DE4016147A1 - Kraft- und -momentenmesseinrichtung mit an verformteilen angebrachten dehnungsmessstreifen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraft- und -Momentenmeß­ einrichtung mit an Verformteilen angebrachten Dehnungsmeß­ streifen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Verwendung finden derartige Meßeinrichtungen bevorzugt bei Industrie­ robotern in der automatisierten Handhabungs- und Montage­ technik.

Aus der europäischen Patentschrift 01 36 437 ist eine Mehr­ komponentenkraft- und -Momentenmeßeinrichtung bekannt, bei der ein Hohlzylinder als Verformteil dient, auf dem Dehnungsmeß­ streifen angebracht sind, die bei einer Beaufschlagung des Hohlzylinders mit Kräften oder Momenten eine Dehnung oder Stauchung erfahren. Die Widerstandsänderungen werden mit einer geeigneten Auswerteschaltung erfaßt und können über eine Ver­ formungsmatrix zur Ermittlung der Kräfte und Momente heran­ gezogen werden. Für kleine Kräfte und Momente müßte ein Hohl­ zylinder jedoch sehr dünne Wandstärken oder eine schlanke, lange Bauform aufweisen, um genügend hohe Verformungen für eine Auswertung zu erbringen. Dies führt zu Problemen bei den einzuhaltenden Gehäuseabmessungen sowie bei der Fertigung, falls die Wandstärke zu gering gewählt wird. Für kleine Kräfte und Momente ist daher der Hohlzylinder als Verformteil nicht geeignet.

Aus der europäischen Offenlegungsschrift 02 56 392 ist eine weitere Kraft- und -Momentenmeßeinrichtung bekannt, bei der zur Erfassung von relativ kleinen Kräften und Momenten Blöcke mit parallelogrammfederartigen Seitenteilen gebildet sind, die die Dehnungsmeßstreifen tragen. Die Blöcke sind in einer Reihen­ anordnung mit unterschiedlichen Ausrichtungen der auslenkbaren Parallelogrammfedern angeordnet. Durch die aufwendige Reihen­ anordnung der Blöcke wird jedoch die Baulänge und das Gewicht der Meßeinrichtung sehr groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung für kleine Kräfte und Momente mit kleinen Abmessungen und ge­ ringem Gewicht zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Meßeinrichtung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ange­ gebenen Merkmale auf. Bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung wird durch die Anordnung der Verformteile eine sehr gute Tren­ nung der Meßeffekte nach den verschiedenen Kraft- und Momenten­ richtungen gewährleistet. Dennoch kann sie mit kleinen Abmes­ sungen und geringem Gewicht ausgeführt werden. Die Empfindlich­ keit der Meßeinrichtung kann erhöht werden, indem gemäß An­ spruch 2 für die beiden Verformteile Parallelogrammfedern ein­ gesetzt werden, die aus axial hintereinander angeordneten Meß­ federn bestehen. Vorteilhaft weisen die beiden Meßfederpaare in axialer Richtung eine um ein Vielfaches kleinere Feder­ konstante auf als in radialer Richtung. Dadurch wird erreicht, daß bei einer axialen Belastung des Krafteinleitungsteils dieser sich ohne nennenswerte Änderung des Neigungswinkels unter Verformung der Meßfedern in axialer Richtung bewegen kann. Wird gemäß Anspruch 3 zwischen dem Trageteil und einem Stützteil ein weiteres Verformteil vorgesehen, so können die Meßwege derart festgelegt werden, daß sie bei Nennlast der einzelnen Kräfte und Momente am Gehäuseumfang etwa gleich sind. Dadurch ist eine Überlastbegrenzung durch Stifte oder derglei­ chen besonders einfach zu konstruieren. Ein solches weiteres Verformteil kann gemäß Anspruch 4 als ein zwischen Trageteil und Stützteil koaxial angeordneter Zylinder realisiert werden. Bei einem Hohlzylinder gemäß Anspruch 5 können die Federkon­ stanten bezüglich Torsion, Biegung und Dehnung durch geeignete Dimensionierung von Länge, Grundfläche, Außendurchmesser und Innendurchmesser des Hohlzylinders festgelegt werden.

Bei der bevorzugten Anwendung der erfindungsgemäßen Meßeinrich­ tung an Industrierobotern kann meistens auf die Messung der senkrecht zur Achse wirkenden Kräfte verzichtet werden, da diese sich durch den Abstand zwischen Greifer und Meßeinrich­ tung als ein Moment in der Meßeinrichtung niederschlagen.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfin­ dung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 und 3 eine Plazierung der Dehnungsmeßstreifen und Fig. 4 eine einfache Überlastbegrenzung.

Die Beschreibung der Meßeinrichtung sowie der Richtungen der Kräfte und Momente wird mit dem in den Fig. 1 bis 4 einge­ zeichneten kartesischen Koordinatensystem mit den Koordinaten­ achsen x, y und z vereinfacht. In Fig. 1 sind auch die Dreh­ richtungen der Momente Mx, My und Mz eingezeichnet.

Die Meßeinrichtung nach Fig. 1 weist ein starres, rahmen­ förmiges Krafteinleitungsteil 13 auf, das bezüglich der z-Achse koaxial zu einem quaderförmigen Trageteil 12 angeordnet ist. Die beiden Teile sind kraftschlüssig über Meßfedern 1 ... 4 miteinander verbunden. Die Meßfedern 1 und 2, die ein erstes Verformteil bilden, stehen senkrecht zu den Meßfedern 3 und 4 des zweiten Verformteils. Alle Meßfedern 1 ... 4 sind bezüglich der z-Achse radial angeordnet. Das Trageteil 12 ist über ein weiteres Verformteil 14 mit einem Stützteil 15 verbunden.

