DE4330875C2 - Measuring sensor for the separate measurement of a force and a moment, preferably for measuring the feed force and torque of a drill - Google Patents

Measuring sensor for the separate measurement of a force and a moment, preferably for measuring the feed force and torque of a drill

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Description

Die Erfindung betrifft einen Meßgeber entsprechend dem Ober­ begriff des Anspruches 1.The invention relates to a sensor according to the upper Concept of claim 1.

Ein derartiger Meßgeber ist Gegenstand der US 4577513. Dort ist ein Ringteil über radiale Hochkantstege mit Rechteckpro­ fil, dessen längere Seite parallel zur Achsrichtung des Ringteiles ausgerichtet ist, mit einem ersten Kernteil und über querliegend angeordnete radiale Stege mit Rechteckquer­ schnitt, dessen längere Seiten parallel zu einer Radialebene des Ringteiles liegen, mit einem zweiten Kernteil verbunden. Jeweils auf den Breitseiten der Stege sind Dehnmeßstreifen aufgeklebt, so daß einerseits in Achsrichtung des Ringteiles wirkende Kräfte und andererseits in Umfangsrichtung des Ringteiles wirksame Momente erfaßbar sind.Such a sensor is the subject of US 4577513. There is a ring part over radial vertical webs with a rectangular pro fil, the longer side of which is parallel to the axial direction of the Ring part is aligned with a first core part and via transverse radial bars with a rectangular cross cut, the longer sides parallel to a radial plane of the ring part are connected to a second core part. There are strain gauges on the broad sides of the webs glued so that on the one hand in the axial direction of the ring part acting forces and on the other hand in the circumferential direction of the Ring part effective moments can be detected.

Die DE 25 20 673 B2 bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zum Messen von Kraft- und Drehmomentkomponenten, die an einem Achszapfen angreifen. Hier besitzt ein Meßgeber eine plat­ tenförmige Struktur ähnlich einer Nabe mit Speichen, wobei die Kraft und das Moment über die Nabe eingeleitet und über die Speichen weitergeleitet werden, welche mit Dehnmeßstrei­ fen versehen sind.DE 25 20 673 B2 relates to a measuring device for Measuring force and torque components on one Attack the journal. Here a sensor has a plat  ten-shaped structure similar to a hub with spokes, whereby the force and the moment initiated over the hub and over the spokes are passed on, which with a strain gauge fen are provided.

Im übrigen wird hinsichtlich des Standes der Technik auf die deutschen Offenlegungsschriften 23 57 484, 40 16 147 und 41 14 093 sowie auf die deutschen Patentschriften 32 38 951, 32 41 850 und 33 13 960 verwiesen.Incidentally, with regard to the prior art on the German Offenlegungsschriften 23 57 484, 40 16 147 and 41 14 093 and on the German patents 32 38 951, 32 41 850 and 33 13 960.

Geber der eingangs angegebenen Art werden insbesondere zur Messung der Axialkraft und des Torsionsmomentes beim Bohren benötigt. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, daß Kraft und Moment über den Verschleiß des Bohrers Auskunft geben. Auch ein Bohrerbruch wird durch eine Signaländerung ange­ zeigt, weil sich insbesondere das Moment ändert.Donors of the type specified above are used in particular for Measurement of the axial force and the torsional moment during drilling needed. In this context it is known that strength and provide information about the wear of the drill. A drill break is also indicated by a signal change shows because especially the moment changes.

Folgende Probleme müssen bei einem vorgenannten Geber gelöst werden:
Der Geber darf die Steifigkeit der Werkstückaufnahme nur ge­ ringfügig verändern, d. h. die Verschiebungen müssen minimal sein. Andernfalls würde vor allem dann, wenn sich der Bohrer nicht zufällig im kinematischen Drehpunkt des werkzeugseiti­ gen sowie des maschinentischseitigen Teiles des Meßgebers befindet, eine verschleiß- und bruchgefährdende Verschiebung des Werkstückes quer zum Bohrer auftreten. The following problems have to be solved with the aforementioned encoder:
The encoder may only slightly change the rigidity of the workpiece holder, ie the displacements must be minimal. Otherwise, especially if the drill is not accidentally in the kinematic pivot point of the tool side and the machine-side part of the encoder, a wear and breakage-prone displacement of the workpiece would occur across the drill.

