WO2014063773A1 - Kraftmessplatte - Google Patents

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WO2014063773A1
WO2014063773A1 PCT/EP2013/002928 EP2013002928W WO2014063773A1 WO 2014063773 A1 WO2014063773 A1 WO 2014063773A1 EP 2013002928 W EP2013002928 W EP 2013002928W WO 2014063773 A1 WO2014063773 A1 WO 2014063773A1
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WO
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plate
peripheral surface
strain sensor
force
outer peripheral
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Application number
PCT/EP2013/002928
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank BICKMAN
Uwe Steiger
Original Assignee
Sms Tenzotherm Gmbh
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01L1/2231—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being disc- or ring-shaped, adapted for measuring a force along a single direction
    • G01L1/2237—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being disc- or ring-shaped, adapted for measuring a force along a single direction the direction being perpendicular to the central axis
    • G—PHYSICS
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/24—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed
    • G01L5/243—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed using washers

Definitions

  • the invention relates to a force measuring plate comprising a plate element and a sensor for detecting forces acting perpendicular to the plate surfaces.
  • the invention further relates to a method for measuring the on a
  • a plate element is understood to be a body with two spaced-apart plate surfaces, in particular those which are parallel to one another, in particular wherein the distance between the plate surfaces is smaller than the cross-section of each of the plate surfaces.
  • a plate can be any desired parallel to the surface of the plate
  • Force plates of the aforementioned generic type are basically known in the art and usually referred to in a possible annular configuration as a force measuring ring or Ringkraftaufsacrificing.
  • Such annular force plates may e.g. However, have been used as washers, which take a force-measuring function, but have the disadvantage that they have in the axial direction compared to conventional washers significantly enlarged design. At this time, in the axial direction, the direction becomes perpendicular to the disc surfaces of the washer
  • Plate surfaces lies between the plate surfaces, that is, the sensor is integrated into the direct power flow and is directly loaded by the acting force.
  • Ring-shaped force plates of such previously known design are usually designed such that a force-measuring layer, for example based on quartz or other piezoresistive materials between two
  • Plates surfaces is arranged and thus at an axial force application immediately a change in thickness in the direction perpendicular to the plate surfaces (axially at washer) takes place in the sensor material, resulting in a metrologically detectable change in a physical size of this material, such as the resistance and thus can be evaluated.
  • Force plates is that to increase the precision of a force preload is necessary, which is in the range of 20 to 50% of the magnitude of the force to be measured. This also means directly that the basic force measuring range is reduced due to the force preload.
  • a force-measuring plate should be made thinner in a direction perpendicular to the plate surfaces than heretofore known.
  • a force-measuring plate should be made thinner in a direction perpendicular to the plate surfaces than heretofore known.
  • Washer can be provided, which corresponds in their thickness dimensions usual washers, so that any application can be opened without having to provide a special axial space in the application.
  • Strain sensor comprises, which is arranged on a peripheral surface, in particular an outer peripheral surface of the plate member.
  • a peripheral surface is preferably understood as meaning a surface which connects the two opposite plate surfaces of the plate element over their spacing, in particular whose normal vectors are oriented perpendicular or in an environment of 90 degrees, preferably plus minus 10 degrees, to the respective normal vector of the plate surfaces.
  • a peripheral surface thus forms an edge of the plate element.
  • a plate member has closed plate surfaces, there is only one, the outer peripheral surface.
  • the plate surfaces have at least one opening and form e.g. a ring shape, so there are at least two peripheral surfaces, namely inner and outer peripheral surfaces.
  • the sensors which are used to detect the forces acting perpendicular to the plate surfaces for
  • At least part of the sensor system namely at least one strain sensor on a peripheral surface, preferably the outer peripheral surface of the plate element, which has the advantage that with conventional sizes of existing strain sensors such a sensor completely on a
  • Plate-acting force does not affect the strain sensor, it must have even against the force acting no resistance.
  • the measuring direction of the at least one strain sensor in the circumferential direction of the selected peripheral surface, in particular the outer peripheral surface is oriented to detect with the strain sensor changes in the circumferential length of the plate member upon application of force. At least one is preferred
  • Strain sensor disposed on the outer peripheral surface because this has the largest circumferential length of all contact surfaces, if there are several at all. Also, in an intended penetration of an aperture in the plate member, a sensor is replaced by e.g. a screw protected from mechanical damage by the penetrating element.
  • the preferred method of measurement of the invention is based on exploiting the principle of transverse contraction of substantially incompressible materials, such as metals, which states that upon compression of the material Material in one direction, a longitudinal expansion of the material takes place in a direction perpendicular thereto.
  • the plate element if the plate element is subjected to force perpendicular to its plate surfaces, its cross-section increases in a direction perpendicular to the acting force and thus the plate cross-section mentioned at the beginning, or in a proportional manner the circumferential length of the peripheral surface.
  • the plate element as a circular disc, in particular perforated circular disc, corresponding to a washer, the expansion is increased in the radial direction at a load in the axial direction, which thus due to the annular design or preferably circular disc-shaped design in the same way to an extension of the Circumference of the
  • Washer leads and therefore preferably with a
  • Strain sensor can be detected, the measuring direction in this
  • Strain sensor in a sensor of the force plate according to the invention to use a strain gauge based on samarium sulfide, which means that the resistance-changing layer of such a strain gauge at least includes samarium sulfide, if necessary. With other additives, especially those rare earths.
  • Samarium sulfide has the particular advantage over other materials for strain gauges which are known in principle in the prior art so that reliable measured values can be obtained from such a strain sensor despite the small changes in circumference when a force plate according to the invention is loaded.
  • the invention is not limited to strain gauges based on
  • Amplifiers or electronics can be achieved or by suitable
  • closed plate elements with basically any cross-sectional shape.
  • a simplest design of a force-measuring plate according to the invention can provide, as described above, a strain sensor, for example one based on samarium sulfide on one of the peripheral surfaces, preferably the outer peripheral surface of the plate element, for example by gluing or other fastening techniques.
  • a strain sensor for example one based on samarium sulfide on one of the peripheral surfaces, preferably the outer peripheral surface of the plate element, for example by gluing or other fastening techniques.
  • Strain sensor or strain gauge have in
  • Washer can be taken away to connect to a washer
  • Another advancing preferred embodiment may also provide at a distance, preferably radial distance to the outer peripheral surface of the
  • Carrier element which is formed integrally with the plate element or preferably the washer and which at least over a web, in particular via at least one substantially radially aligned web with the
  • said support member may be provided in a preferred embodiment thereof, a
  • Measuring electronics for detecting measured values of the at least one
  • Strain sensor and / or at least one other strain sensor to include may be provided, for example, to perform the overall arrangement of plate member and support member as a stamping member or, for example, laser or water jet cut component, which
