DE4336773A1

DE4336773A1 - Einrichtung zum Messen von Drücken, Kräften und Momenten

Info

Publication number: DE4336773A1
Application number: DE4336773A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl Ing Reger; Rudolf Dipl Ing Dr Heinz; Rainer Dipl Ing Martin; Manfred Dipl Ing Moser; Hans Dr Ing Dr Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-10-28
Filing date: 1993-10-28
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2013-10-29
Also published as: US5513536A; CH688693A5; DE4336773C2; JPH07190865A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Messen von Drücken, Kräften und Momenten nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Einrichtung dieser Gattung (DE 36 23 391 A1) sind mehrere Widerstandselemente auf einer Federscheibe angebracht, die eine Bewegungseinheit eines Handhabungsgeräts mit einem Werkzeughalter schwenkbar verbindet. Die am Rand an der Bewegungseinheit und in der Mitte am Werkzeughalter befestigte Federscheibe verformt sich, sobald äußere Kräfte auf das Werkzeug bzw. den Werkzeughalter ein wirken. Dabei erfahren auch die Widerstandselemente eine Form änderung, woraus ihr Widerstandssignal resultiert. Bei dieser An ordnung hängt das Meßergebnis von der Vorspannung und von den Materialeigenschaften der Federscheibe ab, die dem Einfluß der Temperatur unterliegen und sich nach längerer Betriebszeit durch Materialermüdung ändern können. Außerdem ist die bekannte Anordnung nicht zum Messen von Drehmomenten geeignet, weil die am Rand und in der Mitte eingespannte Federscheibe die Geräteteile drehsteif mit einander verbindet und sich bei Übertragung von Drehmomenten nur ungenügend verformt.

Zum Messen von Kräften und Drehmomenten in x-, y- und z-Richtung ist eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt (GB 2 096 777 A1), bei welcher die als Meßelemente ausgebildeten Widerstandselemente an der Seitenflächen von vier gleichmäßig ver teilten Armen sitzen, die eine dem einen Geräteteil zugeordnete Habe mit einem dem anderen Geräteteil zugeordneten Außenring verbinden. Die Verbindungsstellen der Arme mit dem Außenring sind so ge schwächt, daß beim Auftreten einer Kraft oder eines Drehmomentes in einer durch das eine Armpaar gehenden Achse im wesentlichen jeweils nur das quer dazu angeordnete Armpaar eine Verformung erfährt, wodurch die Auswerteschaltung vereinfacht werden kann. Auch bei dieser Anordnung ist die Messung von den Materialeigenschaften der die Meßelemente tragenden Teile abhängig. Außerdem haben die Meß elemente die Eigenschaft, daß sie ihren Widerstand bei wechselnder Belastung nur verhältnismäßig geringfügig ändern.

Zum Stand der Technik zählen ferner Einrichtungen zum Messen eines Druckes, die mit einem einzigen piezoresistiven Widerstandselement versehen sind (DE 38 18 191 C2), auf das ein von dem zu messenden Druck beaufschlagter Stempel orthogonal einwirkt. Diese Ein richtungen sind jedoch nicht zum Messen von Biege- oder Drehmomenten geeignet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß das Meßergebnis weitgehend un abhängig von den Materialeigenschaften der die Widerstandselemente beeinflussenden Geräteteile ist und ein Verformungskörper überhaupt entfallen kann. Auch auftretende Kraftmomente rufen orthogonal auf die Widerstandsschicht und deren Substrat einwirkende Einzelkräfte hervor, so daß in jedem Fall die Messung quasi wegfrei erfolgt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Widerstandselemente orthogonal vorgespannt zwischen benachbarten Geräteteilen gehalten sind und die Vorspannung vorzugsweise so bemessen ist, daß in allen vorkommenden Betriebsfällen eine Mindestvorspannung aller Wider standselemente erhalten bleibt. Dadurch ergibt sich ein linearer Signalverlauf der Widerstandselemente über den gesamten Arbeits bereich und außerdem können in diesem Fall die Widerstandselemente unbefestigt an ihren Trägern gehalten und kontaktiert sein, so daß sie im Bedarfsfall leicht ausgewechselt werden können.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Wider standselemente paarweise axial gegenüberliegend an den beiden Stirnseiten eines Tragteils angeordnet sind, das sich in einer senkrecht zur Kraftflußrichtung ausgerichteten Ebene erstreckt und dem einen Geräteteil zugeordnet ist, und daß das andere Geräteteil mit axialen Anschlagflächen zum vorgespannten Festlegen der Wider standselemente am Tragteil verbunden ist. Bei dieser Anordnung sind die Widerstandselemente voll in den zu messenden Kraftverlauf ein bezogen und ein diesbezüglicher Kraftnebenschluß über andere Teile ausgeschlossen. Ferner erfolgt die Auswertung der Signale als Signaldifferenz von zwei sich axial gegenüberliegenden Widerstands elementen, wodurch der Einfluß der Umgebungstemperatur auf das Meß signal eliminiert ist.

