DE4101732A1

DE4101732A1 - Kraft- momenten-sensor

Info

Publication number: DE4101732A1
Application number: DE4101732A
Authority: DE
Inventors: Hubert Droll; Michael Dr Lawo
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1991-01-22
Filing date: 1991-01-22
Publication date: 1992-07-23
Anticipated expiration: 2011-01-23
Also published as: DE4101732C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Momenten-Sensor (KMS), der aus einem Paar paralleler, im Ruhestand auf einer gemeinsamen Achse liegender Platten besteht, die elastomechanisch mitein ander gekoppelt sind.

Mit einem derartigen Sensor werden Kräfte und Momente, die in beliebiger Richtung an der einen Platte angreifen, über die Messung der Verformungen an der elastomechanischen Kopplung ermittelt.

In der EP-PS 01 76 173 B1 wird eine Sensoranordnung zum Messen von drei zueinander senkrechten Kräften und drei zueinander senkrechten Momenten beschrieben. Die elastomechanische Kopp lung ist ein dünnwandiges, zylindrisches Rohrstück, in dem bei Belastung mechanische Spannung bzw. Dehnung erzeugt wird. Über Dehnmeßstreifen (DMS) werden Meßsignale erzeugt, die in einem angeschlossenen Auswertesystem, zur Ermittlung der Kräfte aus gewertet werden.

Ein solcher KMS muß nach Fertigung einer Eichprozedur mit standardisierten Kräften unterworfen werden, um die eindeutige Beziehung zwischen Dehnung und Kraft zu ermitteln.

Ein KMS ähnlicher äußerer Gestalt wird in der EPA 02 61 071 beschrieben. Der Herstellungsprozeß ist aufwendig. Es sind schweiß- und spanabhebende Vorgänge notwendig. Der KMS ist für mehr oder weniger starke Belastungen einsetzbar. Eine Eichpro zedur ist grundsätzlich vor dem ersten Einsatz nötig (siehe insbes. Sp. 7, Z. 13 bis Sp. 8, Z. 32).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elastomechani sche Kopplung eines Kraft-Momenten-Sensors (KMS) aus handels üblichen Komponenten zusammenzusetzen, um ein standardisiertes bzw. modular zusammengesetztes System zu haben, bei dem Eich prozeduren entfallen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraft-Momen ten-Sensors (KMS) wieder.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen KMS besteht darin, daß die Basis und Plattform mit der geeigneten Konstruktion an den Lagerpunkten vorliegen, die elastomechanische Kopplung zwi schen beiden allein durch Montage handelsüblicher gleich artiger Bauelemente erfolgt, d. h. der KMS hat eine modulare Bauweise. Materialformende oder materialabhebende Bear beitungsprozesse entfallen. Die Koppelmatrix zwischen wirken der Kraft auf die Plattform und dadurch bewirkte Län genänderung in den Stäben wird rein rechnerisch aus der Geome trie des KMS ermittelt. Deswegen entfällt eine Eichung oder wird allenfalls zur Bestätigung noch durchgeführt.

Überlastung des KMS und damit Zerstörung eines oder mehrerer Stäbe läßt sich durch Austausch mit neuen gleichartigen Stäben einfach beheben, sofern die Basis und Plattform unbeschädigt sind. Eine Eichung entfällt auch in diesem Fall.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte bzw. zweckmäßige Aus gestaltungen der Stäbe angegeben. Weiter werden nützliche Deh nungsmeßeinrichtungen aufgeführt, insbesondere elektrische Me thoden sowie eine Methode über Lichtintensitätsmessung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 perspektive Ansicht des KMS;

Fig. 2 axiale Projektion des prinzipiellen Aufbaus;

Fig. 3 Stab als Bauteil;

Fig. 4 Prinzip des in die Ebene abgewickelten Überlastschutzes;

Fig. 5 Stab mit Pleuelstangenform.