  • the carrier element is connected by at least one web of preferably radial alignment with the plate member, preferably the washer or its outer peripheral surface substantially does not affect the change in length of the circumference in a force application of the plate member, so that by the arrangement of such a carrier element on the plate element, a Verwertverfabschung does not take place or is negligible or, if such neglect is not possible, at least with the measuring electronics can be compensated.
  • a preferred embodiment may provide here that the carrier element is connected to the plate element or preferably the washer or peripheral surface by means of two webs which are spaced apart in the circumferential direction, in particular with a preferred radial orientation, and the at least one strain sensor arranged on the outer peripheral surface is opposite the carrier element and between the webs, preferably arranged centrally between the webs.
  • This arrangement has the particular advantage that the strain sensor is protected, since it is located in the space between the outer peripheral surface and the support member, and is surrounded by the webs and thus protected by external influences, for example, when applying a
  • a wiring of the sensor to an optionally provided on the support element measuring electronics by the distance space between the peripheral surface and the support member, so that this electrical wiring is located in a protected area. If two webs are provided for connection between the plate element and the carrier element, they can deflect an angular distance in the circumferential direction, which is smaller than 180 degrees, preferably less than 120 degrees and, for example, less than or equal to 90 degrees.
  • the carrier element itself as described above, for example, be used to carry an electronics, namely one which serves to detect readings from the sensor and thus of the at least one strain sensor on the outer peripheral surface of the plate member and optionally further evaluate ,
  • This electronics can be on the top surface of the
  • Carrier element may be provided, based on the normal mounting direction of a trained as a washer plate element.
  • Resistance measuring bridge are electrically interconnected.
  • Resistance measuring bridge can be compensated and substantially any changes in resistance thus exclusively on change in length of the at least one arranged on the circumference of the plate member strain sensor
  • Measuring electronics is set up, which detected by the sensor and / or
  • a comparison value is permanently stored in the electronics or else that a user can program such a comparison value from the outside individually and variably depending on the application.
  • Comparison value is exceeded, is exceeded or the current measured value in a preferred defined interval around the comparison value / setpoint is around can be visualized, for example, to the outside, for example, by the arrangement of preferably multiple LEDs on or in the support element, in particular a housing part of Carrier element to inform a user immediately whether the force applied, for example, in a screwing, too small, correct or too large.
  • the exceeding or undershooting of the comparison value or the emergence of the measured value from a to Defined value defined interval leads to an alarm triggering, which can be visualized, acoustically displayed or communicated by a communication.
  • Communication interface include, for example, a wired, for example, the USB, Fire-wire or similar standard or even a wireless communication interface, for example, the Bluetooth or WLAN standard.
  • Such an embodiment can also be used as a data logger if the measuring electronics have an internal memory which stores the measured values and makes them available for later reading via a communication interface.
  • the support element which also includes the measuring electronics, for example, a battery or other energy storage,
  • thermoelectric element optionally a charged capacitor or an element is arranged, that a different form of the electrical energy form of energy converts into electrical energy, such as a thermoelectric element, which
  • the carrier element Preferably, it is further provided to cover the carrier element and in particular also the at least one, preferably on the outer peripheral surface arranged strain sensor, if necessary. Also the other strain sensors with a hood.
  • a hood can in comparison to the plate element to a larger thickness perpendicular to the plate surface in the overall arrangement of the force plate according to the invention, but this is irrelevant, at least in the application as a washer, as a possible on the thickness of the
  • Washer outgoing structure is in the radial direction outside of the washer periphery and thus does not limit the process of screwing and therefore the intended use as a washer.
  • Such a hood may in particular have passages on its upper side for receiving LED's conjugate visualization of a comparison result or for recording another display for displaying the measured values or the comparison results.
  • radio-bound communication interface instead of a communication interface according to radio standard or in addition to a radio communication interface, a corresponding
  • wired interface can be arranged as a plug or socket element in the housing.
  • the plurality of strain sensors are covered and protected.
  • FIG. 1 shows a first overall perspective view of a force plate according to the invention, which is used as a force-measuring washer, comprising an annular plate member 1 with an inner recess 2, which serves to pass a screw through the recess 2, as is known from conventional washers.
  • the arrangement according to the invention shown here, at a radial distance from the plate element 1 further comprises a carrier element 3, which in the present case by two circumferentially spaced, substantially radially aligned webs 4 is connected to the outer peripheral surface 1b of the disc-shaped plate member 1.
  • Carrier element 3 and plate element 1 are here made in one piece from the same material, in particular metal.
  • Plate element 1 and the support member 3 which describes a substantially curved extension in the circumferential direction between the webs 4, wherein the width of this distance space 5 the radial distance between the outer
  • Peripheral surface 1 b and the support element 3 corresponds.
  • a strain sensor 6 is arranged on the outer peripheral surface 1b according to the embodiment of the invention, with a circumferential length change of the
  • Plate element 1 can be detected, provided that a force F acts on this perpendicular to the plate surfaces of the plate member 1. As a result, the material of the plate element 1 is loaded, which due to the principle of the transverse contraction leads to an enlargement of the plate element 1 in the radial direction and therefore also to a circumferential length change.
  • the strain sensor 6 which may be preferably designed as strain gauges based on samarium sulfide, is corresponding to this
  • Carrier element 3 is arranged and electrically connected, for example by the distance space 5 through electrically connected to the at least one strain sensor 6, in particular wired.
  • the electronics 9 itself can be set up to compare detected measured values from the at least one strain sensor 6 with at least one internally stored value and to visualize via light emitting diodes 7 whether the axially acting forces are within a tolerable range or too large or too small.
  • These LEDs 7 may be angordnet in a hood 10, the figure 3 shows.
  • the hood 10 drops in thickness in the direction of the plate member 1 from.
  • the embodiment shown here has an interface 8, here as a USB interface to communicate with the electronics wired.
  • FIG. 2 shows, in a further perspective view, that opposite to the at least one strain sensor 6 on the peripheral surface 1b of the
  • the embodiment of the invention shown here has the particular advantage that the height of the washer element 1 can correspond to that of a normal normal washer.
  • An axial length increase is avoided because at least part of the sensor system, possibly the complete sensor system is formed by at least one strain sensor 6 on the peripheral surface of the plate element 1, that is completely outside the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftmessplatte umfassend ein Plattenelement und eine Sensorik zur Erfassung von senkrecht zu den Plattenoberflächen wirkenden Kräften, wobei die Sensorik (6, 6b) wenigstens einen Dehnungssensor (6) umfasst, der auf einer Umfangsfläche (1b), insbesondere der auf der äußeren Umfangsfläche (1b) des Plattenelementes (1) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Messung der auf ein Plattenelement senkrecht zu den Plattenoberflächen wirkenden Kraft, bei dem mittels wenigstens eines auf einer Umfangsfläche, insbesondere der äußeren Umfangsfläche (1) des Plattenelementes (1) angeordneten Dehnungssensors (6) Änderungen der Umfangslänge des Plattenelementes (1) bei Kraftbeaufschlagung erfasst werden.

