WO2005045383A2 - Kraftmessvorrichtung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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    • F16B31/02—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring forces, in particular weights, or force-dependent variables, such as pressure and torque, with a measuring body deforming under the action of force and a sensor element connected to the measuring body and deforming with the measuring body to generate a measuring signal, and a method for the manufacture of such a device.
  • the measuring bodies of such measuring devices are made in one piece from high-quality spring steel and sensor elements, preferably strain gauges, are glued to the measuring body or applied to the measuring body in the form of photolithographically processed layers.
  • the sometimes large-volume measuring bodies make it difficult to use thin-film techniques and lithographic processes, since they are difficult to handle and accommodate in the vacuum production facilities required for this.
  • the present invention is based on the object of facilitating or enabling the production of force measuring devices of the type mentioned at the outset, in particular of large-volume force measuring devices.
  • the device according to the invention achieving this object is characterized in that a support element welded to the rest of the measuring body is provided for the sensor element.
  • the sensor element is first applied to the carrier element, a plurality of such carrier elements with applied sensor preferably being simultaneously disposed in one production step. can be made.
  • the carrier element provided with the sensor element is then welded to the measuring body.
  • the smaller support elements which are preferably thin spring steel sheets, are easier to accommodate and handle in coating devices.
  • High-quality, corrosion-resistant spring steel only needs to be used for the support element.
  • the rest of the large-volume measuring body can consist of low-quality material.
  • the thin spring steel sheet can also be used as a support element in a curved shape and can be adapted to different measuring body geometries.
  • the carrier element is welded to the rest of the measuring body via at least one ring seam, which preferably surrounds the sensor element.
  • the carrier element is arranged adjacent to a recess formed in the remaining measuring body.
  • the support element welded to the rest of the measuring body can then take the place of a membrane which is formed in one piece with the measuring body according to the prior art and whose manufacture involved a great deal of processing effort and material consumption.
  • a side of the carrier element carrying the sensor element faces the recess.
  • the sensor element can advantageously be sealed airtight and protected against corrosion.
  • the resistance welding method is preferably used to connect the carrier element to the measuring body, the welding being carried out by means of an especially annular welding boss.
  • a welding boss can be generated by previously welding a ring onto the measuring body.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a measuring device according to the invention in an exploded view
  • 2 shows a sheet metal piece prepared for the production of carrier sheets for strain gauges
  • FIG. 3 shows the sheet metal piece of FIG. 2 with applied strain gauges
  • Fig. 5 shows a third embodiment of a measuring device according to the invention with a curved rectangular support plate for strain gauges.
  • the measuring body part 1 shows a measuring body part 1 made of steel in the form of an annular disk and round parts 2 and 2 'provided for connection to the measuring body part.
  • the blank parts each consist of a carrier plate 3, onto which a structure comprising strain gauges 4 and connection contacts 5, which is produced using thin-film technology, is applied.
  • the measuring body part 1 has two mutually parallel slots 6 and two through holes 7.
  • the through holes can be used to attach the measuring part, e.g. serve on a measuring object, or the introduction of force.
  • Connection lines 9 can be led through channels 8 to the connection contacts 5.
  • a piece of sheet metal 10 is used to manufacture the round parts 2, 2 ', on which openings or weak points 11 are formed by etching, punching or laser processing, so that a total of nine round parts can be broken out.
  • the piece of sheet metal 10 can be reproducibly fastened in machining positions with the aid of bores 12.
  • an insulating layer which consists, for example, of Al2O3 or Si0 2 or is formed by a nanomer sol-gel layer that is applied from the liquid phase, is applied to the part of the blank to be broken out, and then the photolithographic process is followed Structures with the strain gauges 4 and connection contacts 5 are formed.
  • nine blank parts 2 can be produced at the same time.
  • the round parts 2, 2 'broken out of the sheet metal piece 10 and provided with the thin-layer structure are connected to the measuring body part 1 in a resistance welding process. bound, the circular parts 2.2 'each come concentrically to rest against a welding ring 14 which surrounds a central recess 13 in the measuring body part 1.
  • the above welding ring 14 which is essentially triangular in cross section, could be produced by welding a ring with a square cross section onto the measuring body part 1, the resistance welding method also being applicable for this purpose. It is also conceivable to arrange a cross-sectionally square or diamond-shaped welding ring concentrically to the through opening 13 with a diamond corner against the rest of the measuring body, to fix it and to carry out the welding of the round parts to the measuring body part via the ring in a single welding operation.