Fig. 1 zeigt den konstruktiven Aufbau des Kraft-Momenten-Sen sors (KMS) 1, insbes. die elastomechanische Kopplung zwischen Basis 2 und Plattform 3 über Stäbe 4 als standardisierte Bau elemente mit vorgegebener elastischer Eigenschaft in Richtung ihrer Achse 8. Beide Platten 2, 3 sind eben, kreisförmig und liegen im unbelasteten Zustand oder bei reiner Druck- bzw. Zugbelastung auf einer gemeinsamen Achse R_z. Die Kopplung be steht aus sechs Stäben. Über Gelenkköpfe 6, je einer am axia len Ende eines Stabes 4 angebracht, wird die Kopplung zwischen der Basis 2 und Plattform 3 über darauf vorhandene Lagerpunkte B_i, P_i geschaffen.

Auf der Basis 2 befinden sich auf einem konzentrischen Kreis zur Z-Achse gleichverteilt Lagerpunktpaare B₆, B₁; B₂, B₃; B₄, B₅ und entsprechend auf der Plattform Lagerpunktpaare P₁, P₂, P₃ P₄; P₅, P₆. Ein erster Stab 4 verbindet den Lagerpunkt B₁, mit P₁; ein zweiter Lagerpunkt P₂ mit B₂; .. etc. .. und der letzte den Lagerpunkt P₆ mit B₆. Gelenkköpfe 6 und Lagerpunkt B_i bzw. P_i werden jeweils über eine Achse 7 gekoppelt.

Die Stäbe 4 sind windschief zur Z-Achse der Basis 2 und der Plattform 3 angebracht. Da sie die gleiche Länge und elasti sche Eigenschaft haben, stehen die Platten 2, 3 des unbelaste ten Sensors 4 in bestimmtem Abstand parallel zueinander.

Mit diesem Aufbau besitzen die Platten 2, 3 jeweils drei La gerpunkte bzw. drei Lagerpunktpaare. Das System ist also ein deutig und stabil gelagert.

Es gibt nun folgende grundsätzliche Belastung des KMS 1. Es sei die Basis 2 unbeweglich eingespannt, die Plattform werde belastet:

1. Im kartesischen Koordinatensystem x, y, z wirke nur eine Druck- bzw. Zugkraft R_z in negativer bzw. positiver Z-Rich tung auf die Plattform 3, dann werden sämtliche Stäbe 4 gleichartig um die Wegänderung 1 gestaucht bzw. gedehnt.
2. Es wirke nur ein Moment M_z um die Z-Achse, d. h. die Platt form 3 wird gegenüber der Basis 2 verdreht, dann erfahren gleichgerichtete Stäbe 4 eine gleiche Dehnung und die an deren eine gleiche Stauchung.

Für eine allgemeine Belastung ist wichtig, daß reine Axialbe anspruchungen ohne Biege- und Torsionswirkungen in den Stäben vorhanden sind. Hierzu sind die Gelenkköpfe an den Enden der Stäbe 4, damit der Stab 8 gegen die Lagerachse 7 momenten- und querkraftfrei geneigt werden kann.

Im unbelasteten Zustand oder bei reiner Druck- bzw. Zugbean spruchung des KMS 1 haben Lagerachsen 7 und Stabachsen 8 einen jeweils gleichen unveränderten Winkel zueinander.

Der Vorteil des modularen Aufbaus bei KMS 1 zeigt sich deutlich bei Überlastung eines Stabes 4 oder einiger Stäbe 4. Der Aus tausch mit einem neuwertigen gleichen bzw. mit neuwertigen gleichen Stäben 4 stellt die vorgegebene elastomechanische Ei genschaft des KMS 1 wieder her, ohne daß eine Eichung notwendig wäre.

Gegen Überlast kann jedoch eine zusätzliche konstruktive Maß nahme am KMS 1 schützen. Ein an der Plattform 3 befestigter und zu ihr konzentrischer Zylinder 10 ragt in einen an der Ba sis 2 befestigten und zu ihr konzentrischen Zylinder 11 und bildet einen Ringspalt vorgegebener Breite und Tiefe. Auf dem äußeren Zylinder befinden sich gleichverteilt um den Umfang radiale Bohrungen 13, die beim unbelasteten KMS 1 gleichartig durch den inneren Zylinder 10 gehen. In den Bohrungen 13 am äußeren Zylinder 11 sind paßgenau radial nach innen Bolzen 14 eingelassen, die außerhalb des Zylinders 11 verjüngt sind und damit mit einem bestimmten Spielraum durch die Wand des in neren Zylinders 10 ragen. Bei zu starker Belastung der Platt form 3 stoßen diese Bolzen 14 am inneren Zylinder an und hem men eine weitere Bewegung.

