DE4335423C1 - Kraft-Drehmomenten-Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Drehmomenten-Sensor. Er besteht aus einem verwindungssteifen, starren Unterteil und einem ebensolchen Oberteil. Beide liegen einander gegenüber und sind über ein System von Kraftmeßeinrichtungen mechanisch miteinander gekoppelt. Im unbelasteten Zustand haben beide Teile eine gemeinsame Achse.

Mit dem Sensor lassen sich räumlich beliebige, von außen wir­ kende Kräfte und Momente über eine Wegänderungsmessung ermit­ teln. Hierzu ist der Sensor mit einem Teil auf das distale Ende eines Ausleger- oder Manipulator- oder Roboterarms aufge­ setzt. Auf dem andern Teil sitzt ein Werkzeug auf, mit dem ir­ gendwelche Arbeiten unter Erfassung der Belastung, oder ent­ gegengesetzt, mit vorgegebener Kraft ausgeführt werden.

In der französischen Offenlegung No. 2 529 333 ist ein Gelenk zur Erfassung von sechs longitudinalen Kraftkomponenten be­ schrieben. Zwei Platten sind hierzu über sechs gleichartige Stäbe um die im unbelasteten Zustand gemeinsame Plattenachse herum, schräg gegeneinander anstehend, gleichverteilt. Deh­ nungsmeßstreifen, ausgerichtet auf den Stäben angebracht, er­ fassen die Longitudinaldehnung bzw. -stauchung in den einzel­ nen Stäben. Daraus wird dann auf die äußere Belastung ge­ schlossen.

Dieses System setzt eine gewisse hohe Eigensteifigkeit voraus. Desweiteren wird für eine Transformationsmatrix zur geometri­ schen Beschreibung angenommen, daß die Stabenden paarweise einen gemeinsamen Lagerpunkt haben. Das entspricht nicht der Wirklichkeit der Meßstablagerung. Eine verhältnismäßig hohe Meßungenauigkeit ist die Folge.

Vom Ansatz her einen ähnlichen Aufbau zeigt der Kraft-Momenten- Sensor, der in der DE 41 01 732 A1 beschrieben wird. Konstruktiv aufwendig werden hier die Stabenden gela­ gert, um eine rein axiale Belastung der Kraftmeßeinrichtung zu gewährleisten. In der ähnlichen Transformationsmatrix findet jetzt die Sensor-Geometrie genauer Beachtung.

Dieser Sensor hat das Problem der Hysteresewirkung durch die Stabendenlagerung, die grundsätzlich durch diesen Aufbau nicht zu vermeiden ist. So treten insbesondere bei kleinen Belastun­ gen bzw. beim Wechsel der Kraftwirkungsrichtung in den Stäben bzw. in einem Stab hohe Meßungenauigkeiten auf. Konstruktiv erlaubt dieses System zwar den separaten Aus- und Einbau der Stäbe, jedoch müssen die Forderungen an die Lagereinrichtung sehr hoch sein, so daß letzten Endes nur ein Einsatz für klei­ nere Kraft- und Momentenbelastungen in Frage kommt.

Ein Mehrkomponenten-Meßsystem mit vier Dreikomponenten-Kraft­ aufnehmern ist aus dem Buch "Piezoelektrische Meßtechnik" von J. Tichy und G. Gautschi; Springer-Verlag (1980), S. 175-181 bekannt. Dieses Meßsystem besteht u. a. aus zwei rechteckigen, biege- und verwindungssteifen Rahmen, die in den Rahmenecken durch gleiche stabförmige Kraftmeßeinrichtungen parallel zur gemeinsamen Rahmenachse gekoppelt sind. Im Falle piezoelektri­ scher Meßwerteinrichtungen können nur zeitlich veränderliche Kräfte ab einer gewissen Grundfrequenz gemessen werden. Stati­ sche Kräfte sind damit ohne Signalhalteeinrichtung wegen des piezoelektrischen Meßprinzips nicht meßbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraft-Dreh­ momenten-Sensor für eine großen Kraft- und Momentenbereich be­ reitzustellen, über den zuverlässig hohe Kräfte und Momente gemessen und aufgenommen sowie abgegeben werden können, so daß einerseits Werkzeugkräfte überwacht werden können und anderer­ seits die Überbeanspruchung von Werkzeug und Trägergerät ver­ mieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Ober- und Unterteil des Kraft-Drehmomenten-Sensors besteht dabei entsprechend aus zwei gleichen biege- und verwindungssteifen, rechteckigen Rahmen, die über ein System von mechanischen Kraftmeßeinrichtungen miteinander gekoppelt sind. Zum Schutz des Sensors ist dieser parallel zu jeder Kraftmeßeinrichtung mit einem einstellbaren mechanischen Überlastschutz versehen.

Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte und wichtige Ei­ genschaften der Kraftmeßeinrichtungen bzw. Maßnahmen zur kor­ rekten Erfassung der Belastung des Sensors.

Das Kraftmeßsystem soll mit hoher Genauigkeit über den ganzen zugelassenen Kraft- und Momentenbereich hinweg die Belastung erfassen, insbesondere auch bei Lastnulldurchgängen. Dies ist mit akzeptabler Genauigkeit möglich, wenn das Verhältnis aus Biegefedersteife und Längsfedersteife sehr viel kleiner als 1 ist und dadurch eine Entkopplung in die zwei weiteren senk­ rechten Raumrichtungen zur Längsachse jeder stabförmigen Kraftmeßeinrichtung erreicht wird.

Da die Kraftbelastung in den Stäben über Längenänderungen in Richtung Stabachse detektiert wird, sind zu diesem Zweck Deh­ nungsmeßstreifen ausgerichtet auf den Kraftmeßstäben ange­ bracht. Andere Einrichtungen zur Kraftmessung kommen ebenfalls in Frage, falls es konstruktiv sinnvoll und wirtschaftlich ver­ tretbar ist. So sind auch Kraftmeßdosen einsetzbar, sofern das räumlich und vom Belastungsbereich her möglich ist.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, das die Kraftmeßstäbe bei Ausfall einzeln jederzeit ein- und ausbaubar sind, und zwar durch gleichartige, so daß eine anfängliche, einmalige Eichung des Kraft-Momenten-Sensors ausreichend und aussagekräftig bleibt.

Für die meßtechnische Verarbeitung der über die Dehnungsmeß­ streifen gewonnenen Meßwerte ist es besonders vorteilhaft, daß das Kraftmeßsystem ein orthogonales ist und ein Rechtsschrau­ bensystem darstellt. Dadurch kann eine direkte Zuordnung von äußeren Kraft- und Momentenkomponenten zu den von den Kraft­ meßeinrichtungen gelieferten Meßwerten (Wegänderung in Längs­ richtung) ohne trigonometrische Zwischenrechnung erfolgen, was insbesondere im Falle von Momenten nützlich ist, da diese ja durch ein entsprechendes Vektorprodukt erfaßt werden. Querbe­ lastungen der Kraftmeßeinrichtungen sind aufgrund obiger Vor­ aussetzung vernachlässigbar.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in dem kom­ pakten, mechanisch und konstruktiv einfachen Aufbau des Kraft- Drehmomenten-Sensors. Die Meßwege sind klein, verglichen mit den bei der Fernhandhabung auftretenden Anfahrwegen. Dadurch ist eine gute Anwendbarkeit auch im Bereich der Robotik gege­ ben. Der Sensor ist robust, insbesondere durch den einstellba­ ren Überlastschutz. Sein Eigengewicht ist im Vergleich zu sei­ nem Belastungsbereich gering.

Ein Durchführungsbeispiel der Erfindung, wie es derzeit an dem Großhandhabungsgerät EMIR der Anmelderin eingesetzt wird, wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 den Kraft-Drehmoment-Sensor in perspektivischer An­ sicht,

Fig. 2 Kräfte, Momente und Geometrie am Kraft-Drehmoment-Sen­ sor.

