EP3526565A1

EP3526565A1 - Kraft- und momentensensor, kraftaufnehmermodul für einen solchen kraft- und momentensensor und roboter mit einem solchen kraft- und momentensensor

Info

Publication number: EP3526565A1
Application number: EP17777916.2A
Authority: EP
Inventors: Christoph Sonderegger; Simon Eichmann
Original assignee: Kistler Holding AG
Current assignee: Kistler Holding AG
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2019-08-21
Also published as: JP2019530880A; WO2018073012A1; KR102191285B1; CN109844480A; JP6735419B2; KR20190047036A; US20190242768A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraft- und Momentensensor (1) mit vier piezoelektrischen Kraftaufnehmern (4 bis 4```) und mit einer Grundplatte (2); wobei die vier piezoelektrischen Kraftaufnehmer (4 bis 4```) eine Kraft erfassen und für eine erfasste Kraft F Messsignale erzeugen; wobei der Kraft- und Momentensensor (1) eine Deckplatte (3) aufweist, welche Deckplatte (3) eine Begrenzungsfläche (31) aufweist, an welcher Begrenzungsfläche (31) die zu erfassende Kraft angreift; wobei der Kraft- und Momentensensor (1) eine Auswerteeinheit (6) aufweist, welche Auswerteeinheit (6) Messsignale der piezoelektrischen Kraftaufnehmer (4 bis 4```) auswertet; wobei die Grundplatte (2) mindestens einen Hohlraum (21 bis 21```, 22) für die piezoelektrischen Kraftaufnehmer (4 bis 4```) und die Auswerteeinheit (6) aufweist, in welchem Hohlraum (21 bis 21```, 22) die piezoelektrischen Kraftaufnehmer (4 bis 4```) und die Auswerteeinheit (6) angeordnet sind; und wobei Grundplatte (2) und Deckplatte (3) mechanisch zu einem Gehäuse verbunden sind.

Description

Kraft- und Momentensensor, Kra tau nehmermodul für einen solchen Kraft- und Momentensensor und Roboter mit einem solchen Kraft- und Momentensensor

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kraft- und Momentensensor nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs. Die Erfindung betrifft auch ein

Kraftaufnehmermodul für einen solchen Kraft- und Momentensensor. Die Erfindung betrifft zudem einen Roboter mit einem solchen Kraft- und Momentensensor.

Stand der Technik

[0002] Robotik ist ein Megatrend. Vermehrt werden von einem Roboter komplexe Bearbeitungen wie das Fügen von Bauteilen übernommen. Dazu ist Sensorik notwendig, um eine Fügekraft zu erfassen. Eine triaxiale Fügekraft lässt sich mit sechs Komponenten einer Kraft und eines Momentes beschreiben. Solch eine Fügekraft kann von einem Kraft- und Momentensensor ermittelt werden. Dazu ist der Kraft- und Momentensensor im Kraftfluss zwischen einem Werkzeug und einem Roboterarm des Roboters, beispielsweise in einer Handwurzel des Roboterarms angeordnet. Der Kraft- und Momentensensor erfasst die Fügekraft und übermittelt der erfassten Fügekraft entsprechende Ausgangssignale über eine Schnittstelle eines Bussystems an eine Robotersteuerung des Roboters . [0003] Ein Kraft- und Momentensensor zum Erfassen einer Kraft ist in der Schrift US2016/0109311A1 offenbart. Vier piezoelektrische Kraftaufnehmer sind mechanisch an vier Seitenflächen einer quadratischen Grundplatte befestigt. Die piezoelektrischen Kraftaufnehmer sind mit einer Spannkraft gegen Begrenzungsflächen eines ersten und zweiten Trägers mechanisch vorgespannt, eine Wirkrichtung der Spannkraft ist senkrecht zu den Begrenzungsflächen. Die piezoelektrischen Kraftaufnehmer sind im gleichen Abstand zu einem Referenzpunkt im Zentrum der Grundplatte angeordnet. Jeweils zwei piezoelektrische Kraftaufnehmer liegen auf einer Achse. Die beiden Achsen stehen normal zu den Seitenflächen der Grundplatte und verlaufen rechtwinklig zueinander. Ein erster Träger ist an den piezoelektrischen Kraftaufnehmern der ersten Achse befestigt und ein zweiter Träger ist an den piezoelektrischen Kraftaufnehmern der zweiten Achse befestigt .

[0004] Die vier piezoelektrischen Kraftaufnehmer erfassen drei Komponenten der Kraft, welche auf die Begrenzungsflächen des ersten und zweiten Trägers wirkt. Aus dem bekannten Abstand der vier piezoelektrischen Kraftaufnehmer zum Referenzpunkt lassen sich drei Komponenten eines Momentes errechnen, welches im Koordinatensystem auf die Grundplatte wirkt. Der Kraft- und Momentensensor liefert somit insgesamt sechs Komponenten.

[0005] Jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer weist drei piezoelektrische Aufnehmerelemente auf. Die piezoelektrischen Aufnehmerelemente sind kristallographisch so orientiert, dass eine auf sie wirkende Kraft elektrische Polarisationsladungen erzeugt, deren Anzahl proportional zur Grösse der Kraft ist. Pro piezoelektrischen Kraftaufnehmer erfasst ein piezoelektrisches Aufnehmerelement die Komponente einer Normalkraft und zwei piezoelektrische Aufnehmerelemente erfassen zwei Komponenten von Schubkräften. Die vier Kraftaufnehmer erzeugen also für eine erfasste Kraft Messsignale in Form von elektrischen Polarisationsladungen. Jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer weist einen Ladungs^¬ verstärker und einen Analog-Digital-Wandler auf. Der Ladungsverstärker verstärkt die elektrischen Polarisationsladungen der drei piezoelektrischen Aufnehmerelemente einzeln und der Analog-Digital-Wandler wandelt die drei verstärkten elektrischen Polarisationsladungen einzeln in drei digitale Ausgangssignale. Für insgesamt zwölf piezoelektrische Auf^¬ nehmerelemente werden somit zwölf digitale Ausgangssignale gebildet .

[0006] Die Schrift DE102012005555B3 lehrt eine Messplatte mit mehreren in einer Reihe angeordneten piezoelektrischen Kraftaufnehmern. Jedem piezoelektrischen Kraftaufnehmer ist ein Druckstück zugeordnet, die zu erfassende Kraft wirkt über die Druckstücke auf die piezoelektrischen Kraftaufnehmer. Jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer weist zwei piezoelektrische Aufnehmerelemente auf, ein piezoelektrisches Aufnehmerelement zum Erfassen einer Druckkraft und ein piezoelektrisches Aufnehmerelement zum Erfassen einer Schubkraft. Die piezoelektrischen Aufnehmerelemente eines jeden piezoelektrischen Kraftaufnehmers liegen paarweise übereinander in Ausnehmungen der Messplatte. Die insgesamt acht piezoelektrischen Aufnehmerelemente bilden acht Messsignale, welche über elektrische Anschlüsse zu vier Buchsen übermittelt werden. An die Buchsen lassen sich Signalkabel anschliessen, um die Messsignale an eine externe Auswerteeinheit weiter zu übermitteln.

[0007] Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen solchen Kraft- und Momentensensor weiterzuentwickeln, so dass er möglichst kleine räumliche Ab^¬ messungen hat, damit er ohne den Roboter bei komplexen Bearbeitungen zu behindern in der Handwurzel des Roboterarms angeordnet werden kann. Eine zweite Aufgabe des Kraft- und Momentensensors liegt darin, mechanisch möglichst robust zu sein, insbesondere eine hohe Belastbarkeit für Biegemomente zu haben. Eine weitere Aufgabe des Kraft- und Momentensensors ist es, möglichst preisgünstig zu sein, um so an den Herstellkosten des Roboters nur im geringen Umfang beizutragen. Noch eine Aufgabe des Kraft- und Momentensensors besteht darin, eine hohe Arbeitssicherheit zu gewährleisten, damit der Roboter und ein Mensch in einem gemeinsamen Raum arbeiten können.

Darstellung der Erfindung

[0008] Zumindest eine der Aufgaben wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.

