DE8321681U1 - Mehrkomponentenkraft- und -momentenmesskoerper mit dehnungsmessstreifen - Google Patents

Description

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Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VPA 83 H 4432 DE

Aktenzeichen G 83 21 681.2

Neue Beeohreibuneeselten 1 und 2

Mehrkomponentenkraft- und -momentenmeflkörper mit Dehnungsmeßstreifen ^

Die Neuerung betrifft einen Mehrkomponentenkraft- und f -momentenmeßkttrper mit Dehnungsmeßstreifen. £

Bekannt sind solche Meßkörper beispielsweise aus den deut- j

sehen Auelege schrift en 25 29 796 und 27 27 704 und einem |

Aufsatz aus der Zeitschrift "Elektronik» 25/17.12.1982, |

Seite 11 "Tastsinn für industrieroboter". Me bekannten j

Meßkörper zerlegen auf sie einwirkende Kräfte und Momente |

in Komponenten» deren Richtungen durch die drei Grundrich- -'

tungen eines räumlichen Koordinatensystems gegeben sind, .

mit Hilfe mehrerer selektiv komponentenempfindlicher MeB- |

federn. Dies führt zu rad- bzw. käfigförmigen Meßkörpern, |

die nur unter erheblichem Aufwand mit der notwendigen Präzision herzustellen sind. Auch der Aufwand an Dehnungsmeßstreifen ist bei den bekannten Meßkörpern beträchtlich.

Der Neuerung lag die Aufgabe zugrunde, diesen die Herstel* lung erschwerenden Aufwand zu verringern und räumlich kleinere Meßkörper zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Neuerung durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Mit dieser Bestückung sind drei Kräfte und drei Momente, die In einem räumlichen rechtwinkligen Koordinatensystem orientiert sind, meßbar. Für eine kleinere Anzahl von zu messenden Kräften und/oder Momenten reichen weniger Dehnungsmeßstreifen aus.

Li 4 Bz / 03.08.1984

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Die Zerlegung der auf den Meßkörper einwirkenden Kräfte in Komponenten, deren Richtung durch ein Koordinatensystem festgelegt ist, geschieht bei der Neuerung mittels selektiv komponentenempfindlicher Dehnungsmeßstreifen auf einer einzigen einheitlichen Meßfeder« Die Selektion durch Lage und Orientierung der Dehnungsmeßstreifen auf einer einheitlichen Meßfeder ist naturgemäß unvollkommen, da eine Art übersprechen der verschiedenen Kräfte auf die Dehnungsmeßstreifen nicht in jedem Falle au ver meiden ist. Es ist ,jedoch mit verhältnismäßig geringem und gegenüber der aufwendigen mechanischen Gestaltung der Meßkörper des Standes der Technik billigerem elektronischen Aufwand die Selektion so weit zu verbessern, daß das Meßergebnis sich nicht von dem der Lösungen des

Standes der Technik unterscheidet*

Bei einem AusfUhrungsbeispiel der Erfindung sind auf der von der Krafteinleitungsebene bestimmten ersten Umfangelinie zwei in Uffifangsrichtung orientierte Dehnungsmeßstreifen einander diametral gegenüberliegend angeordnet. Mit dazu gleichen Azimutwinkeln sind zwei axial orientierte Dehnungsmeßstreifen sowie ein um 90° dazu versetztes Paar mit entgegengesetzten Vorzeichen um 45° gegen

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die Achsrichtung geneigte Dehnungsmeßstreifen auf einer von der ersten Umfangslinie 'einen Abstand aufweisenden zweiten Umfangslinie angeordnet. Auf einer auf der anderen Seite der Umfangslinie liegenden weiteren Umfangslinie liegt ein Paar mit gleichen Vorzeichen um 45° gegen die Achsrichtung geneigte Dehnungsmeßstreifen unter gleichem Azimutwinkel wie das erste Paar geneigter Dehnungsmeßstreifen«

