DE6940548U

DE6940548U - Mehrkomponenten- kraft- und momentenmessanordnung

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Publication number: DE6940548U
Application number: DE6940548U
Authority: DE
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1968-11-04
Filing date: 1969-10-18
Publication date: 1974-11-28
Also published as: US3640130A; CH502590A; DE1952522B2; DE1952522A1; AT310470B; GB1286993A

Description

Mehrkomponenten-Kraft— und Momentenmeßanordnung

Die Erfindung "betrifft eine Kraft- und Momentenmeßanordnung mit mehreren, zwischen zwei Montageplatten angeordneten Kraftmeßzellen, die in einem auf die Montageplatten "bezogenen Koordinatensystem liegen, auf vorbestimmte Kraftkomponenten selektiv ansprechen und mit einer Verstärkeranordnung verbunden sind, der eine Anzeigeanordnung nachgeschaltet ist, die sowohl eine Anzeige der von den Kraftmeßzellen gemessenen Kraftkomponenten alK auch der aus den Kräften resultierenden Momente liefert.

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Derartige Anordnungen sind bekannt (DT-PS 957 980; Product engineering, G'uli 1968)* Diese "bekannten Anordnungen sind relativ komplizierte Gebilde, die zwischen zwei Systeme geschaltet werden und die Kräfte und Momente zwischen diesen beiden Systemen aufzunehmen gestatten. Dazu sind die Anordnungen mit sechs selektiv in J#n§ils sinsr Hiehirusg esspfisd-lichen KraftsessevQ versehen, über die die Kräfte und die in Kräfte zerlegten Momente geleitet und erfaßt werden. Zum Messen dienen die Dehnung erfassende Meßelemente«. Von Nachteil ist bei diese» bekannten Anordnungen, daß die beiden Systeme, zwischen denen Kräfte und Momente zu bestimmen sind, nachgiebig miteinander verbunden sind· Durch diese erforderliche Elastizität der Anordnung ist die Eigenfrequenz des Systemes relativ niedrig, so daß höherfrequente Kraft- und Momentenänderungen nicht erfaßbar sind. Außerdem müssen die jeweils in einer Achse empfindlichen Heß— elemente über elastische Schneiden oder ähnlich mit dear Krafteinleitung gekoppelt sein, damit ihnen nur dia eine Kraftkomponente zugeführt wird, die sie aufnehmen sollen« Dadurch werden die bekannten Anordnungen nicht nur kompliziert in ihrem Aufbau, sondern sie lassen sich auch nicht zu kleinen, kompakten Baueinheiten zusammenfassen. Schließlich müssen wegen der Nachgiebigkeit die Anordnungen der Kraftmeßzellen so getroffen sein, daß statisch bestimmte Systeme entstehen.

Es sind auch Kraftaufnehmer mit piezoelektrischen Meßzellen bekannt, die so ausgebildet sind, daß sie nur eine in einer Richtung wirkende Kraft aifnehmen· TJm eine Kraft aus einer beliebigen Richtung aufnehmen zu können müssen drei derartige Systeme mit entsprechender Orientierung zusammengebaut

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sein. Ein derartiges Dreifachsystem eignet sich= jedoch nicht zum Einbau anstelle der Dehnungsmeßsysteme in den bekannten Mehrkomponenten-Meßanordnungen, weil sich sonst ebenfalls sehr komplizierte Anordnungen zum "Verteilen und Zuführen der einzelnen Kraftkomponenten ergeben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, eine Meßanordnung zu schaffen, die es ermöglicht, Kräfte und Momente bis zu sehr hohen Frequenzen bei hoher, ' ' durch innere Vorspannungen unbeeinträchtigter Empfindlich

keit und HuiipunktStabilität gleichzeitig zn erfassen -and anzuzeigen*

Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art;, erfindungsgeHäß dadurch, daß die Montageplatten in Richtung aller Koordinatenachsen starr miteinander verbunden sind, daß diese Verbindung durch mehrere starre Kraftmeßzellen gebildet ist, die zwischen den Montageplatten unter Vorspannung gehalten sixs3, und daß die Kraftmeßzellen beidseitig mit planen Krafteinleitflächen versehen sind, die in zwei genein-•*\ samen parallelen Ebenen liegen.