In Fig. 4 ist ein solcher Überlastschutz in der Ebene abge wickelt und prinzipiell dargestellt.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines KMS 1 in der Draufsicht 3. Diese erleichtert das Verständnis und dient zur Herleitung der Koppelmatrix zwischen Stabkräften F_i in den Stäben 4 und Belastung der Plattform 3.

Basis 2 und Plattform 3 sind im unbelasteten Zustand auf das Blatt projiziert. Hieraus wird die Geometrie der Lagerpunkt paare und der Stabstrecken deutlich. Die drei Lagerpunktpaare B₆, B₁; B₂, B₃; B₄, B₅ der Basis 2 befinden sich gleichver teilt auf einem Kreis 15 um die Achse der Basis 2, oder die drei Lagerschwerpunkte aus den drei Lagerpunktpaaren bilden ein gleichseitiges Dreieck D_B, und damit befindet sich sein Schwerpunkt auf der Basisachse. Dasselbe trifft für die Lager punktpaare P₁, P₂; P₃, P₄; P₅, P₆ auf der Plattform 3 zu. Dort bilden die drei Lagerschwerpunkte ein gleichseitiges Dreieck D_P. Im unbelasteten Zustand des KMS 1 sind die Dreiecke D_B, D_P um 60° gegeneinander verdreht.

Über die Koppelmatrix C wird eine beliebige Kraft (R_x, R_y, R_z) und ein beliebiges Moment M_x, M_y, M_z auf die Platten 2, 3 ein deutig auf die jeweils nur axial mögliche Kraft F_i in den Stä ben 4 abgebildet. Da die elasto-mechanischen Eigenschaften der Stäbe 4 des KMS 1 gleich und bekannt sind, ist die Beziehung Kraft/Moment auf die Platten 2, 3 -Längenänderung in den Stä ben 4 über die KMS-Geometrie rechnerisch herstellbar.

Es ist:

Die mechanischen Eigenschaften eines Stabes und damit aller sechs Stäbe eines KMS 1 sind bekannt. Damit hat man über die Federkonstante D eines Stabes 4 den Zusammenhang zwischen Dehnung Δl_i des Stabes und Axialkraft, nämlich

F_i = D · Δl_i.

Die Koppelmatrix C hat die Gestalt, l ist die Stablänge:

Dabei ist r der Radius des Kreises um den Basis- bzw. Platt formmittelpunkt durch die Lagerpunkte B_i bzw. P_i. h ist der Abstand der beiden Kreise aber auch der beiden Dreiecke D_B und D_P zueinander. Der Winkel A_Bi und A_Pi entstehen folgender maßen:

A_B₁ = Φ_B + π/6
A_P₁ = Φ_P + π/6
A_B₂ = 2/3 π - Φ_B + π/6	A_P₂ = 2/3 π - Φ_P + π/6
A_B₃ = 2/3 π + Φ_B + π/6	A_P₃ = 2/3 π + Φ_P + π/6
A_B₄ = -(2/3 π + Φ_B) + π/6	A_P₄ = -(2/3 π + Φ_P) + π/6
A_B₅ = -(2/3 π - Φ_B) + π/6	A_P₅ = -(2/3 π + Φ_P) + π/6
A_B₆ = -Φ_B + π/6	A_P₆ = -Φ_P + π/6

Fig. 3 zeigt einen einzelnen Stab 4 mit einer Kraftmeßdose 4a und zwei Gelenkköpfen 6. Zur Längenanpassung ist auf der lin ken Seite ein zusätzliches Ausgleichsteil 16 eingefügt.

