DE69629340T2 - Wandler zum messen der torsion zwischen zwei gekoppelten mechanischen teilen und verfahren zur fertigung des wandlers - Google Patents

Wandler zum messen der torsion zwischen zwei gekoppelten mechanischen teilen und verfahren zur fertigung des wandlers Download PDF

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    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung eines Verbindungstorseurs zwischen zwei mechanischen Teilen.
  • Der durch die Erfindung betrachtete Sensor ist dafür vorgesehen, die Messung eines kompletten Kraft-Torseurs zu ermöglichen, nämlich: drei Kraftkomponenten und drei Momentkomponenten, die zwischen zwei mechanischen Teilen ausgeübt werden.
  • Ein Sensor zur Messung eines kompletten Kraft-Torseurs ist insbesondere in dem Dokument EP-A-0 396 568 beschrieben. Dieser Sensor wird aus einem einzigen Metallteil gebildet, das zwei Endflächen und einen zentralen Abschnitt ausweist. Die zwei Endflächen sind dafür vorgesehen, jeweils an einem Bezugskörper und an einem Körper, der Kräfte und Momente erzeugt, befestigt zu sein. Der zentrale Abschnitt wird aus sechs Balken gebildet, die in Längsrichtung die Form einer Schraube darstellen. Die sechs Balken sind entsprechend einer dreieckigen, geschlossenen Architektur zwischen den zwei Endflächen angeordnet. Jeder Balken trägt Mittel zum Messen von Verformungen, wobei diese Mittel durch Dehnungsmessstreifen gebildet werden.
  • Ein derartiger Messsensor zeichnet sich, sogar wegen des Messprinzips, das auf der Verwendung von Dehnungsmessstreifen basiert, insbesondere durch eine relativ geringe Steifheit aus. Tatsächlich ist für eine gute Funktionsfähigkeit eines Dehnungsmessstreifens eine gewisse Elastizität des Metalls, das den zentralen Abschnitt des Sensors bildet, unerlässlich.
  • Daraus ergeben sich unter anderem die Nachteile:
    • – eine begrenzte Bandbreite durch die Eigenfrequenz des Sensors und durch die für die Verwendung von Dehnungsmessstreifen eingeführte zusätzliche Elastizität, und
    • – eine Verschiebung entsprechend von sechs Freiheitsgraden oder Compliance, die mit bestimmten Anwendungen inkompatibel sein kann.
  • Außerdem macht die Anbringung von Dehnungsmessstreifen auf die Balken eine bestimmte Oberfläche notwendig, um das Aufkleben und die Verkabelung zu erlauben, was die minimale Größe dieser Sensoren limitiert.
  • Schließlich besitzen diese Sensoren, stets wegen der Technologie von Dehnungsmessstreifen, Bruch- Sicherheitskoeffizienten, die kleiner als 5 sind, was in bestimmten Fällen, zum Beispiel der Robotertechnik, sehr unzureichend sein oder auch die Verwendung von überdimensionierten Sensoren mit dem damit verbundenen Verlust der Empfindlichkeit notwendig machen kann.
  • Das Dokument DE-A-3 019 751 beschreibt die Verwendung von piezo-elektrischen Sensoren für drei Kraftkomponenten bei Werkzeugmaschinen. Dafür wird eine bestimmte Anzahl von piezoelektrischen Elementen zwischen einer Grundplatte der Maschine und einer Tragplatte für Werkzeuge, wobei alle beide um eine Achse drehbar sind, angeordnet. Jeder Sensor ist mit einem Bolzen auf starre Weise zwischen diesen beiden Platten befestigt. Es handelt sich somit nicht um einen Sensor zur Messung eines Torseurs, sondern um ein Mittel zur Messung der durch das Werkzeug angewandten Kraft entsprechend einer einzigen Richtung.
  • Das Dokument EP-A-83 296 beschreibt die Verwendung eines piezo-elektrischen Sensors für drei Kraftkomponenten in einer Flugzeugattrappe, die zu Tests im Windkanal dient. Es handelt sich hier darum, zwei dieser an zwei verschiedenen Punkten angeordneten Sensoren zu gruppieren, um eine gesamte Messung der sechs Kraftkomponenten zu erzielen.