Ein besonderer Vorteil der erf indungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß sie einen in allen Richtungen starren Körper bildet, der auch sich sehr rasch äsSemüe Kräfte und Momente zu erfassen vermag, da seine Eigenfrequenz hoch liegt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Systemes wegen dessen Starrheit die zu messenden Kräfte und Momente nicht verfälscht werden. Es kann beispielsweise bei Schnitt-

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kraftmessungen, bei denen das Y/erkzeug ai£ der Meßanordnung und die Meßanordnung an dem V/erkzeugsupport befestigt ist, nicht vorkommen, daß sich der Anstellwinkel des Werkzeuges wegen der mangelnden Starrheit der Meßanordnung ändert; und dadurch völlig andere, falsche Kräfte und Momente gemessen werden« Ein weiterer Vorteil der starren Verbindung der Montageplatten miteinander liegt darin, daß die Anordnung nicht auf statisch bestimmte Systeme beschränkt ist, sondern beliebige Anordnungen möglich sind, die so gewählt v/erden können, daß sich eine möglichst einfache und wenig Aufwand an Rechenverstärkern erfordernde Verarbeitung der Meßwertkomponenten ergibt« Schließlich liegt noch ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung darin» daß sie eine von ungleicher Vorspannungsverteilung unbeeinträchtigte Messung auch kleiner Kräfte und Momente ermöglicht. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Kraftmeßzellen beidseitig mit Planflächen versehen sind und daß die Planflächen exakt in zwei gemeinsamen parallelen Ebenen liegen. Die exakte Anordnung in zwei parallelen Ebenen wird in der Herstellung dadurch erreicht, daß die Kraftmeßzellen einseitig plan geschliffen und mit dieser Planfläche auf eine der ebenfalls planen Mcntageplatten angebracht werden. Nach dieser Vormontage werden sämtliche Kraftmeßzellen einer Anordnung gemeinsam überschliffen, wodurch erreicht wird, daß die zweiten Planflächen aller Kraftmeßzellen, di.e Kraft einleitflächen bilden, exakt in derselben Ebene liegen, wobei die Abweichungen von der gemeinsamen Ebene kleiner als 1/1000 mm gehalten werden können. Danach wird die zweite Montageplatte aufgebracht "und es werden die beiden Montageplatten gegeneinander verspannt. Dadurch,

daß die Eraf teinleitf lachen nicht nur zueinander genau parallel liegen, sondern daß auch, alle Erafteinleit— flächen in derselben gemeinsamen Ebene liegen, ist es möglich., die nohe Empfindlichkeit von Piezozellen auszunutzen, da wegen des praktisch, völligen Fehlens ungleicher Vox'spannungen und der dadurch bedingten Aus— · gleichsspannungen eine Messung von ITull weg linear möglich ist· Erst durch das Vorsehen der zueinander paralle— ι

leu Eraf teinlsitf lachen, die ssHtlic-h. i" 2-&&X gemeinsamen 1*

V Ebenen liegen, ist es möglich* eine völlig neue Meßplatt- \\

form zu verwirklichen» die in sich starr und statisch unbe—

stimmt ist und die einen sehr großen Meßbereich linear zu L· erfassen vermag.

Bei einfachen Meßaufgaben kann die Anordnung mit mehreren jeweils auf eine Komponente ansprechenden Kraftmeßzellen versehen sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedoch spricht jede Kraftmeßzelle auf mehrere Komponenten an und es ist ihre Orientierung auf die Montageplattenebene und das Koordinatensystem ausgerichtete Von Vorteil ist, daß durch die Verwendung mehrerer Mehrfachmeßzellen Anordnungen geschaffen werden können, deren üeßwertkomponenten sich durch sehr einfache Schaltungen zu den gewünschten Größen mathematisch zusammenfassen lassen.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Anordnung mit beliebig vielen Kraftmeßzellen aufgebaut sein, da die Kraftmeßzellen ein statisch unbestimmtes System bilden* Beispielsweise können drei Kraftmeßzellen vorgesehen sein, die an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind· Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der

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Erfindung dagegen sind Trier iürafinaeüzexxen zwischen die Montageplatten eingespannt; und an den Ecken eines Rechteckes angeordnet;, wobei gede der vier KraitmeBzellen auf drei Komponenten anspricht,. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung liegt darin, daß auf diese Weise die Auswertung der erhaltenen, den einzelnen Komponenten entsprechenden elektrischen Meßwerte "besonders einfach wird«, Insbesondere lassen sich Momente sehr einfach mathematisch "und damit auch mit wenig Aufwand an Operationsverstärkern ermitteln*. Besonders einfach wird die Ausführung dann* wenn die vier Kraftmeßzellen an den Ecken eines Quadrats angeordnet sind· Es liegen dabei die Zentren paarweise symmetrisch zur X— und zur Y-Achse* Werden dabei je zwei 2— und X-Anschlüsse der einzelnen Kraft— meßzellen paarweise herausgeführt, so können die Anschlüsse derart an Verstärker geführt werden, daß drei Kraftkomponenten und ein Drehmoment in der X-Y-Ebene erfaßbar sind·

Werden beispielsweise einzelne Anschlüsse der Meßzellen in der X- und der Y-Komponente paarweise bezüglich je einer Momentenachse zusammengeschaltet und mit Verstärkern verbunden, und werden alle Z-Komponenten der Meßzellen an Einzelverstärker angeschlossen, so können über einige Operationsverstärker die Kraftkomponenten in den drei Koordinatenachsen und die drei Momente in den durch ■je zwei Koordinatenachsen definierten Ebenen ermittelt werden, wobei bei der Uonentenermittlung der Abstand der Kraftmeßzellenzentren voneinander als konstanter Faktor eingeht.

