DE4312843A1 - Zugkraftmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zugkraftmeßeinrichtung zur Messung von Zugkräften von laufenden Endlosmaterialien, welche über eine Umlenkeinrichtung geführt sind und dort mit ihrer resul­ tierenden Kraft auf den federnden Teil eines ortsfesten Meßkörpers einwirken, dessen dabei auftretende Verformung erfaßt und aus­ gewertet wird.

Eine solche Zugkraftmeßeinrichtung ist bekannt in der Verwendung als Bandzugmeßnabe mit einem Nabengehäuse, welches mittels eines ortsfesten Flansches am Maschinengestell festgelegt wird. In dem Gehäuse ist der Meßkörper angeordnet, welcher in einem Innen­ durchmesser eine Lagerung trägt. Diese Lagerung dient der Lagerung einer Welle, Walze oder dergleichen. Der Meßkörper ist einseitig fest im Gehäuse angeschlagen. Hieraus ergibt sich, daß derartige Bandzugmeßnaben nur bei endseitiger Lagerung verwendbar sind. Insbesondere ist eine fliegende Lagerung der Umlenkeinrichtung nicht möglich. Weiterhin wird bei dieser Bauform die maximal ertragbare Überlast durch das Gehäuse bestimmt. Deshalb ist die Dimensionierung des Gehäuses nach dem maximal möglichen Lastfall auszulegen.

Dies gilt auch, wenn man berücksichtigt, daß der Meßkörper gegen­ über dem Gehäuse mit Anschlagschrauben gegen Überlast gehalten wird. Es hat sich herausgestellt, daß sich die Anschlagschrauben lösen können, sowohl durch den regulären Betrieb infolge von Vibrationen als auch durch unbefugtes Manipulieren. Außerdem zeigt sich, daß sich die Anschlagschrauben bei häufigem Auftreten von Überlasten in den Meßkörper einarbeiten und sich deshalb der vorgegebene Maximalhub im Lauf der Zeit verändert. Will man diesen nachjustieren, so bleibt nur die Möglichkeit, die Verdrehsicherung der Schrauben bei ausgebautem Sensor zu zerstören und diesen in einem geeichten Prüfstand nachzujustieren.

Hieraus ergibt sich der Nachteil, daß, sofern hohe Überlasten zu erwarten sind, nur Sensoren mit relativ großen Gehäusen und / oder geringer Auflösung Verwendung finden können. Demzufolge ist bei diesen Bandzugmeßnaben die Auflösung abhängig von der maximalen Überlast.

Weiterhin ist aus der DE-OS 41 08 555 (=Fü/1/3) eine Meßdose bekannt. Auch diese Meßdose verlangt nach endseitiger Befestigung. Eine fliegende Lagerung ist mit dieser Meßdose ebenfalls nicht möglich. Allerdings tritt bei dieser Meßdose eine erheblich ver­ besserte Überlastfähigkeit auf, da der Meßkörper einen integrier­ ten Überlastanschlag besitzt. Dieser Überlastanschlag ist jedoch nur in der Meßrichtung wirksam, bzw. solange die Kraftrichtung im wesentlichen mit der Meßrichtung zusammenfällt.

Beiden bekannten Zugkraftmeßeinrichtungen ist zueigen, daß eine modulare Bauweise ermöglicht ist, diese jedoch ihre Grenzen an den oben gezeigten Nachteilen findet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Zugkraftmeßeinrichtung zu schaffen, die eine modulare Bauweise ermöglicht, indem sowohl eine endseitige Befestigung, als auch eine fliegende Lagerung der Umlenkeinrichtung an ein und demselben Meßkörper vorgesehen werden kann, wobei insbesondere bei einfachster Fertigung nur ein einziges Prinzip verfolgt werden soll.

Diese Aufgabe wird bei der bekannten Zugkraftmeßeinrichtung da­ durch gelöst, daß der Meßkörper mit einem Einspannbereich fest auf einem ortsfest eingespannten Dorn (Wellenachse) sitzt und einen Lagerbereich mit Wälzkörperlagerung für die Umlenkeinrichtung aufweist, der in Kraftrichtung frei beweglich gegenüber dem Dorn ist, wobei Einspannbereich und Lagerbereich über Biegefedern miteinander verbunden sind.

Aus der Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß die Zugkraftmeßein­ richtung, nachfolgend auch Sensor genannt, eine kompakte Bauform aufweist.

Es ist wesentlich für die Erfindung, daß sie ohne zusätzliche Beanspruchung von Platz innerhalb aller bereits vorhandenen Befes­ tigungsbauweisen angewandt werden kann. Somit verbleibt die ge­ samte Befestigungsperipherie der Umlenkeinrichtung unverändert, wendet man die Erfindung zur Zugkraftmessung an. Zusätzliche, den Platzbedarf erweiternde Maßnahmen sind nicht erforderlich.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Messung mit einer variablen Winkeleinbaulage erfolgen kann. In diesem Fall hat die Erfindung nämlich richtig erkannt, daß der Meßkörper in beliebigem Drehwinkel auf dem Dorn befestigt werden kann. Außerdem läßt sich mit der Erfindung die Winkellage zwischen der Richtung der resul­ tierenden Kraft und der Meßachse der Zugkraftmeßeinrichtung ver­ stellbar vorsehen. Hierzu ist lediglich die Einspanneinrichtung für den Dorn drehbar zu lagern, so daß der Dorn zusammen mit der erfindungsgemäßen Zugkraftmeßeinrichtung bei Bedarf gedreht werden kann.

