DE4401412A1 - Waage mit Kraftuntersetzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Waage mit einer ersten Parallelführung, die einen Lastaufnehmer elastisch mit einem gehäusefesten Bereich verbindet und die unter dem Einfluß des zu messenden Gewichtes elastisch verformt wird, und mit einer zweiten, weicheren Parallelführung, die mit ihrem einen Ende mit dem Lastaufnehmer verbunden ist und mit ihrem anderen Ende über einen wenigstens näherungsweise weglosen Kraftauf­ nehmer mit dem gehäusefesten Bereich verbunden ist und die dadurch einen Bruchteil der Gewichtskraft auf den Kraftmeßaufnehmer überträgt.

Eine Waage dieser Art ist aus der EP 0 248 226 bekannt. Dort ist die zweite Parallelführung im Innenraum der ersten Parallelführung angeordnet. Die zweite Parallelführung ist daher niedriger und kürzer als die erste Parallelführung. Der in der EP 0 248 226 beschriebene Längenausgleich beim Einfedern der Parallelführungen unter Last ist daher nur teilweise realisiert. Auch der Ausgleich des Federkriechens der beiden Parallelführungen ist wegen der unterschiedlichen spezifischen Materialbelastung der beiden Parallelführungen nicht optimal. Weiter ist die Herstellung der beiden Parallelführungen aus einem einzigen Block relativ aufwendig, da die Konturen jeder Parallelführung einzeln aus dem Block herausgefräst werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Waage der eingangs genannten Art so weiter­ zubilden, daß eine verbesserte Funktion und vor allem eine einfachere Herstellbarkeit erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß beide Parallelführungen wenigstens näherungsweise gleiche Höhe und gleiche Länge aufweisen und daß beide Parallelführungen seitlich dicht nebeneinander angeordnet sind.

Durch die erfindungsgemaße Ausgestaltung sind beide Parallelführungen in ihrem Querschnitt identisch oder fast identisch. Dadurch ist auch ihr Kraftuntersetzungsverhältnis sehr konstant. Weiterhin lassen sich beide Parallelführungen in einem Arbeitsgang aus einem Block fräsen oder aus einem Strangpreßprofil herstellen und die Trennung erfolgt durch eine einzige vertikale Fräsung oder durch einen vertikalen Sägeschnitt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn die erste Parallelführung in zwei Teilbereiche unterteilt ist und die zweite Parallelführung in der Mitte zwischen diesen beiden Teilbereichen angeordnet ist. Dadurch ergibt sich ein symmetrischer Aufbau und die Ecklastprobleme werden minimiert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Figuren beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht der Parallelführung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Parallelführung in einer ersten Ausgestaltung,

Fig. 3 eine Aufsicht auf die Parallelführung in einer zweiten Ausgestaltung,

Fig. 4 eine Aufsicht auf die Parallelführung in einer dritten Ausgestaltung,

Fig. 5 eine Seitenansicht der Parallelführung mit einem Kraftaufnehmer nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation,

Fig. 6 einen Schnitt durch die Parallelführung längs der Linie VI-VI in Fig. 3 und einen Schnitt durch den Kraftaufnehmer nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraft­ kompensation aus Fig. 5,

Fig. 7 eine Seitenansicht der Parallelführung mit einem Kraftaufnehmer nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation mit einem zusätzlichen Über­ setzungshebel,

Fig. 8 eine Seitenansicht der Parallelführung mit einem Schwinger als Kraftaufnehmer,

Fig. 9 eine Aufsicht auf den Schwinger,

Fig. 10 eine Aufsicht auf den Schwinger in einer zweiten Ausgestaltung,

Fig. 11 eine Aufsicht auf die Parallelführung in einer vierten Ausgestaltung,

Fig. 12 eine Aufsicht auf die Parallelführung in einer fünften Ausgestaltung und Fig. 13 einen Querschnitt durch einen Lenker der Parallelführung in einer besonderen Ausgestaltung.

