daß zur Aufbereitung des vom Sensor gelieferten Meßsignals konventionelle Ladungsverstär­ kereinheiten benutzt werden können und daß keine auf dem rotierenden Bauteil angeordneten, mitbewegten Mikroverstärkerelemente erforderlich sind. Durch die Verspannung des Sensors zwischen den beiden Axiallagern ist es weiterhin möglich, den Sensor mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgesehenen Drehmomentstütze gegenüber dem rotierenden Bauteil festzuhalten, da diese Stütze die durch Reibung an den Axiallagern sowie an etwaigen Wellendichtringen auftreteden, auf den Sensor einwir­ kenden Drehmomente aufzunehmen vermag, so daß aus­ schließlich in axialer Richtung wirkende Kräfte und Beschleunigungen vom Sensor erfaßt werden.

In vorteilhafter Weiterbildung der Vorrichtung gemäß der Erfindung erfolgt das Verspannen der beiden Bau­ teilhälften gegeneinander durch eine zentrische Spann­ welle, wobei der Sensor ringförmig ausgebildet ist. Dadurch wird eine zugleich einfache und störungsun­ anfällige Verbindung geschaffen, durch die ferner keine zusätzlichen unerwünschten Momente oder Kräfte verur­ sacht werden.

Als besonders geeigneter Sensor kann entweder ein Meßquarz eingesetzt werden, oder aber es kann eine Kraftmeßeinrichtung benutzt werden, die aus Dehnungs­ meßstreifen aufgebaut ist.

Zwar stelle es aus der DD-PS 1 48 382 im Zusammenhang mit einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung einer axialen Zugkraft eine für sich genommen bereits bekannte Maßnahme dar, bei einer solchen Vorrichtung ein Axiallager zu verwenden, jedoch ist bei dieser bekannten Vorrichtung weder eine Teilung des rotieren­ den Bauteils in zwei Hälften vorgesehen, noch sind Maßnahmen zur Kompensation auftretender Lagerreibung vorgesehen. Darüber hinaus erfolgt bei dieser bekannten Vorrichtung die Messung der Axialkraft außerhalb des rotierenden Bauteils.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figur zeigt dabei einen vertika­ len Schnitt durch einen Teil einer Schleifvorrichtung, die mit einer Vorrichtung zur Messung der axialen Komponente der von einem Schleifmittelträger, in diesem Fall einer Topfschleifscheibe, auf ein durch Schleifen zu bearbeitendes Werkstück ausgeübt wird. Die Kenntnis dieser Normal- oder Axialkraft ist insbesondere bei der Bearbeitung von sphärischen Glasoberflächen zur Beur­ teilung des Ablaufs des Schleifprozesses wichtig.

Die Vorrichtung besteht zunächst aus einer im unteren Teil der Figur erkennbaren Werkstückspindel 1 und einer mit dieser fest verbundenen Aufnahme 2 für ein unteres Axiallager 3. Die Werkstückspindel 1 und die Lagerauf­ nahme 2 bilden gemeinsam die untere Hälfte des als ganzes rotierenden Bauteils, dessen obere Hälfte von einer Werkstückauflage 4 gebildet wird, in die ein oberes Axiallager 5 eingesetzt ist. Die beiden Axial­ lager 3 und 5 sind dabei in den beiden einander gegen­ überliegenden Stirnflächen der beiden Bauteilhälften gehaltert und mittels Wellenringdichtungen 6 und 7 zentriert und fixiert, wobei letztere zugleich jeweils fettgefüllte Ausnehmungen 8 und 9 zur Aufnahme der beiden Lager 3 und 5 abdichten.

Auf den Außenseiten der beiden Axiallager 3 und 5 sind eine untere und eine obere Aufnahme 10 bzw. 11 für einen Sensor 12 angeordnet, der sich zwischen diesen beiden Aufnahmen befindet. Bei diesem Sensor 12 handelt es sich im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbei­ spiels um einen ringförmig ausgebildeten Meßquarz, der über eine Meßleitung 13 mit einer in der Figur nicht dargestellten elektronischen Auswerte- und Anzeigeein­ heit verbunden ist.

Die beiden Hälften der Vorrichtung sind durch eine zentrisch angeordnete Spannwelle 14 miteinander ver­ bunden. Letztere steht einerseits mit der Werkstück­ spindel 1 in kraftschlüssiger Verbindung, in die sie in diesem Fall eingeklebt ist, andererseits weist sie an ihrem in der Zeichnung oberen Ende ein Gewinde auf, das mit einer Spannmutter 15 in Eingriff steht. Die Spann­ mutter 15 ist in einer Ausnehmung 16 der Werkstückauf­ lage 4 angeordnet. Bei Festziehen der Spannmutter 15 liegt diese an der Bodenfläche der Ausnehmung 16 an und drückt dadurch die Werkstückauflage 4 und mit dieser das Axiallager 5 gegen den Meßquarz 12, der so auf die gewünschte Vorspannung gebracht werden kann.