Dieser Kraft-Drehmoment-Sensor 1 hat einen symmetrischen Auf­ bau. Er besteht aus zwei gleichen quadratischen Rahmen 2, 3, bei denen allenfalls von den zusätzlich angebrachten Montage­ einrichtungen her von einem Ober 2- bzw. Unterteil 3 gespro­ chen werden kann. Das soll sich darauf beziehen, auf welcher Seite der Sensor 1 an den Auslegerarm des Großhandhabungsge­ räts angeflanscht werden soll und auf welcher Seite das Werk­ zeug.

Betrachtet man nur die Funktionsweise, so ist in der perspek­ tivischen Darstellung von Fig. 1 alles Grundsätzliche einge­ tragen. Die Seiten der beiden Rahmen 2, 3 sind hier mit einem Rechteckprofil angedeutet. Es kann auch ein anderes Profil sein, wie z. B. Stahlprofile, mit denen sich biege- und ver­ windungssteife Rahmen für diese Zwecke herstellen lassen. Im unbelasteten Zustand liegen sich beide Rahmen in vorgegebenem Abstand spiegelbildlich gegenüber und haben dann eine gemein­ same Achse 4.

Eine erste mechanische Kopplung beider Rahmen 2, 3 über einen Kraftmeßstab 5 parallel zur Achse 4, in z-Richtung, ist aufge­ schnitten im Figurvordergrund gezeichnet. Der Kraftmeßstab 5 ist mit seinen beiden Enden an Befestigungshülsen 6 verankert, die ihrerseits jeweils in einer der Rahmenecken eingeschraubt bzw. verankert sind. An diesen Befestigungshülsen 6 sind Ge­ windehülsen 7 aufgeschraubt, an denen am einen Rahmen 2 oder 3 das Ende des Auslegerarms und am andern Rahmen 3 oder 2 die Last ankoppelt. Weitere drei identische Meßeinrichtungen für die z-Richtung sind in den überigen drei Ecken des Sensors eingebaut. Sie sind der Übersichtlichkeit halber nur noch durch die zutage tretende Kontur der Gewindehülsen 7, haupt­ sächlich auf der nach oben weisenden Stirnseite 8 des in der Fig. 1 oberen Rahmens 2 angedeutet.

Zwischen den beiden zueinander gerichteten Stirnflächen der beiden Rahmen 2, 3 ist einerseits zwischen den in der Figur beiden vorderen linken Seiten ein Kraftmeßstab 9 für die Mes­ sung in x-Richtung und andererseits zwischen den beiden vorde­ ren rechten Seiten ein Kraftmeßstab 10 für die Messung in y- Richtung eingezeichnet. Das jeweils eine Ende der beiden Kraftmeßstäbe 9 und 10 ist in je einer Verankerungseinrichtung 11 und 12 am unteren Rahmen 3 und das jeweils andere Ende in einer Verankerungseinrichtung 13 und 14 am oberen Rahmen 2 verschraubt. Die jeweils selbe Kraftmeßeinrichtung befindet sich ebenfalls gegenüberliegend zwischen den Rahmenseiten. Beim Umlauf zwischen den sich gegenüberliegenden Rahmenstirn­ seiten sind die jeweils beiden Kraftmeßeinrichtungen 9 und 10 gleichartig verankert. Die hinteren beiden sind in Fig. 1 nicht mehr eingezeichnet. Die Kraftmeßstäbe bilden in Überein­ stimmung mit den gewählten Koordinaten ein Rechtsschrauben­ system, so daß bei der Ermittlung der Momente die Vektorrech­ nung vorzeigerichtige Resultate liefert.

In der Nähe jedes Kraftmeßstabes 5, 9, 10 ist gleichgerichtet und jeweils mit einem Ende gleichartig am unteren Rahmen 3 verankert die zugehörige Überlastschutzeinrichtung 6a, 6b; 11a, 13a; 12a, 14a angebaut. Sie besteht aus einem Stab 5a, 9a, 10a, dessen eine Ende fest in der Verankerung 6a, 11a, 12a eingespannt ist, und dessen anderes Ende sich in der Anschlag­ einrichtung 6b, 13a, 14a mit einer vorgebbaren axialen Wegstrecke frei hin und her bewegen kann. Darüberhinaus begin­ nen die Überlastschutzeinrichtungen 6a, 6b; 11a, 13a; 12a, 14a je nach Belastungsrichtung unterschiedlich zu blockieren, sei es durch zu starke Dehnung oder zu starke Stauchung in den Kraftmeßstäben 5, 9, 10.