Eine erste Ausgestaltung der Parallelführung ist in Fig. 1 in Seitenansicht und in Fig. 2 in Aufsicht gezeichnet. Der obere Lenker 3 und der untere Lenker 4 verbinden den Lastauf­ nehmer 2, der die nicht gezeichnete Waagschale trägt, elastisch mit dem gehäusefesten Be­ reich 5. Die beiden Lenker 3 und 4 bilden also eine Parallelführung für den Lastaufnehmer 2. Zur Befestigung am Gehäuse 1 weist der Bereich 5 eine durchgehende Bohrung 6 auf; zur Befestigung der Waagschale weist der Lastaufnehmer ein Gewindeloch 9 auf. Unter dem Einfluß einer Last auf der Waagschale - angedeutet durch den Pfeil 7 in Fig. 1 - verbiegen sich die Lenker 3 und 4 elastisch, wobei der Hauptteil der elastischen Verformung im Bereich der Dünnstellen 10 erfolgt. Der Lastaufnehmer 2 senkt sich dabei ab. Diese Absenkung wird auf die zweite Parallelführung übertragen, die mit ihrem einen Ende 12 direkt mit dem Last­ aufnehmer 2 verbunden ist. Von den beiden Lenkern der zweiten Parallelführung erkennt man in Fig. 2 nur den oberen Lenker 8. Das andere Ende 11 der zweiten Parallelführung wird durch einen weiter unten beschriebenen weglosen Kraftaufnehmer mit dem gehäusefesten Bereich 5 verbunden und damit gehäusefest gehalten. Dadurch wird die zweite Parallel­ führung genauso elastisch verbogen wie die erste Parallelführung, die am Kraftauf­ nehmer wirkende Kraft beträgt jedoch nur einen Bruchteil der Gewichtskraft, die am Lastaufnehmer angreift. Sind beide Parallelführungen genau gleich hoch und gleich lang und sind auch die Dünnstellen 10 genau gleich im Querschnitt, so sind ihre Federkonstanten proportional zur Breite und die Kraftuntersetzung ist durch das Verhältnis der Breite der zweiten Parallelführung zur Gesamtbreite der ersten und der zweiten Parallelführung gegeben.

Die Herstellung der beiden Parallelführungen erfolgt zweckmäßigerweise aus einem einzigen Block, in den der innere Hohlraum 16 aus Fig. 1 eingefräst wird. Statt dessen ist es auch möglich, die Kontur aus Fig. 1 direkt als Strangpreßprofil herzustellen. Durch einen einzigen vertikalen Sägeschnitt 13 erfolgt dann die teilweise Trennung und die Unterteilung in die beiden Parallelführungen.

Die Unsymmetrie dieser Anordnung der beiden Parallelführungen ist für die Ecklastfreiheit der Waage nachteilig; daher wird statt der Anordnung in Fig. 2 eine symmetrische Anordnung nach Fig. 3 bevorzugt. Die Seitenansicht aus Fig. 1 gilt auch für diese Anordnung gemäß Fig. 3. Die erste Parallelführung ist dabei in zwei Teilbereiche aufgeteilt, von denen in Fig. 3 jeweils der obere Lenker 3 und 3′ zu erkennen ist. Die zweite schmalere Parallelführung 8 befindet sich mittig zwischen diesen beiden Teilbereichen 3 und 3′ der ersten Parallelführung.

Die beiden vertikalen Trennschlitze 13 können durch Sägen oder Fräsen hergestellt sein. Zur Befestigung am Gehäuse 1 ist je ein Durchgangsloch 6 an jedem der beiden Teilbereiche 5 und 5′ der ersten Parallelführung vorgesehen; zur Befestigung der Waagschale sind zwei Gewindelöcher 9 im Lastaufnehmer 2 vorgesehen.