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegen auf der von der Krafteinleitungsebene bestimmten Umfangslinie zwei in Umfangsrichtung orientierte Dehnungsmeßstreifen einander diametral gegenüber« Gegen diese sind auf der gleichen Umfangslinie, um einen Azimutwinkel von 90° versetzt, ein axial orientierter Dehnungsmeßstreifen bzw« zwei übereinanderliegenden mit entgegengesetzten Vorzeichen um 45° gegen die Achsrichtung geneigt orientierte Dehnungsmeßstreifen angeordnet« Auf einer zweiten Umfangslinie sind zwei um einen Azimutwinkel von 9Ο^ό ge^ geneinander versetzte axial bzw. in Umfangsrichtung orientierte Dehnungsmeßstreifen angebracht.

Zweckmäßig sind die Dehnungsmeßstreifen durch ebensoviele einendig parallelgeschaltete höchohmige Widerstände zu zwischen den Klemmen einer Stromquelle parallelschaltbaren Serienkombinationen ^e eines Dehnungsmeßstreifens und eines Festwiderstandes ergänzt. Die Verbindungspunkte zwischen Dehnungsmeßstreifen und Festwiderständen sind . herausgeführt,

Eei einer anderen Ausführung der Verschaltung sind die Festwiderstände durch einendig parallelgeschaltete Stromquellen ersetzt. Die parallelgeschalteten Enden dieser Stromquellen sind mit den parallelgeschalteten Enden der Dehnungsmeßstreifen direkt verbunden.

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Mit Vorteil kann die letztgenannte Verschaltungsdrt der Dehnungsmeßstreifen so abgeändert werden, daß insge« samt nur zwei einendig parallelgeschaltete Stromquellen vorgesehen sind, die durch Schaltmittel jeweils mit zwei der Dehnungsmeßstreifen verbindbar sind.

Zur letztbeschriebenen Schaltungsart kann noch ergänzt werden, daß es auch möglieh ist, an zwei ausgewählten Dehnungsmeßstreifen zwei Messungen jeweils mit vertauschten Anschlüssen der Stromquellen durchzuführen« Fehler durch unterschiedliche Kontaktwiderstände werden dadurch ausgemittelt .

Die Erfindung wird an sechs Figuren erläutert.

Figur 1 stellt ein Beispiel für im Raum orientierte Kräfte und Momente dar.

Ia den Figuren 2a bis 2d sind Verformungen gezeigt, die von diesen Kräften an einem zylindrischen Meßkörper hervorgerufen werden.
In den Figuren 3a bis 3c ist in einem Längsschnitt ein Meßkörper nach der Erfindung dargestellt sowie die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen und die Orientierung der Kraft- und Momentekomponenten.

In Figur 4 ist für den gleichen Meßkörper eine andere De/hnungsmeßstreif enverteilung dargestellt.

2$ Figuren 5 und 6 zeigen verschiedene Verschaltungsbeispiele für die Dehnungsmeßstreifen.

In Figur 1 sind drei im Raum orientierte Kräfte P₁, P₂, P, neben drei Drehmomenten M₁, M₂, M, dargestellt. Die Kräfte

liegen in den Vorzugsrichtungen eines räumlichen rechtwinkligen Koordinatensystems. Die Momente sind dazu, in Pfeilrichtung der Kräfte gesehen, um die jeweilige Achsrichtung rechtsdrehend angeordnet. Mit bekannten Meßkörpern und mit den Meßkörpern nach der Erfindung können natürlich auch Kräfte, die in anderen Richtungen wirken, erfaßt werden. Diese Kräfte werden jedoch immer in ihre Komponenten in den gezeichneten Vorzugsrichtungen zerlegt.