Hierauf wird noch eingegangen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin, daß die bewegten und federnd gelagerten Massen sehr gering sind. Die bewegten Massen werden lediglich von der Masse der Umlenkeinrichtung und der Masse des Lagerbereichs mit dem jeweils zugehörigen Lager bestimmt. Der Dorn ist im Verhältnis zu diesen Massen mit einer erheblich größeren Masse ausgestattet, so daß er an einer etwaigen Schwingungsanregung praktisch unbeteiligt ist. Folglich läßt sich mit der Erfindung vorteilhaft die Eigenfrequenz des Systems er­ höhen. Die damit erreichbare hohe Steifigkeit ist für derartige Sensoren erwünscht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, erstmalig einen Sensor zu haben, mit dem eine fliegende Lagerung realisier­ bar ist, und dies bei exakter Einhaltung der reproduzierbaren Meßgenauigkeit unabhängig von der Krafteinleitungsstelle, wie im folgenden noch gezeigt wird.

Der Vorteil, der sich hieraus ergibt, liegt in einer vereinfachten Lagerhaltung mit einer sehr geringen Anzahl unterschiedlicher Baugrößen, die trotzdem den gesamten geforderten Meßbereich ab­ deckt. Dieser Vorteil wird unter anderem dadurch unterstützt, daß mit der Erfindung, sofern der Dorn drehbar gelagert ist, die Nennmeßkraft durch einfache Einstellung eines Winkels zwischen der Meßachse und der Richtung der resultierenden Kraft vorbestimmt werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Hebelarm-unab­ hängigen Messung beim Einsatz zur Bahnzugmessung. Die Erfindung macht sich dann nämlich die Erkenntnis zunutze, daß die zu mes­ sende Kraft stets auf beide Sensoren einwirkt und zwar mit kon­ stanter Summe durch Addition beider Meßsignale. Unabhängig von der Stelle der Krafteinleitung in die Umlenkeinrichtung wird die Kraft nämlich stets durch Summenbildung erfaßt.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 bietet den Vorteil, daß die maximale Überlast, welcher der Sensor standzuhalten hat, nicht vom Sensor bestimmt wird, sondern lediglich von der Dimensionierung und Festigkeit des Dorns. Demzufolge ist auch bei hohen zu erwar­ tenden Überlasten die Möglichkeit sehr feiner Auflösung für die zu messenden Nennlasten gegeben, ohne den Meßkörper auf die Überlast auslegen zu müssen. Die Baugröße ist somit unabhängig von der Überlast. Außerdem ist ein wesentlicher Vorteil darin zu sehen, daß der überlastanschlag in jedem Winkel innerhalb eines Vollkrei­ ses von 360 Grad wirkt. Bei dem bekannten Sensor wirkt der durch die Anschlagschrauben definierte Überlastanschlag lediglich in Längsrichtung der Schrauben. Erfahrungsgemäß tritt jedoch eine Überlast stets aus unvorhersagbarer Richtung auf, so daß der Über­ lastanschlag des bekannten Sensors nur in einer sehr geringen Zahl von Überlastfällen voll wirksam sein kann.

Die Merkmale des Anspruchs 3 betreffen eine Weiterbildung mit dem Vorteil, daß sich hieraus ein sogenannter Doppelbiegebalken er­ zeugen läßt. Dessen Vorteile sind jedoch allgemein bekannt. Des­ halb soll hierauf nicht weiter eingegangen werden.

Die freien Enden der Biegefedern sind mit dem Lagerbereich der Wälzkörperlagerung verbunden. Dieser Lagerbereich übernimmt die Funktion des starren Lenkers für beide Doppelbiegebalken. Die Weiterbildung nach Anspruch 4 bietet den Vorteil, daß sich der­ artige Sensoren ohne weiteres in großen Stückzahlen und im Durch­ laufverfahren auf entsprechend programmierbaren Maschinen herstel­ len lassen.

Die damit erzeugbare gleichbleibende Federsteifigkeit einer Viel­ zahl von Sensoren kommt der Forderung nach universellen und aus­ tauschbaren Funktionsmodulen vorteilhaft entgegen.

Die Weiterbildung nach Anspruch 5 dient der Erhöhung der Empfind­ lichkeit. Mit diesen Maßnahmen wird eine Beseitigung des Rohrquer­ schnitts in den elastischen Zonen erreicht, so daß die Zonen linear elastisch verformt werden. Dazwischenliegende Bereiche können jedoch zur Erhöhung der Steifigkeit mit einem entsprechenden Querschnitt höheren Widerstandsmoments versehen werden.