Wirkt in Richtung der Koordinatenachse z eine Kraft Fz auf das Krafteinleitungsteil 13 ein, so senkt es sich gegenüber dem Trageteil 12 unter leichter Drehung um eine zur Winkelhalbie­ renden zwischen der x- und y-Achse parallelliegende Achse nach unten ab. Diese Drehung ist vernachlässigbar, wenn die Meß­ federn 1 ... 4 in Richtung der z-Achse eine kleinere Feder­ konstante aufweisen als in Richtung der x- bzw. y-Achse. Sie kann euch verringert werden, indem zwischen den Meßfederpaaren 1, 2 und 3, 4 ein genügend großer Abstand in z-Richtung gelas­ sen wird. Die Meßfederpaare 1, 2 und 3, 4 wirken dann wie Parallelogrammfedern. Ihre Biegung ist rein S-förmig.

Bei einer Belastung des Krafteinleitungsteils 13 durch ein Drehmoment Mx um die x-Achse haben die Meßfedern 3 und 4, die in diesem Fall auf Torsion beansprucht werden, eine wesentlich geringere Federkonstante als die Meßfedern 1 und 2, die ge­ staucht bzw. gedehnt werden. Für eine Belastung mit einem Moment My um die Achse y gilt Entsprechendes.

Das Moment Mz um die z-Achse bewirkt eine nahezu reine Drehung des Krafteinleitungsteils 13 um die z-Achse, wenn die Meßfedern 1 ... 4 wiederum in axialer Richtung eine wesentlich kleinere Federkonstante haben als in radialer. In diesem Fall werden die Meßfedern 1 ... 4 in einer Ebene, die zur von der x- und y-Achse aufgespannten parallelliegt, nahezu S-förmig gebogen.

Um am Umfang des Krafteinleitungsteils 13 die Meßwege bei Nenn­ belastung durch die Kraft Fx oder die Momente Mx, My oder Mz einander anzugleichen, ist der Hohlzylinder 14 zwischen dem Trageteil 12 und dem Stützteil 15 vorgesehen, dessen Feder­ konstanten bezüglich Dehnung, Biegung und Torsion nach den bekannten Gesetzen der Festigkeitslehre gewählt werden. Ein­ flußmöglichkeiten bieten die Festlegung der Länge, des Innen­ durchmessers und des Außendurchmessers sowie des Materials mit seinen Kenngrößen Elastizitäts- und Schubmodul.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Möglichkeit zur Applikation von Dehnungsmeßstreifen 5 ... 11 auf den Meßfedern 1 ... 4. Mit dieser beispielhaften Applikation ist eine Trennung der Kraft Fz und der Momente Mx, My und Mz gewährleistet. Aus der folgenden, qualitativen Belastungsmatrix der Dehnungsmeßstrei­ fen 5 ... 11 ist erkennbar, welche Belastungskomponente auf welche Dehnungsmeßstreifen einwirkt, wobei "+" für Dehnung, "-" für Stauchung und ein Freiraum für keine Beeinflussung steht.

Belastungsmatrix

In Brückenschaltungen werden die Widerstandswerte der Dehnungs­ meßstreifen 5 ... 11 jeweils paarweise ausgewertet, wobei es zu den folgenden, der Kraft Fz und den Momenten Mx, My und Mz entsprechenden Meßsignalen kommt.

Meßsignale

Fig. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Überlastsicherung, die aus Zapfen 17, starr verbunden mit dem Stützteil 15, und Bohrungen 16 in dem Krafteinleitungsteil 13 besteht. Sie können an einem Gehäuse für die Meßeinrichtung aus Fig. 1 unterge­ bracht werden. Wird die Meßeinrichtung zu hohen Belastungen ausgesetzt, so verhindern die Zapfen 17, die dann gegen die Wandungen der Bohrungen 16 anstoßen, daß die Meßfedern 1 bis 4 eine Verformung über den elastischen Bereich hinaus erfahren. Durch das weitere Verformteil 14 werden die Meßwege einander angeglichen, und die Überlastsicherung kann als kreisrunde Bohrungen 16 mit runden Zapfen 17 besonders einfach ausgeführt werden.

Claims (5)

1. Kraft- und -Momentenmeßeinrichtung mit an Verformteilen (1, 2; 3, 4) angebrachten Dehnungsmeßstreifen (5 ... 11), die bei einer Beaufschlagung der Verformteile (1, 2; 3, 4) mit Kräften oder Momenten eine Dehnung oder Stauchung erfahren, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein starres Trageteil (12) und ein starres Krafteinleitungs­ teil (13) mit zwei Verformteilen (1, 2; 3, 4) verbunden sind, die als Speichen radial, senkrecht zueinander angeordnet sind.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - die Verformteile (1, 2; 3, 4) aus jeweils einem Paar von parallelen, axial hintereinander befindlichen Meßfedern (1 ... 4) bestehen, das in axialer Richtung (z) eine kleinere Federkonstante als in radialer Richtung (x, y) aufweist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Trageteil (12) über ein weiteres Verformteil (14), das zur Angleichung der Meßwege für die einzelnen Lastkomponenten dient, mit einem starren Stützteil (15) verbunden ist, so daß ein mechanischer Anschlag als Überlastsicherung einfach aus­ führbar ist.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - das weitere Verformteil (14) ein zum Trageteil (12) und Stützteil (15) koaxial angeordneter Zylinder ist.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - der Zylinder ein Hohlzylinder ist.