Die Vorspannung der Hontageplatten gegeneinander kann auf verschiedene VTeise verwirklicht sein, beispielsweise durch

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t . I⁹* * *

™ 7 —

symmetrisch zu den Achsen der Kraftmeßzellen angeordnete Spannschrauben. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform. der Erfindung sind die Kraftmeßzeilen Bit einer zentralen Bohrung versehen, durch die hindurch je eine Torspannschraube die "beiden Montageplatten unter Vorspannung der Kraftmeßzeller; zusammenspannto Ein Torteil der Verwendung von Eraftmefizellen mit einer zentralen Bohrung und einer hindurchgesteckten Vorspannschraube liegt darin, daß auf diese Weise "besonders zuverlässig eine sehr g?.eichmäßige Spannungsverteilung an der- Einspasnstelle der Kraft— meßzelle ersielt wird, die zur Kraftmeßzellenachse rotations symmetrisch ist» wodurch erreicht wird, daß Nebensprecheffekte sehr klein werden· Eiese Nebensprecheffekte ■wirken sich in der Weise aus, daß "bei Auftreten einer Kraft in Richtung einer Koordinatenachse auch an den Kraftmeßzellenausgängen^ die den anderen Koordinatenachsen zugeordnet sind, Signale auftreten. Diese durch das Nebensprechen "bedingten Störsignale werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung besonders klein, so daß sie das Meßergebnis nicht mehr nennenswert verfälschen»

Die Orientierung der Kraftmeßzellen, die jeweils auf mehrere Komponenten ansprechen^ auf das Koordinatensystem hat den Torteil, daß die einer Koordinatenachse zugeordneten Teilkomponenten in einfacher V/eise unter Vorzeichenberücksichtigung addiert werden können, wogegen bei beliebiger Orientierung die einzelnen Komponenten auf das Koordinatensystem umgerechnet werden müssten, was einen erheblichen zusätzlichen Aufwand bei den nachgeschalteten Verstärkern und Rechnern erfordern würde.

Erfindungsgemäße Meßanordnungen werden häufig auGh bei Meßaufgaben eingesetzt, bei denen Erschütterungen und

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Vibrationen auftreten, die der eigentlichen Meßgröße überlagert sind -und die nicht erfaßt werden sollen,. Diese Beschleunigungen haben aufgrund des massebehaf— teten Aufbaues der Anordnung Beschleunigungskräfte zur Folge, die Störsignale ergeben. Bei einer bevorzugten Ausföhrungsform der Erfindung ist daher die Meßanordnung mit mindestens einem Beschleunigungsaufnehmer zur Kompensation der durch Bewegungskräfte verursachten Fehlersignale versehen, dessen Ausgangssignal an Verstärker geführt ist. Durch entsprechende Kalibrierung läßt sicL. die Empfindlichkeit des Beschleunigungsaufnehmers so einstellen, daß das Fehlersignal praktisch völlig kompensiert wird« La der Beschleunigungsaufnehner durch seinen Einbau in die Meßanordnung stets exakt derselben Beschleunigung ausgesetzt ist wie die Kraftmeßzellen, ist die beschriebene Beschleunigungskoiiipensation über sehr große Bereiche hinweg wirksam. Die bei der erfindungsgemäßen Anordnung verwendeten Eraftmeßzellen können beispielsweise piezoelektrische oder piezoresistive Zellen sein·

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 eine einzelne Kraftmeßzelle zum Erfassen von Kräften in den drei Ächs&n eines cartesischen Koordinatensysteiaes in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Krafttneßzelle nach Fig. Λ in der Z-X-Ebene,

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43\

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Mehrkomponenten-Meßeinheit § mit vier Mehrkomponenten-Kraftmeßzellen in per- lf spektivischer Ansicht, Ij

Fig. 4- eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 3 η unter Darstellung der Kräfteverhältnisse bei j Angriff eines Drehmomentes, i

Figs $ in perspektivischer Ansicht eine erfindungsgemäße jj Mehrkomponenten-Meßeinheit, an der Momente in drei
verschiedenen Ebenen angreifen,

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Bestimmung der Einzelkräfte und Momente, die bei einer
Meßeinheit gemäß Fig. > oder 3 auftreten,

Fig. 7 in perspektivischer Ansicht eine Meßeinheit rndlib
vier Einkomponenten-Kraftmeßzellen,

Fig. 8 eine Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Kraft
und zweier Momente mit einer Meßeinheit nach Fig« 7
und

k Fig. 9 einen Schnitt einer Meßeinheit mit einer zusatz— | liehen Beschleunigungsmeßzelle zur Beschleunigungs— | kompensation.