In Fig. 4 ist eine dritte Variante gezeigt, die der Variante aus Fig. 3 ähnelt. Statt der beiden Trennschlitze 13 ist hier ein einziger U-förmiger Trennschlitz 14 vorgesehen, der die erste Parallelführung von der zweiten Parallelführung trennt. Der Trennschlitz 14 ist z. B. durch Fräsen oder Drahterodieren hergestellt. Der Wendebereich 15 des Trennschlitzes 14 ist dabei soweit links angeordnet, daß am linken Ende 11 der zweiten Parallelführung noch ein Verbindungssteg zwischen oberem Lenker 8 und unterem Lenker erhalten bleibt. - Diese Ausführung nach Fig. 4 hat den Vorteil, daß der gehäusefeste Bereich 5 der ersten Parallel­ führung stabiler ist. In der Ausgestaltung nach Fig. 3 muß die nötige Verbindungsstabili­ tät der beiden Teilbereiche 5 und 5′ der ersten Parallelführung durch das Gehäuse 1 unterhalb der beiden Befestigungspunkte 6 sichergestellt werden.

Die Ecklastjustierung der ersten Parallelführung erfolgt in bekannter Weise entweder durch Materialabtrag im Bereich der Dünnstellen 10 (in Fig. 1) oder durch federnde Verspannung mittels Zug- oder Druckschrauben.

Der Kraftaufnehmer und sein Einbau in die beiden Parallelführungen ist in den Fig. 5 und 6 in einem ersten Beispiel gezeigt. Es wird dabei die Ausgestaltung der beiden Parallelführungen gemäß Fig. 1 und 3 vorausgesetzt. Fig. 5 ist eine Seitenansicht, Fig. 6 ein vertikaler Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 3. Am gehäusefesten Bereich 5 ist über eine Lasche 21 ein vorkragender Arm 20 befestigt, der sich über eine der Lasche 21 entsprechende Lasche auch am anderen gehäusefesten Bereich 5′ abstützt. Der vorkragende Arm 20 trägt einen Permanentmagneten 22, in dessen Luftspalt eine Spule 23 hineinragt. Die Spule 23 wiederum ist über einen Kragarm 24 mit dem Endbereich 11 der zweiten Parallelführung verbunden. Ein Lagensensor 25 steuert dabei den Strom durch die Spule 23 so, daß Spule 23 und Magnet 22 ihre relative Lage zueinander beibehalten; dadurch wird auch die Lage des Endes 11 der zweiten Parallelführung relativ zu den gehäusefesten Bereichen 5 und 5′ festgehalten, ohne daß eine mechanische Verbindung besteht. Der zur Lageregelung notwendige Spulenstrom ist dann ein Maß für die am Ende 11 der zweiten Parallelführung angreifende Kraft. - Das Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation ist in der Wägetechnik allgemein bekannt, so daß hier auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet werden kann. Ebenso ist es allgemein bekannt, die Befestigungspunkte für die Laschen 21 und den Ort des Lagensensors 25 so zu wählen, daß die unvermeidliche geringe Verbiegung der gehäusefesten Bereiche 5 und 5′ unter ecklastiger Belastung sich nicht auf das Wägeergebnis auswirkt.

Eine Ausführungsform des Kraftaufnehmers ähnlich der Ausführung gemäß Fig. 5 und 6, jedoch mit zusätzlichem Übersetzungshebel, ist in Fig. 7 gezeigt. An den gehäusefesten Bereichen 5 und 5′ ist mittels Blattfedergelenke 31 ein Übersetzungshebel 30 gelagert. Der kurze Hebelarm dieses Übersetzungshebels wird durch den Abstand des Zugbandes 32 vom Blattfedergelenk 31 gebildet. Das Ende des Zugbandes 32 ist mit dem Ende 11 der zweiten Parallelführung verbunden (Schraube 33). Am längeren Hebelarm des Übersetzungshebels 30 ist die Spule 23 der elektromagnetischen Kraftkompensation befestigt. Permanentmagnet 22 und Lagensensor 25 sind identisch mit den entsprechenden Teilen aus Fig. 5 und 6. Der Kragarm 20 ist verlängert, um den Magneten 22 zu tragen. - Die Last am Lastaufnehmer 2 wird in dieser Ausgestaltung entsprechen den Federkonstanten der ersten und zweiten Parallelführung untersetzt auf das Zugband 32 übertragen. Der Übersetzungshebel 30 untersetzt diese Kraft nochmal im Verhältnis seiner beiden Hebelarme, so daß an der Spule 23 nur eine sehr geringe Kraft elektromagnetisch erzeugt werden muß. Das heißt, daß sowohl die Spule 23 als auch der Permanentmagnet 22 klein ausgebildet sein können und auch nur kleine Ströme zur Kraftkompensation benötigt werden.