Auch Verschiebungen in Vorschubrichtung des Bohrers sind un­ erwünscht, da dann, wenn sich der Bohrer nicht zufällig über dem Mittelpunkt des Gebers befindet, aufgrund ungleicher Be­ lastung der Stege des Gebers ein Ausweichen des Werkstückes zwangsläufig mit einer Kippung des Werkstückes verbunden ist, die zum Klemmen des Bohrers führt.Even shifts in the direction of feed of the drill are un desirable because if the drill does not accidentally overlap the center of the encoder is due to unequal Be load on the webs of the encoder, avoiding the workpiece inevitably associated with a tilting of the workpiece is causing the drill to jam.

Andererseits muß an ausgewählten Stellen die Dehnung so groß sein, daß dort ein Dehnmeßstreifen ein deutlich über dem Grundrauschen liegendes Signal liefert.On the other hand, the stretch must be so great at selected points be that there is a strain gauge a clearly above that Noise signal provides.

Problematisch ist außerdem, daß die aus dem Moment resultie­ rende Querkraft an den Stegen wesentlich kleiner ist als die aus der Axialkraft (z. B. Vorschubkraft) des Bohrers resul­ tierende Querkraft, so daß z. B. bei Stegen mit quadratischem Querschnitt die Dehnung infolge des jeweiligen Momentes so klein ist, daß es im Grundrauschen untergeht, wenn die Stegquerschnitte so groß gewählt werden, daß die Axialkraft die Stege nicht überbelastet.Another problem is that it results from the moment shear force on the webs is significantly smaller than that from the axial force (e.g. feed force) of the drill animal shear force, so that z. B. for webs with square Cross section the elongation due to the respective moment so is small that it goes down in the noise when the Web cross sections are chosen so large that the axial force the bars are not overloaded.

Wenn Stege mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden, wobei die längere Seite in Axialrichtung verläuft, werden diese Schwierigkeiten noch nicht in ausreichendem Maße be­ seitigt. If bars with a rectangular cross-section are used, with the longer side running in the axial direction these difficulties are not yet sufficient sides.  

Für die Verschiebungen f der Endquerschnitte der Stege rela­ tiv zueinander in Umfangsrichtung bzw. in Achsrichtung er­ gibt sich dann unter Berücksichtigung der bekannten Bezie­ hung für einen beidseitig eingespannten BalkenFor the displacements f of the end cross sections of the webs rela tiv to each other in the circumferential direction or in the axial direction is then given the known relationship hung for a beam clamped on both sides

f = l³ Q/12EJf = l³ Q / 12EJ

wobeiin which

l = Länge der Stege
Q = Querkraft an den Stegen
J = wirksames Trägheitsmoment.l = length of the webs
Q = lateral force on the webs
J = effective moment of inertia.

Daraus ergeben sich die Verschiebungen fZ in axialer Rich­ tung und fT in Umfangsrichtung, wenn einerseits gesetzt wirdThis results in the displacements f Z in the axial direction and f T in the circumferential direction if on the one hand is set

Q = Axialkraft/Anzahl der StegeQ = axial force / number of webs

bzw. andererseitsor on the other hand

Q = M/DQ = M / D

wobeiin which

D = Abstand zwischen einander diametral gegen­ überliegenden Stegen
und wobei der jeweils für die Verschiebung maßgebende Wert von J einzusetzen ist. Daraus ergibt sich für die maximale erzielbare Dehnung εZ in AchsrichtungD = distance between each other diametrically opposite webs
and where the value of J which is decisive for the displacement is to be used. This results in the maximum achievable elongation ε Z in the axial direction

εZ = 3fZ h/l²ε Z = 3f Z h / l²

und für die maximale Dehnung εT aufgrund des jeweiligen Mo­ mentesand for the maximum elongation ε T based on the respective moment

εT = 3fT b/l²ε T = 3f T b / l²

wobei h die Erstreckung des Querschnittes in Richtung der Axialkraft und b die Erstreckung in Umfangsrichtung bezeich­ net.where h is the extension of the cross section in the direction of Axial force and b denotes the extent in the circumferential direction net.