Bei der in Fig. Λ dargestellten Mehrkomponenten-Kraftmeßzelle wirkt die Kraft auf eine obere Aufnahmefläche 1 und
eine untere Aufnahmexläche 2 ein. Damit Kräfte in der X-
und der Y-Richtung zwischen diesen beiden Flächen übertragen werden können, ist es notwendig, daß die Meßzelle unter
mechanischer Vorspannung eingebaut isto Zu diesem Zweck ist
die Meßzelle mit einer durchgehenden zentralen Bohrung 3
versehen, durch welche eine entsprechende Vorspannschraube
gesteckt wird_e Die Meßsignale für die einzelnen Komponenten
stehen an Steckeranschlüssen 4-, 5

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Fig. 2 zeigt den Einbau einer derartigen Mehrkomponenten-Kraftmeßzelle in einer erfindungsgemäßen Anordnung. Ein Ließkörper 21 trägt Anschlüsse 25, die mit in verschiedenen Achsen empfindlichen Elementen 22 verbunden sind. Zur Übertragung von Schubkräften, also in der Ebene der Aufnahmeflächen 1 und 2 liegenden Kräften, wird eine Vorspannschraube 24 durch die zentrale öffnung 3 gesteckt und mechanisch ausreichend vorgespannt. Die Vorspannschraube ist möglichst elastisch gestaltet, damit sie an der Übertragung der Kräfte einen verhältnismäßig kleinen Anteil niiamt, also die Kräfte hauptsächlich über die empfindlichen Meßelemente 22 geleitet werden.

Die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Ließanordnung umfaßt vier Mehrkomponenten-Meßzellen gemäß Fig. 1, die gemäß Fig. 2 eingebaut sind· Die Meßzellen sind zwischen zwei Montageplatten, einer Grundplatte 31 "und einer Deckplatte 32 mittels Vorspannschrauben 33 fest verspannt· Die Vorspannschrauben 33 entsprechen der Vorspannschraube 24- gemäß Fig. 2„ Auf der Deckplatte 32 wird das zu untersuchende Heßobjekt aufgebaut, an dem Krafteinwirkungen in drei Komponenten gemessen werden sollen. Bei einem solchen Anwendungsfall, bei dem nur drei Kraftkomponenten interessieren, genügt eine sehr einfache Schaltung, bei der alle X-Ausgänge der Einzelzellen zusammen an eineru Verstärker 36 geleitet werden. In gleicher Weise werden alle T- und alle Z-Ausgänge der einzelnen Mehrkomponenten-Meßzellen an Verstärker 37 bzw* 38 angeschlossen. An den Ausgängen dieser Operationsverstärker stehen dann die den Kraftkomponenten 2, T und Z entsprechenden Signale as und können entsprechend weiterverarbeitet werden. Anordnungen

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dieser Art werden hauptsächlich in der Zerspanungstechnik angewendet, wenn Reaktionskräfte verschiedener Bearbeitungsvürgänge untersucht werden sollen. Bei vielen Anwendungsfällen genügt es, wenn eine robust und mechanisch einfach aufgebaute Meßeinheit verfügbar ist, die einen starren Körper darstellt, eine sehr hohe Eigenfreqx^nz aufweist und auf bequeme Weise in drei Achsen kalibriert werden kann. Mit der einfachen Schaltung mit nur drei Suiamierverstärkern 56» 57 und 58 können jedoch keine Momente bestimmt werden.

Eine lioaentbestimmung wird anschließend anhand Fig. 4 erläutert« Es ist angenommen, daß in der Zeichenebene ein Drehmoment Mz auf der oberen Montageplatte angreift. Bie Abstände der Zentren der vier Kraftmeßzellen sind mit A und B bezeichnet· Greift nun das Moment an irgend einer Stelle der Ebene, beispielsweise in einem Punkt an, so ergeben sich bezüglich der vier Zellen vier Einzelkräfte F₇. bis F^ sit den dazugehörenden Hebelannlängen a,. bis a^,„ Das Gesamtmoment Mz ist damit gleich der Summe aller Einzelmomente:

Werden diese Kräfte in ihrem Komponenten zerlegt und werden anstelle der Hebelarme die Koordinatenabstände der Meßzellenzentren A und B genommen, so läßt sich obige Formel auf den einfachen Ausdruck bringen:

Mz = 1/2 · A^(Fy) + B
wobei die Vorzeichen der Kräfte zu berücksichtigen sind.

