DE4336773C2 - Einrichtung zum Messen von Drücken, Kräften und Momenten - Google Patents
Einrichtung zum Messen von Drücken, Kräften und MomentenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Messen von
Drücken, Kräften und Momenten nach der Gattung des
Hauptanspruchs, wie sie aus der DE-OS 19 52 522 bekanntgeworden
ist. Diese Druckschrift zeigt eine Mehrkomponenten-Kraft- und
Momentmeßanordnung mit mehreren Kraftmeßzellen und
Verstärkeranordnungen, wobei die Kraftmeßzellen zu einer
Meßeinheit so zwischen Montageplatten fest verschraubt und
bezüglich der Koordinatenachsen so angeordnet sind, daß
Momentenbildungen durch Auswertung der Signale der
Kraftmeßzellen ermittelt werden können, indem die Ausgänge der
Kraftmeßzellen logisch verknüpft werden zur Ermittlung einzelner
Kraftkomponenten oder Momente. Als Kraftmeßzellen dienen dabei
piezoelektrische Kristalle, welche als Mehrkomponenten- oder
Einkomponenten-Kraftmeßzellen ausgebildet sein können.
Zum Stand der Technik zählen ferner Einrichtungen zum Messen
eines Drucks, die mit einem einzigen piezoresistiven Element als
Sensor versehen sind (DE 38 18 191 C2). Das piezoresistive
Element ist dabei als Dickschichtwiderstand ausgebildet, welcher
im Siebdruckverfahren aufgebracht sein kann. Auf das
Widerstandselement wirkt ein von dem zu messenden Druck
beaufschlagter Stempel orthogonal ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein
richtung zum Messen von Drücken, Kräften und (Dreh-)
Momenten zu schaffen, bei der in allen Belastungsfällen
eine orthogonale Belastung der Piezoelemente auftritt.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 bzw. 2
gekennzeichnet.
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.
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 Widerstandselemente
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.
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.
Die Meßeinrichtung nach den Fig. 1 und 2 ist zwischen einem Armteil
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 Geräteteile 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 (Fig. 4)
aufgedruckt sein, der mit dem Dickschichtwiderstand 28 in einer
Halbbrückenschaltung (Fig. 7) verbunden ist.
Der Armteil 10 des Gerätes ist mit einem käfigartigen 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 Ringrad 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 Eingänge eines
Instrumentier-Verstärkers (zum Beispiel Burr-Brown PGA 204) ange
schlossen sind. Die Ausgangsspannung UA des Verstärkers 64 stellt
die Meßspannung dar, mit UV 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 Auswerteprinzip Anwendung, bei dem sich die Ausgangs
spannung Ua auf die Versorgungs-Gleichspannung UV 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 Ausführungsbeispiel
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 (10)
1. Einrichtung zum Messen von Drücken, Kräften und
Momenten, mit mindestens drei orthogonal
belastbaren Piezoelementen zwischen in Kraft
flußrichtung benachbarten Geräteteilen, welche
die zu messenden Kräfte und Momente auf
nehmen bzw. übertragen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente
als piezoresistive Elememente (20) ausgebildet sind
mit Dickschichtwiderständen (28) als Meßelemente,
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
Einrichtung ausgerichteten Ebene erstreckt und
dem einen Geräteteil (12) kippbar zugeordnet ist, und daß
das andere Geräteteil (10) mit axialen Anschlag
flächen (42, 44) bzw. Anschlägen (58) für die Widerstandselemente (20) versehen ist.
2. Einrichtung zum Messen von Drücken, Kräften und
Drehmomenten, mit mindestens drei orthogonal
belastbaren Piezoelementen zwischen in Kraft
flußrichtung benachbarten Geräteteilen, welche
die zu messenden Kräfte und Momente auf
nehmen bzw. übertragen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente
als piezoresistive Elemete (20) ausgebildet sind
mit Dickschichtwiderständen (28) als Meßelemente,
daß ein Tragteil (50), das dem einen Geräteteil (12)
zugeordnet ist,
mit mindestens drei sich radial von der Symmetrieachse nach
außen erstreckenden Tragarmen (52) versehen ist, an deren Enden
paarweise axial und paarweise in Umfangsrichtung gegenüberliegend die
Widerstandselemente angeordnet sind, und daß das andere Geräteteil (10)
mit axialen und mit in Umfangsrichtung stehenden Anschlägen (58) für die
Widerstandselemente (20) versehen ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Widerstandselemente (20) orthogonal vorgespannt zwischen
benachbarten Geräteteilen (10, 12) gehalten sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorspannung so bemessen ist, daß in allen vor
kommenden Betriebsfällen eine Mindestvorspannung
aller Widerstandselemente (20) erhalten bleibt.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 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.
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