In Fig. 8 ist die kraftuntersetzende Parallelführung zusammen mit einem Schwinger als Kraftaufnehmer gezeigt. Die erste und zweite Parallelführung sind wie in den vorhergehenden Beispielen ausgeführt. An den beiden gehäusefesten Bereichen 5 und 5′ ist an einem Vor­ sprung 38 die Quertraverse 37 eines mechanischen Schwingers 40 befestigt. Der Schwinger 40 ist in Fig. 9 in Aufsicht dargestellt. Die stabile Quertraverse 37 geht bei 34 in einen dünneren Bereich über, der wiederum bei 35 in einen dickeren und breiteren Anschraub­ bereich 36 übergeht. Der Anschraubbereich 36 ist mittels der Schraube 44 an einem Vorsprung 39 am Ende 11 der zweiten, weicheren Parallelführung befestigt. Bei Belastung des Lastaufnehmers 2 wird also ein Bruchteil der Gewichtskraft auf den Schwinger 40 übertragen und erhöht in bekannter Weise dessen Schwingfrequenz. Diese Frequenz­ änderung kann direkt digital ausgewertet werden. - Die Funktionsweise eines mechanischen Schwingers ist im Waagenbau ebenfalls allgemein bekannt, so daß Einzelheiten, wie z. B. die Schwingungsanregung, nicht erläutert zu werden brauchen.

In Fig. 10 ist eine zweite Ausgestaltung des mechanischen Schwingers in Aufsicht dargestellt. Dieser Schwinger 40′ wird in gleicher Weise, wie in Fig. 8 gezeigt, an der kraftuntersetzenden Parallelführung befestigt, nur daß in diesem Falle alle drei Anschraubpunkte 41, 42 und 43 in gleicher Höhe liegen. Dadurch liegen die in Fig. 8 mit 38 und 39 bezeichneten Vorsprünge an den gehäusefesten Teilen 5 und 5′ sowie am Teil 11 der zweiten Parallelführung auf einer Höhe und können beim Ausfräsen des Innenraumes 16 bzw. beim Strangpreßprofil direkt mit berücksichtigt werden. Außerdem führen verschiedene Ausdehnungskoeffizienten des Schwingermaterials und des Materials der Parallelführung nicht zu einer Verspannung.

In den Fig. 11 und 12 sind zwei weitere Ausführungsformen der kraftuntersetzten Parallelführungen gezeigt. Diese beiden Ausführungsformen geben zwei Beispiele, wie die Breite der zweiten Parallelführung sehr schmal gehalten werden kann, ohne daß ihre seitliche Stabilität zu gering wird. In Fig. 11 besteht die zweite Parallelführung aus zwei Stegen 8′ und 8′′, die V-förmig zueinander angeordnet sind bzw. die beiden Schenkel eines Trapezes bilden. Querstege 18 verbinden die beiden Stege 8′ und 8′′ und erhöhen die Stabilität ohne einen Beitrag zur Federkonstante der Parallelführung zu liefern. - In Fig. 12 sind die beiden äußeren Stege 19 und die beiden Diagonalstege 17 so schmal, daß sie in der Zeichnung jeweils nur als ein Strich erscheinen. Durch die Diagonalstege ist ein fachwerkartiger Aufbau erzeugt, der trotz der geringen Breite der einzelnen Stege eine genügende seitliche Stabilität gewährleistet.

Reicht das über die Breitenvariation erzielbare Verhältnis der Federkonstanten zwischen der ersten Parallelführung und der zweiten Parallelführung nicht aus, will man also größere Kraftuntersetzungen erreichen, so ist es selbstverständlich möglich, die Dünnstellen 10 bei der zweiten Parallelführung 8 dünner zu wählen als bei der ersten Parallelführung 3/4. Da die Dicke der Dünnstellen 10 mit der dritten Potenz in die Federkonstante eingeht, lassen sich so sehr schnell sehr hohe Kraftuntersetzungsverhältnisse erreichen. Fertigungstechnisch kann dies dadurch erreicht werden, daß der innere Hohlraum 16 für beide Parallelführungen gleich gewählt wird, während im Bereich der zweiten Parallelführung 8 von außen her etwas Material entfernt wird und dadurch deren Dünnstellen dünner gemacht werden.