Zur Fixierung des Meßquarzes 12, insbesondere gegenüber Drehbewegungen, ist weiterhin eine seitlich angeordne­ te, drehbare Momentenstütze 17 vorgesehen, die fest in einem Maschinenbett 18 verankert ist. Im Innern dieser Stütze 17 ist auch die Meßleitung 13 verlegt, die somit zugleich gegen Schmutz und Feuchtigkeit geschützt ist.

Bei einer Belastung der vorstehend beschriebenen Anordnung in Richtung der Längsachse des Systems, die zugleich seine Rotationsachse bildet, wird die aufge­ brachte Kraft über das obere Axiallager 5 sowie die obere Meßquarzaufnahme 11 in den als Sensor dienenden Meßquarz 12 eingeleitet. Über die untere Meßquarzauf­ nahme 10 sowie das untere Axiallager 3 wirkt die entsprechende Gegenkraft, die über die Lageraufnahme 2 sowie die Werkstückspindel 1 bzw. deren in der Zeich­ nung nicht dargestellte Lagerung vom Maschinenbett 18 aufgenommen wird. Dadurch liegt der Meßquarz 12 im Kraftfluß und eine Messung und Darstellung der auftre­ tenden Axialkraft ist über die diesem nachgeschaltete elektronische Auswerte- und Anzeigeeinheit möglich.

Aufgrund seiner Fixierung zwischen den beiden Axial­ lagern 3 und 5 mittels der beiden Ausnahmen 10 und 11 wird der Sensor 12 in bezug auf das Maschinenbett 18 in Ruhe gehalten. Die Momentenstütze 17 fängt dabei die auftretende Lagerreibung sowie vor allem die durch die Reibung in den Wellenringdichtungen 6 und 7 erzeugten, auf den Sensor 12 einwirkenden Momente auf. Dadurch wird verhindert, daß auf die vom Sensor 12 wegführende Meßleitung 13 eine Kraft ausgeübt wird und der Sensor 12 ebenfalls in Drehung gerät.

Messungen des zeitlichen Verlaufs der Axialkraft sind somit bei rotierender Werkstückspindel möglich, wobei eine Übertragung der erzeugten Sensorsignale mittels Schleifringübertragern oder ähnlicher Anordnungen nicht erforderlich ist. Störungen, beispielsweise aufgrund von Übertragungsvarianten, sind dadurch von vornherein zuverlässig ausgeschlossen.

Anstelle eines Kraftmeßsensors kann selbstverständlich in gleicher Weise auch ein Beschleunigungssensor oder ein anderer geeigneter Sensor eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1 Werkstückspindel
2 untere Lageraufnahme
3 unteres Axiallager
4 Werkstückauflage
5 oberes Axiallager
6, 7 Wellenringdichtung
8, 9 Ausnehmung
10, 11 Aufnahme
12 Sensor (Meßquarz)
13 Meßleitung
14 Spannwelle
15 Spannmutter
16 Ausnehmung
17 Momentstütze
18 Maschinenbett

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Messung von Axialkräften und -beschleunigungen in rotierenden Bauteilen, insbe­ sondere in sich drehenden Wellen, mittels eines Sensors, bei dem eine mechanische Beanspruchung in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, wobei das rotierende Bauteil senkrecht zu seiner Drehachse geteilt ist und die beiden Bauteilhälften mittels Spannelementen zusammengehalten werden und wobei der Sensor zwischen den beiden Bauteilkräften angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Stirnflächen der beiden Bauteilhälften (1, 2 bzw. 4) mit Axiallagern (3, 5) versehen sind, deren Stirnflächen abgewandte Außenseiten jeweils eine Aufnahme (10, 11) für den Sensor (12) aufweisen und zwischen denen der Sensor (12) verspannt ist, daß dem rotierenden Bauelement (1, 2, 4) eine Momentstütze (17) zugeordnet ist, die mit dem Sensor (12) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sensor (12) ringförmig ausgebildet ist und daß zwischen den beiden Bauteilhälften (2, 4) eine zentrische Spannwelle (14) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (12) aus einem Meßquarz besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (12) in Dehnungsmeßstreifentechnik aufgebaut ist.