DE4025353A1 - Keilfoermiges oder konisches kraftmesselement - Google Patents

Description

In der Überwachung von Werkzeugmaschinen, Robotern, Transport-Einrichtungen wie auch in der Überwachung rotierender Maschinen und Motoren wird oft der Spannungszustand innerhalb gewisser kraftübertragender Teile gemessen. Die Messung von Massenkräften, Aktionskräften und Arbeitskräften kann oft nur innerhalb des geschlossenen Kräftekreislaufes der Maschinen durchgeführt werden. Dabei ergibt eine Kräftefluß-Analyse die Schwerpunkte, wo die Hauptkräfte durchgeleitet werden. An solchen Stellen kann die Überwachungssensorik eingebaut werden, ohne daß sich am Ablauf des Kräftediagrammes etwas ändert. Zudem ergibt sich ein minimaler Eingriff in die Maschine.

Für die Kräfte, die sich an der Oberfläche auswirken, sind zu solchen Zwecken seit Jahren Dehnmeßstreifen (kurz DMS) verwendet worden. Für Dehnungen innerhalb von Wandungen sind Sensoren bekanntgeworden, die in Bohrungen eingebaut werden und welche radiale oder Längsdehnungen messen können.

Bei Sensoren für Radialdehnung wird Anpressung des Sensorkörpers an die Bohrungswand mittels gewindeverspannten Konen erreicht. Nach Lösen der Gewindeverspannung kann der Sensor wieder aus der Bohrung entfernt werden.

Bei Sensoren für Achsialdehnung wird eine bestimmte Länge der Bohrung mittels Gewinde unter Vorspannung gesetzt. Im Betrieb wird dann die Änderung der Vorspannkraft gemessen.

Diese gewindeverspannten Bohrungssensoren sind in vielen Anwendungsfällen zu groß, so daß sie beim Einbau störend wirken. Zudem können sie nicht in lange Bohrungen eingesetzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sollen keilförmig gestaltete Sensoren so in geeignete Spalten eingebaut werden, daß sie selbsthemmend an der gewünschten Stelle verbleiben. Bei Keilwinkeln unter 5° können solche Aufnehmer direkt in die Meßspalte eingetrieben werden, ohne daß ein Gegenkeil angewendet wird.

Solche Keil-Aufnehmer messen die varierenden Querkräfte auf den Keilflanken. Vorteilhafterweise wird der Anschluß für die Meßleitung seitwärts angeordnet, um ein Eintreiben des Keil-Sensors einfach möglich zu machen.

Eine weitere interessante Anwendung der erfindungsgemäßen keil- bzw. konusförmigen Sensoren liegt in der Qualitätskontrolle. Dabei werden Prüfkörper durch einen Spaltvorgang teilweise bis zum Bruch gebracht.

Die bei diesem Vorgang auftretenden Ausweit- bzw. Sprengkräfte können mit den erfindungsgemäßen Sensoren auf einfache Weise gemessen werden inklusive Festhalten des Bruchwertes.

Es ist auch denkbar, solche Sensoren zur Beobachtung wichtiger Fels- und Gesteinsformationen an der Erdoberfläche oder in Tunneln und Stollen oder Mauern wichtiger Bauwerke zu benützen.

Zur Prüfung der Festigkeit von Felsformationen an gefährdeten Stellen könnte das Eintreiben keilförmiger Kraftmeßelemente wichtige Informationen ergeben. Ebenso könnte mit einem statisch messenden Keilsensor die zeitliche Veränderung der Spaltspannung in einer Fels- oder Mauerritze von Interesse sein.

In einer weiteren Ausführungsart kann z. B. nur die Eintreibkraft des keilförmigen Sensors von Interesse sein. Es ist aber auch denkbar, daß sowohl Keilkräfte wie auch Eintreibkräfte gleichzeitig interessant sind. Keilförmige Kraftmeßelemente eröffnen deshalb eine Reihe neuer Anwendungsmöglichkeiten.

Als Variante zum Flachkeil wird ein Rundkeil oder Konus-Sensor vorgeschlagen. Bei solchen Sensoren muß der Meßanschluß notgedrungen achsial vorgesehen werden.

Als weitere Variante wird ein Flachkonus-Sensor vorgeschlagen, dem ein Hartmetall Aufweitekonus vorgeschaltet ist. Diese Kombination erlaubt es den Sensor an beliebiger Stelle vollständig satt anliegend einzupressen ohne eine tolerierte und ausgetriebene Bohrung zu benötigen. Der vorgeschaltete Aufweitekonus, der je nach Umgebungsmaterial geformt ist, glättet die Wandung, so daß einwandfreier Kontakt gewährleistet ist.

Der Gedanke der Erfindung ist anhand von 8 Figuren erklärt.