Kraftmeßdosen zur Messung von Zug-Druckkräften beruhen auf dem Prinzip der Messung einer Dehnung eines sich verformenden ela stischen Teils mit Dehnmeßstreifen (DMS). Diese Aufnehmer sind für höhere Genauigkeitsklassen teuer. Eine Zerstörung der Auf nehmer stellt unter Umständen einen beträchtlichen wirtschaft lichen Verlust dar.

Fig. 5 ist ein pleuelförmiger Stab in der Draufsicht und mit einem Schnitt durch die Stabachse dargestellt. An den beiden Stabenden befinden sich die Gelenklager. Durch diese konstruk tive Bauart nimmt der Stab nur Zug-/Druckkräfte auf. Diese werden über Dehnmeßstreifen, die definiert am Stab angebracht sind, aus der dort auftretenden Längenänderung bei einer Bean spruchung erfaßt.

Eine Alternative ist somit der Einsatz berührungslos ar beitener Abstandsmeßsysteme. Die Kraftmeßdose in dem Stab wird in diesem Fall durch einen elastischen Körper ersetzt. Ein pa rallel zum Stab gerichteter Abstandssensor mißt die Längenän derung. Für den Einsatz kommen verschiedene Systeme in Frage, zum Beispiel:

a) ohmsche, induktive bzw. kapazitive Abstandsmeßsysteme
b) Wirbelstromsensoren
c) Glasfasersensoren im Einweg- oder Reflexbetrieb

Aus dieser Anwendung ergibt sich ein Vorteil:
Die Elastizität des Meßkörpers ist frei wählbar. Sie kann im Bereich des verwendeten Metalls liegen oder durch eine Feder konstruktion beträchtlich erhöht werden. Dadurch wird aus dem steifen KMS-Sensor ein nachgiebiger bzw. weicher Sensor. Diese Eigenschaft bringt in bestimmten Anwendungen Vorteile mit sich:

- Wird der Sensor als Führungssensor im Master-Slave-Betrieb (MSB) von Robotern verwendet, so kann der Bediener (Master) den Masterroboter gefühlvoller führen, als mit einem stei fen Sensor.
- Der weiche KMS-Sensor kann als Füge- oder Montagesensor verwendet werden, d. h. durch die Nachgiebigkeit des Sensors wird ein Verkanten beim Fügen eines Bauteils verhindert.
- Eine Erhöhung der Elastizität bringt für das Regelungsver halten des kraft-/positionsgesteuerten Roboters eine Ver besserung mit sich.
- Etwaige Stöße auf den Sensor werden durch die Nachgiebig keit gedämpft.

Bezugszeichenliste

1 Kraft-Momenten-Sensor, KMS
2 Basis, Platte
3 Plattform, Platte
4 Stab
4a Kraftmeßdose
6 Gelenkkopf
B_i Lagerpunkt
P_i Lagerpunkt
7 Achse, Lagerachse
R_x, R_y, R_z Kräfte im kartesischen Koordinatensystem
M_x, M_y, M_z Momente im Koordinatensystem
8 Sensorachse
10 Zylinder
11 Zylinder
12 Ringspalt
13 Bohrungen
14 Bolzen
15 Kreis
16 Ausgleichstück
x, y, z Kartesisches Koordinatensystem
D_B Dreieck, Basisdreieck
D_P Dreieck, Plattformdreieck
h Abstand

Claims

1. Kraft-Momenten-Sensor (KMS), bestehend aus zwei im kräfte freien Zustand zueinander parallelen, auf einer gemeinsamen Achse liegenden starren Platten mit vorbestimmtem Abstand zueinander, die elastomechanisch gekoppelt sind und an die ser elastomechanischen Kopplung Meßgeber angebracht sind, die ein zur Länge des jeweiligen Meßgeber proportionales elektrisches Signal abgeben können, wobei die Meßgeber der art angebracht sind, daß eine beliebige Kraft- und Moment wirkung auf die Platten erfaßt werden kann, gekennzeichnet durch die Merkmale, daß