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Kräfte und Momente der in Figur 1 gezeigten Art rufen in einem zylindrischen Meßkörper nach der Erfindung die in den Figuren 2a bis 2d dargestellten Verformungen hervor. So ist in der Figur 2a zu erkennen, wie ein Meßzylinder Z von der Länge 2 1 durch eine axial wirkende Druckkraft P«. verkürzt und gleichzeitig aufgeweitet wird. In Figur 2b ist gezeigt, wie eine Querkraft P,, die auf den Rand eines Krafteinleitungsbechers K wirkt, den Meßzylinder Z S-förmig verbiegt. Der Rand des Krafteinlei+ungsbechers K bestimmt dabei die Krafteinleitungsebene für die Querkräfte, sie liegt im dargestellten Beispiel in der Mitte des Meßzylinders. In der Figur 2c wirkt auf den Meßzylinder Z das Drehmoment M₂. Es stellt eine reine Biegebelastung für den Meßzylinder Z dar. In Figur 2d wirkt auf den Meßzylinder Z um seine Längsachse das Drehmoment M₁ und bewirkt eine Torsion des Meßzylinders.

In der Figur 3a ist wieder der Meßzylinder Z und der Krafteinleitungsbecher K sowie die drei Kräfte P₁ und P, dargestellt. Die durch den Rand des Krafteinleitungsbechers K festgelegte Querschnittsebene ergibt im Schnitt mit der Zylindermantelfläche eine Umfangslinie B. Auf beiden Seiten zur Umfangslinie B verlaufen im gleichen Abstand zwei weitere Umfangslinien A und C. In Figur 3b ist die Verteilung und Orientierung von acht Dehnungsmäßstreifen 1 ... 8 auf den Umfangslinien A, B und C dargestellt. Mantellinien des Meßzylinders Z, auf denen die Dehnungsmeßstreifen liegen, sind durch ihren Azimutwinkel gekennzeichnet.

In Figur 3c sind nochmals die Kräfte P₁ ... P, und Momente M₁ ... M, mit ihren Raumrichtungen gezeigt. In der folgenden als Verformungsmatrix bezeichneten Tabelle sind die normierten Dehnungswirkungen der Kräfte P₁, P₂, P, und der Momente M₁, M₂, M, auf die Dehnungsmeßstreifen aufgelistet. Zusätzlich ist die Lage bezüglich der Umfangslinien, der Azimutwinkel auf den Umfangslinien und die Orien-

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- 6 - VPA 83 P 4432 DE tierung gegenüber der Zylinderachsrichtung für die Deh-

nungsmeßsirreifen 1 ... 8 eingetragen. Verformungjanatrix

DMS	ümfangs- linie	Azimut winkel	Orien tierung	P1	P2	P3	-1	Mg	M3
1	A	0°	-45°	+0,5	O	+0,5	-1	+1	9
2	C	0°	-45°	+0,5	O	-0,5	O	+1	O
3	B	90°	90°	-0,3	O	O	O	O	-0,3
4	C	90°	0°	+1	-1	O	-1	O	+1
Ul	A	180°	-45°	+0,5	O	-0,5	+1	-1	O
6	C	180°	+45°	+0,5	O	+0,5	O	-1	O
7	B	270°	90°	-0,3	O	O	O	O	+0,3
8	C	270°	0°	+1	+1	O	O	-1

Aus dieser Verformungsmatrix können Halbbrückenschaltungen zwischen je zwei Dehnungsmeßstreifen ausgesucht werden, deren Meßwert nur eine möglichst begrenzte Anzahl von Kraft- und Momentekomponenten mit Gewichtungen nach der Verformungematrix enthalten. Eine solche Aufstellung liegt in der folgenden Tabelle vor.

Abtastung der DMS	Meßwert	setzt sich zusammen aus:
3-8	C1	-1,3 P1 - P2 + 0,7 M3
4-7	C2	+1,3 P1 - P2 + 0,7 M3
4-8	C3	-2 P2 - 2 M3
5-6	C4	-P3 - M1
1 - ti	C5	+P3
3-7	C6	-0,6 M3
2 - ;>	C7	+M2
	• · · · ti ι	•

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Es ist eine genügend große Anzahl von Meßwerten zu bestimmen, um damit genügend viele* Gleichungen zu erhalten, aus denen die Einzelkomponenten in den Grundrichtungen, berechnet werden können. In der folgenden Aufstellung sind diese Gleichungen aufgeführt.