  • Das Dokument FR-A-2529333 beschreibt einen Kraftsensor für sechs Komponenten, die drei Kräfte Fx, Fy und Fz und die drei Momente Mx, My und Mz. Es wird versucht, dieselben Messungen wie bei der Erfindung durchzuführen, jedoch ist die vorgeschlagene Struktur völlig anders. Tatsächlich verwendet der beschriebene Sensor ein Prinzip von Gestängen, um auf die empfindlichen Elemente nur Zug- und Druckbelastungen in den Stangen zu übertragen.
  • Das Dokument US-A-3582691 beschreibt einen Messwandler mit Sensoren zur Mehrfachmessung mit sechs piezo-elektrischen Zylindern, deren Polarisationsachsen entsprechend derselben Richtung orientiert sind, indem sie zwischen zwei Stützplatten eingefügt und eingepresst sind, die vollkommen glatt und zueinander parallel sind und auf welche eine mechanische Vorspannung aufgebracht wird. Es handelt sich vor allem darum, eine an eine der Platten aufgebrachte Hauptkraft in Einzelkraft zu zerlegen.
  • Das Dokument EP-A-0625410 beschreibt einen Mikromanipulator, der sechs piezo-elektrische Balken umfasst, die mit zwei Trägern verbunden sind, in welchen jegliche mechanische Vorspannung ausgeschlossen ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile dieser Messsensoren mit Dehnungsmessstreifen zu vermeiden, wobei noch weitere Vorteile erzielt werden.
  • Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung einen Sensor zur Messung eines Verbindungstorseurs zwischen zwei mechanischen Teilen gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, der dafür vorgesehen ist, die Messung eines kompletten Kraft-Torseurs mit drei Kraftkomponenten und drei Momentkomponenten zu ermöglichen, und der sechs piezo-elektrische Zylinder, zwei Tragscheiben, die sich gegenüberliegend und jeweils in Kontakt mit den zwei Endflächen jedes piezo-elektrischen Zylinders montiert sind, und Mittel zum Befestigen der sechs piezo-elektrischen Zylinder zwischen den zwei Scheiben mit einer mechanischen Vorspannung, wobei jeder piezo-elektrische Zylinder eine Kraftkomponente misst, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Achsen der Zylinder gemäß sechs unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet sind, dass die zwei Scheiben jeweils zwei glatte, parallele und einander gegenüberstehende Hauptflächen aufweisen, dass sechs Vertiefungen, von diesen beiden Hauptflächen ausgehend, vorgesehen sind und dass die zwei Vertiefungen, die im Bereich der beiden Flächen heraustreten und die dafür vorgesehen sind, dass die Enden des selben piezo-elektrischen Zylinders aufgenommen werden, beide eine Auflagefläche senkrecht zur Richtung, gemäß welcher der mit den genannten Vertiefungen verknüpfte piezo-elektrische Zylinder ausgerichtet sein muss, haben.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Messsensors gemäß der Erfindung sind die Achsen der sechs piezo-elektrischen Zylinder gemäß einer dreiaxialen Struktur mit dreifacher Symmetrie ausgerichtet, und die sechs piezo-elektrischen Zylinder sind im Bereich des Randes der zwei Tragscheiben gleichmäßig verteilt.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal des Sensors gemäß der Erfindung ist jeder piezo-elektrische Zylinder axial von einer Schraube durchdrungen, welche ein Mittel zum Befestigen des piezo elektrischen Zylinders an den zwei Scheiben bildet, wobei jede Schraube auch ein Element zur mechanischen Vorspannung des Zylinders gegen die zwei Hauptflächen der zwei Tragscheiben bildet.
  • Um die Montage der Befestigungsschrauben zu ermöglichen, sind zwei axial ausgerichtete Durchführungen für jede Befestigungsschraube jeweils in die zwei Tragscheiben gebohrt, wobei die mit Innengewinde versehene Durchführung die Gewindestange der Schraube aufnimmt.
  • Vorteilhafterweise ist eine Isolierscheibe auf jede Endfläche der piezo-elektrischen Zylinder aufgesteckt.
  • Die Tatsache, einen Sensor zu entwerfen, der aus mehreren Elementen hergestellt ist, weist insbesondere die Vorteile auf, dass verschiedene Reihen von Sensoren entworfen werden können, und dass der Austausch eines defekten Elementes erleichtert wird.