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Somit kann nach Kenntnis der Ab st and Sachsen A, B sowie mit Kenntnis aller X- -und Y-Komponenten jedes beliebige Moment LI in der Ebene X-Y bestimmt werden. Bedingung ist lediglich, daß die Polarität der Zellenausgangssignale richtungsabhängig XSt₅. damit die Richtungen der Kraftvektoren eindeutig feststellbar sind. Das ist in Figo 4· bei den Vektoren 4-2 und 4-3 angedeutet, die beide in der X-Riehoüüg wirken, jedoch verschiedene Vorzeichen aufweisen und dementsprechend auch verschiedene, nämlich positive und negative Ausgangesignale hervorbringen. Es ist leicht einzusehen, daß die obige Formel für das Moment sich noch vereinfacht, wenn A=B ist, also die Kraftmeßzellenzentren an den vier Ecken eines Quadrates angebracht sind. Bei der perspektivischen Darstellung gemäß Fig. 5 weiot die erfindungsgemäße Meßanordnung wiederum vier Mehrkoiaponenten-Meßzellen auf, die zwischen die beiden Montageplatten, eine Grundplatte 51 und eine Deckplatte 52 eingespannt sind. Die Meßzellen sind zu den gewählten X— und Y-Achsen des Koordinatensystems symmetrisch angeordnet. An der Deckplatte 52 greifen Drehmomente in drei Ebenen an. Das Drehmoment Ms in der Grundebene löst Schubkräfte, wie in Figo 4- bereits gezeigt, aus. Das Drehmoment l»ly in der gezeigten Wirkungsrichtung ergibt auf Kraftmeßζeilen 53 und 56 Belastungskräfte, auf Kraftmeßzellen 5^ und 55 Entlastungskräfte. Eine gleichartige Wirkung hat ein Drehmoment Mx in der gezeigten Drehrichtung, wobei die Kraftmeßzellen 55 und 54- entlastet, die Kraftmeßzellen 55 und 56 belastet werden. Zu diesen drei Momenten können nun auch noch die in Fig„ 3 gezeigten Einzelkraftkomponen— ten kommen, so daß für den allgemeinen Fall mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung drei Kraftkomponenten sowie drei

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/\^Μ

Monente gleichzeitig gemessen werden können. Wird ein
Meßobjekt auf der Deckplatte 52 "befestigt, so kann jede
beliebige Einzelkraft, die auf das Meßobjekt wirkt, aus
diesen seeks Neuwerten vollständig definiert werden.
Die Eigenschaft, daß die Erafiznießzellen starr sind,
führt in erwünschter Weise dazu, daß die gesamte erfindungsgesäße Meßanordnung eine starre Einheit "bildet, die
allen Sichtungen hohe Eigenfrequenzen aufweist«

JLn S¹Ig. 6 ist die für den soeben geschilderten allgemeinen I=

Fall notwendige Schaltungsanordnung als Blockschaltbild ψ

dargestellt. iiehrkomponenten-K^aftmeßzellen 62, 63» 64- |

und 65 sind symmetrisch zu den gewählten X- und Y-Achsen |·

angeordnet. Die Achsabstände sind wieder mit A und B be— |·

zeichnet. Die Ausgangs signale der einzelnen Kraftmeß- fJ

zellen werden einer Gruppe von Vorverstärkern 66 bis 73 I.'

zugeführt. Den Vorverstärkern 66 bis 69 v/erden jeweils \\

die zusammengeschalteten Werte von zwei X- und zwei Y- ^!"

Ausgängen zugeführt» Den Verstärkern 70 bis 73 werden »

die einzelnen Ausgänge der Z-Komponenten je für sich ; zugeführt. An die Ausgänge der Vorverstärker sind eine
Gruppe von Operationsverstärkern 74- ^is 79 angeschlossen,
die Addition und Subtraktion der verschiedenen vorverarbeiteten Signale vornehmen. Am Ausgang des Operationsverstärkers 7^- erscheint die Kraftkomponente Fx, die
Kraft in X-Richtung. Dieses Signal stellt die algebraische

