SE503189C2 - Kraftgivaranordning för maskiner, i synnerhet verktygsmaskiner - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 .J .'..>(| 2 kablarna eller -trådarna för givarna. Vidare föreligger vid den kända anordningen stora svårigheter att åstadkomma en oljebe- ständig avtätning av givarna och de till dessa anslutna kab- larna.

E 1.3 Föreliggande uppfinning tar sikte pá att undanröja ovan- nämnda nackdelar och skapa en förbättrad kraftgivaranordning.

Ett grundläggande syfte med uppfinningen är sålunda att skapa en kraftgivaranordning som förmår avkänna alla slags krafter som kan verka på en verktygshållare eller en liknande rörlig del.

Ett ytterligare syfte är att skapa en kraftgivaranordning som låter sig tillverkas och monteras på ett enkelt och ekonomiskt sätt. Ännu ett syfte med uppfinningen är att skapa en kraftgi- varanordning vilkens trådtöjningsgivare är dels utbytbara var för sig på ett jämförelsevis enkelt sätt, dels kopplade till ett uttag som är gemensamt för anordningens samtliga givare. Vidare skall givarna och elkablarna för dessa kunna avtätas på ett tillförlitligt sätt. Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att skapa en kraftgivaranordning som kan förhindra skador på en verktygsmaskin och dennas verktyg vid oavsiktliga kollisioner i anslutning till maskinen.

Enligt uppfinningen nås åtminstone det grundläggande syf- tet medelst de särdrag som anges i patentkravets 1 känneteck- nande del. Föredragna utförandeformer av uppfinningen är vidare angivna i de osjälvständiga patentkraven.

Kort beskrivning av bifogade ritningar På ritningarna är Fig 1 en schematisk, sprängd perspektivvy illustrerande en sta- tionär maskindel, en verktygshållare samt en mellan dessa insättbar, ringformig kraftgivaranordning enligt uppfin- ningen, Fig 2 en sidovy av verktygshållaren jämte kraftgivaranordningen, varvid den stationära maskindelen visas i snitt, Fig 3 en schematisk perspektivvy visande enbart själva kraft- givaranordningen i form av en ring i förstorad skala och i ett liggande tillstånd, Fig 4 en planvy av samma ring, W ß 20 25 30 35 3 Fig 5 en tvärsektion A-A i fig 4, visande ett antal förslut- ningslock átsärade från ringen, Fig 6 en likartad tvärsektion visande förslutningslocken i app- licerat skick, Fig 7 en delvis snittad detaljvy i närheten av sektion A-A, Fig 8 en detaljsidovy betraktad från höger i fig 7, Fig 9 en tvärsektion B-B i fig 4, Fig 10 en delvis snittad detaljvy i närheten av sektion B-B, Fig 11 en tvärsektion C-C i fig 4, Fig 12 en delvis snittad detaljvy i närheten av sektion C-C, Fig 13-14 två mot fig 4 svarande symboliska illustrationer visande kraftgivaranordningen under olika kraftbelast-_ ningsbetingelser, Fig 15 ett schema visande en Wheatstone-brygga, och Fig 16 ett symboliskt kontrollschema i tabellform för krafter verkande i X- och Y-axelriktningarna. 15 och 16, Fig 17-19 motsvarar fig 13, men visar kraftförhàllan- dena för Z-axeln.

I 1. 3] 1 . . En I En 3 E. _ ningen I fig 1 och 2 betecknar 1 generellt en stationär eller stabil maskindel som illustreras schematiskt i form av en platta. Denna stationära maskindel kan ingå i ett hus eller sta- tiv och bär en verktygshállare 2, vilken på ritningen illustre- ras i form av ett cylindriskt rör i vilket ingår en vrid- eller roterbart rörlig komponent 3 som i sin tur fasthàller ett verk- tyg 3', vilket i exemplet har formen av en fräs (även andra verktyg kan förekomma, t ex borrar, svarvstál eller liknande).