Mit einer erweiterten Anordnung, bei welcher ein Tragteil mit mindestens drei sich radial von der Symmetrieachse nach außen er streckenden Tragarmen versehen ist, an deren Enden sich paarweise axial und paarweise in Umfangsrichtung gegenüberliegende Widerstandselemente angeordnet sind, und das andere Geräteteil mit axialen und mit in Umfangsrichtung stehenden Anschlagflächen zum vorgespannten Festlegen der Widerstandselemente am Tragteil ver bunden ist, lassen sich neben Drücken, Kräften und Biege- bzw. Kippmomenten auch Drehmomente erfassen, wobei die Widerstandsele mente jeweils durch orthogonal einwirkende Einzelkräfte beaufschlagt und voll in die Kraft- bzw. Momentenübertragung einbezogen sind.

Die axialen und ggf. radialen Anschlagflächen können vorteilhaft durch Kugeln gebildet sein, die in einem mit dem entsprechenden Geräteteil verbundenen käfigartigen Gehäuse geführt und vorzugsweise durch im Gehäuse gelagerte Stellschrauben an die Widerstandselemente angelegt sind.

Zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit der Widerstandselemente schlägt die Erfindung weiter vor, daß sie ein Metallsubstrat, vor zugsweise ein Stahlsubstrat haben, das von einer Isolierschicht, insbesondere einer Isolierglasschicht, überzogen ist, auf die ein Dickschichtwiderstand im Siebdruckverfahren aufgebracht ist. Das Metallsubstrat kann ggf. mit dem Tragteil für die Widerstandsele mente aus einem Stück gebildet sein, wenn eine leichte Auswechsel barkeit der Widerstandselemente nicht gefordert ist.

Auf den Dickschichtwiderstand kann einer vorzugsweise ebenfalls metallisches Oberteil aufgebracht und durch eine Glas- oder Klebe schicht befestigt sein. In manchen Fällen kann es auch zweckmäßig sein, anstelle des Oberteils unmittelbar einen Stempel für die Krafteinleitung mit dem Dickschichtwiderstand über eine Glas- oder Klebeschicht zu verbinden.

Zur Temperaturkompensation kann es vorteilhaft sein, auf dem Metall substrat eines Widerstandselementes einen unbelasteten Ergänzungs widerstand anzuordnen und mit dem belasteten Dickschichtwiderstand in einer Halbbrückenschaltung zu verbinden.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung ver einfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 als erstes Ausführungsbeispiel Teile eines Handhabungsge rätes mit einer Meßeinrichtung für Axialkräfte und Biegemomente im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil der Meßeinrichtung nach Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht eines erfindungs gemäß ausgebildeten Widerstandselementes,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Halbbrückenschaltung eines be lasteten Dickschichtwiderstands mit einem unbelasteten Ergänzungs widerstand auf einem gemeinsamen Substrat,

Fig. 5 einen der Fig. 1 entsprechender Längsschnitt mit einer Meßeinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 eine Draufsicht auf Teile der Meßeinrichtung in Fig. 5 und