Die Merkmale des Anspruchs 6 dienen einer einfachen Montage eben­ so, wie der einfachen Auswechselbarkeit. Hierzu bieten sich insbe­ sondere die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 7 und 8 an.

Die Weiterbildung nach Anspruch 9 betrifft eine Zugkraftmeßein­ richtung, die zur Zugkraftmessung bahnförmigen Gutes geeignet ist.

In diesem Fall ist ein Paar von Meßkörpern von jeweils einer der offenen Walzenseiten in das Walzeninnere hineinragend angeordnet und auf jeweils einem separaten, frei auskragenden Dorn gelagert.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, den Dorn durchgehend aus­ zugestalten und an beiden Enden jeweils fest einzuspannen. Ande­ rerseits sitzen jedoch die beiden Meßkörper paarweise auf dem Dorn und tragen die Wälzkörperlagerung für die Umlenkwalze.

Die Weiterbildung nach Anspruch 10 bietet erstmals die Möglich­ keit, eine Umlenkwalze mit Hebelarm-unabhängigem Meßergebnis fliegend zu lagern.

Hierbei kommt der Weiterbildung nach Anspruch 10 besonderes Augen­ merk zu. In diesem Fall läßt sich nämlich mit Hilfe der Erfindung eine Bahnzugmessung mit einem einzigen Sensor zuverlässig durch­ führen, wobei allerdings die axiale Länge der Umlenkwalze not­ wendigerweise begrenzt sein muß. Diese Weiterbildung bietet sich vorteilhaft dann an, wenn man übersehen kann, daß die zu messende Kraft stets an der gleichen Stelle in den Sensor eingeleitet wird.

Diesen drei Ausführungsformen kommt die Weiterbildung nach An­ spruch 12 zugute, womit eine Verschmutzung des Walzeninneren vermieden wird.

Anspruch 13 betrifft eine Weiterbildung mit spiel freier Passung zwischen Dorn und Meßkörper, so daß bereits mit geringen Klemm­ kräften ein fester Sitz des Meßkörpers auf dem Dorn gewährleistet ist. Die geringen Klemmkräfte bewirken geringe Materialverspannun­ gen und ermöglichen somit hohe Meßgenauigkeit.

Durch diese Merkmale kann der Sensor sehr leicht und kompakt ausgeführt werden, und dies mit hoher Steifigkeit und hoher Eigen­ frequenz.

Die Weiterbildung nach Anspruch 14 bietet den Vorteil, daß sich die Erfindung die, an sich bekannte, Stützwirkung eines Werkstoffs zunutze macht. Diese Stützwirkung beruht, wie an sich bekannt, darauf, daß die äußeren Materialschichten des Dornes eine höhere Festigkeit besitzen als der Dorn im Bereich seiner neutralen Faser.

Demzufolge wirkt der Dorn steifer und stabiler und kann bei glei­ cher Baugröße höhere Lasten aufnehmen.

Als Härteverfahren kommen insbesondere die Oberflächenhärteverfah­ ren wie Nitrieren oder Abschrecken in Frage.

Die Weiterbildung nach Anspruch 15 bietet den Vorteil der ein­ fachen Herausführung der elektrischen Verbindungsleitungen aus dem Bereich des Meßkörpers.

Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Verformung des Meßkörpers optisch oder kapazitiv, das heißt berührungslos, zu erfassen.

Die Ausführungsform nach Anspruch 15 kann zum Beispiel als soge­ nannte Wheatstone′sche Vollbrücke realisiert werden, die bereits bei geringen Verstimmungen zu einem zuverlässigen Ausgangssignal führt.

Hierzu bietet die Weiterbildung nach Anspruch 16 den Vorteil, daß die Verbindungsleitungen unsichtbar verlegt werden können.

Die Weiterbildung nach Anspruch 17 ist mit einfachen Mitteln zu fertigen.

Die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 18-20 betreffen vorteil­ hafte Ausgestaltungen.

Die Weiterbildung nach Anspruch 20 ermöglicht sowohl das berüh­ rungslose Abtasten des Belastungsweges als auch den Einsatz von kapazitiven, induktiven Meßwertaufnehmern oder Hall - Elementen zur Verwendung im Sinn der Erfindung. Gleichsam kann ein berüh­ rungsloses Laser - Abtastsystem von Vorteil sein.

Wesentlich ist, daß die Wegerfassung nicht zwangsläufig an den Biegefedern erfolgen muß, sondern grundsätzlich an allen beweg­ baren Teilen der Zugkraftmeßeinrichtung stattfinden kann.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 22 ermöglicht, daß der Meßbereich des Sensors durch einfaches Verdrehen zwischen der Richtung der angreifenden Kraft und der Meßachse beliebig einges­ tellt werden kann. Hierdurch lassen sich mit einer sehr geringen Anzahl von Meßkörpern praktisch alle auftretenden Meßbereiche abdecken.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Umlenkeinrichtung für einen Faden.

Fig. 1a ein Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit einem drehbar gelagerten Dorn.

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 1 mit einem Anschlag am Dorn.