- 3,	33	• C6	+	C3 - + 2 1	(-3,	* P2-	- 2
				P2 - C6 -	_ P3	33) +	C3
		C5	+	C4 = + P3	- C4	-M1
				M4 = - C5

M₂ = C7
M₃ = C6 · (-1,66)

C2 - C1 - - 1,3 P₁ - P₂ + 0,7 M₃

- 1,3 P₁ + P₂ - 0,7 M₃ = - 2,6 P₁

P₁ = C2 . (-0,385) - C1 · (-0,385)

P₃ = C5

Figur 4 zeigt die Verteilung von sieben Dehnungsmeßstreifen auf den Umfangslinien B und C des Meßzylinders Z bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Umfangslinie A ist zwar gezeichnet, jedoch nicht mit Dehnungsmeßstreifen besetzt. Die Dehnungsmeßstreifen sind mit 1 ... 7 durchnumeriert. Die Verformungsmatrix der Dehnungsmeßstreifen 1 ... 7 ist in der folgenden Tabelle enthalten«

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VPA 83 P 4432 DE

DMS	-0,3	P2	P3	M1	M2	M3
1	+1	0	0	0	0	+0,3
2	-0,3	0	0	0	-1	0
3	+0,5	0	0	0	0	-0,3
4	+0,5	0	0	+1	+0,5	0
5	-0,3	0	0	-1	+0,5	0
6	+1	-0,3	0	0	0	-0,3
7	0	+1	0	+1	0

Daraus können nach den oben schon genannten Gesiehtspunkten wieder Gleichungssysteme aufgestellt werden, die zum folgenden Ergebnis führen. Die Klammerausdrückc auf der linken Seite der Gleichheitszeichen stellen dabei Abtastergebnisse von zwischen den numerierten Dehnungsmeßstreifen gebildeten Halbbrückenschaltungen dar.

(4 (1 (1 (4 (1 (2

5) 3) 6) 3) 2)

- 7) + 2 M-

(1 - 3)

(4 - 3) - 2 P₁ - M₁

= 2 M₁
= 0,6 M, = 0,3 P₂ = 2,5 P₁ = 1,5 M₂

In Figur 5 ist eine Schaltung dargestellt, mit der die einendig miteinander parallelgtsschalteten Dehnungsmeß

streifen 1

8 durch ebensoviele Festwiderstände R. R.

... Rq zu Brückenschaltungen ergänzt werden. Verbindungspunkte der Dehnungsmeßstreifen und Festwiderstände sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen, sie sind herausgeführt, an ihnen kann jeweils mittels eines Voltmeters V eine Brückenmeßspannung abgegriffen werden. Messung und Rechnungen sov/ie deren Auswertung sind mit

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Hilfe eines entsprechend programmierten Mikroprozessors durchführbar.

Eine ähnliche Schaltung ergibt sich, wenn die Festwiderstände R₁ ... Rg durch Konstantstromquellen ersetzt wer den. Eine Speisestroiaquelle Ug entfällt dann. Die paral-IeIgeschalteten finden der KonstantStromquellen sind dl- j rekt mit den parallelgeschalteten finden der Dehnungsmeßstreifen verbunden.