Die Längenänderung der Kraftmeßstäbe 5, 9, 10 bei Belastung wird über Dehnungsmeßstreifen erfaßt, die parallel zur Stabachse ausgerichtet auf der Mantelfläche angebracht sind. Sie sind in der Fig. 1 der Übersicht wegen nicht eingezeich­ net. Das ist prinzipiell eine elektrische Widerstandsmessung der Wegänderung. Dies kann auch auf induktivem Wege (Tauchspulen oder Transformatorspulen) oder kapazitiv gesche­ hen. Aufwand und Meßgenauigkeit sind dabei entscheidend für den Einsatz.

Die Eichung des Kraft-Drehmoment-Sensors erfolgt durch Einwir­ kung definierter Kräfte auf einen Einzelstab. Zur Bestätigung kann noch eine Einmal-Eichung des zusammengebauten Kraft-Mo­ menten-Sensors durchgeführt werden. Hierbei setzen dann defi­ nierte Momente und Kräfte an dem Kraft-Momenten-Sensor an.

Während normalerweise der Kraft-Drehmoment-Sensor zur Bestim­ mung der äußeren Kräfte und Momente dient, wird bei der Ei­ chung der umgekehrte Weg beschritten, nämlich aus den bekann­ ten äußeren Lasteinwirkungen die Auflagekräfte der Kraftmeß­ stäbe bestimmt, die dann mit den gemessenen Werten verglichen werden.

Der Zusammenhang zwischen äußerer Lasteinwirkung und den Meß­ stabkräften x1, x2; y1, y2; z1, z2, z3, z4 ist aus Fig. 2 ab­ leitbar und läßt sich mit den bekannten Methoden der techni­ schen Mechanik darstellen. In der Fig. 2 ist ein allgemeiner Belastungsfall für den Kraft-Momenten-Sensor eingezeichnet. Die Momente Mx, My, Mz werden durch reine Kräftepaare und sym­ metrisch zum Sensor-Mittelpunkt S angreifende, äußere Kräfte verursacht. Letzteres bedeutet das Auftreten eines Winder­ momentes. In Fig. 2 bedeutet P die äußere Kraft, r den Hebel­ arm von P zum Kraftangriffsschwerpunkt S des Kraft-Drehmoment- Sensors und a den Abstand der Wirkungslinien der Stabkräfte in z-Richtung zueinander, bzw. der beiden Stabkräfte in x- bzw. in y-Richtung. Hieraus lassen sich verschiedene Belastungs­ fälle ableiten.

Wesentlich ist die Eichung des Kraft-Drehmoment-Sensors vor seinem erstmaligen Einsatz. Hierzu werden Eichlasten aus 50 kg schweren Einzelmassen verwendet, die an Balken am oberen Rah­ men gelenkig angehängt werden. Der Balken erlaubt die Hebel­ armkomponenten zu variieren. Zur Vermeidung von Fehlern ist es wichtig, bei der Eichung den Kraft-Drehmoment-Sensor so auszu­ richten, daß mindestens eine Achse des Koordinatensystems in Richtung der Belastungskraft verläuft.

Nicht zu vernachlässigen ist das Eigengewicht und das Eigen­ moment des Kraft-Drehmoment-Sensors. Zur Bestimmung beider Dinge wird er nacheinander in zwei unterschiedliche Stellungen gefahren, einmal vertikal nach oben und das andere Mal verti­ kal nach unten. Die dabei gemessene Kraftdifferenz ist gleich dem doppelten Eigengewicht.

Liegt der Massenschwerpunkt nicht in der x-y-Ebene, dann tre­ ten zusätzliche Momente Mxe und Mye auf. Aus dem Eigengewicht und denk beiden Momentenkomponenten läßt sich die Lage des Schwerpunkts in der x-y-Ebene errechnen. Der Schwerpunktsab­ stand in z-Richtung ergibt sich aus der Drehung des Sensors in die horizontale Lage. Aus dem o.e. ermittelten Eigengewicht und der Momentenkomponente in y-Richtung kann die Lage des Schwerpunkts in z-Richtung vollends errechnet werden.

