DE4332137C1

DE4332137C1 - Reaktionsdrehmomentaufnehmer mit einem Translationsfreiheitsgrad

Info

Publication number: DE4332137C1
Application number: DE19934332137
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dipl Phys I Moros
Original assignee: GEORG WAZAU DR ING
Current assignee: GEORG WAZAU DR ING
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1993-09-17
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2013-09-18

Description

In der physikalischen Meßtechnik mechanischer Größen sind Reaktionsdrehmomentaufnehmer wohlbekannt. Bisherige Auf nehmertypen basieren auf einer Voll- oder Hohlwellenstruk tur oder enthalten Biegestäbe zwischen den Flanschen (DE-AS 21 04 003, DE 36 11 336 C2), so daß sie keine bewegten Teile besitzen und somit ver schleißfrei arbeiten.

Diesen Vorteil einer verschleiß freien Drehmomenterfassung nutzt die vorliegende Erfin dung mit der zusätzlichen Möglichkeit einer beliebigen Translation Δz der Sensoraufnahmehöhe (Fig. 7). Die Erfindung betrifft damit einen Reaktionsdrehmomentaufneh mer mit einem Translationsfreiheitsgrad (Kürzel: RDF), dessen Einsatzgebiete in der Tribologie für Reibwertunter suchungen bei hohen Prüfkräften, in Handhabungsgeräten der Robotertechnik sowie in der Bio-Medizintechnik für z. B. Viskositätsmessungen liegen.

Das Funktionsprinzip des RDF′s beruht auf einer senso risch-mechanischen Kopplung einer spielfreien Führungs buchsen-Welleneinheit über eine Axiallagerung. Folgende Strukturelemente und deren Zusammenbau zeichnen den RDF aus:
Dualsensoren (Fig. 1), Haltevorrichtung (Fig. 2), Führungs buchsenhalter (Fig. 3), Führungsbuchse (Fig. 4), Dualsen sorkopplung und Überlastschutz (Fig. 5), Führungswellen- Klemmverbindung (Fig. 6) und der Gesamtaufbau mit Axial lager (Fig. 7).

Die einstückigen, säulenförmigen Dualsensoren (1) in (Fig. 1a, b) haben an ihren jeweiligen Enden eine Scher kraftsensorzelle (2) mit I-Profil und DMS-Vollbrücken schaltung auf der Scherkraftmembran (12). Einige Vorteile solch eines DMS-Sensorsystems sind:
maximales Biege- und Widerstandsmoment bei minimaler Querschnittsfläche, Sensorsignal unabhängig vom Kraft einleitungspunkt, hohe ε (45°)-Dehnungen, gleichförmige Schubverteilung für den DMS-Bereich auf der Scherkraft membran, keine Volumenänderungen durch Schubbean spruchungen und daher keine thermische Relaxation. Der Abschirmhülsenbund (3) und der Zapfenbund (4) begren zen die Scherkraftsensorzelle (2), so daß die Abschirm hülse (8) eine hermetische Schirmung mit Hilfe der Laser- Schweißnaht (9) und einer hochelastischen Dichtmasse (11) in der umlaufenden Ausnehmung (10) auf Höhe des Zapfen bundes (4) garantiert (Fig. 1a, b). Den Abschluß der Scher kraftsensorzelle (2) bildet der Zapfen (5) mit Innenge winde (6) zur mechanischen Kopplung der entsprechenden Dualsensoren (1) über die Führungsbuchsenhalter (Fig. 3: 30, 31, 31′). Säulenmittig sowie parallel zur Scherkraft membran (12) liegt eine Senkbohrung (7) zur Justierung und Arretierung des Dualsensors (1) in der Haltevorrich tung (Fig. 2: 20).

In der vertikalen Mittenebene des Querstegs (20′) der H- profilbasisstrukturierten Haltevorrichtung (20) liegen insgesamt sechs Durchgangsbohrungen, von den vier (21, 21′, 22, 22′) zur Befestigungsaufnahme der Dualsensoren (1) als Löt-, Schweiß- oder Klebeverbindungen bestimmt sind und von denen zwei (23, 23′) zur berührungsfreien Durchfüh rung der Führungsbuchsen (Fig. 4: 40) vorhanden sind. Fer ner befinden sich seitlich in der Haltevorrichtung (20) insgesamt zwölf Gewindebohrungen von denen vier (24, 24′, 25, 25′) für Gewindestifte zur Justierung und Arretierung der Dualsensoren (1) einseitig angebracht sind und von denen acht (26, 26′, 27, 27′, 28, 28′, 29, 29′) für Gewindestifte, die als mechanischer Überlastschutz zusammen mit den Füh rungsbuchsenhaltern (30) der Dualsensoren (1) fungieren (Fig. 5), beidseitig entsprechend plaziert sind.