Fig. 3 eine Detailansicht des Meßkörpers in Seiten­ ansicht.

Fig. 4 eine Ansicht von oben des Meßkörpers gemäß Fig. 3.

Fig. 5 eine Detailansicht des zweiteiligen Meßkör­ pers in Seitenansicht.

Fig. 6 eine axiale Aufsicht des Ausführungs­ beispiels nach Fig. 5.

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer auskragend gelagerten Bahnumlenkwalze.

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer beidseitig gelagerten Bahnumlenkwalze.

Fig. 8a ein Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 mit drehbar gelagertem Dorn.

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel mit einer beidseitig auskragend gelagerten Bahnumlenkwalze.

Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungs­ gemäßen Dorn mit Längsschlitz zur Kabelver­ legung.

Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zentra­ ler Kabelverlegung.

Fig. 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Bahnum­ lenkwalze und einem einzigen Sensor.

Sofern im folgenden nichts anderes gesagt ist, gilt die nun fol­ gende Beschreibung stets für alle Fig. 1-12.

Die Figuren zeigen eine Zugkraftmeßeinrichtung 1 zur Messung von Zugkräften an laufenden Endlosmaterialien, welche über eine Um­ lenkeinrichtung 2 geführt sind und dort mit ihrer resultierenden Kraft auf den federnden Teil eines ortsfesten Meßkörpers ein­ wirken, dessen dabei auftretende Verformung erfaßt und ausgewertet wird.

Eine derartige Zugkraftmeßeinrichtung ist z. B. gemäß Fig. 1 und 2 mit einer Umlenkrolle 4 für einen laufenden Faden 31 versehen. Im Fall der Fig. 7 ist die Umlenkeinrichtung als Umlenkwalze 5 ausgebildet, welche der Umlenkung einer laufenden Bahn 32 dient.

Im vorliegenden Fall ist jeder Meßkörper 3 mit einem Einspann­ bereich 6 und einem Lagerbereich 7 versehen. Der Einspannbereich 6 und der Lagerbereich 7 sind vorzugsweise zueinander koaxial und konzentrisch ausgebildet und über die Biegefedern 10, auf welche noch genauer eingegangen wird, miteinander verbunden.

Der Einspannbereich weist eine Innenbohrung für den Dorn auf. Der Lagerbereich bildet auf seinem Außenumfang einen Lagersitz für Wälzkörperlagerung.

Jeder Meßkörper 3 sitzt nun mit seinem Einspannbereich 6 fest auf einem ortsfest eingespannten Dorn 8, der die Wellenachse für die Umlenkeinrichtung, nämlich die Umlenkrolle 4 bzw. die Umlenkwalze 5, bildet.

An dem Lagerbereich des Meßkörpers 3 ist eine Wälzkörperlagerung vorgesehen, die aus einem Wälzlager 9 besteht, an welchem die Umlenkeinrichtung 4, 5 drehbar gelagert ist.

Mit dem Einspannbereich 6 ist der Meßkörper 3 derart fest an dem Dorn 8 angebracht, daß der Lagerbereich 7 gegenüber dem Dorn 8 wenigstens in Richtung der resultierenden Kraft, mit welcher das Endlosmaterial am Lagerbereich angreift, frei beweglich ist. Es ist ersichtlich, daß das Endlosmaterial die Umlenkeinrichtung teilweise umschlingt, und somit mit einer resultierenden Kraft an der Umlenkeinrichtung angreift. Hierauf soll jedoch nicht weiter eingegangen werden, da dies allgemein bekannt ist.

Im Fall des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 ist der Lagerbereich 7 gegenüber dem Dorn 8 vollkommen frei beweglich. Eine derartige Zugkraftmeßeinrichtung ist dann zu wählen, wenn die Gefahr einer Überlastung des Meßkörpers 3 nicht besteht. Dies kann zum Beispiel bei sehr dünnen Fäden mit lediglich geringer Reißfestigkeit der Fall sein, wenn zu erwarten ist, daß vor einer Überlastung des Sensors ein Fadenriß auftritt.

Für bestimmte Anwendungsfälle kann es jedoch vorteilhaft sein, eine Überlastsicherheit vorzusehen. In diesem Fall bieten sich die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 2 bis 9 an.

In diesem Fall sind nämlich Dorn 8 und Meßkörper 3 derart zueinan­ der angeordnet, daß der Lagerbereich 7 einen durch Anschlag am Dorn 8 begrenzten Hub ausführt. Wie sich erkennen läßt, ist der Lagerbereich ringförmig ausgebildet und trägt auf seinem Außenum­ fang das Wälzlager 9. Die Innenbohrung des Lagerbereichs 7 ist mit einem Durchmesser ausgestattet, der gegenüber dem Außendurchmesser des Dornes 8 geringfügig größer ist.

In diese Bohrung des Lagerbereichs 7 stößt der Dorn 8 mit seinem freien Ende hinein.

Es ist ersichtlich, daß zwischen dem Innendurchmesser des Lager­ bereichs 7 und dem Dorn 8 ein Ringspalt 11 verbleibt, der im Normallastfall berührungsfrei ist.