  • Außerdem erlaubt die Verwendung von piezo-elektrischen Elementen als Messmittel, die Steifigkeit des Sensors beträchtlich zu erhöhen, und der Überlastungskoeffizient kann 50 oder 100 erreichen, ja sogar mehr, ohne dass es notwendig ist, einen Schutzmechanismus mit Anschlag zum Beispiel vorzusehen.
  • So erlaubt es die große Steifigkeit, Verwendungen bis zu Frequenzen zu planen, die für einen Sensor mit Dehnungsmessstreifen unzugänglich sind, und wobei die Verschiebung unter Last gering ist, die Messung der Kräfte zieht nur wenig Veränderungen der Position nach sich, was bei bestimmten Anwendungen interessant sein kann, zum Beispiel bei maschineller Bearbeitung.
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung des Sensors gemäß dem unabhängigen Anspruch 7, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es ausgehend von einem zylindrischen Metallteil aus Stahl oder Aluminium die Schritte umfasst:
    • – maschinell in die äußere Wand des zylindrischen Teiles sechs Vertiefungen, die gleichmäßig um das zylindrische Teil herum verteilt sind, einzuarbeiten, wobei jede Vertiefung zwei glatte Auflageflächen abgrenzt, die parallel und senkrecht zur Richtung sind, gemäß welcher ein piezo-elektrischer Zylinder ausgerichtet sein muss,
    • – in das zylindrische Teil sechs Durchführungen zu bohren, die jeweils mit den sechs Vertiefungen verknüpft sind, wobei jede Durchführung die verknüpfte Vertiefung durchdringt und gemäß einer Achse senkrecht zu den zwei parallelen Auflageflächen der genannten Vertiefung gebohrt werden,
    • – das zylindrische Teil zu zerspalten, um zwei Tragscheiben zu erhalten, wobei die Spaltebene senkrecht zur Achse des zylindrischen Teiles liegt und durch die Vertiefungen verläuft, wobei jede Vertiefung so in zwei Abschnitte zerteilt wird,
    • – die zwei Scheiben so sich gegenüber stehend anzuordnen, um zwischen den zwei Abschnitten jeder Vertiefung einen piezoelektrischen Zylinder einführen zu können, und
    • – jeweils eine Befestigungsschraube in die beiden Durchführungen, die axial ausgerichtet und einer gleichen Vertiefung zugeordnet sind, einzuführen, wobei jede Schraube den verknüpften piezo-elektrischen Zylinder axial durchdringt.
  • Ein derartiges Herstellungsverfahren stellt insbesondere den Vorteil dar, dass die Montage des piezo-elektrischen Zylinders erleichtert wird, ohne mechanische Beanspruchungen bei dieser Montage zu bilden.
  • In allgemeiner Art und Weise berühren die Anwendungen eines Sensors gemäß der Erfindung alle Bereiche der Industrie und als Beispiel können genannt werden:
    • – die industrielle Robotertechnik (Messung der Kontaktbelastung...),
    • – die Roboter-Fernsteuerung (Belastungsempfindliches Feedback, Steuergriff...),
    • – die Prüfstände von mechanischen Strukturen (Windkanäle, Becken für Schleppversuche...),
    • – die Werkzeugmaschinen (Messungen der Schnittbeanspruchungen, der Vibrationen...),
    • – die Biomechanik (Messung der sportlichen Leistungen, Umschulung...) und
    • – die Ballistik (Messung von Reaktionskräften, Berechnung einer Aufschlagenergie an einem Einschlagpunkt, einer Schubrichtung...).
  • Die besonderen Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2–6 und 8 definiert.
  • Andere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aus der weiteren erläuternden Beschreibung hervortreten, die Bezug nehmend auf die angefügten und lediglich als Beispiel angeführten Abbildungen angeführt wird, in welchen:
  • 1 eine schematische Schnittansicht eines Messsensors gemäß der Erfindung ist,
  • 2 eine Schnittansicht entsprechend der Linie II–II der 1 ist,
  • 3 eine perspektivische Ansicht des allgemeinen Prinzips ist, die es erlaubt, die Orientierung der piezoelektrischen Zylinder des Sensors zu definieren, und
  • 4a bis 4e schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß der Erfindung darstellt.