[0009] Die Erfindung betrifft einen Kraft- und Momentensensor mit vier piezoelektrischen Kraftaufnehmern und mit einer Grundplatte; wobei die vier piezoelektrischen Kraftaufnehmer eine Kraft erfassen und für eine erfasste Kraft Messsignale erzeugen; wobei der Kraft- und Momentensensor eine Deckplatte aufweist, welche Deckplatte eine Begrenzungsfläche aufweist, an welcher Begrenzungsfläche die zu erfassende Kraft angreift; wobei der Kraft- und Momentensensor eine Auswerteeinheit aufweist, welche Auswerteeinheit Messsignale der piezoelektrischen

Kraftaufnehmer auswertet; wobei die Grundplatte mindestens einen Hohlraum für die piezoelektrischen Kraftaufnehmer und für die Auswerteeinheit aufweist, in welchem Hohlraum die piezoelektrischen Kraftaufnehmer und die Auswerteeinheit angeordnet sind; und wobei Grundplatte und Deckplatte mechanisch zu einem Gehäuse verbunden sind.

[0010] Im Unterschied zur Schrift US2016/0109311A1 weist der erfindungsgemässe Kraft- und Momentensensor vier piezoelektrische Kraftaufnehmer und auch eine Auswerteinheit zum Auswerten der Messsignale der piezoelektrischen Kraftaufnehmer in einem Hohlraum einer Grundplatte auf. Und die zu erfassende Kraft greift an einer Begrenzungsfläche einer Deckplatte an. Für die Aufnahme der piezoelektrischen Kraftaufnehmer und den Kraftangriff werden also nur zwei Bestandteile benötigt, eine Grundplatte und eine Deckplatte. Grundplatte und Deckplatte sind zu einem Gehäuse verbunden. Gemäss der Schrift US2016/0109311A1 werden dafür zwei Träger und eine Grundplatte benötigt, gemäss der Schrift DE102012005555B3 werden dazu eine Messplatte und vier Druckstücke benötigt. Diese räumlich kompakte Anordnung der piezoelektrischen Kraftaufnehmer und der Auswerteeinheit in einem Hohlraum der Grundplatte sowie der Kraftangriff an der Begrenzungsfläche der Deckplatte resultiert in einer signifikanten Erniedrigung der Baugrösse des Kraft- und Momentensensors . [0011] In einer Aus führungs form der Erfindung weist jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer mehrere piezoelektrische Aufnehmerelemente auf; dass jeder piezoelektrische Kraft^¬ aufnehmer mit mindestens einem ersten piezoelektrischen Aufnehmerelement genau eine Komponente einer Normalkraft erfasst; und dass jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer mit mindestens einem zweiten piezoelektrischen Aufnehmerelement genau eine Komponente einer Schubkraft erfasst.

[0012] Im weiteren Unterschied zur Schrift

US2016/0109311A1 weist der erfindungsgemässe Kraft- und Momentensensor nur acht piezoelektrische Aufnehmerelemente auf. Dies ist eine Reduktion der Anzahl der piezoelektrischen Aufnehmerelemente um 33.3%. Der Kraft- und Momentensensor ermittelt jedoch ebenfalls drei Komponenten einer Kraft und drei Komponenten eines Momentes. Die Reduktion der Anzahl der piezoelektrischen Aufnehmerelemente resultiert in einer weiteren Erniedrigung der Baugrösse des Kraft- und Momentensensors. Und die Herstellkosten des Kraft- und Momentensensors sinken drastisch.

[0013] Die Erfindung betrifft auch ein Kraftaufnehmermodul für den Kraft- und Momentensensor, wobei vier piezoelektrische Kraftaufnehmer, welche über elektrische Leiter mit einer Auswerteeinheit elektrisch kontaktiert sind, das Kraftaufnehmermodul bilden.

[0014] Das erfindungsgemässe Kraftaufnehmermodul vereint die Funktionen Krafterfassung, Messsignalerzeugung und Messsignalauswertung. Es weist kleine räumliche Abmessungen auf und lässt sich im Hohlraum der Grundplatte des Kraft- und Momentensensor anordnen. Dadurch wird die Herstellung des Kraft- und Momentensensor besonders kostengünstig, denn nachdem das Kraftaufnehmermodul im Hohlraum angeordnet ist, müssen nur noch Grundplatte und Deckplatte zu einem Gehäuse mechanisch verbunden werden.

[0015] Die Erfindung betrifft zudem einen Roboter mit einem solchen Kraft- und Momentensensor, wobei eine Begrenzungsfläche einer Grundplatte des Kraft- und Momentensensors mit einer Oberfläche einer Handwurzel des Roboters mechanisch verbunden ist; und wobei die Begrenzungsfläche der Deckplatte des Kraft- und Momentensensors mit einem Werkzeug mechanisch verbunden ist.

[0016] In einer Aus führungs form der Erfindung ist jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer mit einer Spannkraft gegen die Begrenzungsfläche der Deckplatte mechanisch vorgespannt, wobei eine Wirkrichtung der Spannkraft normal zur Begrenzungsfläche ist; und wobei ein Biegemoment des Werkzeuges als Normalkraft auf die piezoelektrischen Kraftaufnehmer wirkt.

[0017] Dies ist im weiteren Unterschied zur Schrift US2016/0109311A1, wo die piezoelektrischen Kraftaufnehmer mit einer Spannkraft gegen die Begrenzungsflächen des ersten und zweiten Trägers mechanisch vorgespannt sind, deren Wirkrichtung senkrecht zu den Begrenzungsflächen ist. Hier wirkt ein Biegemoment eines Werkzeuges dann als Schubkraft auf die piezoelektrischen Kraftaufnehmer. Die Schubkraft wird von den Begrenzungsflächen als Reibungskraft auf die piezo^¬ elektrischen Kraftaufnehmer übertragen. Zur Übertragung der Reibungskraft müssen die piezoelektrischen Kraftaufnehmer mit relativ hoher Spannkraft gegen die Begrenzungsflächen mechanisch vorgespannt werden. Nun hält das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Kraftaufnehmer die Spannkraft nur bis zu einer Bruchgrenze aus, oberhalb der der Bruchgrenze kommt es zu Beschädigungen und Bruch des piezoelektrischen Materials. Erfindungsgemäss ist eine solche hohe Spannkraft nicht nötig, denn das Biegemoment des Werkzeuges wirkt als Normalkraft die parallel zur Spannkraft ist. Der erfindungsgemässe Kraft- und Momentensensor muss daher nicht mit hoher Spannkraft mechanisch vorgespannt werden und ist somit auch mit wesentlich höheren Biegemomenten belastbar.

[0018] In einer Aus führungs form der Erfindung weist der Kraft- und Momentensensor des Roboters zwei Kraftaufnehmermodule auf; wobei erste piezoelektrische Kraftaufnehmer eines ersten Kraftaufnehmermoduls eine Kraft ein erstes Mal erfassen und für die zum ersten Mal erfasste Kraft erste Messsignale erzeugen; und wobei zweite piezoelektrische Kraftaufnehmer eines zweiten Kraftaufnehmermoduls die gleiche Kraft ein zweites Mal erfassen und für die zum zweiten Mal erfasste Kraft zweite Messsiginale erzeugen.

[0019] In einer Aus führungs form der Erfindung weist der Kraft- und Momentensensor des Roboters zwei

Kraftaufnehmermodule auf; wobei eine erste Auswerteeinheit eines ersten Kraftaufnehmermoduls die ersten Messsignale auswertet und als erste digitale Ausgangssignale bereitstellt; wobei eine zweite Auswerteeinheit eines zweiten Kraftaufnehmermoduls zweite Messsignale auswertet und als zweite digitale Ausgangssignale bereitstellt; wobei der Kraft- und Momentensensor die ersten digitalen Ausgangssignale über ein Bussystem an eine Robotersteuerung des Roboters übermittelt; wobei der Kraft- und Momentensensor die zweiten digitalen Ausgangssignale über das Bussystem an die Robotersteuerung des Roboters übermittelt; und wobei die Robotersteuerung des Roboters die übermittelten ersten digitalen Ausgangssignale mit den übermittelten zweiten digitalen Ausgangssignalen vergleicht.