Tritt jedoch, aus welchen Gründen auch immer, eine Überlast auf, so wird der Lagerbereich 7 zunächst innerhalb des freien Hubes 12, den der Ringspalt 11 gewährleistet, soweit ausfedern, daß er auf den Anschlag 13 trifft, den der Dorn 8 mit seinem freien Ende bietet. Dabei erfolgt ein flächiges Anliegen der beiden Anschlag­ zonen gegeneinander. Somit läßt sich bei geringer Flächenpressung eine gute Kraftverteilung erzielen.

In diesem Fall liegt der Lagerbereich 7 nun auf dem Anschlag 13 auf. Eine weitere Belastung des Lagerbereichs wird also ohne weitere Verformung der Biegefedern unmittelbar in das freie Ende des Dornes 8 eingeleitet, der, im Verhältnis zu den Biegefedern 10 so stabil ist, daß er dieser Last spielend standhält. Eine Defor­ mation der Biegefedern 10 außerhalb des elastischen Bereichs ist somit vollkommen ausgeschlossen.

Der Meßkörper ist somit nicht im Hinblick auf Überlasten zu dimen­ sionieren, sondern lediglich im Hinblick auf die Größe der zu messenden Kraft.

Wie weiterhin aus den Fig. 3 und 4 zu erkennen ist, sind Ein­ spannbereich 6 und Lagerbereich 7 durch zwei bezüglich der Dorn­ achse (strichpunktierte Linie) diametrale Biegefedern 10 ver­ bunden. Die Biegefedern 10 sind gleichartig ausgebildet und er­ strecken sich vom Einspannbereich 6 zum Lagerbereich 7 beidseits der Oberfläche des Dornes 8 und mit Abstand zu dieser. Im Lager­ bereich sind sie mit dem als Lenker wirkenden zylindrischen Ende des Meßkörpers 3 verbunden. Im Einspannbereich sitzen sie fest an dem ebenfalls zylindrischen Einspannteil des Meßkörpers 3. Auf diese Weise werden Doppelbiegebalken gebildet, deren Vorteile hinlänglich bekannt sind. Auf diesen an sich bekannten Sachverhalt wird deshalb nicht weiter eingegangen.

Es ist jedoch ersichtlich, daß der Meßkörper 3 aus einem ein­ stückigen rohrförmigen Teil besteht, aus welchem die Biegefedern 10 durch sekantiale Ausnehmungen 14 aus den Rohrwandungen erzeugt wurden, gegebenenfalls mit Rundungsradien endseitig. Wie hierzu Fig. 4 erkennen läßt, die eine Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 aus Richtung IV ist, wurden aus dem einstückigen, ursprünglich rohrförmigen Teil, z. B. mit Hilfe eines Fräsers, die Ausnehmungen 14 sekantial herausgetrennt, wodurch lediglich die schmalen Biegefedern stehengeblieben sind, deren Verformung letzt­ lich gemessen und ausgewertet wird.

Es ist ersichtlich, daß man mit der Tiefe T der sekantialen Aus­ nehmungen die Empfindlichkeit des Sensors beeinflussen kann. Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung liegt darin, daß die Biege­ federn senkrecht zu der Ebene der Ausnehmung sekantial abgeflacht sein können. Wie hierzu Fig. 3 zeigt, können die Biegefedern sowohl vom Rohrinneren als auch vom Rohraußenmantel her abgeflacht sein. In diesen Fällen wird die ursprünglich gekrümmte Rohrman­ telkontur der Biegefedern zu einer Kontur rechteckigen Quer­ schnitts mit dem Vorteil einer linearen und genau reproduzierbaren Verformung.

Hierin ist, darauf soll besonders hingewiesen werden, ein wesent­ licher Vorteil der Erfindung zu sehen, da mit einfachsten Fer­ tigungsverfahren ein vielseitig verwendbarer Sensor erzeugt wird.

Wie die Fig. 3 bis 6 insbesondere zeigen, ist es vorteilhaft, wenn der Einspannbereich 6 am Dorn 8 mit einer Klemmbefestigungs­ einrichtung 16 angebracht ist.

Die Fig. 3 und 4 unterscheiden sich jedoch von dem Ausführungs­ beispiel gemäß den Fig. 5 und 6. Während bei den Ausführungs­ beispielen nach Fig. 3 und 4 der Einspannbereich 6 einen radial verlaufenden Schlitz, der den Dorn schneidet, aufweist, so daß beidseits der Schlitzebene ein Flansch 19a, sowie ein Flansch 19b stehenbleiben, die mittels einer Achsialschraube 18 gegeneinander verspannt werden, so ist das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 5 und 6 zweiteilig ausgebildet. Hierauf wird im folgenden noch eingegangen werden. Es ist ersichtlich, daß nach dem Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 3 der unmittelbar mit den Biegefedern 10 verbundene Flansch 19a mit einem Innengewinde versehen ist, während der andere der beiden Flansche lediglich eine Spannfläche auf­ zuweisen braucht. In den Flansch mit der Spannfläche ist eine Durchgangsbohrung eingebracht, welche koaxial zu der Gewindeboh­ rung des Flansches 19a liegt. Die eingesteckte Schraube ist mit ihrem Gewinde lediglich in dem Gewinde des Flansches 19a verschraubt und besitzt endseitig ein gewisses Spiel zum Ende der Gewindesackbohrung.

