DE890727C - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Kräften - Google Patents

Description

Ein wichtiges Gebiet der Meßtechnik befaßt sich mit der Messung von Kräften oder von Gewichten. In dieses Gebiet fällt auch der Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Diese Aufgabe ist verhältnismäßig einfach, wenn die zu messende Kraft oder das Gewicht zwar ihre Größe oder auch ihre Richtung, aber nicht ihre Wirkungslinie ändert. Dann wird einfach irgendwo in Richtung der Achse der hinsichtlich ihrer Raumlage unveränderlichen Wirkungslinie ein Kraftmeßgerät (Meßdose, Angriffspunkt eines Waagebalkens usw.) angeordnet.

Bei einem großen Teil der technischen Kraftmeßprobleme ändert sich aber der Angriffspunkt und oft auch die Neigung der Wirkungslinie. Dadurch wird das Mießproblem erheblich 'verwickelter. Dann läßt sich zwar in einigen einfachen Fällen das Problem noch auf eine punktförmige Messung zurückführen, z. B. dadurch, daß man das Meßgerät mit der Kraft wandern läßt (z. B. bei einigen Schnittkraftmessern für Drehbänke), oder dadurch, daß man durch Hebelkombinationen, die parallel mit sich -selbst wandernde Kraft immer auf den ruhenden Meßpunkt überträgt (z. B.ibei der Brückenwaage und ähnlichen Waagen für Gewichtsmessungen und den nach dem Waagenprinzip gebauten Kraftmessern). Diese Rückführung der Messung auf einen Punkt läßt sich auch dann noch ermöglichen, wenn man die Gesetzmäßigkeit für- die Lageverschiebung der Wirkungslinie kennt, dadurch, daß man den veränderlichen Hebelarm des Kraftangriffs in bezug auf die Achse des Meßgeräts zeitlich verfolgt und bei der Auswertung -berücksichtigt.

Aber diese Mittel und Methoden zur Zurückführung eines mehrachsigen Kraftmeßproblems auf ein einachsiges erfordern meist schon einen erheblichen Aufwand und finden schon darin bald eine Grenze. Außerdem gibt es zahlreiche Kraftmeßprobleme, z. B. gleichzeitig in mehreren Wirkungs-

linien wirkende und sowohl bezüglich Angriffspunkt wie auch Neigung veränderliche Kräfte (z. B. Schnittkraftmesser für Fräsmaschinen bei mehrzähnigen spiralzähnigen Fräsern), bei denen diese Rückführung auf ein einachsiges Kraftmeßproblem technisch unmöglich wird.

In zahlreichen Fällen muß also eine mehrachsige Kraftmessung in bezug auf eine Wirkungsgerade oder Wirkungsebene (solange die Kräfte parallel ίο sind) durchgeführt werden oder aber, wenn sich außer dem Angriffspunkt auch die Neigung der Kräfte ändert, sogar in bezug auf zwei oder gar drei Wirkungsachsen bzw. Wirkungsebenen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß man in einfachen Fällen, in denen die Kraft oder die Kräfte unter sich parallel längs einer Geraden wandern, gleichachsig oder parallel mit dieser Geraden einen Meßschaft anordnet und diesen an zwei Punkten durch je ein Kraftmeßgerät (z. B. Meßdose) fixiert und die in den beiden Kraftmeßgeräten wirkenden Teilkomponenten algebraisch addiert, sei es direkt im Kraftmeßgerät oder erst bei der Auswertung.

Die Lösung des ersten Weges, nämlich der algebraischen Addition im Kraftmeßgerät selbst, erfordert aber meist schon einen' erheblichen technischen Aufwand. Ebenso erfordert der zweite Weg, nämlich die Addition bei der Auswertung, einen gewissen technischen Aufwand, darüber hinaus aber auch noch erhebliche Mühe bei der· Auswertung.

Noch verwickelter wird aber die Lösung- der obigen Aufgabe, wenn die Wirkungslinien der zu messenden Kräfte, wie bereits erwähnt, nicht bloß unter sich parallel längs einer Geraden, sondern (zunächst noch unter sich parallel) beliebig in einer Ebene wandern, und ihren höchsten Schwierigkeitsgrad erreicht diese Aufgabe, wenn die Kräfte ebenfalls in einer Ebene wandern und gleichzeitig noch ihre Neigung ändern, wie z. B-. in dem erwähnten Fall der Schnittkraftmessung an Fräsmaschinen, die in bezug auf drei zueinander senkrechte Ebenen erfolgen muß.