Die Verschiebungen fZ und fT sind, wie vorangehend erläutert wurde, in Grenzen zu halten. Andererseits kann die Steglänge nicht beliebig kurz sein. Außerdem ist das Nutzsignal mehr oder weniger vorgegeben. Daraus ergeben sich die Höhe h und die Breite b entsprechend den vorgenannten Gleichungen für die maximal erzielbare Dehnung, d. h. Höhe h und Breite b sind hierdurch festgelegt. Werden die zulässigen Werte für fZ und fT etwa gleichgroß angenommen, folgt, daß die Höhe h und die Breite b ungefähr gleiche Werte haben, wobei ein quadratischer Querschnitt mit den oben erwähnten Nachteilen entsteht. Dies läuft darauf hinaus, daß eine bestimmte Rela­ tion zwischen Kraft und Moment erforderlich ist, um die vor­ genannten Gleichungen für die maximal erzielbare Dehnung zu erfüllen. Tatsächlich ist aber eine solche Relation nicht gegeben.As explained above, the displacements f Z and f T must be kept within limits. On the other hand, the web length cannot be as short as desired. In addition, the useful signal is more or less predetermined. This results in the height h and the width b in accordance with the aforementioned equations for the maximum achievable elongation, ie height h and width b are thereby determined. If the permissible values for f Z and f T are assumed to be of approximately the same size, it follows that the height h and the width b have approximately the same values, a square cross section having the disadvantages mentioned above. This boils down to the fact that a certain relation between force and moment is required in order to fulfill the aforementioned equations for the maximum achievable elongation. In fact, there is no such relation.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Erfüllung der vorgenann­ ten Gleichungen für die maximal erzielbare Dehnung entsteht dadurch, daß die primär für die Beanspruchung der Stege maß­ gebenden Biegespannungen, welche durch die Axialkraft be­ wirkt werden, und die Biegespannungen, welche durch das je­ weilige Moment verursacht werden, gleiche Größenordnung ha­ ben sollten. Dies führt unter Berücksichtigung der bekannten Formeln für die Biegespannung zu der ForderungAnother difficulty in fulfilling the above equations for the maximum achievable elongation arises in that the primary measure for the stress on the webs giving bending stresses, which be by the axial force and the bending stresses caused by the moment caused, same magnitude ha should practice. This takes into account the known Formulas for the bending stress for the requirement

M/l fZ ≈ h/b.M / lf Z ≈ h / b.

Dieselbe Beziehung ergibt sich, wenn etwa gleichgroße Signa­ le (durch die Dehnmeßstreifen) aufgrund von Axialkraft und Moment gefordert werden (weil die Spannung proportional der Dehnung ist).The same relationship arises when Signa is about the same size le (through the strain gauges) due to axial force and Moment (because the voltage is proportional to the Stretch is).

Damit ergeben sich für die Bemessungen von h und b einander widersprechende Forderungen, d. h. einerseits sollen h und b annähernd gleich groß sein, andererseits werden unterschied­ liche Größen gefordert.This gives each other for the measurements of h and b conflicting claims, d. H. on the one hand, h and b be approximately the same size, on the other hand, a distinction is made required sizes.

Annähernd gleiche Signale für Kraft und Moment sind auch deshalb wichtig, weil Dehnmeßstreifen, die theoretisch nur von der Kraft oder dem Moment alleine beeinflußt werden - weil sie bspw. in der neutralen Faser bezüglich der auszu­ schaltenden Größe (Moment oder Kraft) angeklebt sind - in der Praxis trotzdem von der jeweils anderen Größe beeinflußt werden, weil die tatsächliche Spannungsverteilung von der nach der Balkentheorie ermittelten theoretischen Spannungs­ verteilung abweicht. Diese Störung ist umso bedeutsamer, je geringer das zu messende Signal ist.Almost the same signals for force and moment are also important because strain gauges that theoretically only  to be influenced by the force or the moment alone - because for example in the neutral fiber with respect to the switching size (moment or force) are glued - in in practice nevertheless influenced by the other size be because the actual stress distribution from the theoretical stress determined according to the bar theory distribution differs. This disorder is all the more significant, ever the signal to be measured is lower.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Gestaltung eines Meßge­ bers für den Einsatz bei der Überwachung in der spanabheben­ den Fertigung bereitet die Forderung nach geringer Bauhöhe.Another difficulty in designing a Meßge bers for use in monitoring in the chip removal Manufacturing demands the low overall height.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen besonders vorteil­ haften Meßgeber der eingangs angegebenen Art zu schaffen.The object of the invention is now a particularly advantageous adhere to create sensors of the type specified.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.This task is characterized by the characteristics of the Claim 1 solved.

Bei der Erfindung sind zwei Arten von Stegen vorgesehen. Da­ bei werden die einen Stege im wesentlichen nur von der Axialkraft beansprucht; und nur diese Stege leisten der Ver­ formung aufgrund der Axialkraft Widerstand. Für die anderen Stege gilt entsprechendes bezüglich des Momentes.Two types of webs are provided in the invention. There at the one webs are essentially only from the Axial force claimed; and only these bridges do the Ver Resistance due to the axial force. For the others The same applies to webs with regard to the moment.