Die Lenker (z. B. 3 und 4 in Fig. 1) sind im vorstehenden immer mit Dünnstellen 10 an den Enden gezeichnet. Selbstverständlich können auch Lenker eingesetzt werden, die über die ganze Länge eine konstante Dicke aufweisen, deren Federung also über die ganze Länge verteilt ist. Dabei kann der bisher immer als rechteckig vorausgesetzte Querschnitt der Lenker z. B. auch kreuzförmig ausgebildet sein, wie es in Fig. 13 vergrößert dargestellt ist. Werden die Lenker der zweiten Parallelführung 8 so ausgebildet, so erhöhen die beiden seitlichen Verbreiterungen 46 die seitliche Stabilität erheblich, wirken sich aber auf die Federkonstante in senkrechter Richtung kaum aus, da sie sich im Bereich der neutralen Faser 45 befinden und ihre geringe Höhe nur mit der dritten Potenz eingeht.

Weiter ist es auch möglich, den zusätzlichen Übersetzungshebel, wie er in Fig. 7 gezeigt ist, zusammen mit dem mechanischen Schwinger aus Fig. 8 zu benutzen. Auch ist der Einsatz beliebiger Kraftaufnehmer möglich, vorausgesetzt sie arbeiten praktisch weglos.

Claims (12)

1. Waage mit einer ersten Parallelführung (3/4), die einen Lastaufnehmer (2) elastisch mit einem gehäusefesten Bereich (5) verbindet und die unter dem Einfluß des zu messenden Gewichtes elastisch verformt wird, und mit einer zweiten, weicheren Parallelführung (8), die mit ihrem einen Ende (12) mit dem Lastaufnehmer (2) verbunden ist und mit ihrem anderen Ende (11) über einen wenigstens näherungsweise weglosen Kraftaufnehmer mit dem gehäusefesten Bereich (5) verbunden ist und die dadurch einen Bruchteil der Gewichtskraft auf den Kraftaufnehmer überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß beide Parallelführungen (3/4, 8) wenigstens näherungsweise gleiche Höhe und gleiche Länge aufweisen und daß beide Parallelführungen (3/4, 8) seitlich dicht nebeneinander angeordnet sind.

2. Waage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Parallelführung (3/4) in zwei Teilbereiche (3, 3′) aufgeteilt ist und daß die zweite Parallelführung (8) in der Mitte zwischen den beiden Teilbereichen (3, 3′) der ersten Parallelführung angeordnet ist.

3. Waage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Parallelführungen (3/4, 8) aus einem einzigen Block hergestellt und durch einen bzw. zwei vertikale(n) Schlitz(e) (13, 14) voneinander getrennt sind.

4. Waage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Block als Strangpreßprofil ausgebildet ist.

5. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Parallelführung (3/4) deutlich breiter ausgebildet ist als die zweite Parallelführung (8).

6. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Hohlraum (16) der beiden Parallelführungen identisch ausgebildet ist.

7. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als näherungsweise wegloser Kraftaufnehmer ein elektromagnetisch kraftkompensierendes System eingesetzt ist.

8. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als näherungsweise wegloser Kraftaufnehmer ein mechanischer Schwinger (40, 40′) eingesetzt ist.

9. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Übersetzungshebel (30) zwischen dem anderen Ende (11) der zweiten Parallelführung und dem Kraftaufnehmer eingebaut ist.

10. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Parallelführung (8′, 8′′) in Aufsicht V-förmig bzw. trapezförmig ausgebildet ist.

11. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Parallelführung in Aufsicht fachwerkartig in mehrere Streben (17, 19) aufgeteilt ist.

12. Waage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenker der zweiten Parallelführung im Bereich der neutralen Faser (45) eine Verbreiterung (46) aufweisen.