Es zeigt

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Keilsensor,

Fig. 2 zeigt Einbau-Anordnung mit Gegenkeil,

Fig. 3 zeigt Keilsensor mit kleinem Keilwinkel α,

Fig. 4 zeigt Konus-Sensor,

Fig. 5 zeigt Keil- oder Konus-Sensor zum Eintreiben in Ritzen,

Fig. 6 zeigt Flachkonus-Sensor mit Vorschaltkonus piezoelektrisch,

Fig. 7 zeigt Querschnitt zu Fig. 6,

Fig. 8 zeigt Flachkonus-Sensor mit Vorschaltkonus mit Ölfüllung und eingebautem Druck-Sensor, z. B. piezoresistiv,

Fig. 9 zeigt den keilförmigen Sensor nach Fig. 1 in längsgeschnittener Ansicht.

Der Keilsensor nach Fig. 1 mißt Krafteinwirkungen auf den beiden Keilflächen 2. Fläche 3 ist die Eintreibfläche. Während des Eintrieb-Vorganges kann z. B. die Aufsprengkraft gemessen werden. Dies könnte in einer bestimmten Materialprüfung von Interesse sein.

Durch die seitliche Anordnung der Signalabführung kann der Eintriebvorgang ungestört durchgeführt werden.

In Fig. 2 ist eine Keilsensor-Anordnung gezeigt, wo zum Meßkeil 1 ein nichtmessender Gegenkeil 6 angeordnet ist. Die Spaltflächen 5 können somit parallel sein. Bei einem Keilwinkel weniger als 5° wird selbsthemmende Verkeilung erreicht. Auch mit einer solchen Anordnung kann z. B. während dem Eintriebsvorgang die Öffnungskraft oder Öffnungsbruchlast gemessen werden. Im eingebauten, verkeilten Zustand werden andauernde variierende Kräfte gemessen.

Fig. 3 zeigt einen Keilsensor mit sehr kleinem Keilwinkel α. In solchen Fällen braucht es nicht unbedingt einen Gegenkeil. Besonders wenn die Spaltflächen 5 z. B. aus Kunststoffen bestehen, der Sensor in Ritzen eingepreßt wird.

Fig. 4 zeigt einen Konus-Sensor 8, mit dem radiale Kraftmessung während des Eintriebvorganges möglich ist, wo also ebenfalls Keilwirkung erzielt wird. Ist der Sensor fest eingetrieben, so können dauernde Radialkraftvariationen gemessen werden.

Beide Typen von Konussensoren können somit 2 verschiedene Stadien messen

Dynamisch:
→ Eintreib-Vorgang
Statisch-Dynamisch:	→ Einbau: Variationen der Umgebungskräfte

Es sind also je nach Anwendung 2 verschiedene Meßprinzipien vorzusehen.

Für die dynamischen Eintreibevorgänge eignen sich vor allem piezoelektrische Kristall-Anordnungen, weil sie die größte Meßspanne umfassen, die 10⁵ Einheiten überwindet, deshalb können auch nach Einbau sehr geringe Kraftvariationen dynamischer Art festgestellt werden.

Keil-Konus-Sensoren mit piezoresistiven DMS oder kapazitiven Meßanordnungen eignen sich nur bedingt für den Eintreibvorgang dafür aber um Langzeitbeobachtungen des Spannungsverhaltens in der Spalte.

Fig. 5 zeigt eine Keil-/Konus-Sensoranordnung, die sich besonders eignet in Fels- oder Mauerritzen eingetrieben zu werden. Wiederum können dabei Schlüsse auf die Gesteinsformation beim Eintreiben oder langzeitige Veränderung der Spaltspannung festgestellt werden.

Fig. 6 zeigt eine Variante von Fig. 4. Der Flachkonusteil des Sensors trägt am Kopf einen Vorschaltkonus 12 vorzugsweise aus geschliffenem Hartmetall oder Keramik. Damit kann der Sensorkörper 13 in eine normale Bohrung ohne hochgeforderte Toleranzen eingepreßt werden. Der Vorschaltkonus 12 öffnet und glättet die Bohrung auf das Sollmaß des Sensorkörpers 13, welcher damit an jeder Stelle der Bohrung festsitzt und nur mit dem Ausziehgewinde 16 herausgezogen werden kann sofern dies einmal nötig würde. 14 stellt den rohrförmigen Doppelkristall dar, der auf Radialkraftänderungen anspricht. Der Doppelkristall wird durch Schrumpfprozeß in das Gehäuse 13 eingebracht, so daß er in demselben radial verspannt ist. 15 ist die spiralförmige Kontaktfeder, die an der metallisierten Innenwand des Kristallsatzes unter Vorspannung anliegt. 17 stellt dem Krimp- oder Lötanschluß mit der Signalleitung dar.