[0020] Dies ist vorteilhaft. Ein solcher erfindungsgemässer Vergleich von digitalen Ausgangssignalen einer zweimal erfassten Kraft kann aus Gründen der Arbeitssicherheit notwendig sein, insbesondere wenn der Roboter und ein Mensch in einem gemeinsamen Raum arbeiten und nicht durch Sicherheitsmassnahmen wie einen Schutzzaun räumlich voneinander getrennt sind. Hier besteht für den Menschen die Gefahr der schweren bis tödlichen Verletzung durch rasche und kräftige Bewegungen des Roboterarms. Sobald die Robotersteuerung des Roboters beim Vergleich der erfassten und übermittelten Kräfte eine Abweichung zwischen den beiden erfassten und übermittelten Kräften feststellt, kann sie den Roboter in einen Sicherheitsmodus bringen, wo die gemeinsame Arbeit von Roboter und Mensch unterbrochen wird und sich der Mensch in einen Sicherheitsabstand bringen kann . Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0021] Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Beizug der Figuren näher erklärt. Es zeigen

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung eines Teiles einer ersten Aus führungs form eines Kraft- und Momentensensor mit einem Kraftaufnehmermodul;

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung eines Teiles einer zweiten Aus führungs form eines Kraft- und Momentensensor mit zwei Kraftaufnehmermodulen;

Fig. 3 ein Querschnitt durch einen Teil der zweiten

Aus führungs form eines Kraft- und Momentensensors nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht eines Teils einer Ausführungsform eines Kraftaufnehmermoduls für den Kraft- und Momentensensor nach Fig. 1 oder 2;

Fig. 5 eine Ansicht eines Teils der Aus führungs form des

Kraftaufnehmermoduls nach Fig. 4; und

Fig. 6 eine Ansicht eines Teiles einer Ausführungsform eines Roboters mit dem Kraft- und Momentensensor nach Fig. 1 oder 2. Wege zur Ausführung der Erfindung

[0022] Die Fig. 1 und 2 zeigen Teile zweier Aus führungs formen eines Kraft- und Momentensensor 1 mit einer Grundplatte 2 und einer Deckplatte 3. Ein Zentrum 0 des Kraft- und Momentensensors 1 liegt im Ursprung eines rechtwinkligen Koordinatensystems mit den Koordinaten x, y, z. Das Zentrum 0 des Kraft- und Momentensensors 1 ist auch das Zentrum 0 der Grundplatte 2 und wird auch Zentrum 0 genannt. Eine Richtung entlang einer z-Achse wird auch Längsrichtung genannt, eine Richtung in einer xy-Ebene wird Radialrichtung genannt.

[0023] Grundplatte 2 und Deckplatte 3 haben in der xy- Ebene eine grössere Ausdehnung als in Längsrichtung. Grundplatte 2 und der Deckplatte 3 haben in der xy-Ebene einen kreisförmigen Querschnitt von 150mm Durchmesser vorzugsweise kleiner/gleich 100mm Durchmesser. Die Grundplatte 2 hat in Längsrichtung eine Dicke von 30mm, vorzugsweise kleiner/gleich 20mm. Die Deckplatte 3 hat in Längsrichtung eine Dicke von 10mm, vorzugsweise kleiner/gleich 5mm. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung können Grundplatte 2 und Deckplatte 3 auch einen nicht^¬ kreisförmigen Querschnitt wie einen mehreckigen Querschnitt haben .

[0024] Die Grundplatte 2 ist topfförmig, die Deckplatte 3 ist deckeiförmig. Ein seitlicher Rand der Grundplatte 2 begrenzt das Gehäuse in Radialrichtung. Der seitliche Rand der Grundplatte 2 ist geschlossen und weist keine Durchgänge auf. Eine Begrenzungsfläche 24 der Grundplatte 2 begrenzt das Gehäuse in Längsrichtung. Die Begrenzungsfläche 24 der Grundplatte 2 ist nicht geschlossen, sie weist mehrere Durchgänge für Vorspannelemente 5 bis 5^{λ λ λ} auf. Eine Begrenzungsfläche 31 der Deckplatte 3 begrenzt das Gehäuse in Längsrichtung. Die Begrenzungsfläche 31 der Deckplatte 3 ist geschlossen und weist keine Durchgänge auf. Ein radial äusserer Rand der Deckplatte 3 liegt bündig am seitlichen Rand der Grundplatte 2 an.

[0025] Die Grundplatte 2 weist mindestens einen Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ}, 22 auf. Der Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ}, 22 ist auf einer der Deckplatte 3 zugewandten Seite der Grundplatte 2 angeordnet. Im Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ}, 22 sind Bauteile des Kraft- und Momentensensors 1 angeordnet.

[0026] Die Grundplatte 2 und die Deckplatte 3 bestehen aus mechanisch widerstandsfähigem Material. Die Grundplatte 2 und die Deckplatte 3 sind miteinander zu einem Gehäuse mechanisch verbunden. Die mechanische Verbindung erfolgt über Vorspannelemente 5 bis 5^{λ λ λ} vorzugsweise kraftschlüssig durch Schraubverbindungen. Das Vorspannelement 5 bis 5^{λ λ λ} kann bolzenförmig sein. Die Deckplatte 3 weist auf einer der Grundplatte 2 zugewandten Seite Gewinde für die Schraubverbindungen auf. Vorzugsweise ragen vier Vorspannelemente 5 bis 5^{λ λ λ} durch vier Durchgänge der Grundplatte 2 und lassen sich in vier Gewinde der Deckplatte 3 schrauben. Die eingeschraubten Vorspannelemente 5 bis 5^{λ λ λ} spannt die Grundplatte 2 und die Deckplatte 3 gegeneinander. Dabei liegt ein Bolzenkopf eines jeden Vorspannelementes 5 bis 5^{λ λ λ} auf der Grundplatte 2 auf. Vorzugsweise liegt jeder Bolzenkopf in einer Vertiefung der Grundplatte 2 und ragt nicht über die Begrenzungsfläche 24 der Grundplatte 2 hinaus. Die mechanische Verbindung ist gasdicht und wasserdicht. Die gasdichte und wasserdichte Abdichtung erfolgt über Dichtelemente 13a, 13b bis 13b^ 13c. Das Gehäuse schützt Bauteile im Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ}, 22 von Stössen und Schlägen, die während des Betriebs auftreten. Das Gehäuse schützt die Bauteile im Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ}, 22 aber auch vor schädlichen Umwelteinflüssen wie Verunreinigungen (Staub, Feuchtigkeit, usw. Schliesslich schützt das Gehäuse die Bauteile im Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ}, 22 vor elektrischen und elektromagnetischen Störeffekten in Form von elektromagnetischer Strahlung.

[0027] Vorzugsweise weist die Grundplatte 2 mehrere Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ} für mehrere piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4^{λ λ λ} auf. Vorzugsweise sind vier piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} in vier Hohlräumen 21 bis 21^{λ λ λ} angeordnet. Jeder Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ} der piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} ist in einem radialen Abstand r bezüglich des Zentrums 0 angeordnet. Die Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ} der piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4^{λ λ λ} werden auch radial beabstandete Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ} genannt. Die radial beabstandeten Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ} sind im gleichen radialen Abstand r zum Zentrum 0 angeordnet. Die radial beabstandeten Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ} sind identisch. Bezüglich der Längsrichtung weist jeder radial beabstandete Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ}θίηθη kreisförmigen Querschnitt auf. Zwei radial beabstandete Hohlräume 21, 21 ^{λ λ} liegen auf der x-Achse und zwei radial beabstandete Hohlräume 21 ^λ, 21^{λ λ λ} liegen auf der y-Achse. Zwei direkt benachbarte radial beabstandete Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ} weisen einen Abstand a auf. Jeder radial beanstandete Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ} nimmt mindestens einen piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4^{λ λ λ} auf. In der Aus führungs form nach Fig. 1 nimmt jeder radial beabstandete Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ} genau einen piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4^{λ λ λ} auf. In der Ausführungsform nach Fig. 2 nimmt jeder radial beabstandete Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ} genau zwei piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4^{λ λ λ} auf. Die zwei piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} sind entlang der z-Achse übereinander angeordnet.