Utanpá röret 2 är vridstyvt anbragt en fläns 4. Mellan denna fläns och den stationära maskindelen 1 är anordnad en i sin hel- het med 5 betecknad kraftgivaranordning vars huvudkomponent ut- görs av en ring. I den stabila maskindelen 1 är urtagna ett an- tal primära hål 6 för skruvar (icke visade) med vilkas hjälp ringen 5 kan anfästas mot delen 1, närmare bestämt via motsva- rande häl 6' I antal sekundära häl 7 för i ringen 5. Pà analogt sätt uppvisar flänsen 4 ett (icke visade) fästskruvar med vilkas hjälp flänsen 4 kan anfästas mot ringen 5, närmare bestämt via motsvariga häl 7'. I förhållande till den stabila maskindelen 1 är rördelen 2 rörlig, om än i mycket begränsad utsträckning, dä W Ü 20 25 30 35 f. :_ f, r- . o» t: . t . 4 densamma underkastas krafter från verktyget. I praktiken kan den relativa rörelsen mellan rördelen 2 och den stabila delen 1 uppgå till bråkdelar, t ex tusendelar, av en millimeter.

Nu hänvisas till fig 3 som i förstorad skala visar den ring som i enlighet med uppfinningen bildar en bärare för ett antal trådtöjningsgivare. Ringen 5 har väsentligen cylindrisk grundform och avgränsas av dels invändiga och utvändiga cylin- 9, resp 11 av vilka den förstnämnda tänkes vara anläggbar mot den derytor 8, dels ett par motsatta plana ytor eller sidor 10 stationära maskindelen 1, medan den andra sidan 11 är anläggbar mot flänsen 4. På den första plansidan 10 är utformade fyra 12 n, 12 m I den motsatta plansidan 11 periferiskt och ekvidistant åtskilda utsprång 12, 12', med en viss periferisk utsträckning. är urtagna fyra analoga, ekvidistant åtskilda urtagningar 13, 13', l3'2 l3'W ferisk utsträckning än varje Var och en av dessa urtagningar har större peri- samverkande utspràng. I fig 3 är utsprångens ändar betecknade 14, 14', medan urtagningarnas 13 ändar är betecknade 15, 15'. Genom att urtagningarna 13 är peri- feriskt längre än utsprången 12 utbildas deformerbara material- 16' bestämt sträcker sig varje dylikt ringparti 16, 16' partier 16, på ömse sidor av varje enskilt utsprång. Närmare , som är elastiskt deformerbart, mellan den ena änden, t ex änden 14, av ett utsprång, t ex utsprånget 12, på ringens ena sida, och mot- svarande ände 15 av urtagningen 13 pá ringens motsatta sida.

I praktiken kan såväl det enskilda utsprånget 12 som den enskilda urtagningen 13 ha ett djup av endast cirka 1/100 milli- meter (t ex 10-15 mikron). Med andra ord är utsprångens resp ur- tagningarnas djup betydligt överdrivet i fig 3 i och för vin- nande av tydlighet. Utformningen av utsprången och urtagningarna sker lämpligast genom slipning av ett ringformigt utgångsämne.

Det skall noteras att de fyra hálen 6' ning mot den stationära maskindelen 1 genomskär de fyra klack- Antalet hål 7' för flänsens 4 anfästning mot ringen 5 uppgår i exemplet enligt fig 3 till åtta. bestämt är två dylika hål 7' för ringens anfäst- artade utsprången 12.

Närmare urtagna i det enskilda land 17 som avgränsas mellan två närbelägna urtagningar 13. Det är även tänkbart att använda blott fyra fästhål 7', varje dylikt land 17. nämligen ett för 15 20 25 30 35 k 7 -; "i \- i s-u y- 5 Såsom tydligt framgår av fig 3 är i ringens invändiga cy- linderyta 8 urtaget ett runtomgàende spår 18. I fig 3 betecknar 19 ett uttag från vilket en samlingskabel 20 är dragen till en icke närmare visad signalbehandlingsutrustning.

I anslutning till ringens 5 deformerbara partier 16, 16' är anordnade säten för trådtöjningsgivare. I det visade, före- dragna utförandet ingår inalles tolv dylika trådtöjningsgivare generellt betecknade 21, nämligen fyra givare 2lx för mätning av krafter i koordinatsystemets X-axelriktning, fyra givare 21y för mätning i Y-axelriktningen och fyra givare 212 för mätning i Z- axelriktningen. Givarna 212 är anordnade i par på ömse sidor av de diametralt motsatta skruvhàlen 6'. På samma sätt är givarna Zly anordnade i par pà ömse sidor av de 90° förskjutna skruvhà- len. Däremot är givarna 212 placerade i säten urtagna i ringens utvändiga cylinderyta 9.