Jede Art von Stegen kann so für sich dimensioniert werden. Die Tatsache, daß die Axialkraft relativ groß ist, kann au­ ßerdem dadurch berücksichtigt werden, daß z. B. vier oder mehr Hochkantstege verwendet werden, dagegen nur zwei quer­ liegende Stege.Each type of web can be dimensioned individually. The fact that the axial force is relatively large can also  are also taken into account that z. B. four or more vertical webs are used, but only two across horizontal bars.

Um dem geringen Moment zusätzlich Rechnung tragen zu können, wird z. B. entsprechend Position 2 in Fig. 1 der querliegende Steg im Querschnitt als Doppel-T-Profil ausgeführt. Dadurch kann die effektive Breite des Steges besonders verringert werden, ohne daß die Schmalseite zu schmal für einen gängi­ gen Dehnmeßstreifen ist.In order to take the small moment into account, z. B. corresponding to position 2 in Fig. 1 of the transverse web in cross section as a double-T profile. As a result, the effective width of the web can be reduced in particular without the narrow side being too narrow for a common strain gauge.

Um das Signal bezüglich Axialkraft davon unabhängig zu ma­ chen, wo bzw. ob nahe der Mitte oder mehr am Rand der Platte gebohrt wird, ist es von Vorteil, in der Meßbrücke, (vgl. Fig. 2) die Dehnmeßstreifen so zu verschalten, daß sich die Signale addieren, wobei über die Diagonale angeordnete Dehn­ meßstreifen, die eine Dehnung mit gleichem Vorzeichen erfah­ ren, in der Brücke entsprechend Fig. 2 so verschaltet wer­ den, daß Temperatureinflüsse kompensiert werden und sich ein Temperatur-Kompensationsstreifen erübrigt.In order to make the signal with respect to axial force regardless of where or whether drilling is being carried out near the center or more at the edge of the plate, it is advantageous to connect the strain gauges in the measuring bridge (see FIG. 2) in such a way that the signals add up, with measuring strips arranged across the diagonal, which experience an elongation with the same sign, interconnected in the bridge according to FIG. 2 so that the temperature effects are compensated for and a temperature compensation strip is unnecessary.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführung mit Deck- und Grund­ platte 3 und 5 ergibt einen kompakten, leicht gegen Ver­ schmutzung abdichtbaren Geber, der sich besonders dazu eig­ net, mit einer Platte am Maschinentisch und mit der anderen Platte an einem Schraubstock in üblicher Weise befestigt zu werden, z. B. mittels Nutensteinen bzw. Schrauben.The version shown in Fig. 1 with cover and base plate 3 and 5 results in a compact, easy to seal against Ver sealable encoder, which is particularly net, with a plate on the machine table and with the other plate on a vise in the usual way to be attached, e.g. B. by means of sliding blocks or screws.

Claims (8)