Die geforderten Daten des Kraft-Momenten-Sensors für den Ein­ satz am Großhandhabungsgerät EMIR in diesem Beispiel waren:

ein Kraftmeßbereich von|20 000 N
ein Drehmomentmeßbereich von	20 000 Nm,
ein Verhältnis von Eigengewicht zu Meßlast von kleiner gleich	2.5%

Die Wirksamkeit des eingebauten Überlastschutzes wurde, wie vorhergesagt, bestätigt. Der Vorteil der einfachen Meßwertge­ winnung durch das orthogonale Kraftmeßsystem trat in der Meßwert- und Signalbearbeitung durch verhältnismäßig kurzen Zeitaufwand sehr deutlich zutage, was sich für die Steuerung und Regelung des Großhandhabungsgeräts sehr positiv bestä­ tigte.

Bezugszeichenliste

1 Kraft-Drehmoment-Sensor, Sensor
2 Rahmen, Oberteil
3 Rahmen, Unterteil
4 Achse
5 Kraftmeßeinrichtung, Kraftmeßstab
6 Befestigungsgewindehülse
7 Gewindehülsen
8 Stirnseite
9 Kraftmeßeinrichtung, Kraftmeßstab
10 Kraftmeßeinrichtung, Kraftmeßstab
11 Verankerungseinrichtung
12 Verankerungseinrichtung
13 Verankerungseinrichtung
14 Verankerungseinrichtung
15 x-y-z-Koordinatensystem

Claims (5)

1. Kraft-Drehmomenten-Sensor zum Messen von Kräften und Momen­ ten, die auf einen Auslegerarm oder Manipulatorarm von außen wirken, bestehend aus einem verwindungssteifen, star­ ren Unterteil und einem verwindungssteifen, starren Ober­ teil, die, einander gegenüberliegend, über ein System von Kraftmeßeinrichtungen mechanisch miteinander gekoppelt sind, und im unbelastetem Zustand eine gemeinsame Achse ha­ ben und, wobei das eine Teil starr mit dem distalen Ende des Ausleger- oder Manipulatorarms verbunden ist und auf dem anderen Teil ein Handhabungswerkzeug aufsitzt, dadurch gekennzeichnet, daß
das Ober- und Unterteil aus je einem gleichartig rechtecki­ gen, biege- und verwindungsteifen Rahmen (2, 3) besteht, beide Rahmen (2, 3) in den Rahmenecken durch gleiche stab­ förmige Kraftmeßeinrichtungen (5) parallel zur gemeinsamen Rahmenachse (4) gekoppelt sind und vier weitere stabförmige Kraftmeßeinrichtungen (9, 10) zwischen und parallel zu den einander gegenüberliegenden Rahmenstirnseiten die beiden Rahmen (2, 3) zusätzlich miteinander koppeln, so daß ein orthogonales Kraftmeßsystem zwischen den beiden Rahmen (2, 3) besteht;
parallel zu jeder Kraftmeßeinrichtung (5, 9, 10) ein ein­ stellbarer mechanischer Überlastschutz (6a, 6b; 11a, 13a; 12a, 14a) die beiden Rahmen (2, 3) ab einer vorgegebenen Krafteinwirkung auf die Kraftmeßstäbe (5, 9, 10) zusätzlich miteinander koppelt.

2. Kraft-Drehmomenten-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus Biegefedersteife : Längsfedersteife der Kraftmeßstäbe (5, 9, 10) sehr viel kleiner als 1 ist.

3. Kraft-Drehmomenten-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ausgerichtet auf den Kraftmeßstäben (5, 9, 10) aufgeklebte Dehnmeßstreifen die Längsverformung der Kraftmeßstäbe (5, 9, 10) bei Belastung erfassen.

4. Kraft-Drehmomenten-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßstäbe (5, 9, 10) einzeln auswechselbar sind.

5. Kraft-Drehmomenten-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das System hinsichtlich der Stauchung und Dehnung seiner Kraftmeßeinrichtungen (5, 9, 10) ein Rechtsschraubensystem bildet.