  • Ein Messsensor gemäß der Erfindung und wie er in den 1 und 2 dargestellt ist, wird aus mehreren miteinander zusammengesetzten Komponenten gebildet, die da wären:
    • – zwei metallische Tragscheiben 1 und 2 aus Stahl oder aus Aluminium, die sich gegenüberliegend angeordnet sind, und
    • – Messvorrichtungen, die durch sechs, zwischen zwei Scheiben 1 und 2 eingefügte, piezo-elektrische Zylinder P1 bis P6 gebildet werden.
  • Jede Scheibe 1 und 2 besitzt zum Beispiel eine kreisförmige Gestalt und weist zwei nahezu glatte und gegenüberliegende Endflächen 1a, 1b für die Scheibe 1 und 2a, 2b für die Scheibe 2 auf.
  • Die beiden Scheiben 1 und 2 sind mit ihren Hauptflächen 1a und 2a gegenseitig einander gegenüberliegend angeordnet und mit einem Abstand d getrennt.
  • Die sechs piezo-elektrischen Zylinder P1 bis P6 sind zwischen die zwei Flächen 1a und 2a der beiden Scheiben 1 und 2 eingefügt, und ihre Achsen sind nach sechs Richtungen D1 bis D6 ausgerichtet, um zum Beispiel eine dreiaxiale Struktur mit dreifacher Symmetrie zu bilden. Wie in 2 ersichtlich ist, sind die sechs piezo-elektrischen Zylinder zum Rand der beiden Scheiben 1 und 2 hin gleichmäßig verteilt.
  • Bezug nehmend auf 3 wurde in der Perspektive ein allgemeines Prinzip dargestellt, welches es erlaubt, die Orientierungen D1 bis D6 der Achsen der sechs piezo-elektrischen Zylinder P1 bis P6 zu definieren. Genauer gesagt werden die zwei parallelen Schnittebenen PC1 und PC2 (1) betrachtet, die jeweils durch die Zentren der zwei Endflächen der piezoelektrischen Zylinder P1 bis P6 verlaufen. Diese Zentren A1 bis A6 für die Schnittfläche PC1 und B1 bis B6 für die Schnittfläche PC2 liegen jeweils auf zwei Kreisen, die nicht notwendigerweise denselben Durchmesser besitzen, wobei diese Kreise sich durch zwei Ellipsen E1 in der Ebene X1-O1-Y1 und E2 in der Ebene X2-O2-Y2 in der Perspektive der 3 darstellen.
  • Konkret sind die sechs Punkte A1 bis A6 auf einem Kreis entsprechend einer dreifachen Symmetrie verteilt, das heißt, dass drei Punktpaare A1–A2, A3–A4 und A5–A6 definiert werden, welche um 120° zueinander verteilt sind. In ähnlicher Weise sind die sechs Punkte B1 bis B6 ebenfalls auf einem Kreis entsprechend einer dreifachen Symmetrie verteilt, und die sechs Richtungen D1 bis D6 werden jeweils durch die sechs Punktpaare A1–B1 bis A6–B6 definiert.
  • Die Auswahl der Position der Punkte A1 bis A6 und B1 bis B6 wird entsprechend der Benutzungsbedingungen des Sensors bewerkstelligt und wird somit nicht notwendigerweise im Voraus festgelegt.
  • Die zwei Endflächen eines jeden Zylinders P1 bis P6 kommen jeweils mit den Flächen 1a und 2a der Scheiben 1 und 2 in Kontakt. Um die Achsen der sechs Zylinder P1 bis P6 entsprechend der Richtungen D1 bis D6 ausrichten zu können, sind sechs geeignete Vertiefungen C1 bis C6 auf jeder der Flächen 1a und 2a der Scheiben 1 und 2 angebracht.
  • Indem zum Beispiel der piezo-elektrische Zylinder P6 betrachtet wird, weist die Vertiefung C6 der Scheibe 1, in welche ein Ende des Zylinders P6 eingreifen muss, eine glatte Oberfläche S1 auf, die senkrecht zur Richtung D6 steht, nach der der Zylinder P6 ausgerichtet sein muss, und weist die Vertiefung C6 der Scheibe 2, in welche das andere Ende des Zylinders P6 eingreifen muss, eine glatte Oberfläche S2 auf, die ebenfalls senkrecht zur Richtung D6 steht, nach der der Zylinder P6 ausgerichtet sein muss, wobei diese zwei Oberflächen S1 und S2 parallel zu einander sind. Die Vertiefungen für die anderen Zylinder P1 bis P5 weisen dieselben Merkmale auf.