  • the measuring device according to Fig. 1 can be used to measure tensile forces and, with suitable force introduction, also to measure compressive forces, with forces to be measured of e.g. 1000 Newtons can be considered.
  • the structures comprising the strain gauges 4 are not exposed to the outside environment and are therefore protected against corrosion.
  • FIGS. 5 and 6 parts that are the same or have the same effect are designated with the same reference number as in the previous figures, the respective reference number being accompanied by the letters a and b, respectively.
  • a measuring device shown in FIG. 5 has a measuring body part 1 a in the form of a screw, at the head 15 of which an opening 13 a and in the opening a recess is formed for receiving a welding ring 14 a, over which a circular part 2 a is formed can be connected to the measuring body part la in the resistance welding process.
  • This embodiment represents a significant improvement of the measuring device described in DE 197 12436 AI, which has a helical measuring body.
  • a thin-film structure 4a on the round part is advantageously sealed off from the outside environment and thereby protected against corrosion.
  • FIG. 6 suitable as a torque transducer has a measuring body part 1 b with a center piece 16 and two square attachments 17.
  • the device can e.g. for torque measurement in rotating shafts or in torque wrenches.
  • two diametrically opposite recesses 13b are formed and edged with a welding ring 14b.
  • a carrier plate 3b with applied strain gauges 4b can be connected to the measuring body part 1b using the resistance welding method.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Kräften, insbesondere Gewichten, oder kraftabhängigen Größen, wie Druck und Drehmoment, mit einem sich unter Krafteinwirkung verformenden Messkörper (1, 3) und einem mit dem Messkörper verbundenen, sich mit dem Messkörper unter Erzeugung eines Messsignals verformenden Sensorelement (4), sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung. Gemäß der Erfindung ist für das Sensorelement (4) ein mit dem übrigen Messkörper verschweißtes Trägerelement (3) vorgesehen. Das Sensorelement wird vor dem Verschweißen des Trägerelements (3) mit dem übri­gen Messkörper (1) auf das Trägerelement (3) aufgebracht.

Description

Beschreibung:
Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, D-66117 Saarbrücken (Deutschland)
„Kraftmessvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung"
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Kräften, insbesondere Gewichten, oder kraftabhängigen Größen, wie Druck und Drehmoment, mit einem sich unter Krafteinwirkung verformenden Messkörper und einem mit dem Messkörper verbundenen, sich mit dem Messkörper unter Erzeugung eines Messsignals verformenden Sensorelement, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.
Herkömmlich werden die Messkörper solcher Messvorrichtungen einstückig aus hochwertigem Federstahl hergestellt und Sensorelemente, vorzugsweise Dehnmessstreifen, mit dem Messkörper verklebt oder in Form fotolithogr fisch bearbeiteter Schichten auf den Messkörper aufgebracht. Die mitunter großvolumigen Messkörper erschweren die Anwendung von Dünnschichttechniken und lithogra- fischer Verfahren, da sie in hierfür erforderlichen Vakuum-Fertigungseinrichtungen nur schwer zu handhaben und unterzubringen sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Kraftmessvorrichtungen der eingangs erwähnten Art, insbesondere großvolumiger sol- eher Kraftmessvorrichtungen, zu erleichtern bzw. zu ermöglichen.
Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass für das Sensorelement ein mit dem übrigen Messkörper verschweißtes Trägerelement vorgesehen ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst das Sensorelement auf das Trägerelement aufgebracht, wobei sich vorzugsweise in einem Herstellungsgang gleichzeitig eine Vielzahl solcher Trägerelemente mit aufgebrachtem Sen- sorelement herstellen lässt. Das mit dem Sensorelement versehene Trägerelement wird danach mit dem Messkörper verschweißt.
Die in den Abmessungen kleineren Trägerelemente, bei denen es sich vorzugs- weise um dünne Federstahlbleche handelt, lassen sich leichter in Beschichtungs- einrichtungen unterbringen und handhaben. Hochwertiger korrosionsbeständiger Federstahl braucht nur noch für das Trägerelement verwendet zu werden. Der übrige großvolumige Messkörper kann aus geringerwertigem Material bestehen.
Das dünne Federstahlblech lässt sich als Trägerelement auch in gebogener Form verwenden und an unterschiedliche Messkörpergeometrien anpassen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Trägerelement mit dem übrigen Messkörper über wenigstens eine Ringnaht, welche vorzugsweise das Sensorele- ment umschließt, verschweißt.