Nu hänvisas till fig 4-12. I fig 5 betecknar 222 generellt ett säte för en enskild trådtöjningsgivare 21X. Såsom tydligt framgår av figuren inbegriper sätet 222 dels ett bottenutrymme 22' med en given diameter, dels ett vidgat övre utrymme 22"med större diameter än bottenutrymmet 22'. I detta vidgade övre ut- rymme 22" kan mottagas ett välvt täcklock 23 av det slag som på känt sätt låter sig fästas genom pressning. Av en jämförelse mellan fig 5 och 6 framgår att varje täcklock 23 antar plan form då det pressas fast i utrymmet 22". Från sätet 222 leder en grenkanal 24 till det runtomgående spåret 18 i ringens invändiga cylinderyta 8. Spåret 18 är förslutbart medelst en inpressnings- bar ring 18' med initiellt bågformig tvärsektion.

Ett analogt säte 222 för en trádtöjningsgivare 212 inbe- griper på motsvarande sätt dels ett bottenutrymme, dels ett vid- gat övre utrymme i vilket ett täckande lock 23 kan snäppas fast.

Sätet 222 står i förbindelse med sätet 22x via en andra grenka- nal 24' för kablar eller trådar från givaren i sätet 222.

Såsom symboliseras av beteckningarna A resp B i fig 7 in- begriper varje enskild givare, i detta fallet givaren 212, två trådsatser vilkas trådar sträcker i approximativt 45° vinkel mot den aktuella kraftaxeln, som i fig 7 betecknas X. Dessutom är den inbördes vinkeln mellan trådarna 90°. Trådtöjningsgivare av detta slag är i och för sig kända och kommersiellt tillgängliga i flera olika versioner. Sålunda finns en version vid vilken 10 20 25 30 35 f; f» j; f» « 6 trådsatserna A, B är placerade åtskilda i samma plan, nan version vid vilken trådsatserna är lagrade i två och en an- på varandra liggande skikt eller plan (ej visad). I praktiken är de båda trådsatserna integrerade i en folie vilken låter sig på sätets 22 botten. Oavsett det konkreta utförandet sig den aktuella trådtöjningsgivaren av att trådarna limmas fast utmärker i den ena trådsatsen komprimeras under minskning av trådarnas elektriska motstånd samtidigt som trådarna i den andra satsen förlängs och förtunnas under ökning av det elektriska motståndet då givaren underkastas deformation.

I fig 11 och 12 illustreras ett analogt säte 22y för en analog trådtöjningsgivare Zly för kraftmätning i Y-axelns rikt- ning.

I fig 9 och 10 illustreras ett särskilt säte 225 i vilket är placerat ett lödstöd 25 för kablar (ej visade) från de tolv olika givarna. Dessa kablar är gemensamt dragna i spåret 18 fram till lödstödet 25 via grenkanalen 24S,varjämte lödstödet är an- slutet till det gemensamma uttaget 19.

I E. . E 1 .

Av fig 13-14 framgår att paren av trådsatser i anordning- ens fyra trådtöjningsgivare 21x för mätning i X-axelns riktning bildar totalt åtta olika elektriska motståndselement R1, R2, R3, R4, R5, R5, R7 och R8. Dessa motståndselement är kopplade i en Wheatstone-brygga enligt fig 15. En inspänning Uin påförs kret- sen mellan givarna R3 och R4 och mellan R7 och R8. En utspänning Uut mäts mellan R1 och R2 och mellan R5 och R5. Den uppmätta potentialskillnaden kan via huvudkabeln 20 sändas såsom en elek- trisk signal till en icke visad signalbehandlingsutrustning som detekterar och, via en dator, bearbetar den erhållna signalen i och för styrning av den aktuella verktygsmaskinen. Om signalbe- handlingsutrustningen detekterar exempelvis tendenser till verk- tygshaveri eller en alltför långtgående verktygsförslitning kom- mer datorn att alarmeras och stoppa maskinen.