Hierdurch läßt sich die Schraube frei anziehen und eine Klemmbefestigung des Einspannbereichs 6 erzielen. Das Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 5 bzw. Fig. 6, ist, wie gesagt, zwei­ teilig. Die radiale Teilungsebene ist mit 20 gekennzeichnet. In diesem Fall ist auf dem Dorn 8 ein Klemmring 22 aufgebracht, der an seinen beiden stirnseitigen Enden konisch verjüngt ist. Jeder der beiden Teile des Einspannbereichs 7 ist von der Teilungsebene ausgehend zunächst einmal geradzylindrisch angebohrt mit einem Innendurchmesser, welcher dem geradzylindrischen Außendurchmesser des Klemmrings 22 entspricht. Die Gesamtlänge der beiden gerad­ zylindrischen Bohrungen ist etwas geringer als die gerad­ zylindrische Länge des Klemmrings 22, so daß zwischen den beiden Teilen des Einspannbereichs 6 ein Ringspalt verbleibt. Mit ihren inneren Bereichen sind diese beiden Teile mit einer konisch ver­ jüngten Kegelbohrung versehen, deren Bohrungswinkel dem Konus­ winkel des Klemmrings 22 im wesentlichen entspricht. Der so ent­ stehende Einspannbereich 6 wird mittels der, vorzugsweise sym­ metrisch, vorzugsweise ringförmig angeordneten Axialschrauben 18 gegen die sich konisch erweiternden Bereiche des Klemmrings 22 gepreßt, wodurch beim axialen Zug der Spannschrauben eine Klemm­ wirkung entsteht, welche den Meßkörper 3 mit seinem Ein­ spannbereich 6 fest auf dem Dorn 8 fixiert.

Wie weiterhin Fig. 6 zeigt, ist es vorteilhaft, den Klemmring 22 in Längsrichtung zu schlitzen (Längsschlitz = 33), um einerseits die Montage leicht durchführen zu können und andererseits eine radiale Pressung des Klemmrings 22 auf dem Dorn 8 zu ermöglichen, wenn die Axialschrauben 18 angezogen werden.

Wie weiterhin Fig. 6 zeigt, kann wenigstens einer der einzelnen Teile des Einspannbereichs 6 mit einem Abdrückgewinde 34 versehen sein, um die Demontage des Meßkörpers 3 zu erleichtern.

Die Fig. 7-9 zeigen darüber hinaus, daß die Umlenkeinrichtung 2 als Umlenkwalze 5 ausgebildet ist, welche an zwei Meßkörpern 3 gelagert ist, die auf einem gemeinsamen Dorn 8 oder auf zwei Dornen 8 angeordnet sind. Im Fall des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 sind die beiden Meßkörper 3 einspannseitig und endseitig an einem einzigen Dorn 8 angeordnet, der lediglich von einer Stirnseite in die Umlenkwalze 4 hineinragt. Diese Umlenkwalze ist also fliegend gelagert. Dabei sitzen, wie sich aus Fig. 7 erken­ nen läßt, die beiden Meßkörper so, daß sie mit ihren Ein­ spannbereichen 6 jeweils der festen Einspannstelle des Dornes 8 zugewandt sind. Hierdurch ergeben sich die geringstmöglichen Biegemomente für den Dorn 8.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 ist der Dorn 8 beidseitig ortsfest gelagert und durchstößt hierzu die beiden stirnseitigen Öffnungen der Umlenkwalze 5.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 9. In diesem Fall ragt in jeweils eine der stirnseitigen Öffnungen der Umlenkwalze 5 ein separater Dorn 8 hinein. Die Dorne 8 berühren sich einander nicht.

Es ist ein wesentlicher Vorteil für die Erfindung, daß für diese Ausführungsfälle gemäß den Fig. 7-9 die in die Meßkörper 3 eingeleitete Kraft unabhängig vom Ort der Einleitung ist. Dies folgt daraus, daß die Signale, die von den Meßstellen der einzel­ nen Meßkörper 3 ausgehen, elektrisch addiert werden. Somit erfolgt stets eine Summenmessung der eingeleiteten Kraft und zwar im Ergebnis unabhängig von der Einleitungsstelle.

Weiterhin können die Meßkörper 3 relativ zueinander so verdreht werden, oder so zueinander verdrehbar sein, daß jeder der Meß­ körper in einer anderen Ebene mißt. Das kann z. B. für eine Bahn­ kantensteuerung nützlich sein.