Fig. 7 eine Brückenschaltung zur Erzeugung eines Meßsignals.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Meßeinrichtung nach den Fig. 1 und 2 ist zwischen einem Arm teil 10 eines Handhabungsgerätes und einem daran angelenkten Werk zeughalter 12 angeordnet und für die Messung von Axialkräften F und Seitenkräften S bzw. die dadurch hervorgerufenen Kippmomente ausge legt, die auf den Werkzeughalter einwirken. Der Werkzeughalter 12 ist mit einer Adapterplatte 14 fest verbunden, die einen Lagerzapfen 16 hat, an welchem oben eine Tragplatte 18 lösbar befestigt ist. Auf der oberen und der unteren Stirnseite der Tragplatte 18 sind axial gegenüberliegend je drei piezoresistive Widerstandselemente 20 gleichmäßig verteilt angeordnet, die den gleichen radialen Abstand zur Symmetrieachse 22 der Geräteteil 10, 12 haben. Die Ausbildung der Widerstandselemente 20 ist nachstehend anhand der Fig. 3 er läutert.

Die Widerstandselemente 20 haben je ein metallisches Substrat 24, vorzugsweise ein Stahlsubstrat, das auf der einen Seite mit einer Isolierglasschicht 26 überzogen ist, auf der ein piezoresistiver Dickschichtwiderstand 28 im Siebdruckverfahren aufgebracht ist. Der Dickschichtwiderstand 28 ist über eine Glas- oder Klebeschicht 30 mit einem Oberteil 32 verbunden, das vorzugsweise ebenfalls aus Metall besteht. Die Kontaktierung des Dickschichtwiderstandes 28 kann auf eine in der Dickschichttechnik bekannte Weise erfolgen, so daß im vorliegenden Zusammenhang hierauf nicht näher eingegangen wird. Zum Zweck der Temperaturkompensation der Widerstandswerte kann auf dem Substrat 24 ein unbelasteter Ergänzungswiderstand 34 (Fig. 4) aufgedruckt sein, der mit dem Dickschichtwiderstand 28 in einer Halbbrückenschaltung (Fig. 7) verbunden ist.

Der Armteil 10 des Gerätes ist mit einem käfigartigem Gehäuse ver bunden, das aus zwei gegeneinander zentrierten Teilen 36 und 38 besteht. Das in der Zeichnung unten liegende Gehäuseteil 36 hat eine Aufnahmebohrung 40 für den Zapfen 16, die ballig ausgeführt ist und den Zapfen 16 kippbar lagert bzw. führt. Ferner ist das Gehäuseteil 36 mit einer ebenen Anschlagfläche 42 für die auf der Unterseite der Tragplatte 16 sitzenden Widerstandselemente 20 versehen. Das obere Gehäuseteil 38 nimmt die Tragplatte 18 allseitig mit Spiel auf und hat eine ebene Anschlagfläche 44, an der die Widerstandselemente 20 anliegen, die auf der Oberseite der Tragplatte 18 angeordnet sind.

Die beiden Gehäuseteile 36, 38 sind über nicht dargestellte Mittel axial zusammengespannt, wobei ein Ringrand 46 am Gehäuseteil 38 auf einer Ringschulter 48 des Gehäuseteils 36 aufliegt und die Gehäuse teile 36, 38 gegeneinander zentriert. Die axialen Maße an den Ge häuseteilen sind so gewählt, daß sowohl im Ruhezustand als auch bei allen im Betrieb des Geräts möglichen Belastungen der beiden Ge häuseteile 10, 12 alle sechs Widerstandselemente 20 mindestens unter einer schwachen Vorspannung stehen. Dadurch ist ein linearer Signal verlauf bei allen Widerstandselementen sichergestellt und auch er reicht, daß die Widerstandselemente 20 mit den sie tragenden bzw. stützenden Teilen nicht fest verbunden, sondern nur zentriert an ihnen gehalten werden müssen.