Die für diese Aufgabe bekanntgewordenen Lösungen zeigen einen ganz erheblichen technischen Aufwand und enthalten zum großen Teil noch prinzipielle Fehler durch mangelnde Berücksichtigung der Gesetze der technischen Mechanik, vor allem hinsichtlich der Wirkung von Momenten, die in bezug auf die Meßtischfixierung von den zu messenden Kräften ausgeübt werden.

Diese Lösungen zeigen nahezu übereinstimmend das Prinzip, daß für den einfacheren Fall ein Meßtisch durch 'drei oder mehr Punkte in der Wirkungsebene fixiert ist oder für den letzten und schwierigsten Fall, daß der Meßtisch in bezug auf zwei oder drei aufeinander senkrechte Wirkungsebenen fixiert ist, also nach den drei Raumkoordinaten orientiert. Dies erfordert aber mindestens sechs Fixierpunkte, und zwar drei für die Lagebestimmung der ersten Ebene, dann zwei weitere für die Bestimmung der zweiten Ebene und endlich noch einen für die Lagebestimmung der dritten Ebene. Bei manchen Lösungen hat man sogar neun und mehr Fixierpunkte benötigt und eine entsprechend große Zahl von Meß dosen.

Diese mehr oder weniger komplizierten Lösungen ermöglichen zwar die Messung der drei aufeinander senkrechten Raumkomponenten der Kräfte, aber die bereits oben erläuterten Schwierigkeiten, nämlich algebraische Addition jeder einzelnen der drei Raumkomponenten aus so vielen Teilkräften, als Fixierpunkte mit Meß dosen in jeder der drei Ebenen vorgesehen sind, treten nun vervielfacht auf. Einmal dadurch, daß statt zweier Fixierpunkte je Komponente nun zum Teil drei und vier Fixierpunkte mit je einer Meßdose vorgesehen sind, wodurch die algebraische Addition noch komplizierter wird, außerdem tritt dieses Meßproblem in diesen Meßgeräten nicht bloß einmal, sondern zwei- oder dreimal auf.

Im Hinblick auf diese Tatsachen ist es nicht verwunderlich, daß durch diese Häufung meßtechnischer Schwierigkeiten (die meßtechnische Entwicklungin dieser Richtung schon seit längerer Zeit ins Stocken geriet und damit leider auch die meßtechnische Erforschung wichtiger technischer Gebiete nur ungenügend erfolgte oder ganz unterblieb.-..

Diesem höchst unbefriedigenden Zustand macht nun die vorliegende Erfindung ein Ende.

Sie fußt auf einer bei theoretischen statischen Untersuchungen von dem Erfinder gewonnenen wichtigen Erkenntnis, daß es nämlich bei Meßtischen, die in zwei oder mehr. Punkten federnd in Richtung von einer oder zwei oder auch drei Raumachsen eingespannt sind, einen sogenannten neutralen Punkt gibt, der die von Drehmomenten herrührenden Lageveränderungen (Verdrehungen) des Meßtisches nicht mitmacht. Falls die Federcharakteristik der Einspannfederung in den drei Ebenen verschieden ist, dann gibt es statt des einen neutralen Punktes für alle drei Ebenen bzw. die drei Achsen für jede Achse mit anderer Federcharakteristik auch einen eigenen neutralen Punkt, also insgesamt zwei oder höchstens drei.

Die Erfindung besteht darin, daß man zur Messung von mechanischen Kräften, also auch von Gewichten, an Körpern, die an zwei oder mehr Punkten halbelastisch oder federnd fixiert sind, die _1Κ Kraftmessung an dem oder im Bereich des neutralen Punktes bzw. der neutralen Punkte des Systems oder von diesen Punkten abgeleitet vornimmt, die an den in den Fixierpunkten des Körpers durch Momente hervorgerufenen Lageänderungen nicht teilnehmen.

Nach dieser erfinderischen Lösung wird also die eigentliche Kraftmessung nicht mehr an den Fixierpunkten der Meßtische durchgeführt, wobei die in den Fixierpunkten gewonnenen Teilwerte zu den drei Raumkomponenten addiert werden mußten, sondern die Kraftmessung wird in den neutralen Punkten bzw. in die neutralen Punkte oder in deren Bereich verlegt, wo statt der Teilwertmessung direkt die Gesamtmessung der drei Komponenten lag oder sogar ihrer Resultante möglich ist. Bei

' Waagen ermöglicht sie die Vermeidung des ganzen Hebelsystems, das zur Übertragung der wandernden oder an verschiedenen Stellen angreifenden Kraft bzw. Kräfte auf den einen Meßpunkt erforderlich war.