Fig. 7 stellt den Querschnitt von Fig. 6 dar und zeigt den Sensorkörper 13 und den 2teiligen Kristallsatz 14 nebst den radial wirkenden Kräften F.

Fig. 8 zeigt eine ähnliche Variante, jedoch im Beispiel auf statisch messender piezoresistiver Basis. Der Sensor könnte auch mit einem anderen statisch messenden Element ausgerüstet sein. Der Vorschaltkonus 22 besteht hier aus einem Hartmetallkugelabschnitt. Der Sensorkörper 23 ist unter Druck mit Öl gefüllt, jedoch mit möglichst wenig. Der Ölspalt 24 ist sehr klein gehalten durch den Füllkörper 25, der eine Verbindungsbohrung 26 aufweist, in welcher das Öl zum piezoresistiven Sensor 27 als Beispiel gelangt. 28 stellt die Anschlußpartie dar. Die geringste Radial-Änderung wird über die unter Vordruck stehende Ölfüllung direkt auf den piezoresistiven Sensor 27 übertragen, welche mit der Anschlußpartie 28 zum Aufnehmerkabel führt.

Auch mit diesem Sensor ist nach dem Einpreßvorgang die Bohrung ⌀D2 etwas größer als die Bohrung ⌀D1 und so geglättet, daß perfekter Wandkontakt zwischen Sensorkörper 23 und Bohrungswand besteht. Auch dieser Sensor sitzt an jeder Stelle einer Bohrung fest dank seiner leichten Konizität.

Die Erfindung zeigt neue Keil- und Konussensoren, die jeweils 2 Meßtechniken ermöglichen:

• - Spalt-Eintreib-Ausweit-Vorgänge, dynamisch,
• - Spannungs-Änderungen im eingebauten Zustand, statisch-dynamisch.

Keil-Konus-Sensoren zeigen damit neue Anwendungsmöglichkeiten.

Mit Beispielen von Vorschaltkonus-Flachkonus-Sensoren sind neue Einbauverfahren möglich. Besonders in langen Bohrungen ist ein solcher Sensor an beliebiger Stelle einer gewöhnlichen Bohrung festsetzbar. Es wäre durchaus möglich, solche Doppelkonus-Sensoren auch in Tieflochbohrungen einzusetzen, um Gesteinsspannungen im Erdinnern zu messen. Das hydraulische Vortreiben solcher entsprechend ausgerüsteter Doppelkonus-Sensoren ist ein an sich bekanntes Mittel, das hier Anwendung finden könnte.

Fig. 9 zeigt den Kraftmeß-Sensor nach Fig. 1 in geschnittener Ansicht. Der Sensor umfaßt ein Gehäuse oder einen Grundkörper 1 mit einer im wesentlichen flachkeilförmigen Konfiguration und gegenüberliegenden plattenförmigen Krafteinleitungsbereichen 2a, 2b, deren äußere Oberflächen 2, 2 einen geeigneten Keilwinkel "α" einschließen. In einer Ausnehmung im Grundkörper 1 ist eine elektro-mechanische Wandleranordnung so untergebracht, daß eine auf die Oberflächen 2, 2 der Krafteinleitungsbereiche 2a, 2b wirkende Kraft F auf die Wandleranordnung übertragen wird. Das Bezugszeichen 41 betrifft einen in der Ausnehmung angeordneten Füllkörper.

Bei der Wandleranordnung kann es sich um ein oder mehrere in Eintreibrichtung des Sensors beabstandete Aufnehmereinrichtungen handeln, die jeweils ein, z. B. piezoelektrisches Aufnehmerelement 36 und ein Abstimmelement 37 umfassen. Mit dem Bezugszeichen 38 in Fig. 9 sind Zwischenelemente, und mit dem Bezugszeichen 42 ist ein Abschlußelement an einer Stirnseite des Sensors angedeutet.

In einer Ausnehmung in der gegenüberliegenden Stirnseite kann ein weiteres z. B. piezoelektrisches Aufnehmerelement 39 angeordnet sein. Auf dem Aufnehmerelement 39 stützt sich eine Kraftübertragungsplatte 40 ab, so daß eine darauf ausgeübte Kraft P das Aufnehmerelemnt 39 unter Abgabe eines entsprechenden elektrischen Signales beaufschlagen kann. Die Kraft P dient zum Eintreiben des Sensors in einen Spalt od. dgl. eines zu untersuchenden Bauteiles und steht im allgemeinen senkrecht zu den eigentlichen Meßkräften F.

Claims (22)

1. Keil- bzw. konusförmiger Sensor zur Kraftmessung senkrecht zu Keil- bzw. Konusflächen, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl im Eintreib- bzw. Einpreßvorgang wie auch im fest montierten Zustand gemessen werden kann.

2. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er während des Einpreß- oder Eintreibvorganges die Ausweitkräfte (F) bzw. Aufspaltkräfte z. B. bis zum Bruch mißt.

3. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Keilflächen unter dem ∡α aufweist, welche die senkrecht dazu auftretenden Kräfte (F) mißt, die beim Einpressen oder Eintreiben durch die Kraft (P) entstehen, wie auch anschließend im eingepreßten Zustand durch Kraftänderungen auftretende Umgebungskräfte.

4. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß für Einpressung in Parallelspalten ein nichtmessender Gegenkeil (6) verwendet wird.

5. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine sehr flache Form gewählt ist, so daß in Quasiparallelspalten oder weicheren Materialien kein Gegenkeil notwendig wird.

6. Keil bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Flachkeilform die Rundkeil- oder Konusform (8) gewählt ist, welche ebenfalls den Ausweitevorgang messen kann wie auch im festsitzenden Zustand Umgebungskräfte (F), die sich den Einklemmkräften überlagern.

7. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1, 2, 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung so gewählt ist, daß er in Ritzen oder Spalten von Fels oder Mauern eingetrieben werden kann.

8. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktion so gewählt ist, daß nur die Eintreibkräfte (P) gemessen werden.

9. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Flachkonus des Sensorkörpers (13, 23) ein auswechselbarer Vorschaltkonus (12), der den Ausweitvorgang und Wandglättevorgang übernimmt, aufweist, so daß der anschließende Flachkonus des Sensorkörpers (13, 23) nur noch durch elastisches Verhalten Festsitzen an jeder gewünschten Stelle der Bohrung zu übernehmen hat.

10. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß er so gestaltet ist, daß er durch hydraulische Mittel in Tieflochbohrungen eingebracht werden kann.

11. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Kristallsätze (14) eingebaut sind, welche direkt kraftmessend wirken und vor allem für Eintreibvorgänge geeignet sind.

12. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Keil- bzw. Konusflächen der Sensorkörper einwirkenden Kräfte Dehnung derselben hervorrufen, welche via inkompressibler Übertragungsmittel auf Drucksensorelemente (27) einwirken, so daß der Flüssigkeitsdruck ein Maß der Krafteinwirkung ergibt.

13. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zu den Keil- bzw. Konusflächen wirkenden Kräfte (F) auf ein System sehr dünner Flüssigkeitsspalte (24) einwirken, in welchen eine möglichst inkompressible Flüssigkeit in möglichst geringer Menge unter Überdruck eingefüllt ist und jede Kraftänderung auf die Keil- bzw. Konusflächen (F) in eine Druckänderung umwandeln, welche mit Druckmeßelement (27) gemessen werden kann.

14. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das konische Vorschaltelement (12, 22) aus Keramik oder Hartmetall besteht.

15. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (16) vorgesehen sind, um eine Ankoppelung an ein Ausziehwerkzeug zu ermöglichen und um den Sensor auch aus langen Bohrungen herauszubringen.

16. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensorsysteme eingebaut, das eine für Keil- bzw. Konuskraft F, also ein piezoelektrischer Kristallsatz, für die Langzeitdehnungseinwirkung ein stat. messendes Prinzip z. B. eine piezoresistive Anordnung.

17. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckübertragungsmittel ein Hydrauliköl gewählt ist, das einen möglichst geringen Ausdehnungskoeffizient besitzt.

18. Keil- bzw. konusförmiger Sensor nach Ansprüchen 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß die Keil- bzw. Konusflächen einen Winkel von weniger als 1° umfassen können.

19. Kraftmeß-Sensor mit einer elektro-mechanischen Wandleranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß er als Flachkeil oder Rundkonus mit unter einem Keilwinkel "α" stehenden Krafteinleitungsflächen (2, 8) zur Übertragung der darauf einwirkenden Kräfte auf die Wandleranordnung und mit einem stirnseitigen Bereich (3, 9) zur Beaufschlagung mit einer Eintreibkraft zum Eintreiben des Sensors in ein zu untersuchendes Bauteil ausgebildet ist.

20. Kraftmeß-Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß dem stirnseitigen Beaufschlagungsbereich (3) eine weitere elektro-mechanische Wandleranordnung (39) zum Erfassen der zum Eintreiben des Sensors aufgebrachten Kräfte zugeordnet ist.

21. Kraftmeß-Sensor nach Anspruch 19 oder 20, gekennzeichnet durch ein vorzugsweise auswechselbares, keil- oder konusförmiges Vorschaltelement (12, 22) an der dem Beaufschlagungsbereich (3, 9) gegenüberliegenden Stirnseite des Sensors.

22. Kraftmeß-Sensor nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß er gemäß den Ansprüchen 11 bis 18 ausgebildet ist.