I fig 13 betecknar S1 de skruvar som via de fyra hålen 6' håller ringen 5 anfàst mot maskinens stationära del 1. Dessa fyra skruvar S1 bildar fasta fixpunkter. Med S4 betecknas de skruvar som håller verktygshållarens 2 fläns 4 anfäst mot ringen 5. Ehuru antalet fästskruvar resp hål 7' i fig 1-3 uppgår till 20 25 30 35 7 åtta har endast fyra dylika skruvar eller fixpunkter S4 visats i fig 13-14 i och för enkelhets vinnande. Då ringen 5 påförs en kraft Fx i X-axelns riktning genom att verktygshållaren 2 tende- rar att röra sig relativt den stationära maskindelen 1 fördelas den totala kraften på skruvarna S4 såsom illustreras av pilarna F'k.

Fx. motståndselementen R1, R4, R5 och R8 att öka genom att trådarna De motkrafter som samtidigt verkar på skruvarna S1 betecknas Såsom framgår av fig 16 kommer det elektriska motståndet i i trådsatserna förlängs, medan det elektriska motståndet i öv- riga element R2, R3, R5 och R7 minskar genom att trådarna i dessa komprimeras.

Av tabellen i fig 16 framgår även övriga belastningsfall.

I fig 14 utsätts ringen för en renodlad kraft i Y-axelns rikt- ning. Nederst i tabellen är de renodlade krafterna FX och Fy kombinerade med tillkommande böjmoment.

I fig 17-19 illustreras motsvarande förhållanden då den ringformiga bäraren 5 underkastas kraft- resp böjpåkänningar i Z-axelns riktning.

Såsom framgår av fig 3 är i ringens insida eller inneryta 8 även utformade grunda urtagningar 26 vilkas ändar är beteck-- nade 27, 27'. Genom förekomsten av dessa urtagningar 26 (som i likhet med urtagningarna 13 kan ha ett djup av omkring 10 mik- ron) säkerställs att ringens deformationer begränsas till det elastiska området i det att bottnen i den enskilda urtagningen kommer att anläggas mot utsidan av det såsom verktygshållare tjänande röret 2 därest ringen deformeras radiellt till följd av abrupta kraftpåkänningar, varvid signalen till signalbehand- lingsutrustningens dator når ett tak eller utplanat värde som får datorn att avbryta maskinens drift. På så sätt undanröjs risken för verktygshaverier i samband med oförutsedda, extrema kraftpåkänningar.

I praktiken kan de tre Wheatstone-bryggor som bildas av de tre olika grupperna av trådtöjningsgivare 21x, 21y, 212 vara parallellkopplade. På så sätt reduceras antalet erforderliga kablar eller trådar för spänningsmatningen till givarna.

Uppfinningens fördelar torde vara uppenbara. Genom att den uppfinningsenliga kraftgivaranordningen avkänner kraftpåkän- ningar i riktning av var och en av koordinatsystemets tre axlar säkerställs tillförlitlig detektering av såväl regelmässigt 10 __ , (_ . _' ~.' L' I f 8 förekommande verktygsförslitning som eventuellt uppkommande oförutsägbara kraftpàkänningar som kan leda till haverier.

Vidare är den uppfinningsenliga givaranordningen temperatur- okänslig såtillvida att samtliga trádtöjningsgivare är lokalise- rade pà korta avstànd fràn varandra, varigenom temperaturdiffe- renser i maskinen icke kan leda till mätningsfel. Vidare är den uppfinningsenliga anordningen i jämförelse med tidigare kända kraftgivaranordningar enkel till sin konstruktion och därmed billig att tillverka och montera, vartill kommer att konstruk- tionen medger utbyte av enskilda tràdtöjningsgivare i händelse av defekter på dessa.

Iänkbara modifikationer av uppfinningen Uppfinningen är ej begränsad blott till det beskrivna och på ritningarna visade utförandet. Sålunda är det tänkbart att tillämpa uppfinningstanken, sådan denna definieras i patentkra- vet 1, även på sådana anordningar vilkas bärare förverkligats pá annat sätt än i form av just en ring, ehuru ringform dock före- dras i praktiken. Det är även möjligt att använda kraftgivar- anordningen pà andra maskiner än verktygsmaskiner.