Jeweils oberhalb und unterhalb des Querstegs (20′) der Haltevorrichtung (20) werden vier Führungsbuchsenhalter (Fig. 3: 30) auf die entsprechenden Dualsensorpaare (Fig. 2) mittels einer Zapfen-Bohrungsklebung (5, 31, 31′) verankert und über eine Schrauben-Scheibenklemmung (Fig. 7: 72) durch das Innengewinde (6) festgeklemmt. Eine weitere Kopplung der oberen und unteren Dualsensorpaare (Fig. 5) erfolgt über zwei spielfreie Führungsbuchsen (40) mit Führungs wellen (41) der übereinander angeordneten Führungsbuch senhalter (30) mit Hilfe der Bohrung-Buchsenklebung (Fig. 7: 32, 40). Dieses Kopplungsschema der Dualsensoren garantiert einerseits eine verspannungsfreie Kopplung und andererseits eine hohe Biegesteifigkeit, so daß hohe me chanische Resonanzfrequenzen erreicht werden können.

Die innere Gesamtkopplung des RDF′s vermitteln zwei Schraubenklemmverbindungen (Fig. 6: 60) jeweils am oberen und unteren Ende der beiden Führungswellen (41). Bei gleichzeitigem Anziehen der gegenüberliegenden Schrauben (62, 62′) entstehen nur Anzugskräfte in z-Rich tung und keine belastenden Seitenkräfte für die gesamte Sensoreinheit. Die Bohrungsabsatzstufen (64, 64′) erleich tern einerseits die Montage der beiden Schraubenklemmver bindungen (60) und bieten andererseits Sicherheit bei Lockerung der Klemmverbindungen mit den Führungs wellen (Fig. 7: 41, 63, 63′, 64, 64′).

Die Symmetrielinie des RDF′s ist identisch mit der Dreh momentssymmetrieachse (z), den Mittelpunktslinien der beiden Zentrierbohrungen (61) und der unteren Kraftkompo nente +(z) bezüglich des Axiallagers (Fig. 7: 71). Mit Hilfe der beiden Zentrierbohrungen (61) gelingt es, die gesamte Sensoreinheit durch zwei externe Zapfen einer me chanischen Justiereinheit während des Aushärtens des Kle bers drehzentrisch zu justieren und dann dauerhaft dreh zentrisch zu fixieren. Die drehmomententkoppelnde Wirkung des in der Drehmomentsymmetrieachse (z) liegenden Axial lagers erlaubt über die Führungswellen (41) eine beliebi ge Translation Δz bei betragsbeliebigen Preßkräften |(z)| (Fig. 7).

Sämtliche DMS-Dualsensorsignale (Fig. 7: D1, D1′, D2, D2′, D3, D3′, D4, D4′) werden vor Einbau in die Haltevorrichtung einzeln abgeglichen. Bei bekannter Drehmomentnennlast (z) und bekanntem Führungswellenabstand können die be tragsgleichen Einzelkräfte ermittelt werden. Sie stellen für den Dualsensorabgleich die Kraftvorlast dar. Alle DMS- Dualscherkraftsignalspannungen (D1, D1′, D2, D2′, D3, D3′, D4, D4′) werden bei gleicher Sensorkraftvorlast mit zugehö rigem, offsetkompensierbarem Vorverstärker so weit auf den kraftbetragsidentischen und drehmomentvorzeichenidenti schen (z. B.: +: D1, D1′, D2, D2′; -: D3, D3′, D4, D4′) Signal pegel verstärkt, so daß das Ausgangssignal des offset kompensierbaren Summationsverstärker dann den gewünsch ten Pegel liefert. Störgrößen wie Biege- und Seitenkräf te ohne Drehmomentanteile kompensieren sich einerseits mechanisch-sensorisch und andererseits im Summationsver stärker zu Null Volt.

Bezugszeichenliste

1 Dualsensorkorpus
2 Scherkraftsensorzelle
3 Abschirmhülsenbund
4 Zapfenbund
5 Zapfen
6 Innengewinde
7 Senkbohrung
8 Abschirmhülsen
9 Schweißnaht
10 Ausnehmung
11 Dichtmasse
12 Scherkraftmembran
20 Haltevorrichtung
20′ Quersteg
21, 21′, 22, 22′ Dualsensordurchgangsbohrungen
23, 23′ Führungsbuchsendurchgangsbohrungen
24, 24′, 25, 25′ Gewindebohrungen
26, 26′, 27, 27′, 28, 28′, 29, 29′ Gewindebohrungen
30 Führungsbuchsenhalter
31, 31′ Zapfenbohrungen
32 Führungsbuchsendurchgangsbohrung
40 Führungsbuchse
41 Führungswelle
50 Führungsbuchsenhalteranordnung mit Überlastschutz
60 Schraubenklemmverbindung
61 Zentrierbohrung
62, 62′ Schrauben
63, 63′ Schlitzbohrung
64, 64′ Schlitzabsatzbohrung
70 RDF-Gesamtaufbau
71 Axiallager
72 Schrauben-Scheibenklemmung
RDF: Kürzel für den Reaktionsdrehmomentaufnehmer mit einem Translationsfreiheitsgrad.