Ferner ist in der bevorzugten Ausführungsform das Trägerelement angrenzend an eine in dem übrigen Messkörper gebildete Ausnehmung angeordnet. Das mit dem übrigen Messkörper verschweißte Trägerelement kann dann an die Stelle einer nach dem Stand der Technik einstückig mit dem Messkörper gebildeten Membran treten, deren Herstellung einen großen Bearbeitungsaufwand und Materialverbrauch mit sich brachte.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist eine das Sensorelement tragende Seite des Trägerelements der Ausnehmung zugewandt. Vorteilhaft lässt sich das Sensorelement so luftdicht abschließen und vor Korrosion schützen.
Zur Verbindung des Trägerelements mit dem Messkörper wird vorzugsweise das Widerstandsschweißverfahren eingesetzt, wobei die Verschweißung über einen insbesondere ringförmigen Schweißbuckel erfolgt. Ein solcher Schweißbuckel kann durch vorheriges Aufschweißen eines Rings auf den Messkörper erzeugt werden.
Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Messvorrichtung nach der Erfindung in Explosionsdarstellung, Fig. 2 ein zur Herstellung von Trägerblechen für Dehnmessstreifen vorbereitetes Blechstück, Fig. 3 das Blechstück von Fig. 2 mit aufgebrachten Dehnmessstreifen, Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Messvorrichtung nach der Erfindung mit einem rondenförmigen Trägerblech für Dehnmessstreifen, und
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Messvorrichtung nach der Erfindung mit einem gebogenen rechteckigen Trägerblech für Dehnmessstreifen.
Fig. 1 zeigt einen aus Stahl gefertigten Messkörperteil 1 in Form einer Ringscheibe und zur Verbindung mit dem Messkörperteil vorgesehene Rondenteile 2 und 2'. Die Rondenteile bestehen jeweils aus einem Trägerblech 3, auf das eine in Dünnschichttechnik hergestellte, Dehnmessstreifen 4 und Anschlusskontakte 5 umfassende Struktur aufgebracht ist.
Der Messkörperteil 1 weist zwei zueinander parallele Einschlitzungen 6 und zwei Durchgangslöcher 7 auf. Die Durchgangslöcher können der Befestigung des Messkörperteils, z.B. an einem Messobjekt, oder der Krafteinleitung dienen.
Durch Kanäle 8 hindurch lassen sich Anschlussleitungen 9 zu den Anschlusskontak- ten 5 führen.
Wie aus Fig.2 und 3 hervorgeht, dient zur Herstellung der Rondenteile 2,2' ein Blechstück 10, an dem durch Ätz-, Stanz- oder Laserbearbeitung Durchbrüche oder Schwachstellen 11 gebildet sind, so dass sich insgesamt neun Rondenteile ausbrechen lassen.
Das Blechstück 10 kann mit Hilfe von Bohrungen 12 reproduzierbar in Bearbeitungspositionen befestigt werden. In entsprechenden Bearbeitungseinrichtungen wird zunächst eine Isolierschicht, die z.B. aus AI2O3 oder Si02 besteht oder durch eine nanomere Sol-Gel-Schicht, die aus der flüssigen Phase aufgetragen wird, gebildet ist, auf die auszubrechenden Rondenteile aufgebracht und danach werden in einem fotolithografischen Verfahren die Strukturen mit den Dehnmessstreifen 4 und Anschlusskontakten 5 gebildet. So können durch Bearbeitung des Blechstücks 10 gleichzeitig neun Rondenteile 2 erzeugt werden.
Zur Herstellung der in Fig. 1 in Einzelteilen gezeigten Messvorrichtung werden die aus dem Blechstück 10 ausgebrochenen, mit der Dünnschichtstruktur versehenen Rondenteile 2,2' im Widerstandsschweißverfahren mit dem Messkörperteil 1 ver- bunden, wobei die Rondenteile 2,2' jeweils konzentrisch zur Auflage gegen einen Schweißring 14 kommen, welcher eine zentrale Ausnehmung 13 in dem Messkörperteil 1 umgibt.
Der vorstehende, im Querschnitt im wesentlichen dreieckige Schweißring 14 könnte durch Aufschweißen eines im Querschnitt quadratischen Rings auf den Messkörperteil 1 hergestellt sein, wobei auch hierfür das Widerstandsschweißverfahren anwendbar wäre. Es ist ferner denkbar, einen im Querschnitt quadratischen oder rautenförmigen Schweißring konzentrisch zur Durchgangsöffnung 13 mit einer Rautenecke gegen den übrigen Messkörper anliegend anzuordnen, zu fixieren und die Verschweißung der Rondenteile mit dem Messkörperteil über den Ring in einem einzigen Schweißarbeitsgang durchzuführen.