- die elastomechanische Kopplung zwischen den Platten (2, 3) aus sechs in unbelastetem Zustand gleichlangen ela stischen Stäben (4) besteht;
- ein solcher Stab (4) mit seinem ersten Ende von einem Lagerpunkt (B_i) auf einem zur Z-Achse konzentrischen Kreis der einen Platte (2) der Basis, auf einen Lager punkt (P_i) auf einem zur Achse konzentrischen Kreis des selben Durchmessers auf der anderen Platte (3), der Plattform, führt, dort mit seinem zweiten Ende gelagert ist und von einem unmittelbar benachbarten Lagerpunkt (P_i+1) ein nächster Stab wieder in derselben Art zur an deren Platte (2) führt, bis der letzte Stab (4) mit sei nem zweiten Ende am ersten Lagerpunkt (B_i) unmittelbar benachbart gelagert ist und dadurch auf jeder Platte (2, 3) drei Lagerpunktpaare bestehen, die auf den Ecken ei nes gleichseitigen Dreiecks liegen, dessen Schwerpunkt sich auf der zugehörigen Plattenachse befindet, wobei im unbelasteten Zustand die beiden Dreiecke um sechzig Grad gegeneinander verdreht sind;
- die Stäbe (4) in ihren jeweils beiden Lagerpunkten (B_i, P_i) so gelagert sind, daß nur Kräfte in Richtung der je weiligen Stabachse (8) auf die zugehörigen Lager über tragen werden;
- die Stäbe (4) einzeln austausch- und ersetzbar sind, ohne den Kraft-Momenten-Sensor (1) überhaupt eichen zu müssen;
- der modulare Aufbau des KMS (1) und die bekannten glei chen Eigenschaften der Stäbe (4) über eine rechnerisch ermittelte Koppelmatrix C zwischen Krafteinwirkung auf die Platten (2, 3) und Dehnung infolge in den Stäben (4) die elastomechanischen Eigenschaften des KMS (1) angeb bar sind, wodurch sich eine Eichung mit Normkräften erübrigt.

2. KMS nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (4) an ihrem Ende in den Lagerpunkten (Bi, Pi) frei drehbar gelagert sind.

3. KMS nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geeignet geformten Stäbe (4) an signifikanter Stelle zur Messung der longitudinalen Dehnung mit Dehnmeßstreifen versehen sind.

4. KMS nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau eines solchen Stabes (4) aus zwei Gelenkköpfen (6) besteht, die durch eine Kraftmeßdose (4a) vorbestimmter Elastizität miteinander verbunden sind.

5. KMS nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraft aufnehmer ein pleuelstangenförmiger Stab ist, dessen Enden mit je einem Gelenklager versehen sind und bei dem Län genänderungen über Dehnmeßstreifen, die am Stab angebracht sind, detektiert werden.

6. KMS nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher Stab (4) aus einer axial geführten Feder mit vorgegebenen mechnischen Eigenschaften besteht.

7. KMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ein solcher Stab (4) zusätzlich eine Dämpfungseinrichtung in axialer Richtung hat.

8. KMS nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu jedem Stab (4) eine ohmsche Längenmeßeinrich tung angebracht ist.

9. KMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß parallel zu jedem Stab (4) eine induktive Längenmeßeinrich tung angebracht ist.

10. KMS nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß parallel zu jedem Stab (4) eine kapazitive Meßeinrichtung besteht.

11. KMS nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß entlang eines jeden Stabes (4) eine Längenmeßeinrichtung nach dem Wirbelstromprinzip angebracht ist.

12. KMS nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß entlang den Stäben angebrachte Glasfasersensoren die Län genänderung im Einweg oder Reflexbetrieb erfassen.

13. KMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßwertgeber an oder entlang der Stäbe an einen Rechner angeschlossen sind.

14. KMS nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Überlastschutz eingebaut ist, der aus zwei sich überlappenden Zylindern (10, 11) besteht, die je weils mit einer Platte (2, 3) starr verbunden sind und gleichverteilt um den Umfang des äußeren Zylinders minde stens drei Bolzen (14) paßgenau und radial eingelassen haben, die mit ihren Ende in den inneren Zylinder (10) ra gen und dort jeweils ein vorgegebenes Spiel haben.