Das Problem eines Mehrebenen-Meßsystems bzw. Mehrachsen-Meßsystems kann man auf den einfachsten Fall mit nur einem neutralen Punkt zurückführen, wenn man gleiche Federcharakteristiken der Einspannung in Richtung der verschiedenen Ebenen bzw. Achsen vorsieht, was praktisch leicht möglich ist. Durch dieses Verfahren wird das bisher schwierigste räumliche Meßproblem auf den einfachsten Fall des ein-

¹S achsigen Problems bzw. des Einpunktproblems zurückgeführt, von dem aus die ganze Entwicklung der Kraftmessung ihren Ausgang nahm.

Entsprechend der Erfindung wird ein Meßgerät für die in Rede stehenden Zwecke derart ausgebildet, daß in ihm der 'bzw. die neutralen Punkte des Systems als Abnahmepunkte der Messung fixiert sind. Ein solches Gerät läßt sich ohne Schwierigkeiten z. B. auch als Waage ausbilden. Hierbei wird das Hebelsystem vermieden und damit eine solide und abnutzungsfreie Lagerung der Wiegebrücke erzielt. Dies ist besonders bei großen Waagen, z. B. für Straßen- und Schienenfahrzeuge, von ausschlaggebender Bedeutung, da solche Waagen (ohne Hebel, Schneiden usw.) nun jederzeit befahren werden können, ohne erst das Hebel- und Schneidensystem auszuschalten. Diese Waagen können direkt im Straßenzug bzw. im durchgehenden Schienenzug, ohne Vorsichtsmaßregeln vorzuschreiben, angeordnet werden. Weitere Vorteile sind u. a. einfache Wartung, Bedienung, Unabhängigkeit von Witterungseinnüssen, keine Schneidenabnutzung usw.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung stellt auch die Dreiachsmessung im Windkanal dar.

Das neue Gerät (Meßtisch, Waage od. dgl.) wird besonders bei sehr genauen Messungen zweckmäßigerweise derart ausgebildet, daß in den Fixierpunkten des zur Kraftmessung dienenden Körpers zusätzlich ein Hilfskörper fixiert ist, der als Träger

⁴S des neutralen Punktes dient und zu diesem Zweck zwar die Lageänderungen der Fixierpunkte mitmacht, von etwaigen elastischen Verformungen des Körpers aber unabhängig ist.

Dadurch werden also etwaige Meßfehler, die von Verformungen des Körpers unter der Wirkung der zu messenden Kräfte herrühren würden, von vornherein vermieden, weil ein besonderes Element vorgesehen ist, das nur der Lagefixierung des neutralen Punktes dient, also nicht der Wirkung der zu messenden Kräfte ausgesetzt ist, sondern nur den ganz leichten Meßdruck des eigentlichen Weg- und damit Kraftmessers aufzunehmen hat.

Zweckmäßigerweise wird das neue Gerät so ausgebildet, daß der Schnittpunkt eines Fadenkreuzes in den neutralen Punkt gelegt wird.

Der neutrale Punkt wird in vielen Fällen an einer für die an ihm vorzunehmende Weg- und damit Kraftmessung schwer zugänglichen Stelle Hegen.

Diese Schwierigkeit wind erfindungsgemäß durch ein einfaches Übertragungselement (Hebel, Schubstange .od. dgl.) beseitigt, das die Meßbewegungen des neutralen Punktes an eine gut zugängliche Meßstel'le projiziert. Dieses wird vorteilhaft einerseits im neutralenPunkt und andererseits an einem zweiten, innerhalb oder außerhalb des Geräts liegenden Festpunkt fixiert.

Da der neutrale Punkt in der Regel nur kleine Meßbewegiungen ausführt, muß seine Projizierung nach außen fehlerfrei erfolgen. Dies geschieht zweckmäßig durch eine spiel- und reibungsfreie Fixierung des Übertragungselements in den; beiden Fixierpunkten mittels Kreuzdraht- oder Kreuzbandaufhängung.

Schließlich ist es vorteilhaft, die Federungen zwischen je zwei Bauelementen der neuen Geräte so auszubilden, daß sie eine gegenseitige räumliche Beweglichkeit dieser beiden Teile zulassen (Dreiachsfedern). Dadurch kann das ganze System statisch bestimmt gehalten werden.