Figur 6 zeigt ein AusfUhrungsbeispiel der Verschaltung der Dehnungsmeßstreifen, bei der die Konstantstromquellen, die { bei der Beschreibung der Figur 5 erwähnt sind, durch zwei einendig parallelgeschaltete Konstantstromquellen Q₁, G^ ί ersetzt sind, deren beiden anderen Enden an jeweils ein Dehnungsmeßstreifenpaar angelegt werden* Um Kontaktwiderstände und Kontaktpotentiale bei der Umschaltung auszumitteln, ist auch vorsehbar, jeweils bei einem Dehnungs- ji meßstreifenpaar zwei Messungen mit umgeschalteten Kon- I stantStromquellen vorzunehmen. Dies ist durch gestrichel- ; te Verbindungslinien angedeutet. >f

7 Patetttfnsprüche 6 Figuren

Claims (3)

• · Neue Schmtzansprfiche Unser Zeichen (ersetzen die bisher giltigen VPA 63 H 4432 DE Ansprüche) Aktenzeichen G 83 21 681.2

1. Mehrkomponentenkraft- und -momentenmeßkörper mit Dehnungsmeßstreifen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von drei Kräften (P^ ... P,) und drei Momenten (M^ ... M,) der Meßkörper ein an einem Ende fest eingespannter Hohlzylinder (Z) ist, dessen freies Ende mit einem übergestülpten Krafteinleitungsbecher (K) starr verbunden ist, wobei der Becherrand eine im mittleren Drittel der wirksamen Länge des Hohlzylinders liegende Einleituagsebene für Querkräfte (P₀, P-,) bestimmt und auf Umfangslinien (A, B, C) des Hohlzylinders (Z), die als Schnittlinien der Krafteinleitungsebene und mindestvsns einer zweiten parallel dazu liegenden Querschnittsebene mit der Mantelfläche des Hohlzylindere (Z) entste- hen, mindestens sieben an einem in der Einleitungsebene liegenden XY-Koordinatensystem orientierten Dehnungsmeßstreifen (1 ... 7) derart aufgeklebt sind, daß je zwei in Richtung der Zylinderlängsachse und senkrecht dazu gleich ausgerichtete Dehnungsmeßstreifen (4, 8 bzw. 3, 7) sich paarweise diametral gegenüberstehen und mindestens zwei weitere Dehnungsmeßstreifen (2, 6) unter 45° zur Zylinderlängsachse mit unterschiedlichem Vorzeichen geneigt angeordnet sind.

2. Mehrkomponentenkraft- und -momentenmeßkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von der Krafteinleitungsebene bestimmten ersten Umfangslinie (B) zwei in Umfangsrichtung orientierte Dehnungsmeßstreifen (3» 7) diametral einander gegenüberliegend und mit gleichen Azimutwinkeln zwei axial orien tierte Dehnungsmeßstreifen (4, Θ) sowie um 90° dazu versetzt ein Paar mit entgegengesetzten Vorzeichen um 45°

Li 4 Bz / 03.08.1984

Il I I t I

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gegen die Achsrichtung geneigte Dehnungsmeßstreifen (Z, 6) auf einer von der ersten ümfangslinie (B) beabstandeten Umfangsliaie (C) und auf einer auf der anderen Seite der ersten Ümfangslinie (B) liegenden weiteren ümfangslinie (A) ein Paar mit gleichen Vorzeichen um 45° gegen die Achsrichtung geneigte Dehnungsmeßstreifen (1, 5) unter gleichem Azimutwinkel wie das erste Paar geneigter Dehnungsmeßstreifen (2, 6) angeordnet sind.

3. Mehrkomponentenkraft- und -momentenmeßkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von der Krafteinleitungsebene bestimmten ümfangslinie (B) zwei in ümfangsrichtung orientierte Dehnungsmeßstreifen (1, 3) diametral einander gegenüberliegend und gegen diese um einen Azimutwinkel von 90° versetzt ein axial orientierter Dehnungsmeßstreifen (2) bzw. zwei übereinanderliegend mit entgegengesetzten Vorzeichen um 45° gegen die Achsrichtung geneigt orientierte Dehnungsmeßstreifen (4, 5) und auf einer zweiten Umfangslinie (C) zwei um 90° Azimutwinkel gegeneinander versetzte, axial bzw. in Ümfangsrichtung orientierte Dehnungsmeßstreifen (7 bzw. 6) angeordnet sind.