Wie die Figuren weiterhin zeigen, sitzt auf jeder der Biegefedern 10 jeweils ein Paar von sogenannten Dehnungsmeßstreifen (DMS). Jeweils vier derartige Dehnungsmeßstreifen können zu einer soge­ nannten Wheatstone′schen Vollbrücke zusammengeschaltet werden, die bereits bei geringen Verstimmungen ein genaues und großes Meßsignal liefert. Hierfür müssen innerhalb oder außerhalb der Meßkörper 3 die notwendigen elektrischen Leitungen verlegt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich deshalb aus den Figu­ ren 10 und 11.

Wie man nämlich dort erkennt, können die elektrischen Verbin­ dungsleitungen 25 von den Meßwertaufnehmern, den DMS 24, entlang des Dornes 8 nach außen geführt werden. Hierzu weist nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 der Dorn eine Längsausnehmung 26 auf, die als Oberflächenlängsschlitz 27 ausgebildet ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 unterscheidet sich hiervon. In diesem Fall ist die Längsausnehmung eine Längsbohrung 28, welche hier zentral zur Dornachse ausgebildet ist.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 ist der Oberflächen­ längsschlitz mit einem hinterschnittenen Querschnitt ausgebildet, in welchem eine Abdeckung 29 einrastend angebracht wurde. Gegeben­ enfalls können, wie man sich leicht vorstellen kann, zwei der­ artige Oberflächenlängsschlitze 27 in einer zur Richtung der angreifenden Kraft F senkrecht liegende Ebene 30 angeordnet wer­ den. Diese Oberflächenlängsschlitze 27 sind also paarweise vorhan­ den und liegen sich in der biegeneutralen Ebene 30 diametral gegenüber.

Wie weiterhin erkennbar ist, weist der Dorn 8 in allen Ausfüh­ rungsbeispielen einen kreisrunden Querschnitt auf, und der Ein­ spannbereich 6 besitzt einen Bohrungsdurchmesser, der dem Außendurchmesser des Sitzes auf dem Dorn angepaßt ist.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 bzw. 6 dient als Sitz der Außendurchmesser des Klemmrings 22, während dies im Fall des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 bzw. 4 unmittelbar die Dornoberfläche ist.

Wie man sich weiterhin vorstellen kann, kann im Eintrittsbereich des Dorns in die Umlenkwalze ein in Drehrichtung der Umlenkwalze nach außen förderndes Abweisgewinde 23 vorgesehen sein.

Zusätzlich zu dem bisher Gesagten zeigen die Fig. 1a und 8a Zugkraftmeßeinrichtungen, bei denen die Winkellage zwischen der resultierenden Kraft und der Meßachse der Zugkraftmeßeinrichtung durch Drehung des Dorns in einer drehbar gelagerten Einspannein­ richtung verstellbar ist.

Hierzu ist die Einspanneinrichtung des Dorns gegenüber dem Mas­ chinengestell drehbar gelagert (35), wobei die jeweilige Drehstel­ lung über einen starr mit dem Dorn verbundenen Hebel (36) und eine entsprechende Anlenkung (37) verändert werden kann. Es soll aus­ drücklich gesagt sein, daß die Drehstellung einerseits fest vor­ gegeben werden kann, um z. B. den Meßbereich des Sensors fest­ zulegen, und daß andererseits die Drehstellung auch während des Betriebes leicht von außen beeinflußt werden kann. Diesen Vorteil bietet die Erfindung im Gegensatz zu allen bislang bekannten Zugkraftsensoren.

Darüber hinaus zeigt Fig. 12 eine Zugkraftmeßeinrichtung, bei welcher die Umlenkeinrichtung als Umlenkwalze ausgebildet ist die an lediglich einem einzigen Meßkörper gelagert ist. Hierzu ist der Lagerbereich des Meßkörpers entsprechend breit zur Aufnahme eines entsprechend breiten zweireihigen Lagers oder, wie hier beispiel­ haft, zur Aufnahme von zwei zueinander beabstandeten einreihigen Lagern ausgelegt, um etwaige Kippmomente abzufangen.

Vorteilhafterweise bietet es sich an, die Geometrien so aufeinan­ der abzustimmen, daß die resultierende Kraft im wesentlichen in der Mitte der Biegefedern 10 angreift, sofern davon ausgegangen werden kann, daß die Lage der resultierenden Kraft dort liegt und sich nicht verändert.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen lediglich der Er­ läuterung und sollen nicht zur Einschränkung der Erfindung auf die gezeigten Fälle gegeben worden sein.