  • Befestigungsmittel sind dafür vorgesehen, um die piezoelektrischen Zylinder P1 bis P6 an den zwei Scheiben 1 und 2 zu montieren. Konkret ist pro Zylinder ein Befestigungsmittel vorgesehen, das aus einer Schraube 10 gebildet wird, die den Zylinder axial durchdringt.
  • Zu diesem Zweck umfasst die Scheibe sechs Durchführungen 12, die gemäß zu den sechs Richtungen D1 bis D6 parallelen Achsen zwischen den beiden Hauptflächen 1a und 1b der Scheibe 1 gebohrt sind. Jede Durchführung 12 an der Seite der Hauptfläche 1a der Scheibe 1 mündet in der Fläche S1 einer zugeordneten Vertiefung und senkrecht zu dieser Fläche S1. In analoger Weise umfasst die Scheibe 2 sechs Durchführungen 14, die gemäß zu den sechs Richtungen D1 bis D6 parallelen Achsen zwischen den beiden Hauptflächen 2a und 2b der Scheibe 2 gebohrt sind. Jede Durchführung 14 an der Seite der Hauptfläche 2a der Scheibe 2 mündet in der Fläche S2 einer zugeordneten Vertiefung und senkrecht zu dieser Fläche S2.
  • An der Hauptfläche 1b der Scheibe 1 wird zum Beispiel eine Senkung 16 um jede Durchführung 12 maschinell angebracht, um dort den Kopf 10a einer Schraube 10 unterbringen zu können, und die Durchführung 14 der Scheibe 2, die axial mit der Durchführung 12 ausgerichtet ist, ist mit Innengewinde versehen, um mit der Gewindestange 10b der Schraube 10 sicher zusammenzuwirken. Eine Isolierscheibe 17 ist Vorteilhafterweise auf jede Endfläche der piezo-elektrischen Zylinder P1 bis P6 aufgesteckt. Die (nicht dargestellten) elektrischen Ausgänge des Sensors sind im Bereich der piezo-elektrischen Zylinder angeordnet und mit Verarbeitungsschaltungen verbunden, um die Messungen der durch jeden piezo-elektrischen Zylinder erhaltenen Beanspruchungen zu bewerkstelligen. Der zentrale Abschnitt einer jeden Scheibe 1 und 2 kann von einer zentralen Räumöffnung 18 durchbohrt sein. Diese Öffnung 18, die durch Spanabhebende Bearbeitung hergestellt ist, erlaubt es, den Sensor leichter zu machen, und kann zum Beispiel als Durchführung von Kabeln verwendet werden. Schließlich kann eine Kappe auf den Sensor aufgesteckt werden, indem in jedem Fall die zwei äußeren Flächen 1b und 2b der beiden Scheiben 1 und 2 freigelegt bleiben, um ihre Anbringung zwischen zwei mechanischen Teilen gewährleisten zu können.
  • Um die Montage des Sensors, insbesondere die der piezoelektrischen Zylinder P1 bis P6, zu erleichtern, sieht die Erfindung ebenfalls ein Herstellungsverfahren vor, das ausgehend von einem zylindrischen Metallteil 20 aus Stahl oder Aluminium Schritte umfasst, um die nachfolgend beschriebenen Arbeitsgänge in Bezug auf die 4a4e zu bewerkstelligen.
  • In einem ersten Schritt, der in 4a dargestellt ist, besteht das Verfahren daraus, maschinell in die äußere Wand des zylindrischen Teiles 20 sechs Vertiefungen C1 bis C6, die gleichmäßig um das zylindrische Teil 20 herum verteilt sind, einzuarbeiten, wobei jede Vertiefung zwei glatte Auflageflächen S1 und S2 abgrenzt, die parallel und senkrecht zur Richtung sind, gemäß welcher ein piezo-elektrischer Zylinder, der mit jeder Vertiefung verknüpft ist, ausgerichtet sein muss. Der Abstand, der die zwei Flächen S1 und S2 trennt, entspricht der Dicke der piezo-elektrischen Zylinder, die im weiteren Verlauf montiert werden.