[0028] Vorzugsweise weist die Grundplatte 2 einen Hohlraum 22 für eine Auswerteinheit 6 auf. Der Hohlraum 22 der Auswerteinheit 6 ist im Zentrum 0 angeordnet. Der Hohlraum 22 der Auswerteeinheit 6 wird auch zentraler Hohlraum 22 genannt. In der Aus führungs form nach Fig. 1 nimmt der zentrale Hohlraum 22 genau eine Auswerteeinheit 6 auf. In der Aus führungs form nach Fig. 2 nimmt der zentrale Hohlraum 22 genau zwei Auswerteeinheiten 6 auf. Die beiden Auswerteeinheiten 6 sind entlang der z-Achse übereinander angeordnet. Bezüglich des Zentrums 0 ist der zentrale Hohlraum 22 kreuzförmig und weist vier sich in Radialrichtung erstreckende Schenkel auf. Zwei direkt benachbarte Schenkel stehen senkrecht aufeinander. Bezüglich des Zentrums 0 sind die vier Schenkel um 45° zu den vier radial beabstandeten Hohlräumen 21 bis 21^{λ λ λ} versetzt. Zwischen zwei direkt benachbarten Schenkeln ist ein radial beabstandeter Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ} angeordnet. Dadurch wird der in der Grundplatte 2 zur Verfügung stehende Raum optimal ausgenutzt. Zwei direkt benachbarte Schenkel treffen sich in einem Übergangsbereich. In jedem Übergangsbereich weist die Grundplatte 2 eine Durchgangsöffnung 23 bis 23^{λ λ λ} auf. Die Durchgangsöffnungen 23 bis 23^{λ λ λ} der Grundplatte 2 sind identisch. Jede Durchgangsöffnung 23 bis 23^{λ λ λ} der Grundplatte 2 reicht in Radialrichtung vom zentralen Hohlraum 22 zu einem radial beabstandeten Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ}. Die Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ}, 22 sind also über die Durchgangsöffnungen 23 bis 23^{λ λ λ} räumlich miteinander verbunden.

[0029] Vorzugsweise weist jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} genau zwei piezoelektrische Aufnehmerelemente 8, 8^λ auf. Jedes piezoelektrische Aufnehmerelement 8, 8^λ ist scheibenförmig und besteht aus piezoelektrischem Material wie Quarz (S1O₂ Einkristall), Calcium-Gallo-Germanat (Ca₃Ga₂Ge₄0i₄ oder CGG) , Langasit

( La₃GasS iOi₄ oder LGS), Turmalin, Galliumorthophosphat , Piezokeramik, usw. Die piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} haben in der xy-Ebene eine grössere Ausdehnung als in Längsrichtung. Jedes piezoelektrische Aufnehmerelement 8, 8^λ hat einen kreisförmigen Querschnitt von 20mm Durchmesser vorzugsweise kleiner/gleich 10mm Durchmesser. Jedes piezoelektrische Aufnehmerelement 8, 8^λ weist in Längsrichtung eine Dicke von kleiner/gleich 1.0mm, vorzugsweise kleiner/gleich 0.8mm auf.

[0030] Jedes piezoelektrische Aufnehmerelement 8, 8^λ ist kristallographisch so orientiert, dass es eine hohe Empfindlichkeit für eine zu erfassende Kraft F hat. Das Erfassen der Kraft F erfolgt dynamisch mit Messfrequenzen im kHz-Bereich. Eine hohe Empfindlichkeit ist so definiert, dass das piezoelektrische Aufnehmerelement 8, 8^λ möglichst viele elektrische Polarisationsladungen Q für eine Änderung der Kraft F erzeugt. Die Kraft F weist Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz auf, wobei die Indizes x, y, z Elementflächen eines piezoelektrischen Aufnehmerelementes 8, 8^λ angeben, auf welche die Kraftkomponenten Fx, Fy, Fz wirken. Die Indizes x, y, z entsprechen den Koordinaten x, y, z.

[0031] Die Kraft F wirkt dabei entweder als Normalkraft oder als Schubkraft auf die Elementflächen . Eine Normalkraft wirkt entlang einer Wirkachse, die parallel zur Flächennormale der Elementfläche ist. Eine Schubkraft wirkt entlang einer Wirkachse, die senkrecht zur Flächennormale der Elementfläche ist. Jedes piezoelektrische Aufnehmerelement 8, 8^λ weist die z-Achse als Flächennormale auf. Zum Erfassen der Normalkraft Fz ist ein erstes piezoelektrisches Aufnehmerelement 8 kristallographisch so orientiert, dass elektrische Polarisationsladungen Qz auf Elementflächen erzeugt, deren Flächennormale parallel zur z-Achse der Normalkraft Fz ist. Für den piezoelektrischen Schubeffekt ist ein zweites piezoelektrisches Aufnehmerelement 8 ^λ kristallographisch so orientiert, dass elektrische Polarisationsladungen Qx oder Qy auf Elementflächen erzeugt, deren Flächennormale senkrecht zur x-Achse der Schubkraft Fx oder senkrecht zur y-Achse der Schubkraft Fy ist. Zum Erfassen der Schubkraft Fx ist das zweite piezoelektrische Aufnehmerelement 8 ^λ mit kristallographischer Orientierung hoher Empfindlichkeit entlang der x-Achse ausgerichtet. Zum Erfassen der Schubkraft Fy ist das zweite piezoelektrische Aufnehmerelement 8 ^λ mit kristallographischer Orientierung hoher Empfindlichkeit entlang der y-Achse ausgerichtet. Ein und dasselbe zweite piezoelektrische Aufnehmerelement 8 ^λ lässt sich somit in der xy-Ebene entweder zum Erfassen der Schubkraft Fx mit kristallographischer Orientierung hoher Empfindlichkeit entlang der x-Achse oder zum Erfassen der Schubkraft Fy mit kristallographischer Orientierung hoher Empfindlichkeit entlang der y-Achse anordnen, es muss also nur um 90° gedreht angeordnet werden. Jedes piezoelektrische Aufnehmerelement 8, 8^λ hat zwei Elementflächen . Die elektrischen Polarisationsladungen Q auf den Elementflächen eines jeden piezoelektrischen Aufnehmerelementes 8, 8^λ haben entgegengesetzte Vorzeichen. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann natürlich auch ein anders geformtes piezoelektrisches Aufnehmerelement verwenden. So kann er für den piezoelektrischen Transversaleffekt ein stabförmige geformtes piezoelektrisches Aufnehmerelement verwenden, welches kristallographisch so orientiert geschnitten ist, dass elektrische Polarisationsladungen Qz auf Elementflächen erzeugt, deren Flächennormale senkrecht zur z-Achse der Normalkraft Fz ist.

[0032] Vorzugsweise weist jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4^{λλ λ} mehrere Aufnehmerelektroden 9, 9^λ und mehrere Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} auf. Die Aufnehmerelektroden 9, 9^λ und die Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} sind aus elektrisch leitfähigem Material wie Aluminium, Kupfer, Gold, usw. und greifen die elektrischen Polarisationsladungen Q von den Elementflächen der piezoelektrischen Aufnehmerelemente 8, 8^λ ab. Die Aufnehmerelektroden 9, 9^λ und die Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} liegen in der xy-Ebene und haben einen kreisförmigen Querschnitt von 20mm Durchmesser vorzugsweise kleiner/gleich 10mm Durchmesser. Die Aufnehmerelektroden 9, 9^λ weisen in Längsrichtung eine Dicke von kleiner/gleich 0.2mm, vorzugsweise kleiner/gleich 0.05mm auf. Die Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} weisen in Längsrichtung eine Dicke von kleiner/gleich 2.0mm, vorzugsweise kleiner/gleich 1.0mm auf. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann auch Gegenelektroden realisieren, die genauso dick wie die Aufnehmerelektroden sind.