Die Widerstandselemente 20 sind zu einer in Fig. 7 dargestellten Auswerteschaltung zusammengefaßt, die mindestens teilweise auf der Tragplatte 18 angeordnet sein kann und die Signale der einzelnen Widerstandselemente 20 miteinander verknüpft. In Fig. 7 sind je zwei einander gegenüber angeordnete Widerstandselemente 20a und 20b oder 20c und 20d, beziehungsweise 28 und 34, zu einer Halbbrücke verschaltet, an deren Brückendiagonalen die Eingange eines Instrumentier-Verstärkers (zum Beispiel Burr-Brown PGA 204) ange schlossen sind. Die Ausgangsspannung U_A des Verstärkers 64 stellt die Meßspannung dar, mit U_V ist die Versorgungs-Gleichspannung der Brückenschaltung bezeichnet. Der Verstärker 64 ist erforderlich zur Bereitstellung einer ausreichenden Meßspannung, da die Spannungs differenz in der Brückendiagonale in der Regel nur einige Millivolt (mV) beträgt. Bei der Anordnung gemäß Fig. 7 findet das sogenannte ratiometrische Auswerbeprinzip Anwendung, bei dem sich die Ausgangs spannung U_a auf die Versorgungs-Gleichspannung U_V bezieht. Der Meßwiderstand 20d ist bei der Darstellung in Fig. 6 nicht zu sehen, er liegt dem Meßwiderstand 20c gegenüber. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7 gilt für alle in den Fig. 5 und 6 dargestellten Vollbrückenschaltungen.

Bei Auftreten von Seitenkräften S (Fig. 1) werden die drei Wider standselementepaare 20 unterschiedlich stark belastet bzw. ent lastet, wobei die Auswerteschaltung die Seitenkraft bzw. das Biege moment nach Größe und Richtung erfaßt. Durch die Auswertung der Differenzsignale der sich koaxial gegenüberliegenden Widerstands elemente 20 ist außerdem eine Temperaturkompensation der Wider standssignale erreicht.

Mit der erweiterten Meßeinrichtung nach den Fig. 5 und 6 werden sowohl Axialkräfte F, Seitenkräfte S bzw. dadurch hervorgerufene Kippmomente und das Drehmoment M um die Symmetrieachse 22 erfaßt. Die Einrichtung ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel zwischen einem Armteil 10 eines Handhabungsgerätes und einem Werkzeughalter 12 angeordnet, an welchem eine Adapterplatte 14 befestigt ist, die einen Zapfen 16 trägt. Auf diesem ist ein Teil in Form eines Kranzes 50 mit vier im rechten Winkel zueinanderstehenden Armen 52 lösbar befestigt, an deren freien Enden analog zum ersten Ausführungsbei spiel oben und unten je ein Widerstandselement 20 in koaxialer Relation angeordnet ist. Zusätzlich dazu ist jeder Arm 52 an seinem Ende mit zwei weiteren, sich koaxial gegenüberliegenden Widerstands elementen 20 versehen, die in entgegengesetzte Umfangsrichtungen weisen.

Der Armteil 10 ist mit einem käfigartigen Gehäuse verbunden, das aus zwei Teilen 54 und 56 besteht. Als Anlage- bzw. Druckflächen für die Widerstandselemente 20 sind in beiden Gehäuseteilen 54, 56 Kugeln 58 oder auch anders geformte Kontaktelemente, zum Beispiel Kegel stümpfe, vorgesehen, die in entsprechenden Ausnehmungen der Gehäuse teile geführt und abgestützt sind. Die beiden Gehäuseteile 54, 56 sind wie beim ersten Ausführungsbeispiel axial so gegeneinander gespannt, daß die in Achsrichtung weisenden Widerstandselemente 20 die gewünschte Vorspannung erhalten.

Die zum Abstützen der in Umfangsrichtung angeordneten Widerstands elemente 20 vorgesehenen Kugeln 58 sind im oberen Gehäuseteil 56 gelagert, welcher mit inneren Wandausnehmungen 60 zur Aufnahme der freien Enden der Arme 52 versehen ist. Diese Kugeln 58 werden, wie in einem Schnittbereich in Fig. 6 dargestellt, durch Stellschrauben 62 an die Widerstandselemente 20 angedrückt, die in Gewindebohrungen des Gehäuseteils 56 eingesetzt sind. Bei entsprechender Ausbildung des Gehäuseteils 56 könnten auch die in Achsrichtung wirkenden Kugeln 58 durch Stellschrauben 62 einzeln an die oben und unten am Drehkreuz 50 angeordneten Widerstandselemente 20 mit der vorgege benen Vorspannkraft angestellt werden. In jedem Fall werden die Widerstandselemente mit rein orthogonalen Kräften belastet, so daß sich eine quasi wegfreie Messung von Kräften und Kraftmomenten in allen Richtungen ergibt. Bei einer etwas einfacheren Ausführung könnten statt eines Teils in Form eines Kranzes mit vier Armen und sechzehn Widerstandselementen auch ein solches mit drei Armen und zwölf Widerstandselementen vorgesehen sein.