Beim Verbinden der Teile im Widerstandsschweißverfahren ist darauf zu achten, dass der Bereich, in welchem durch den Schweißringvorsprung 14 eine umlaufende Verbindungsnaht gebildet wird, keine Isolierschicht aufweist.
Die Messvorrichtung nach Fig. 1 kann zur Messung von Zugkräften und bei geeigneter Krafteinleitung auch zum Messen von Druckkräften verwendet werden, wobei zu messende Kräfte von z.B. 1000 Newton in Betracht kommen.
In der in Fig. 1 gezeigten Messvorrichtung sind, bei geeigneter Abdichtung der Kanäle 8, die die Dehnmessstreifen 4 umfassenden Strukturen nicht der Außenumgebung ausgesetzt und damit vor Korrosion geschützt.
In den folgenden Fig.5 und 6 sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit derselben Bezugszahl wie in den vorangehenden Figuren bezeichnet, wobei der betreffenden Bezugszahl jeweils der Buchstabe a bzw. b beigefügt ist.
Eine in Fig. 5 gezeigte Messvorrichtung weist einen Messkörperteil 1 a in Form einer Schraube auf, an deren Kopf 15 eine Öffnung 13a und in der Öffnung durch eine Einsenkung eine Ringschulter für die Aufnahme eines Schweißrings 14a gebildet ist, über welchen sich ein Rondenteil 2a mit dem Messkörperteil l a im Widerstandsschweißverfahren verbinden lässt. Diese Ausführungsform stellt eine erhebliche Verbesserung der in der DE 197 12436 AI beschriebenen, einen schraubenförmigen Messkörper aufweisenden Messvorrichtung dar. Vorteilhaft ist wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel eine Dünnschichtstruktur 4a auf dem Rondenteil gegen die Außenumgebung abgeschlossen und dadurch vor Korrosion geschützt.
Das als Drehmomentaufnehmer geeignete Ausführungsbeispiel von Fig. 6 weist einen Messkörperteil 1 b mit einem Mittelstück 16 und zwei Vierkantansätzen 17 auf. Die Vorrichtung kann z.B. zur Drehmomentmessung in rotierenden Wellen oder in Drehmomentschraubenschlüsseln verwendet werden.
An dem Mittelstück 16 sind zwei einander diametral gegenüberliegende Aussparungen 13b gebildet und mit einem Schweißring 14b umrandet. Über den Schweißring 14b lässt sich ein Trägerblech 3b mit aufgebrachten Dehnmessstreifen 4b mit dem Messkörperteil 1 b im Widerstandsschweißverfahren verbinden.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Messung von Kräften, insbesondere Gewichten, oder kraftabhängigen Größen, wie Druck und Drehmoment, mit einem sich unter Krafteinwirkung verformenden Messkörper (1 ,3) und einem mit dem Messkörper verbundenen, sich mit dem Messkörper unter Erzeugung eines Messsignals verformenden Sensorelement (4), dadurch gekennzeichnet, dass für das Sensorelement ein mit dem übrigen Messkörper (1 ) verschweißtes Trägerelement (3) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement ein Trägerblech (3) umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement einen, insbesondere in Dünnschichttechnik hergestellten, Dehnmessstreifen (4) umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) mit dem übrigen Messkörper (1 ) über wenigstens eine, vorzugsweise das Sensorelement (4) umschließende, Ringnaht ver- schweißt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) angrenzend an eine in dem übrigen Messkörper ( 1 ) gebildete Ausnehmung ( 13) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Sensorelement (4) tragende Seite des Trägerelements (3) der Ausnehmung ( 13) zugewandt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) mit dem Messkörper (1 ) über einen, insbesondere ringförmigen, Schweißbuckel (14) verbunden ist.
8. Verfahren zur Herstellung einer Kraftmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) zunächst auf ein Trägerelement (3) aufgebracht und das Trägerelement (3) dann mit dem übrigen Messkörper (1 ) verschweißt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Blechteil (10) gleichzeitig eine Vielzahl von Sensorelementen (4) aufgebracht und das Blechteil (10) dann unter Bildung einer entsprechenden Vielzahl von ein Sensorelement (4) aufweisenden Trägerelementen (3) zerteilt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschweißung des Trägerelements (3) mit dem übrigen Messkörper (1) im Widerstandsstandsschweißverfahren erfolgt.
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