Claims

1. Reaktionsdrehmomentaufnehmer mit einem Translationsfreiheitsgrad, mit

- einstückigen, säulenförmigen Dualsensoren (1), die nach dem Scherkraftprinzip mit DMS-Vollbrückenschaltung arbeiten,
und an ihren jeweiligen Enden eine Scherkraftsensorzelle (2) mit Abschirmhülsenbund (3), Zapfenbund (4) und Zapfen (5) mit Innengewinde (6) besitzen, bei denen ferner säulenmittig sowie parallel zur Scherkraftmembran eine Senkbohrung (7) angebracht ist,
Abschirmhülsen (8) über jede Scherkraftsensorzelle (2) bis zum Abschirmhülsenbund (3) gestülpt und verschweißt (9) werden und
die Abschirmhülsen (8) auf der Höhe der Zapfenbünde (4) eine umlaufende Ausnehmung (10) haben und diese mit einer hochelastischen Dichtmasse (11) gefüllt wird, und mit
- einer Haltevorrichtung (20) in der die Dualsensoren (1) parallel, höhen- und orientierungsidentisch in einer Ebene angeordnet und befestigt sind, wobei
die Haltevorrichtung (20) eine H-Profilbasisstruktur besitzt,
in der vertikalen Mittenebene des Querstegs (20′) der Haltevorrichtung (20) vier Durchgangsbohrungen (21, 21′, 22, 22′) zur Befestigungsaufnahme der Dualsensoren als Löt-, Schweiß- oder Klebeverbindungen dienen,
in der Mitte des Querstegs (20′) der Haltevorrichtung (20) zwei Durchgangsbohrungen (23, 23′) zur berührungsfreien Durchführung der Führungsbuchsen (40) angebracht sind,
in der Haltevorrichtung (20) einseitig vier Gewindebohrungen (24, 24′, 25, 25′) für Gewindestifte zur Justierung und Arretierung der Dualsensoren (1) vorhanden sind und
in der Haltevorrichtung (20) beidseitig acht Gewindebohrungen (26, 26′, 27, 27′, 28, 28′, 29, 29′) für Gewindestifte als mechanischer Überlastschutz der Dualsensoren (1) bestimmt sind.

2. Reaktionsdrehmomentaufnehmer mit einem Translationsfreiheitsgrad nach Anspruch 1, dessen Dualsensoren (1) paarweise mechanisch fest durch Führungsbuchsenhalter (30) gekoppelt sind, wobei die Führungsbuchsenhalter (30) zwei Bohrungen (31, 31′) für die Zapfen (5) der Dualsensoren (1) und eine Bohrung (32) für die Führungsbuchse (40) mit Führungswelle (41) enthalten und wobei insgesamt vier Führungsbuchsenhalter (30) oberhalb und unterhalb des Querstegs (20′) der Haltevorrichtung (20) jeweils paarweise nebeneinander auf den Zapfen (5) der Dualsensoren (1) aufliegen und wobei durch eine Schrauben-Scheibenklemmung (72) mittels Innengewinde (6) und einer Zapfen-Bohrungsklebung (5, 31, 31′) der Festsitz garantiert ist.

3. Reaktionsdrehmomentaufnehmer mit einem Translationsfreiheitsgrad nach Anspruch 2, wobei zwei Führungsbuchsen (40) jeweils durch die Bohrungen (32) der übereinander angeordneten Führungsbuchsenhalter (30) über eine Bohrung-Buchsenklebung (32, 40) die entsprechenden oberen und unteren Dualsensoren (1) mechanisch fest verbinden, die Führungswellen (41) jeweils am oberen wie unteren Ende durch eine Schraubenklemmverbindung (60) mit Zentrierbohrung (61) gekoppelt sind, bei der die zur Klemmung benötigten Schrauben (62, 62′) jeweils an den gegenüberliegenden Seiten der längsgeschlitzten Bohrungen (63, 63′) inklusiv Bohrungsabsatzstufen (64, 64′) liegen (Fig. 7).

4. Reaktionsdrehmomentaufnehmer mit einem Translationsfreiheitsgrad nach Anspruch 3, dessen gesamte DMS-Dualsensorsignale (D1, D1′, D2, D2′, D3, D3′, D4, D4′) nach Vorverstärkung auf einen Summationsverstärker gegeben werden, wobei sämtliche DMS-Dualscherkraftsignalspannungen (D1, D1′, D2, D2′, D3, D3′, D4, D4′) drehmomentvorzeichen- und kraftbetragsidentisch einem Summationsverstärker zugeführt werden.