Bei beiden Ausführungsbeispielen ist es möglich, die Widerstands elemente lose, beispielsweise durch Einstecken in passende Ver tiefungen, mit den sie tragenden Teilen zu verbinden, so daß sie im Bedarfsfall leicht ausgewechselt werden können.

Claims

1. Einrichtung zum Messen von Drücken, Kräften und Momenten, mit mindestens drei piezoresistiven Widerstandselementen, die von Geräteteilen mechanisch beansprucht sind, welche die zu messende Kräfte und Momente aufnehmen bzw. übertragen, dadurch gekenn zeichnet, daß die vorzugsweise als Dickschichtwiderstände (28) aus gebildeten piezoresistiven Widerstandselemente (20) orthogonal be lastbar zwischen zwei in Kraftflußrichtung benachbarten Geräteteilen (10, 12) verteilt angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (20) orthogonal vorgespannt zwischen benach barten Geräteteilen (10, 12) gehalten sind und die Vorspannung vorzugsweise so bemessen ist, daß in allen vorkommenden Betriebs fällen eine Mindestvorspannung aller Widerstandselemente (20) er halten bleibt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (20) sich paarweise axial gegenüberliegend an den beiden Stirnseiten eines Tragteils (18, 50) angeordnet sind, das sich in einer senkrecht zur Kraftflußrichtung innerhalb der Ein richtung ausgerichteten Ebene erstreckt und dem einen Geräteteil (12) zugeordnet ist, und daß das andere Geräteteil (10) mit axialen Anschlagflächen (42, 44) bzw. Anschlägen (58) zum vorgespannten Festlegen der Widerstandselemente (20) am Tragteil (18, 50) ver bunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, zum Messen von Drücken, Kräften, Biege- und Drehmomenten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tragteil (50) mit mindestens drei sich radial von der Symmetrieachse nach außen erstreckenden Tragarmen (52) versehen ist, an deren Enden sich paarweise axial und paarweise in Umfangsrichtung gegenüberliegende Widerstandselemente angeordnet sind, und daß das andere Geräteteil mit axialen und mit in Umfangsrichtung stehenden Anschlägen (58) zum vorgespannten Festlegen der Widerstandselemente (20) am Tragteil (50) verbunden ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen und ggf. radialen Anschlagflächen für die Widerstands elemente (20) als Kugeln (58) ausgebildet sind, die in einem mit dem entsprechenden Geräteteil (10) verbundenen käfigartigen Gehäuse (54, 56) geführt und vorzugsweise durch im Gehäuse gelagerte Stell schrauben (62) an die Widerstandselemente (20) angedrückt sind.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (20) ein Metallsubstrat (24), vorzugsweise ein Stahlsubstrat haben, das von einer Isolier schicht (26) überzogen ist, auf die ein Dickschichtwiderstand (28) im Siebdruckverfahren aufgebracht ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dickschichtwiderstand über eine Isolierglasschicht (26) mit dem Metallsubstrat (24) verbunden ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Dickschichtwiderstand (28) ein Oberteil (32) aufgebracht ist, das vorzugsweise ebenfalls aus Metall besteht und mit dem Dickschichtwiderstand (28) über eine Glas- oder Klebeschicht (30) verbunden ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Metallsubstrat (24) eines Widerstands elementes (20) ein unbelasteter Ergänzungswiderstand (34) angeordnet und mit dem belasteten Dickschichtwiderstand (28) in einer Halb brückenschaltung verbunden ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (20) lose und auswechselbar in Passungen der Gehäuseteile (54, 56) eingesetzt und dort verspannt sind.