[0033] Jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} weist mindestens ein erstes piezoelektrisches

Aufnehmerelement 8 zum Erfassen der Normalkraft Fz auf und mindestens ein zweites piezoelektrisches Aufnehmerelement 8 ^λ zum Erfassen der Schubkraft Fx oder Fy auf. Die Aus führungs form des piezoelektrischen Kraftaufnehmers 4 bis 4^{λ λ λ} nach Fig. 3 weist genau zwei erste piezoelektrische Aufnehmerelemente 8 zum Erfassen der Normalkraft Fz auf und genau zwei zweite piezoelektrische Aufnehmerelemente 8 ^λ zum Erfassen der Schubkraft Fx oder Fy auf. Die beiden ersten piezoelektrischen Aufnehmerelemente 8 sind paarweise angeordnet, und auch die beiden zweiten piezoelektrischen Aufnehmerelemente 8^λ sind paarweise angeordnet. In der Darstellung nach Fig. 3 sind die beiden ersten piezoelektrischen Aufnehmerelemente 8 bezüglich der z-Achse oberhalb der beiden zweiten piezoelektrischen

Aufnehmerelemente 8^λ angeordnet. Eine erste

Aufnehmerelektrode 9 liegt bezüglich der z-Achse zwischen Elementflächen der beiden ersten piezoelektrischen Aufnehmerelemente 8. Und eine zweite Aufnehmerelektrode 9 ^λ liegt bezüglich der z-Achse zwischen Elementflächen der beiden zweiten piezoelektrischen Aufnehmerelemente 8 ^λ . An den von Aufnehmerelektroden 9, 9^λ abgewandten Elementflächen der piezoelektrische Aufnehmerelemente 8, 8^λ liegen Gegen- elektroden 10 bis 10 ^{λ λ} an. Eine erste Gegenelektrode 10 liegt an einer von der ersten Aufnehmerelektrode 9 abgewandten bezüglich der z-Achse oberen Elementfläche eines ersten piezoelektrischen Aufnehmerelementes 8 an. Eine zweite Gegenelektrode 10 ^λ ist bezüglich der z-Achse zwischen den beiden ersten piezoelektrischen Aufnehmerelemente 8 und den beiden zweiten piezoelektrischen Aufnehmerelementen 8 ^λ angeordnet. Die zweite Gegenelektrode 10 ^λ liegt an einer von der ersten Aufnehmerelektrode 9 abgewandten bezüglich der z- Achse unteren Elementfläche eines ersten piezoelektrischen Aufnehmerelementes 8 an und sie liegt an einer von der zweiten Aufnehmerelektrode 9 abgewandten bezüglich der z- Achse oberen Elementfläche eines zweiten piezoelektrischen Aufnehmerelementes 8^λ an. Eine dritte Gegenelektrode 10 ^{λ λ} liegt an einer von der zweiten Aufnehmerelektrode 9^λ abgewandten bezüglich der z-Achse unteren Elementfläche eines zweiten piezoelektrischen Aufnehmerelementes 8^λ an.

[0034] Die an den Aufnehmerelektroden 9, 9^λ anliegenden Elementflächen der piezoelektrischen Aufnehmerelemente 8, 8^λ haben entgegengesetzte Vorzeichen und sind über die Aufnehmerelektroden 9, 9^λ elektrisch parallel geschaltet. Und auch die an der Gegenelektrode 10 anliegenden Elementflächen der piezoelektrischen Aufnehmerelemente 8, 8^λ haben entgegengesetzte Vorzeichen und sind über die Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} elektrisch parallel geschaltet. Unter der Wirkung der Kraft F werden auf den parallel geschalteten Elementflächen elektrische Polarisationsladungen Q mit gleichem Vorzeichen erzeugt. Somit summieren die Aufnehmerelektroden 9, 9^λ und die Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} jeweils elektrischen Polarisationsladungen Q mit gleichem Vorzeichen auf. Vorzugsweise liegen die Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} auf dem gleichen Erdpotenzial wie das Gehäuse des Kraft- und Momentensensors 1.

[0035] Elektrische Polarisationsladungen Q der

Aufnehmerelektroden 9, 9^λ und der Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} werden von elektrischen Leitern 11 bis 11 ^{λ λ} abgegriffen. Die elektrischen Leiter 11 bis 11 ^{λ λ} sind drahtförmig und aus elektrisch leitfähigem Material wie Aluminium, Kupfer, Gold, usw. Ein erster elektrischer Leiter 11 greift elektrische Polarisationsladungen Q der ersten Aufnehmerelektrode 9 ab. Ein zweiter elektrischer Leiter 11 ^λ greift elektrische Polarisationsladungen Q der zweiten Aufnehmerelektrode 9^λ ab. Ein dritter elektrischer Leiter 11 ^λ greift elektrische Polarisationsladungen Q der Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} ab. Die elektrischen Polarisationsladungen Q werden über die elektrischen Leiter 11 bis 11 ^{λ λ} an die Auswerteeinheit 6 abgeleitet .

[0036] Jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} ist durch ein Vorspannelement 5 bis 5^{λ λ λ} mechanisch vorgespannt. Das Vorspannelement 5 bis 5^{λ λ λ} spannt den im radial beabstandeten Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ} der Grundplatte 2 angeordneten piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} mit einer Spannkraft gegen die Deckplatte 3 mechanisch vor. Wie in Fig. 1 bis 3 dargestellt, ragen jedes Vorspannelement 5 bis 5^{λ λ λ} durch einen Durchgang der Grundplatte 2 und ist mit einem Gewinde der Deckplatte 3 verschraubt. Bezüglich der xy- Ebene ist jeder Durchgang mittig in einem radial beabstandeten Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ} angeordnet. Durch eine in der Grundplatte 2 angebrachten Hülse ist der Durchgang vom radial beabstandeten Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ} getrennt. Im vorgespannten Zustand der Grundplatte 2 mit der Deckplatte 3 trennt die Hülse den radial beabstandeten Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ} vom Vorspannelement 5 bis 5^{λ λ λ}. Die mechanische Vorspannung gewährleistet einen sehr guten elektrischen Kontakt zwischen den piezoelektrischen Aufnehmerelementen 8, 8^λ und den Aufnehmerelektroden 9, 9^λ und Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} des piezoelektrischen Kraftaufnehmers 4 bis 4^{λ λ λ}, so dass keine nichtkontaktierten Bereiche mit lokalen hohen elektrischen Spannungen und elektrischen Kriechströmen auftreten und sich auch Oberflächenrauheiten auf den Kontaktflächen schliessen, was zu einer exzellenten Linearität des Kraft- und Momentensensors 1 führt. Die Linearität ist eine Abweichung der Proportionalität zwischen den elektrischen Polarisationsladungen Q und der zu erfassenden Kraftkomponente Fx, Fy, Fz .

[0037] Der mindestens eine Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ}, 22 der

Grundplatte 2 ist durch mindestens ein Dichtelement 13a, 13b bis 13b^ 13c gasdicht und wasserdicht abgedichtet. Das Dichtelement 13a, 13b bis 13b^ 13c ist aus Kunststoff, Metall, usw. In der Aus führungs form nach Fig. 1 weist der Kraft- und Momentensensor 1 ein ringförmiges Dichtelement 13a auf. Das ringförmige Dichtelement 13a ist zwischen dem seitlichen Rand der Grundplatte 2 und dem radial äusseren Rand der Deckplatte 3 angeordnet. Im vorgespannten Zustand der Grundplatte 2 mit der Deckplatte 3 wird das ringförmige Dichtelement 13 komprimiert und dichtet so. In der Aus führungs form nach Fig. 2 weist der Kraft- und Momentensensor 1 mehrere scheibenförmige Dichtelemente 13b bis 13b^ 13c auf. Erste scheibenförmige Dichtelemente 13b bis 13^^{λ λ} dichten mehrere radial beabstandeten Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ} ab. Ein zweites scheibenförmiges Dichtelement 13.3 dichtet den zentralen Hohlraum 22 ab. Vorzugsweise sind die scheibenförmigen Dichtelemente 13b bis 13b^ 13c stoffschlüssig mit Rändern der Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ}, 22 kontaktiert. Der Stoffschluss erfolgt durch Schweissen, Diffusionsschweissen, Thermokompressionsbonden, Löten, usw.

[0038] Die Auswerteeinheit 6 ist mit der Grundplatte 2 mechanisch verbunden, vorzugsweise durch Formschluss oder Kraftschluss oder Stoffschluss. Eine Ausdehnung der Auswerteeinheit 6 in der xy-Ebene ist grösser als in Längsrichtung. Die Auswerteeinheit 6 ist scheibenförmig mit einem Durchmesser von kleiner 150mm, vorzugsweise kleiner 100mm. In den Aus führungs formen nach Fig. 1, 2 und 4 ist die Auswerteeinheit 6 eine kreuzförmige Scheibe. Eine Dicke der Auswerteeinheit 6 in Längsrichtung ist kleiner/gleich 20mm.