In der Zeichnung sind einige als Beispiele dienende Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.

Fig. ι zeigt die Ansicht eines Dreikomponenten-Schnittkraftmessers für Drehbänke und Fig. 2 eine Schnittzeichnung des Schnittkraftmessers nach Fig. i. Ferner zeigt Fig. 3 einen Dreikomponenten-Schnittkraftmeßtisch für Fräsmaschinen, Hobelmaschinen usw. und Fig. 4 eine Bodenwaage für Straßen- oder Schienenfahrzeuge.

Der Dreikomponenten - Schnittkraftmesser für Drehbänke gemäß Fig. 1 ist mit Teil 1 in den Support einer Drehbank eingespannt, der mittels zweier Dreiachsfedern 4, 5, 6 und 7, 8, 9, die als Fixierpunkte dienen, den eigentlichen Spannschaf 12 frei ausladend trägt, in dem der Drehmeißel 3 eingespannt ist.

Auf der Verbindungsachse der durch die beiden Dreiachsfedern' bestimmten Fixierpunkte liegt der neutrale Punkt in dem Spalt 10. In diesem Spalt 10 ist nun, wie Fig. 2 zeigt, der Hilfskörper 11 angeordnet, der als Tragelement für dem neutralen Punkt dient. Der Hilfskörper 11 ist in diesem Fall in einfachster Weise als Rohr ausgebildet, das rechts und links in der Bohrung je an dem die Meßbewegung: mitmachenden Teil 5 und 8 der beiden n₀ Dreiachsfeidern 4, 5, 6 und 7, 8, 9 befestigt ist. Dieses Rohr 11 trägt in der Mitte, gleiche Federchanaikteristiken der beiden' Dreiachsfedern vorausgesetzt, andernfalls nach rechts oder links verschoben das Teil 13 zur Lagefixierung des neutralen Punktes 14. Diese Lagefixierung erfolgt durch ein Kreuzd>rahtgelenk 141, in dem ein Übertragungselement 12 (der Einfachheit halber wieder als Rohr ausgebildet) mittels des· Lagerteils' 15 spiel- und reibungsfrei sowohl axial wie radial gelagert ist. Weiterhin ist das Übertragungselement 12 in dem ruhenden Festpunkt 17 mittels eines weiteren Kreuzdrahtgelenks 16 spiel- und reibungsfrei gelagert und überträgt somit die Meßbewegungen des neutralen Punktes 14 nach außen, wo· sie an der Meßkugel 19 mit -irgendwelchen normalen Weg-

.bzw. Längenmeßgeräten, -die -nun' als Kraftmeß-. ,geräte dienen, in den drei Achsrichtungen gemessen werden können, . ■

_ Fig. 3 -zeigt einen· Dreikomponenten-Schnittkraftmeßtisch für Fräs-, Hobelmaschinen, usw. Die Versuchs werkstücke werden auf dem eigentlichen. Meß- _: tisch 20· aufgespannt,, der mit Hilfe von vier Dreiachsfedern 21 federnd nach den drei Achsriehtungen -auf dem Untertisch 22 festgespannt ist. .Innerhalb' des Meßtisches 20 ist ebenfalls wieder je 'anden die Meßbewegung mitmachenden Teilen der • ,vier Dreiachsfedern 21 ein Hilfskörper 23, 24, 25 befestigt, der als Tragelement- für den neutralen Punkt 26 dient und als einfaches Rohrgestell aus- *5 gebildet ist. Der neutrale Punkt 26 befindet sich, gleiche-Federcharakteristiken aller vier Dreiachsfedern 2>i in den drei Achs richtungen vorausgesetzt, in dem gemeinsamen Mittel- bzw. Schwerpunkt der vier Dreiachsfedern. Das Teil 27, das im Mittelrohr 25 befestigt ist, dient zur Lagefixierung des neutralen Punktes 26 und trägt wieder das spiel- und reibungsfreie Kreuz drahtgelenk 261, in 'dem das .eine Ende des als Rohr ausgebildetenübertragungselements 28 befestigt ist, das über den Festpunkt 29 mittels eines zweiten Kreuadriahtgelenks 291 die Meßbewegung des neutralen Punktes 26 nach außen auf die Meßkugel 30 überträgt. An dieser können die drei Kraftkomponenteni in den drei Achsrichtungen mittels einfacher Längenmeßgeräte gemessen werden oder auch unmittelbar ideren Resultante, falls deren ungefähre Lage bekannt ist oder durch Tast- -, -mes'sungen vorher ermittelt wurde.