Bezugszeichenliste

1 Zugkraftmeßeinrichtung
2 Umlenkeinrichtung
3 Meßkörper
4 Umlenkrolle
5 Umlenkwalze
6 Einspannbereich
7 Lagerbereich
8 Dorn
9 Wälzlager
10 Biegefeder
11 Ringspalt
12 Hub
13 Anschlag
14 sekantiale Ausnehmung
15 Abflachung
16 Klemmbefestigungseinrichtung
17 Radialschlitz
18 Axialschraube
19a Flansch mit Gewinde
19b Flansch mit Spannfläche
20 Teilungsebene
21 konischer Bereich
22 Klemmring
23 Abweisgewinde
24 Dehnungsmeßstreifen (DMS)
25 Verbindungsleitungen
26 Längsausnehmung
27 Oberflächenlängsschlitz
28 Längsbohrung
29 Abdeckung
30 biegeneutrale Ebene
31 Faden
32 Bahn
33 Längsschlitz
34 Abdrückgewinde
35 Lagerung
36 Hebel
37 Anlenkung
T Tiefe

Claims (22)

1. Zugkraftmeßeinrichtung zur Messung von Zugkräften an laufenden Endlosmaterialien, welche über eine Umlenk­ einrichtung geführt sind und dort mit ihrer resul­ tierenden Kraft auf den federnden Teil eines orts­ festen Meßkörpers einwirken, dessen dabei auftretende Verformung erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper mit einem Einspannbereich fest auf einem ortsfest eingespannten Dorn (Wellenachse) sitzt und einen Lagerbereich mit Wälzkörperlagerung für die Umlenkeinrichtung aufweist, der in Kraftrichtung frei beweglich gegenüber dem Dorn ist, und daß Einspannbereich und Lagerbereich über wenigstens eine Biegefeder miteinander verbunden sind, vorzugsweise einstückig.

2. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Dorn und Meßkörper derart zueinander angeordnet sind, daß der Lagerbereich einen durch Anschlag am Dorn begrenzten Hub ausführt.

3. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einspannbereich und Lagerbereich durch zwei, bezüg­ lich der Dornachse im wesentlichen diametrale Biege­ federn verbunden sind.

4. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper aus einem einstückigen rohrförmigen Teil besteht, und daß die Biegefedern sekantiale Ausnehmungen aus den Rohr­ wandungen sind.

5. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefedern senkrecht zur Ebene der Ausnehmung wenigstens bereichsweise sekantial abgeflacht sind.

6. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspannbereich am Dorn mit einer Klemmbefesti­ gungseinrichtung angebracht ist.

7. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspannbereich einen radial verlaufenden und den Dorn schneidenden Schlitz aufweist, und daß quer zur Ebene des Schlitzes eine axiale Spannvor­ richtung die beidseits des Schlitzes verbleibenden Flansche gegeneinander verspannt.

8. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspannbereich in eine Radialebene geteilt ist, wobei jeder der beiden Teile eine von der Teilungs­ ebene konisch verjüngte Bohrung für den Dorn auf­ weist, und daß der Dorn einen beidseits konischen Klemmring trägt, gegen welchen die beiden Teile axial verspannbar sind.

9. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung als Umlenkwalze ausgebildet und an zwei Meßkörpern gelagert ist, die an jeweils einem und von jeweils einer Stirnseite frei in die Umlenkwalze hineinragenden Dorn angeord­ net sind.

10. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung als Umlenkwalze ausgebildet und an zwei Meßkörpern gelagert ist, die an einem einzigen von lediglich einer Stirnseite in die Umlenkwalze hineinragenden Dorn einspannseitig und endseitig angeordnet sind.

11. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung als Umlenkwalze ausgebildet und an einem einzigen Meßkörper gelagert ist, dessen La­ gerbereich zur Aufnahme eines Kippmonent-stabilen Lagers vorgesehen ist, wobei der Meßkörper an einem einzigen von lediglich einer Stirnseite in die Um­ lenkwalze hineinragenden Dorn angeordnet ist, und wobei vorzugsweise die Angriffsebene der resultieren­ den Kraft in der mittleren Normalebene der Biegefe­ dern liegt.

12. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Eintrittsbereich des Dornes in die Umlenkwalze ein nach außen förderndes Abweisgewinde angeordnet ist.

13. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn kreisrunden Querschnitt hat, und daß der Einspannbereich eine Bohrung aufweist, deren In­ nendurchmesser dem Außendurchmesser des Dornes ent­ spricht.

14. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn eine gegenüber seinem Kern gehärtete Ober­ fläche aufweist.

15. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefedern mit elektrischen Meßwertaufnehmern bestückt sind, und daß elektrische Verbindungsleitungen von den Meßwert­ aufnehmern entlang des Dornes nach außen geführt sind.

16. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn eine Längsausnehmung aufweist, innerhalb dessen die Verbindungsleitungen geführt werden.

17. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsausnehmung ein Oberflächenlängsschlitz am Dorn ist.

18. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenlängsschlitz einen hinterschnittenen Querschnitt aufweist und mit einer einrastenden Ab­ deckung versehbar ist.

19. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenlängsschlitz im wesentlichen in der biegeneutralen Dornebene angeordnet ist.

20. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenlängsschlitz paarweise vorhanden und zueinander paarweise diametral angeordnet ist.

21. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammen mit dem Lagerbereich bewegbare Bereich der Zugkraftmeßeinrichtung mit wenigstens einem Weg­ erfassungssensor versehen ist, der die Verformung des Meßkörpers erfaßt und auswertet.

22. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkellage zwischen der resultierenden Kraft und der Meßachse der Zugkraftmeßeinrichtung durch Drehung des Dorns in einer drehbar gelagerten Einspannein­ richtung verstellbar ist.