[0039] Die Auswerteeinheit 6 weist eine elektrische Leiterplatte auf. Die elektrische Leiterplatte besteht aus elektrisch isolierendem Trägermaterial wie Polytetra- fluorethylen, Polyimid, Al₂03-Keramik, Kohlenwasserstoff- Keramik-Laminate, usw. Die elektrische Leiterplatte ist mit elektronischen Komponenten wie elektrische Widerstände, elektrische Kapazitäten, Halbleiterelemente, Prozessoren, usw. bestückt. Die elektrische Leiterplatte weist elektrische Signalleiter auf. Die elektrischen Signalleiter sind aus elektrisch leitfähigem Material wie aus Reinmetallen, Nickellegierungen, Kobaltlegierungen, Eisenlegierungen, usw. Die elektrischen Signalleiter liegen flächig auf dem Trägermaterial der elektrischen Leiterplatte und verbinden die elektronischen Komponenten elektrisch miteinander. Die elektrischen Leiter 11 bis 11 ^λ der piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} sind auf die elektrische Leiterplatte geführt. Die elektrischen Leiter 11 bis 11 ^{λ λ} eines piezoelektrischen Kraftaufnehmers 4 bis 4 ^{λ λ λ} ragen vom radial äusseren Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ} des piezoelektrischen Kraftaufnehmers 4 bis 4 ^{λ λ λ} durch eine Durchgangsöffnung 23 bis 23^{λ λ λ} der Grundplatte 2 in den zentralen Hohlraum 22 der Grundplatte 2. Im zentralen Hohlraum 22 sind Enden der elektrischen Leiter 11 bis 11 ^{λ λ} auf einer auf der von der unteren Begrenzungsfläche abgewandten Seite der elektrischen Leiterplatte elektrisch mit elektrischen Signalleitern kontaktiert. Die elektrischen Leiter 11 bis 11 ^{λ λ} sind im zentralen Hohlraum 22 für ein Werkzeug der Kontaktierung gut zugänglich. Vorzugsweise sind die elektrischen Leiter 11 bis 11 ^{λ λ} stoffschlüssig mit elektrischen Signalleitern kontaktiert. Der Stoffschluss erfolgt durch Schweissen, Diffusionsschweissen, Thermokompressionsbonden, Löten, usw. Die Durchgangsöffnungen 23 bis 23^{λ λ λ} der Grundplatte 2 ermöglichen somit eine einfache, rasche und sichere elektrische Kontaktierung der elektrischen Leiter 11 bis 11 ^{λ λ} eines piezoelektrischen Kraftaufnehmers 4 bis 4 ^{λ λ λ} mit der elektrischen Leiterplatte der Auswerteeinheit 6.

[0040] Die Auswerteeinheit 6 weist als elektronische Komponenten mindestens einen Ladungsverstärker und mindestens einen Analog-Digital-Wandler auf. Vorzugsweise weist die Auswerteeinheit 6 für jeden piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} mindestens einen Ladungsverstärker und mindestens einen Analog-Digital-Wandler auf. Die Auswerteeinheit 6 wertet die Messsignale der piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4^{λ λ λ} aus. Ein erster Ladungsverstärker verstärkt elektrische Polarisationsladungen Q vom ersten piezoelektrischen Aufnehmerelement 8 und ein erster Analog- Digital-Wandler digitalisiert die verstärkten elektrischen Polarisationsladungen Q vom ersten piezoelektrischen Aufnehmerelement 8. Ein zweiter Ladungsverstärker verstärkt elektrische Polarisationsladungen Q vom zweiten piezoelektrischen Aufnehmerelement 8 ^λ und ein erster Analog- Digital-Wandler digitalisiert die verstärkten elektrischen Polarisationsladungen Q vom zweiten piezoelektrischen Aufnehmerelement 8 ^λ .

[0041] Jeweils vier piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4^{λ λ λ}, welche über elektrische Leiter 11 bis 11 ^{λ λ} mit einer Auswerteeinheit 6 elektrisch kontaktiert sind, bilden ein Kraftaufnehmermodul 14, 14 ^λ. In der Aus führungs form nach Fig.

1 weist der Kraft- und Momentensensor 1 ein Kraftaufnehmermodul 14 auf, in der Aus führungs form nach Fig.

2 weist der Kraft- und Momentensensor 1 zwei Kraftaufnehmermodule 14, 14 ^λ auf. Im Vergleich mit der Grundplatte 2 weist ein Kraftaufnehmermodul 14, 14 ^λ in Längs^¬ richtung eine so geringe Ausdehnung auf, dass sich in der Grundplatte 2 zwei Kraftaufnehmermodule 14, 14 ^λ in Längsrichtung übereinander anordnen lassen.

[0042] Dabei können Grundplatte 2 und Deckplatte 3 für beide Aus führungs formen des Kraft- und Momentensensors 1 die gleichen räumlichen Abmessungen haben. Falls der Kraft- und Momentensensor 1 nur ein Kraftaufnehmermodul 14 aufweist, ist in jedem radial beabstandeten Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ} nur ein piezoelektrischer Kraftaufnehmer 4 bis 4^{λ λ λ} angeordnet. Damit die zu erfassende Kraft auf die piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} wirken kann, sind die Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} dann in Längsrichtung so dick ausgeführt, dass die radial beabstandeten Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ} vollständig ausgefüllt sind. Falls der Kraft- und Momentensensor 1 zwei Kraftaufnehmermodule 14, 14 ^λ aufweist, liegen in jedem radial beabstandeten Hohlraum 21 bis 21^{λ λ λ} zwei piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4^{λ λ λ} eines jeden Kraftaufnehmermoduls 14, 14 ^λ übereinander und sind über Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} auf gleichem Erdpotenzial. Damit die zu erfassende Kraft auf die piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} wirken kann, sind die Gegenelektroden 10 bis 10 ^{λ λ} dann in Längsrichtung so dünn ausgeführt, dass die radial beabstandeten Hohlräume 21 bis 21^{λ λ λ} vollständig ausgefüllt sind. Im zentralen Hohlraum 22 liegen zwei Auswerteeinheiten 6 der Kraftaufnehmermodule 14, 14 ^λ übereinander und sind räumlich voneinander beanstandet. Die zwei Kraftaufnehmermodule 14, 14 ^λ erfassen dieselbe Kraft unabhängig voneinander. Die zwei Kraftaufnehmermodule 14, 14 ^λ werten Messsignale unabhängig voneinander aus.

[0043] Für die Aus führungs form eines Kraft- und Momentensensors 1 nach Fig. 1 und 2 kann die Auswerteeinheit 6 aus den digitalisierten elektrischen Polarisationsladungen Qx bis Qx ^{λ λ λ} , Qy bis Qy ^{λ λ λ} , Qz bis Qz ^{λ λ λ} der acht piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} drei Komponenten Fx, Fy, Fz einer Kraft F und drei Komponenten Mx, My, Mz eines Momentes M berechnen. Die Formeln dazu lauten:

Fx = +Qx ^λ -Qx ^{λ λ λ} Fy = +Qy ^{λ λ} -Qy

Fz = +Qz +Qz' +Qz'' +Qz' ' '

Mx = a/2 * ( +Qz +Qz ) - a/2 * ( +<2ζ^{λ λ} +<2ζ^{λ λ λ}) My = a/2 * ( +<2ζ^λ +<2ζ^{λ λ}) - a/2 * ( +Qz +<2ζ^{λ λ λ}) Mz = a/2 * ( +Qy +Qx ^λ +Qy' ' +Qx" ' )

Die Auswerteeinheit 6 erzeugt für die berechneten drei Komponenten Fx, Fy, Fz der Kraft F und die berechneten drei Komponenten Mx, My, Mz des Momentes M digitale Ausgangssignale und stellt die digitalen Ausgangssignale bereit. Mit den digitalen Ausgangssignalen von sechs Komponenten lässt sich eine triaxiale Fügekraft beschreiben.