Zuletzt ist int Fig. 4 das Beispiel einer Bodenwaage für Straßen- oder Schienenfahrzeuge gezeigt, wie. sie gemäß der erfinderischen Problemlösung ausgeführt werden kann.

In Straßen- oder Schienenhöhe liegt eine Wiegeplatte 3.1 auf vier Federn 32, die auf einem Unterbau33, 34, 35 gelagert sind. - Zur Vermeidung von Rollenlagerung (für .statische Bestimmtheit der Auflage der Wiegeplatte) verwendet mam als Auflagefedern nicht Einachsfedern·, sondern zweckmäßigerweise Dreiachsfedern·. Unterhalb bzw.. innerhalb 'der Wiegeplatte 31 ist wieder je an den die Meßbewegung mitmachenden Teilen der vier Ein- bzw. Dreiachsfedern 32 der Hilfskörper 36, 37. 38> 39> 4O, 4V4²» 43. 44 befestigt, der als-Traggestell für den neutralen Punkt 45 dient und als einfaches Rohrgestell ausgebildet ist. Der neutrale Punkt befindet sich, gleiche Federcharakteristiken aller vier Auflagefedera in 'der Vertikalachse vorausgesetzt, in dem gemeinsamen Mittelpunkt der vier Auflagefedern 32, andernfalls nach der Seite der härteren Feder zu verschoben.
■ 'Das Teil 44, das an dem Rohrgestell befestigt ist, dient, zur Lagefixierung des neutralen Punktes 45 und trägt wieder ein spiel- und reibungsfreies· Kreuzdrahtgelenk 451. In diesem ist das einei Ende des als Rohr ausgebildeten Übertragungselements 46 befestigt, das über- den .Festpunkt 47 mittels eines -zweiten Kreuzdrahtgelenks 471 'die Meßbewegung . des neutralen Punktes 45 nach außen überträgt. Dort"kann -diese Bewegung als Vertikalbewegung ■der Meßkugel 48 oder irgendeines anderen Teils oder Gelenks mittels gewöhnlicher Längenmeßgeräte als Gewichtmessung gemessen werden.

■Es kann gesagt werden, daß· die Erfindung eine Revolutionierung der Meßtechnik schwieriger Kraf tmeßprobleme einleitet, deren Grundprinzipien sich auch noch auf manche andere Gebiete der Meß- 7" und Stütztechnik erfolgreich anwenden lassen.

Claims (8)

: Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung von Kräften an starren Körpern, die an zwei oder mehr Punkten federnd -fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des oder 'der neutralen Punkte des Systems gemessen wird, wobei als neutraler Punkt ein solcher bezeichnet ist, der bei der Einwirkung von reinen Drehmomenten auf den¹ starren Körper seine Lage nicht ändern würde.

2. Verfahren nach Anspruch-!, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Mehrebenen-Meßsystem bzw. Mehrachsen-Meßsystem durch Einführung gleicher Federcharakteristiken in den Fixierpunkten auf ein, durch einen Punkt gehendes Mehrachsensystem, also auf ein Einpunktsystem zurückführt.

■ 3. Meßgerät zur Ausübung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in ihm der bzw. die neutralen Punkte des Systems oder ihr Bereich als Abnahmepunkte ■der Messung fixiert sind.

4. Gerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet ■ durch seine Ausbildung als Waage.

5. 'Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge-■ -kennzeichnet, daß in den Fixierpunkten des zur Kraftmessung dienenden Körpers zusätzlich ein Hilfskörper fixiert ist, der als Träger des neutraten Punktes oder der neutralen Punkte dient • und zu 'diesem Zweck zwar die Lageänderungen der Fixierpunkte mitmacht, von den elastischen Verformungen; des Körpers aber unabhängig ist.

6. Gerät nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch

• gekennzeichnet, daß der Schnittpunkt eines

• Fadenkreuzes im neutralen Punkt angeordnet ist.

7. Gerät nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, gekennzeichnet durch ein Übertragungselement, das einerseits im neutralen Punkt und andererseits an einem zweiten innerhalb oder außerhalb' des· Geräts liegenden Festpunkt zweckmäßig inDraht- oder Kreuzbandaufhängung fixiert ist.

8. Gerät nach einem der vorhergehenden Anaprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der je zwei Bauteile miteinander verbindenden Federungen derart, daß sie eine gegenseitige räumliche Beweglichkeit dieser beiden Teile zulassen (Dreiachsfedern).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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