Summe aller X-Komponenten der vier Eraftiaeßzellen dar. In :

gleicher Weise bildet der Operationsverstärker 76 die j

algebraische Summe aller Y-Komponenten«, Der Operations- | verstärker 77 erfüllt die gleiche Aufgabe für alle Z-Kom-

pönenten. Im Operationsverstärker 75 wird aus allen X- und |

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allen 1—Komponenten das Moment Mz in. der X-T-.Ebene be— stimmt j wobei der Abstand A als Faktor im Ausgang berücksichtigt wird. In gleicher Weise arbeiten die Operationsverstärker 78 "und 79» die die Momente in der- 2— und der Y-Ebene, multipliziert mit dem zugehörigen Achsabstandsfaktor, liefern_o Diese Anordnung ergibt somit die drei Einzelkräfte als auch die drei Einzelmometce getrennt voneinander· In vorteilhafter Weise werden die

^ so erhaltenen Signale in einem Mehrkanalschreiber regi-

V striert·

Wie bereits erwähnt können die Zentren der Mehrkomponenten-Kraftmeßzellen statt an den Ecken eines Rechteckes an den Ecken eines Quadrates angeordnet sein« Ebenso ist es möglich, die Zentren in einer anderen geometrischen Anordnung, beispielsweise an den Ecken eines gleichseitigen Dreieckes anzuordnen» Schließlich ist es ebenso möglich, kein cartesisches sondern irgend ein anderes Koordinatensystem zu verwenden.

Aus der Darstellung gemäß i*ig. 6 geht hervor, daß es auch in einfacher Weise möglich ist, außer den drei Kräften ?:c, Fy und Fz lediglich Momente in der X-Y-Ebene, also löZ-Homente zu messen. Eine derartige Meßeinheit eignet sich insbesondere für Zerspanungsversuche, also für Schleif-, Fräs- oder Holzbearbeitung. Eine solche Anordnung benötigt anstett der in Fig. 6 dargestellten acht Vorverstärker nur fünf und anstelle der sechs Operationsverstärker nur drei Operationsverstärker.

In Fig. 7 ist eine Meßanordnung zur Lösung einer einfacheren Ileßaufgabe dargestellt, bei der zwei Momente

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ft Sä?

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eine resultierende Kraft gemessen werden sollen. 5ür eine solche Aufgabe ist die Anordnung mit vxek' Standardkraftmeßzellen versehene Diese Zellen 80, die mit Schrauben 82 zwischen der G-rundplatte 83 und der Deckplatte 84- fest verschraubt sind, weisen einen Ausgang 81 auf ο Die Anordnung ist ebenfalls symmetrisch, zur T- und X-Achse vorgesehen» Das Moment Mx, dae in 4er X- und Z-Ebene wirkt_$ ruft in Zellen 85 und 86 Entlastung^ in Zellen 83 und 8? Belastung hervor« .Das Moment My₄ das in der X-Z-Ebene wirkt, bedingt in der dargestellten Wirkungsrichtung eine Belastung der ZeI* len 80 und 85- und eine Entlastung der Zellen 86 und 87·

In Pig· 8 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt zur Auswestuns von mit der Meßeinheit gemäß Fig. 7 erfaßten Signalen« ^ier Einkomponenten-Kraftmeßzellen 90, 91, 92 und 93 sind mit den Achsäbständen A und B symmetrisch zu den X- und "Ϊ-Achsen angeordnete Die Ausgänge der vier Zellen werden einzeln vier Vorverstärkern 9**-» 95» 96 und 97 zugeführt· Ein Operationsverstärker 98 summiert alle Ausgangssignale der Vorverstärker; sein Ausgangssignal ist somit ein Maß für die gesamte resultierende Kraft I¹Z· In einem Operationsverstärker 99 werden die Ausgange der zur Y-Achse angeordneten Kraftmeßzsellen zugeführt und durch Umkehrverstärker zur einer Ausgangsspannung entsprechend einer Kraft = My · 2/B umgewandelt» In entsprechender Weise wird in einem Operationsverstärker aus den Signalen der symmetrisch zu der X-Achse angeordneten Zellen ein Signal entsprechend der Kraft = Mx · 2/A erhalten^ Diese Kräfte sind mit entsprecnenden Faktoren

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den zu messenden Momenten proportional. Es werden somit mit dieser einfachen Anordnung eine Kraft und zwei Momente ermittelt. Es versteht sich, daß auch "bei der Verwendung von Sinkomponenten-Kraftmeßzellen statt der Anordnung in einem Rechteck auch eine Anordnung in einem Quadrat oder einem Dreieck oder einer anderen geometrischen Konfiguration möglich ist. Infolge der Starrheit der Kraftmeßzellen ist es auch möglich, die Zellen nicht nur in einer, sondern in zwei oder mehreren Ebenen anzuordn*·:! ., die verschiedene Winke-l zueinander einnehmen. Auf diese Weise ist es möglich, auch mit Einkomponenten-Kraftmeßsellen Kräfte in mehreren Ko&poner-ten zu messen. Derartige Anordnungen werden jedoch aufwendiger in der Herstellung und in ihrem Aufbau nicht so einfach und übersichtlich· Es ist in allen Fällen erforderlich, daß die in einer Ebene liegenden Kraftmeßzellen auf genau gleiche Einbaumaße gearbeitet sind, damit gewährleistet ist, daß sie untereinander in der gleichen Ebene liegen.