[0044] Die Auswerteeinheit 6 weist eine Schnittstellen^¬ buchse 7 auf. An der Schnittstellenbuchse 7 lässt sich ein Schnittstellenstecker eines Bussystems wie Ethercat, Ethernet Powerlink, usw. elektrisch anschliessen . Der

Schnittstellenstecker und das Bussystem sind in Fig. 1 oder 2 nicht dargestellt. Über das Bussystem kommuniziert die Auswerteeinheit 6 mit einer Robotersteuerung des Roboters und übermittelt die bereitgestellten digitalen Ausgangssignale an die Robotersteuerung des Roboters. Die Kommunikation erfolgt in Echtzeit mit einer Busrate von mindestens 1kHz, vorzugsweise von mindestens 4kHz. Busrate und Messfrequenz sind so gewählt, dass die Messfrequenz grösser als die Busrate ist. [0045] Fig. 6 zeigt einen Teil einer Aus führungs form eines Roboters 15 mit einem Kraft- und Momentensensor 1. Der Roboter 15 weist einen Roboterarm auf. Der Roboterarm kann komplexe Bearbeitungen wie das Fügen von Bauteilen ausführen. Der Kraft- und Momentensensor 1, 1^λ ist in einer Handwurzel eines Roboterarms angeordnet. Die Begrenzungsfläche 24 der Grundplatte 2 des Kraft- und Momentensensors 1 ist mit einer Oberfläche der Handwurzel des Roboters 15 mechanisch verbunden. Die mechanische Verbindung erfolgt vorzugsweise kraftschlüssig durch Schraubverbindungen. Ein Werkzeug 16 mit dem der Roboter 15 komplexen Bearbeitungen oder auch einfache Arbeiten ausführt, ist mit der Begrenzungsfläche 31 der Deckplatte 3 des Kraft- und Momentensensors 1 mechanisch verbunden. Die mechanische Verbindung erfolgt vorzugsweise kraftschlüssig durch Schraubverbindungen.

[0046] Das Werkzeug 16 kann einen Hebelarm bilden, an dem eine Kraft F angreift, so dass ein Biegemoment entsteht, welches entlang der z-Achse als Normalkraft auf die Begrenzungsfläche 31 der Deckplatte 3 des Kraft- und Momentensensors 1 wirkt. Diese Normalkraft wirkt parallel zur Vorspannkraft der piezoelektrischen Kraftaufnehmer 4 4 ^{λ λ λ} .

[0047] Der Kraft- und Momentensensor 1 kann die Kraft F redundant erfassen. Dazu sind wie in der Aus führungs form des Kraft- und Momentensensors 1 nach Fig. 2 dargestellt, zwei Kraftaufnehmermodule 14, 14 ^λ mit zweimal vier piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} in vier Hohlräumen 21 bis 21^{λ λ λ} der Grundplatte 2 angeordnet. Ein erstes Kraftaufnehmermodul 14 weist erste piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} auf, welche eine Kraft F ein erstes Mal erfassen und für die zum ersten Mal erfasste Kraft F erste Messsignale erzeugen. Ein zweites Kraftaufnehmermodul 14 ^λ weist zweite piezoelektrische Kraftaufnehmer 4 bis 4 ^{λ λ λ} auf, welche die gleiche Kraft F ein zweites Mal erfassen und für die zum zweiten Mal erfasste Kraft F zweite Messsignale erzeugen. Das redundante Erfassen der Kraft mittels zweier Kraftaufnehmermodule 14, 14 ^λ erfolgt zeitgleich. Die Kraftaufnehmermodule 14, 14 ^λ erfassen dieselbe Kraft unabhängig voneinander. Jedes Kraftaufnehmermodul 14, 14 ^λ weist eine Auswerteeinheit 6 auf. Im zentralen Hohlraum 22 sind zwei Auswerteeinheiten 6 der beiden Kraftaufnehmermodule 14, 14 ^λ angeordnet. Die ersten Messsignale der zum ersten Mal erfassten Kraft F werden über elektrische Leiter 11 bis 11 ^{λ λ} an eine erste Auswerteeinheit 6 des ersten Kraftaufnehmermoduls 14 14 übermittelt. Die zweiten Messsignale der zum zweiten Mal erfassten Kraft F werden über elektrische Leiter 11 bis 11 ^{λ λ} an eine zweite Auswerteeinheit 6 des zweiten Kraftaufnehmermoduls 14 ^λ übermittelt. Die erste Auswerteeinheit 6 wertet die ersten Messsignale der zum ersten Mal erfasste Kraft F aus und stellt dafür erste digitale Ausgangssignale bereit. Die zweite Auswerteeinheit 6 wertet die zweiten Messsignale der zum zweiten Mal erfasste Kraft F aus und stellt dafür zweite digitale Ausgangssignale bereit. Die Kraftaufnehmermodule 14, 14 ^λ werten die Messsignale der zum ersten Mal erfassten Kraft F und der zum zweiten Mal erfassten Kraft F unabhängig voneinander aus.

[0048] Der Kraft- und Momentensensor 1 übermittelt die ersten digitalen Ausgangssignale der zum ersten Mal erfasste Kraft F und die zweiten digitalen Ausgangssignale der zum zweiten Mal erfassten Kraft F über das Bussystem an die Robotersteuerung des Roboters 15. Die Robotersteuerung kann die übermittelten ersten digitalen Ausgangssignale der zum ersten Mal erfassten Kraft F mit den übermittelten zweiten digitalen Ausgangssignalen der zum zweiten Mal erfassten Kraft vergleichen.

Bezugszeichenliste

0 Zentrum des Kraft- und Momentensensors

1 Kraft- und Momentensensor

2 Grundplatte

3 Deckplatte

4 bis 4 ^{λ λ λ} piezoelektrischer Kraftaufnehmer

5 bis 5^{λ λ λ} Vorspannelement

6 Auswerteeinheit

7 Schnittstellenbuchse

8, 8^λ piezoelektrisches Aufnehmerelement

9, 9^λ Aufnehmerelektrode

10 bis 10 ^{λ λ} Gegenelektrode

11 elektrische Leiter

13a, 13b bis 13b^\ 13c Dichtelement

14, 14 ^λ Kraftaufnehmermodul

15 Roboter

16 Werkzeug

21 bis 21^{λ λ λ} radial äusserer Hohlraum

22 zentraler Hohlraum

23 bis 23^{λ λ λ} Durchgangsöffnung

24 Begrenzungsfläche der Grundplatte

31 Begrenzungsfläche der Deckplatte

a Abstand

r radialer Abstand

x, y, z Koordinaten

Claims

Patentansprüche

1. Kraft- und Momentensensor (1) mit vier piezoelektrischen Kraftaufnehmern (4 bis 4^{λ λ λ}) und mit einer Grundplatte

(2) ; und wobei die vier piezoelektrischen Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) eine Kraft erfassen und für eine erfasste Kraft Messsignale erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass der Kraft- und Momentensensor (1) eine Deckplatte (3) aufweist, welche Deckplatte (3) eine Begrenzungsfläche (31) aufweist, an welcher Begrenzungsfläche (31) die zu erfassende Kraft F angreift; dass der Kraft- und Momentensensor (1) eine Auswerteeinheit (6) aufweist, welche Auswerteeinheit (6) Messsignale der piezoelektrischen Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) auswertet; dass die Grundplatte (2) mindestens einen Hohlraum (21 bis 21^{λ λ λ}, 22) für die piezoelektrischen Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) und die Auswerteeinheit (6) aufweist, in welchem Hohlraum (21 bis 21^{λ λ λ}, 22) die piezoelektrischen Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) und die Auswerteeinheit (6) angeordnet sind; und dass Grundplatte (2) und Deckplatte

(3) mechanisch zu einem Gehäuse verbunden sind.

2. Kraftaufnehmermodul (14, 14 ^λ) für den Kraft- und Momentensensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vier piezoelektrische Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}), welche über elektrische Leiter (11 bis 11 ^{λ λ}) mit einer Auswerteeinheit (6) elektrisch kontaktiert sind, das Kraftaufnehmermodul (14, 14 ^λ) bilden.