  • In einem zweiten Schritt, der in 4b dargestellt ist, werden in das zylindrische Teil 20 sechs Durchführungen, die jeweils mit den sechs Vertiefungen C1–C6 verknüpft sind, gebohrt, wobei jede Durchführung die verknüpfte Vertiefung durchdringt und gemäß einer Achse senkrecht zu den zwei Auflageflächen S1 und S2 der genannten Vertiefung gebohrt werden, so dass die zwei axial ausgerichteten und in 1 dargestellten Durchführungen 12 und 14 begrenzt werden. Dann werden die Senkungen 16 um die Öffnungen der Durchführungen 12, die an der Außenseite der zylindrischen Teile 20 münden, maschinell angebracht.
  • In einem dritten Schritt, der in 4c dargestellt ist, werden ergänzende maschinelle Bearbeitungen vorgenommen, insbesondere die Bohrung der zentralen Öffnung 18 und das Innengewinde der Durchführungen 14.
  • In einem vierten Schritt, der in 4d dargestellt ist, wird die Zerspaltung des zylindrischen Teiles 20 vorgenommen, um zwei Scheiben 10 und 12 zu erhalten, wobei die Schnittebene senkrecht zur Achse des zylindrischen Teiles 20 steht und durch die Vertiefungen C1–C6 verläuft, wobei jede Vertiefung so in zwei Abschnitte zerteilt wird.
  • In einem letzten Schritt, der in 4e dargestellt ist, wird die Montage der piezo-elektrischen Zylinder P1 bis P6 in den Vertiefungen C1 bis C6 und deren Befestigung mit Hilfe der Schrauben 10 vorgenommen.
  • Gemäß einer zuvor beschriebenen Funktionsart des Sensors, können die zum Beispiel durch die Scheibe 1 übertragenen Belastungen durch einen Torseur T(t) dargestellt werden. Dieser Torseur bildet insbesondere Zug-/Druckbelastungen im Bereich der piezo-elektrischen Zylinder P1–P6, und diese Belastungen erzeugen elektrische Ladungen, die nach Integration zu elektrischen Spannungen werden.
  • Wenn mit V(t) der durch die sechs aus den sechs piezoelektrischen Zylindern P1 bis P6 hervorgegangenen Spannungen gebildete Vektor dargestellt wird, erzeugt der gesamte Torseur T in der Bandbreite des Sensors einen linearen Verlauf: V (t) = [M] × T (t) wo [M] die Übertragungsmatrix (6 × 6) des Sensors ist.
  • Mit der Kenntnis von V(t), was der Vektor der durch den Sensor gelieferten Messungen ist, wird nun der Torseur berechnet:
    Figure 00100001
    wo [M] durch Berechnen oder Erkennen bekannt sein muss.
  • Eine Art, [M] zu kennen, ist es, über ein Erkennungsmittel auf einer Testbank vorzugehen. Bei dieser Technik wird der Sensor einer Reihe bekannter Torseure T(t) unterworfen. Es wird dann die Methode der kleinsten verallgemeinerten Fehlerquadrate angewendet, um die Matrix [M] zu bestimmen. Da die Anzahl der Versuche sehr viel größer als die Ordnung der gesuchten Matrix sein kann, wird die Methode der Pseudo-Kehrmatrix verwendet: [M] = [VT V]–1 VT·T
  • Die drei ersten Komponenten des Torseurs Tx(t), Ty(t), Tz(t) stellen die drei Kraftkomponenten dar, und Mx(t), My(t) und Mz(t) stellen die drei Momentkomponenten dar, mit dem Hinweis, dass das Referenzzeichen dasjenige ist, mit dem die Matrix [M] ausgedrückt ist.

Claims (8)

  1. Sensor zur Messung eines Verbindungstorseurs zwischen zwei mechanischen Teilen, der dafür vorgesehen ist, die Messung eines kompletten Kraft-Torseurs mit drei Kraftkomponenten und drei Momentkomponenten zu ermöglichen, und der sechs piezo-elektrische Zylinder (P1 bis P6), zwei Tragscheiben (1, 2), die sich gegenüberliegend und jeweils in Kontakt mit den zwei Endflächen jedes piezo-elektrischen Zylinders (P1 bis P6) montiert sind, und Mittel (10) zum Befestigen der sechs piezo-elektrischen Zylinder (P1 bis P6) zwischen den zwei Scheiben mit einer mechanischen Vorspannung, wobei jeder piezo-elektrische Zylinder eine Kraftkomponente messt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Achsen der sechs Zylinder gemäß sechs unterschiedlichen Richtungen (D1 bis D6) ausgerichtet sind, dass die zwei Scheiben (1, 2) jeweils zwei glatte, parallele und einander gegenüberstehende Hauptflächen (1a, 2a) aufweisen, dass sechs Vertiefungen (C1 bis C6), von diesen beiden Hauptflächen (1a, 2a) ausgehend, vorgesehen sind und dass die zwei Vertiefungen, die im Bereich der beiden Flächen (1a, 2a) heraustreten und die dafür vorgesehen sind, dass die Enden des selben piezo-elektrischen Zylinders aufzunehmen, beide eine Auflagefläche (S1, S2) senkrecht zur Richtung, gemäß welcher der mit den genannten Vertiefungen verknüpfte piezo-elektrische Zylinder ausgerichtet sein muss, haben.