Bei vielen Anwendungsfällen, in denen MehrkoHiponenten-Kraft- und Momentenmessuiigen durchgeführt werden, treten Vibrationen und damit auch Beschleunigungen gleichzeitig mat den angreifenden, zu messenden Kräften a-of. Dies tritt besonders dann auf, wenn die Aufspannplatte, auf die die erfindungsgemäße Mehrkomponenten-4ießeinheit montiert wird, keine sehr große Masse aufweist« Durch die Vibrationen werden Beschleunigungskräfte hervorgerufen, die eins Verfälschung der Meßergebnisae bewirken, da sich die Vibrationen den zu messenden Kräften überlagern» In diesen Fällen wird versucht, die durch Vibrationen bedingten Beschleunigungskräfte und die dalurch hervorgerufenen Signale zu eliminieren.

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Eine Lösungsmöglichkeit dieses Problems ist in Fig« 9 dargestellt, wo angenommen ist, daß Beschleunigungskräfte in einer Achse zu kompensieren sind. Es versteht sich jedoch, daß ebenso auch Beschleunigungskräfte in verschiedenen Achsen kompensiert werden können, nss lediglich, einen entsprechend größeren Aufwand an Signalverarbeitungsgeräten bedingt. Zwischen einer Grundplatte 110 und einer Deckplatte 111 sind Meßzellen 112 und 115 durch Schrauben 114 und 115 fest eingespannt·

f[ Beide Zellen sind in Richtung der Z-Achse empfindlich.

Auf der Deckplatte 111 is* ein Meßaufbau 116, beispielsweise eine Raketenbrennkammer, befestigt. Die Grundplatte 110 ist ihrerseits auf einem Rahmen 117 angebracht. In diesen Rahmen können, beispielsweise durch Nachbarprüfstände, Vibrationen eingeleitet werden, die Beschleunigungen b der gesamten Meßeinheit in Richtung der Z-Achse hervorrufen. Durch diese Beschleunigungen werden die von den beiden Zellen 112 und 113 gemessene Kraft und das Moment, die vom Brennvorgang in der Raketenbrennkamner herrühren, verfälscht. Es muß somit die Größe der Beschleunigung gemessen werden und es wird ihr Produkt, die resultierende Kraft Fb = Masse des Meßaufbaues » Be-

*~ schleunigung b, sowie das Moment entsprechend der Lage des

Schwerpunktes von der insgesamt durch die beiden. Zellen gemessenen Kraft und dem Moment abgezogen werden«. Dies wird durch die in Fig. 9 angegebene Anordnung von Vorverstärkern und Operationsverstärkern erreicht. Die Signale, die von den beiden Kraftmeßzellen 112 und 113 sowie einem Beschleunigungsgeber 118 herrühren, werden in Vorverstärkern 119s 120 und 121 verstärkt. Die Summe der

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beiden Kraftsignale wird in einem Operationsverstärker 122 gebildet, dessen Ausgangssignal der Gesamtkraft proportional ist. In einem Operationsverstärker 123 wird die Differenz der beiden Kraftsignale gebildet, so daß dessen Ausgangssignal proportional zu dem Moment My isto Beide auf diese Weise gewonnenen Ausgangssignale werden über je einen Verstärker 124_r ά25 geführt, der das Signal ohne Veränderung passieren läßt, jedoch zusätzlich positive und negative Eingänge zum

f Einführen von Korrektursignalen aufweist- Vom Verstär

ker 120 wird an Potentiometern 126 und 127 ein für die Beschleunigungskompensation benötigter Betrag abgegriffen und auf den Additions- oder Subtraktionseingang der Verstärker 124 und 125 geführt. Ebenso werden durch den nicht idealen Meßaufbau verursachte Querbeeinflussungen der beiden Meßkanäle kompensiert, indem an Potentiometern 128 und 129 entsprechende Beträge abgegriffen und auf den Additions- oder Subtraktionseingang der Verstärker 124 und 125 gegeben werden.