Claims (6)

20 25 30 35 Eatentkray

1. Kraftgivaranordning för maskiner, i synnerhet verktygsmaski- ner, innefattande en mellan en stationär maskindel (1) och en relativt denna rörlig del, t ex en verktygshållare (2), appli- cerbar bärare (5), vilken uppvisar elastiskt deformerbara par- (16, 16') trådtöjningsgivare tier i anslutning till vilka är anordnade ett antal (21) brygga för att avkänna förekommande deformationer i sagda par- som är sammankopplade i en Wheatstone- tier (16, l6') och omvandla deformationerna till elektriska sig- naler, vilka ger information om kraftpàkänningen på bäraren (5) och därmed sagda del (2), k ä n n e t e c k n a d därav, att bäraren (5) innefattar tre olika grupper av trådtöjningsgivare för koordinatsystemets tre olika axlar, nämligen en första grupp (21x) för X-axeln, en andra grupp (21y) för Y-axeln och en tredje grupp (212) för Z-axeln, varvid varje grupp innefattar fyra rumsligt åtskilda givare som var för sig har två trådsatser (A, B), vilkas trådar sträcker sig i approximativt 45° vinkel mot den aktuella kraftaxeln och av vilka den ena får sina trådar komprimerade under minskning av det elektriska motståndet i dessa, samtidigt som den andra får sina trådar uttänjda under ökning av det elektriska motståndet i dessa, och vice versa, då l6') - och där- bärarens (5) elastiskt deformerbara partier (16, med givaren - underkastas deformationer.

2. Kraftgivaranordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att trådtöjningsgivarna i varje enskild grupp är inbördes kopplade i en Wheatstone-brygga som i sin tur är parallellkopp- lad i förhållande till två analoga Wheatstone-bryggor som bildas av de två övriga givargrupperna.

3. Kraftgivaranordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att bäraren har formen av en ring (5) vilken avgränsas av dels invändiga och utvändiga ytor (8, 9), (10, 11) vilka är anläggbara och medelst skruvar eller liknande anfäst- dels ett par motsatta första och andra sidor bara mot de stationära resp rörliga delarna (l, 4), att på den (10) made utsprång (12), vilkas periferiska utsträckning är mindre än första sidan av ringen är utformade fyra periferiskt utfor- 10 15 20 25 30 10 den periferiska utsträckningen hos fyra motsvariga urtagningar (13) på den andra sidan (11) av ringen, varvid de partier (16, 14') av ett av en samhörande urtagning 16') av ringen som sträcker sig mellan ändarna (14, utsprång (12) och ändarna (15, 15') (13) är elastiskt deformerbara, att åtminstone ett hål (6') för anfästning av en skruv vid den ena maskindelen genomskär varje enskilt utsprång (12) samtidigt som åtminstone ett skruvhål (7') genomskär varje enskilt land (17) mellan två närbelägna urtag- ningar (13) på ringens motsatta sida, och att trådtöjningsgi- varna (21) är placerade i säten (22) i anslutning till sagda deformerbara ringpartier (16, 16').

4. Kraftgivaranordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att de första och andra grupperna av trådtöjningsgivare (zix, 213,) rade i sagda urtagningar (13), närmare bestämt i par av säten på för X- och Y-axlarna är anordnade i säten (22) place- ömse sidor av det utsprånget (12) genomskärande skruvhålet (6') och att den tredje gruppen av trådtöjningsgivare (212) för Z- axeln är anordnade i säten (222) som mynnar i ringens (5) utvän- diga yta (9).

5. Kraftgivaranordning enligt krav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att det enskilda sätet (22) innefattar dels ett bottenutrymme (22') med en given diameter, dels ett vidgat övre utrymme (22") med större diameter för motta- gande av ett bottenutrymmet täckande lock (23).

6. Kraftgivaranordning enligt något av kraven 2-5, k ä n n e t e c k n a d därav, att kablar eller trådar från en- skilda trådtöjningsgivare till ett gemensamt uttag (19) är an- ordnade i ett i ringens invändiga yta (8) urtaget spår (18) från vilket grenkanaler (24) sträcker sig till de enskilda sätena (22).