1. Meßgeber zur getrennten Messung einer Kraft und eines Mo­ mentes bei gleicher Richtung von Kraft- und Momentenvektor, vorzugsweise zur Messung von Vorschubkraft und Drehmoment eines Bohrers, bestehend aus zwei konzentrisch angeordneten Teilen, welche über radial angeordnete Stege miteinander verbunden sind, die die Kraft bzw. das Moment vom inneren zum äußeren Teil bzw. vom äußeren zum inneren Teil leiten und mit Dehnmeßstreifen beklebt sind, deren elektrische Wi­ derstandsänderung als Signal dient, wobei die Stege Recht­ eckquerschnitte mit Seitenlängen aufweisen, die sich um ein Vielfaches unterscheiden, und ein Teil der Stege hochkant so angeordnet ist, daß die längere Seite des Querschnittes parallel zur Richtung des Kraft- und des Momentenvektors verläuft, und ein Teil Stege querliegend so angeordnet ist, daß die kürzere Seite des Querschnittes parallel zur Rich­ tung des Kraft- und Momentenvektors verläuft, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Dehnmeßstreifen (1a, 2a) auf die Schmalseite der Stege (1, 2) geklebt sind,
  • - daß der äußere Teil (4) mit einer Grundplatte (3) und der innere Teil mit einer Deckplatte (5) fest verbunden ist und
  • - daß zwischen dem äußeren Teil (4) und der Deckplatte (5) und dem inneren Teil und der Grundplatte (3) jeweils ein Spalt verbleibt.
1. Encoder for separate measurement of a force and a Mo mentes in the same direction of the force and moment vector, preferably for measuring the feed force and torque of a drill, consisting of two concentrically arranged parts which are connected to one another via radially arranged webs, which are the force or the moment from the inner to the outer part or from the outer to the inner part and glued with strain gauges, the electrical Wi resistance change serves as a signal, the webs have rectangular cross sections with side lengths that differ many times over, and a part the webs are arranged upright so that the longer side of the cross section runs parallel to the direction of the force and the moment vector, and part of the webs is arranged transversely so that the shorter side of the cross section runs parallel to the direction of the force and moment vector, characterized,
  • - That the strain gauges ( 1 a, 2 a) are glued to the narrow side of the webs ( 1 , 2 ),
  • - That the outer part ( 4 ) with a base plate ( 3 ) and the inner part with a cover plate ( 5 ) is firmly connected and
  • - That between the outer part ( 4 ) and the cover plate ( 5 ) and the inner part and the base plate ( 3 ) each have a gap.
2. Meßgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (3) sowie die Deckplatte (5) dieselben Außenabmessungen wie der Meßgeber aufweisen.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the base plate ( 3 ) and the cover plate ( 5 ) have the same external dimensions as the sensor. 3. Meßgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte (5) mit einem Schraubstock und die Grund­ platte (3) mit einem Maschinentisch verschraubt ist.3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the cover plate ( 5 ) with a vice and the base plate ( 3 ) is screwed to a machine table. 4. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung etwa gleicher Signale für Kraft und Mo­ ment die Summe der Widerstandsmomente der (gleich hohen und gleich langen) Hochkantstege (1) zu der Summe der Wider­ standsmomente der querliegenden Stege (2) im gleichen Ver­ hältnis steht wie die Axialkraft (z. B. Bohrervorschubkraft) relativ zu der sich aus dem Moment ergebenden Umfangskraft an den Stegen (1, 2), wobei entweder die Zahl der Hochkant­ stege (1) größer ist als die Zahl der querliegenden Stege (2) und/oder die Breite und/oder die Höhe der Hochkantstege (1) anders ist als bei den querliegenden Stegen (2). 4. Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that to achieve approximately the same signals for force and moment the sum of the moments of resistance of the (equally high and equally long) upright webs ( 1 ) to the sum of the resistance moments of the transverse webs ( 2 ) is in the same ratio as the axial force (e.g. drill feed force) relative to the resulting circumferential force on the webs ( 1 , 2 ), with either the number of upright webs ( 1 ) being greater than that The number of transverse webs ( 2 ) and / or the width and / or the height of the upright webs ( 1 ) is different from that of the transverse webs ( 2 ). 5. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Stege (1, 2), vorzugsweise die querliegenden Stege (2), in Doppel-T-Form (Fig. 1) ausgebildet sind, deren Flanschbreite etwa der Breite des Dehnmeßstreifens (2a) ent­ spricht.5. Sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the one webs ( 1 , 2 ), preferably the transverse webs ( 2 ), are formed in double T-shape ( Fig. 1), the flange width of which Width of the strain gauge ( 2 a) speaks ent. 6. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen aller Stege (1, 2) radial zur einer Mit­ telachse des Meßgebers ausgerichtet sind.6. Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the longitudinal axes of all the webs ( 1 , 2 ) are aligned radially to a central axis of the sensor. 7. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei einander diametral gegenüberliegende Dehn­ meßstreifen (1a, 2a) in einer Meßbrücke auf zwei Brückenzwei­ gen angeordnet sind, welche an einem Punkt miteinander ver­ bunden sind, wobei die Dehnmeßstreifen (1a), die für die Kraftmessung auf die Hochkantstege (1) geklebt sind, in ei­ ner Meßbrücke und die übrigen Dehnmeßstreifen (2a) in einer zweiten Meßbrücke verschaltet sind.7. Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that two diametrically opposed strain gauges ( 1 a, 2 a) are arranged in a measuring bridge on two bridges two gene, which are connected to each other at a point, the strain gages (1 a) which are adhered to for the force measurement on the upright webs (1) are connected in egg ner measuring bridge and the remaining strain gages (2a) in a second measuring bridge. 8. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Dehnmeßstreifen (1a, 2a), welche an einander diametral gegenüberliegenden Stegen (1, 2) angebracht sind, in der Meß­ brücke in diagonal zueinander liegenden Brückenzweigen lie­ gen.8. Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that strain gauges ( 1 a, 2 a), which are attached to diametrically opposite webs ( 1 , 2 ), lie in the measuring bridge in diagonally lying bridge branches.
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