Die erfindungsgemäßen Meßeinheiten gestatten es, Mehrkomponenten-Kraft- und Momentenmeßprobleme in vorteilhafter Weise zu lösen· Bedingung für die einwandfreie Durchführung solcher komplizierter Messungen ist ein hochpräziser Einbau sshr starrer Meßzellen in den gewünschten Ko or dinat einrichtungen ο Als besonders vorteilhaft haben sich für diese Messungen piezoelektrische Meßzellen erwiesen. Es ist jedoch die Erfindung nicht auf die Konstruktionsart dieser Meßzellen beschränkt· Von Bedeutung ist vor allem, daß die Meßzellen sehr

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II

starr sind und eine einwandfreie innere Trennung der Kräfte nach. Koordinatenrichtungen gewährleisten. Wesentlich ist, daß die Meßzellen jeweils in einer gemeinsamen Ebene exakt angeordnet sind· Ebenso können auch die Meßzellen in verschiedenen Ebenen, jedoch jeweils unter sich in der gleichen Ebene sehr exakt, angeordnet sein· Vorteilhaft ist es, w#aa für diese* Anordnungen, bei denen die Meßzellen mit sie verspannenden Platten starr verbunden sind, so daß sie auch Schubkräfte von Platte zu Platte übertragen können, die Meßzellen zentrale Durchgangsbohrungen aufweisen· Es lassen sich dadurch einfache und übersichtliche Einbauverhältnisse erzielen. Durch die zentrale Verspannung wird in sehr einfacher Weise eine Schubübertragung von Platte zu Platte über die Kraftmeßzellen hinweg ermöglicht, ohne daß durch Verspannen der Kraftmeßzellen ünsymmetrien entstehen· Ebenso könnte auch statt der zentralen Bohrung ein Kranz von Spannschrauben die Kraftmeßzellen umgeben, us die Kraftmeßzelle streng symmetrisch, zwischen die beiden Platten einzuspannen·

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Claims

Schutzansprüche

Kraft— und Momentenmeßanör&nuTig mit mehreren, zwischen zwei Montageplatten angeordneten Kraft— meßzellen, die in eiuem auf die Montageplatten "bezogenen Koordinatensystem liegen, auf vorbe— stimmte Kraftkomponenten selektiv ansprechen und mit einer Verstärkeranordnung verbunden sind, der eine Anzeigeanordnung nachgeschaltet ist, die sowohl eine Anzeige der von den Eraftmeßzellen gemessenen Kraftkomponenten als auch der aus den Kräften resultierenden Momente liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageplatten (31, 32 bzw* 51» 52 bzw. 110, 111) in Richtung aller Koordinatenachsen (X, Y, Z) starr miteinander τ? irbunden sind, daß diese Verbindung durch mehrere starre Eraftmeßzellen (I, II, III, IV) gebildet ist, die zwischen den Montageplatten unter Vorspannung gehalten sind, und daß die Kraftmeßzellen beidseitig ait planen Krafteinleitflächen versehen sind, die in zwei gemeinsamen parallelen Ebenen liegen.

Kraft- und Üomentenaeßanordnuny nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf mehrere Komponenten ansprechende Kraftmeßaellen eingebaut sind und daß die Orientierung dieser ICraftmeßzellen auf die liontageplatten und das Koordinatensystem ausgerichtet ist.

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3. Kraft- und Momentenmeßanordnung nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier auf drei Komponenten ansprechende Kraftmeßzellen zwischen die Montageplatten eingespannt sind, und daß die Kraft— meßz-ellen an den Ecken eines Rechtecks angeordnet; sind.

4-, Kraft- und Moment enmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier auf eine Komponente ansprechende Kraftmeiizellen zwischen die Montageplatten eingespannt sind, daß die Kraftmeßzellen an den Ecken eines Hechtecks angeordnet sind, und daß jede der Kraftmeßzellen auf eine in Richtung einer Koordinatenachse liegende Komponente ausgerichtet ist.

5· Kraft- und Momentenmeßanordnung nach einem der Ansprüche Λ bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßzellen mit einer zentralen Bohrung (3) versehen sind, durch cie hindurch je eine Vorspannschraube (24· bzw. 114Λ die beiden Montageplatten unter Vorspannung der Kraftmeßzellen zusaiamenspannt.

6. Kraft— und Lomentenmeßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem -ueschleunigungs aufnehmer, dessen Aus gangs signal zu einem Verstärker geführt ist, zur Kompensation, der durch Bewegungskrälte verursachten Fehlersignale, dadurch gekennzeichnet, daß dc-r Beschleunigungsaufnehmer zwischen den Kraftmeßzellen an einer der Montageplatten starr befestigt i^to

694054828,11.74