3. Kraft- und Momentensensor (1) mach Anspruch 1 mit einem Kraftaufnehmermodul (14, 14 ^λ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass in der Grundplatte (2) ein Kraftaufnehmermodul (14, 14 ^λ) angeordnet ist oder dass in der Grundplatte (2) zwei Kraftaufnehmermodule (14, 14 ^λ) angeordnet sind.

4. Kraft- und Momentensensor (1) Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) in einem bezüglich eines Zentrums (0) der Grundplatte (2) radial beabstandeten Hohlraum (21 bis 21^{λ λ λ}) angeordnet ist; und dass die Auswerteeinheit (6) in einem Hohlraum (22) im Zentrum (0) der Grundplatte (2) angeordnet ist.

5. Kraft- und Momentensensor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (22) der Auswerteeinheit

(6) bezüglich des Zentrums (0) der Grundplatte (2) kreuzförmig ist und vier Schenkel aufweist, welche Schenkel sich in eine Radialrichtung erstrecken; und dass zwischen zwei direkt benachbarten Schenkeln ein Hohlraum

(21 bis 21^{λ λ λ}) eines piezoelektrischen Kraftaufnehmers (4 bis 4^{λ λ λ}) angeordnet ist.

6. Kraft- und Momentensensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei direkt benachbarte Schenkel sich in einem Übergangsbereich treffen; dass die Grundplatte (2) in jedem Übergangsbereich eine Durchgangsöffnung (23 bis 23^{λ λ λ}) aufweist; und dass jede Durchgangsöffnung (23 bis 23^{λ λ λ}) in Radialrichtung vom Hohlraum (22) der Auswerteeinheit (6) zu einem Hohlraum (21 bis 21^{λ λ λ}) eines piezoelektrischen Kraftaufnehmers (4 bis 4^{λ λ λ}) reicht.

7. Kraft- und Momentensensor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eder piezoelektrische Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) mehrere piezoelektrische Aufnehmerelemente (8, 8^λ) aufweist; dass jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) mit mindestens einem ersten piezoelektrischen Aufnehmerelement

(8) genau eine Komponente einer Normalkraft erfasst; und dass jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) mit mindestens einem zweiten piezoelektrischen Aufnehmerelement (8^λ) genau eine Komponente einer Schubkraft oder erfasst.

8. Kraft- und Momentensensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer

(4 bis 4^{λ λ λ}) mehrere Aufnehmerelektroden (9, 9^λ) aufweist, welche Aufnehmerelektroden (9, 9^λ) elektrische Polarisationsladungen als Messsignale von einer Elementfläche eines piezoelektrischen Aufnehmerelementes

(8, 8^λ) abgreifen; dass jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) mehrere Gegenelektroden (10 bis 10 ^{λ λ}) aufweist, welche Gegenelektroden (10 bis 10 ^{λ λ}) elektrische Polarisationsladungen als Messsignale von einer Elementfläche eines piezoelektrischen

Aufnehmerelementes (8, 8^λ) abgreifen.

9. Kraft- und Momentensensor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) genau drei elektrische Leiter (11 bis 11 ^{λ λ}) aufweist; dass eine erste Aufnehmerelektrode (9) an mindestens einer ersten Elementfläche mindestens eines ersten piezoelektrischen Aufnehmerelementes (8) anliegt; dass die erste Aufnehmerelektrode (9) elektrisch mit einem ersten elektrischen Leiter (11) kontaktiert ist; dass eine zweite Aufnehmerelektrode (9^λ) an mindestens einer Element fläche mindestens eines zweiten piezoelektrischen Aufnehmerelementes (8^λ) anliegt; dass die zweite Aufnehmerelektrode (9^λ) elektrisch mit einem zweiten elektrischen Leiter (11 ^λ) kontaktiert ist; dass Gegenelektroden (10 bis 10 ^{λ λ}) an den von den Aufnehmerelektroden (9, 9^λ) abgewandten Element flächen der piezoelektrischen Aufnehmerelemente (8, 8^λ) anliegen; und dass die Gegenelektroden (10 bis 10 ^{λ λ}) elektrisch mit einem dritten elektrischen Leiter (11 ^{λ λ}) kontaktiert sind.

10. Kraft- und Momentensensor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6) eine elektrische Leiterplatte aufweist; dass die elektrische Leiterplatte Trägermaterial, elektronische Komponenten und elektrische Signalleiter aufweist; dass jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) genau drei elektrische Leiter (11 bis 11 ^{λ λ}) aufweist, welche elektrisch mit Aufnehmerelektroden (9, 9^λ) und Gegenelektroden (10 bis 10 ^{λ λ}) des piezoelektrischen Kraftaufnehmers (4 bis 4^{λ λ λ}) kontaktiert sind; dass die drei elektrischen Leiter (11 bis 11 ^{λ λ}) durch eine Durchgangsöffnung (23 bis 23^{λ λ λ}) der Grundplatte (2) von einem Hohlraum (21 bis 21^{λ λ λ}) eines piezoelektrischen Kraftaufnehmers (4 bis 4^{λ λ λ}) zum Hohlraum (22) der Auswerteeinheit (6) ragen; und dass die drei elektrischen Leiter (11 bis 11 ^{λ λ}) auf einer Seite der elektrischen Leiterplatte elektrisch mit elektrischen Signalleitern der Auswerteeinheit (6) kontaktiert sind.

11. Kraft- und Momentensensor (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6) Messsignale der piezoelektrischen Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) auswertet und als digitale Ausgangssignale bereitstellt; dass die Auswerteeinheit (6) mindestens eine Schnittstellenbuchse (7) aufweist, an welche

Schnittstellenbuchse (7) ein Schnittstellenstecker eines Bussystems elektrisch anschliessbar ist; und dass die Auswerteeinheit (6) über das Bussystem bereitgestellte digitale Ausgangssignale an eine Robotersteuerung eines Roboters übermittelt.

12. Roboter (15) mit einem Kraft- und Momentensensor (1) nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Begrenzungsfläche (24) der Grundplatte (2) des Kraft- und Momentensensors (1) mit einer Oberfläche einer Handwurzel des Roboters (15) mechanisch verbunden ist; und dass eine Begrenzungsfläche

(31) der Deckplatte (3) des Kraft- und Momentensensors (1) mit einem Werkzeug (16) mechanisch verbunden ist.

13. Roboter (15) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder piezoelektrische Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) mit einer Spannkraft gegen die Begrenzungsfläche (31) der Deckplatte (3) mechanisch vorgespannt ist, wobei eine Wirkrichtung der Spannkraft normal zur Begrenzungsfläche (31) ist; und dass ein Biegemoment des Werkzeuges (16) als Normalkraft auf die piezoelektrischen Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) wirkt.

14. Roboter (15) nach einem der Ansprüche 12 oder 13 mit zwei Kraftaufnehmermodulen (14, 14 ^λ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass erste piezoelektrische Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) eines ersten Kraftaufnehmermoduls (14) eine Kraft ein erstes Mal erfassen und für die zum ersten Mal erfasste Kraft erste Messsignale erzeugen; und dass zweite piezoelektrische Kraftaufnehmer (4 bis 4^{λ λ λ}) eines zweiten Kraftaufnehmermoduls (14 ^λ) die gleiche Kraft ein zweites Mal erfassen und für die zum zweiten Mal erfasste Kraft zweite Messsiginale erzeugen.

15. Roboter (15) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Auswerteeinheit (6) des ersten Kraftaufnehmermoduls (14) die ersten Messsignale auswertet und als erste digitale Ausgangssignale bereitstellt; dass eine zweite Auswerteeinheit (6) des zweiten Kraftaufnehmermoduls (14 ^λ) die zweiten Messsignale auswertet und als zweite digitale Ausgangssignale bereitstellt; dass der Kraft- und Momentensensor (1) die ersten digitalen Ausgangssignale über ein Bussystem an eine Robotersteuerung des Roboters (15) übermittelt; dass der Kraft- und Momentensensor (1) die zweiten digitalen Ausgangssignale über das Bussystem an die Robotersteuerung des Roboters (15) übermittelt; und dass die Robotersteuerung des Roboters (15) die übermittelten ersten digitalen Ausgangssignale mit den übermittelten zweiten digitalen Ausgangssignalen vergleicht.