  2. Messsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der sechs piezo-elektrischen Zylinder (P1 bis P6) gemäß einer dreiaxialen Struktur mit dreifacher Symmetrie ausgerichtet sind.
  3. Messsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sechs piezo-elektrischen Zylinder (P1 bis P6) im Bereich des Randes der zwei Scheiben (1, 2) gleichmäßig verteilt sind.
  4. Messsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder piezo-elektrische Zylinder axial von einer Schraube (10) durchdrungen ist, welche ein Mittel zum Befestigen des piezoelektrischen Zylinders an den zwei Scheiben (1, 2) bildet, wobei jede Schraube (10) auch ein Element zur mechanischen Vorspannung des piezo-elektrischen Zylinders gegen die zwei Hauptflächen (1a, 2a) der zwei Scheiben (1, 2) bildet.
  5. Messsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Befestigungsschraube (10) in zwei Durchführungen (12, 14), die axial ausgerichtet und jeweils in die zwei Scheiben (1, 2) gebohrt sind, eingebracht ist.
  6. Messsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolierscheibe (17) auf jede Endfläche der piezoelektrischen Zylinder (P1 bis P6) aufgesteckt ist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur Messung eines Verbindungstorseurs zwischen zwei mechanischen Teilen und der dafür vorgesehen ist, die Messung eines kompletten Kraft-Torseurs mit drei Kraftkomponenten und drei Momentkomponenten zu ermöglichen, wobei die Messung mit Hilfe von sechs piezoelektrischen Zylindern erfolgt, deren Achsen gemäß sechs Richtungen orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgehend von einem zylindrischen Metallteil (20) aus Stahl oder Aluminium die Schritte umfasst: – maschinell in die äußere Wand des zylindrischen Teiles (20) sechs Vertiefungen (C1 bis C6), die gleichmäßig um das zylindrische Teil (20) herum verteilt sind, einzuarbeiten, wobei jede Vertiefung zwei glatte Auflageflächen (S1, S2) abgrenzt, die parallel und senkrecht zur Richtung sind, gemäß welcher ein piezo-elektrischer Zylinder ausgerichtet sein muss, – in das zylindrische Teil (20) sechs Durchführungen zu bohren, die jeweils mit den sechs Vertiefungen (C1 bis C6) verknüpft sind, wobei jede Durchführung die verknüpfte Vertiefung durchdringt und gemäß einer Achse senkrecht zu den zwei Auflageflächen (S1, S2) der genannten Vertiefung gebohrt werden, – das zylindrische Teil (20) zu zerspalten, um zwei Tragscheiben (1, 2) zu erhalten, wobei die Spaltebene senkrecht zur Achse des zylindrischen Teiles (20) liegt und durch die Vertiefungen (C1 bis C6) verläuft, wobei jede Vertiefung so in zwei Abschnitte zerteilt wird, – die zwei Scheiben (1, 2) so sich gegenüber stehend anzuordnen, um zwischen den zwei Abschnitten jeder Vertiefung einen piezo-elektrischen Zylinder einführen zu können, wobei somit die zwei Endflächen jeweils an den zwei Flächen (S1, S2) zur Anlage kommen, und – jeweils sechs Befestigungsschrauben (10) in die sechs Durchführungen einzuführen, wobei jede Schraube den verknüpften piezo-elektrischen Zylinder axial durchdringt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es weiter umfasst, die Achsen der sechs piezo-elektrischen Zylinder (P1 bis P6) gemäß einer dreiaxialen Struktur mit dreifacher Symmetrie auszurichten.
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