DE4336773C2

DE4336773C2 - Einrichtung zum Messen von Drücken, Kräften und Momenten

Info

Publication number: DE4336773C2
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: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2013-10-29
Also published as: CH688693A5; JPH07190865A; US5513536A; DE4336773A1

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.

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 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 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 Auswerteprinzip 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 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

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.