Description

Kraftmessplatte
Die Erfindung betrifft eine Kraftmessplatte umfassend ein Plattenelement und eine Sensorik zur Erfassung von senkrecht zu den Plattenoberflächen wirkenden Kräften. Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Verfahren zur Messung der auf ein
Plattenelement senkrecht zu den Plattenoberflächen wirkenden Kraft.
Unter einem Plattenelement wird dabei ein Körper verstanden mit zwei beabstandet einander gegenüberliegenden Plattenoberflächen, insbesondere die parallel zueinander sind, insbesondere wobei der Abstand zwischen den Plattenoberflächen kleiner ist als der Querschnitt jeder der Plattenoberflächen. Eine solche Platte kann im Schnitt parallel zur Plattenoberfläche grundsätzlich jede beliebige
Querschnittsform aufweisen, bevorzugt jedoch eine kreisrunde geschlossene oder offene, insbesondere ringförmige Form.
Kraftmessplatten dieser vorgenannten gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt und üblicherweise bei einer möglichen ringförmigen Ausgestaltung auch als Kraftmessring beziehungsweise Ringkraftaufnehmer bezeichnet. Solche ringförmigen Kraftmessplatten können z.B. als Unterlegscheiben eingesetzt werden, die eine kraftmessende Funktion übernehmen, haben jedoch den Nachteil, dass sie in axialer Richtung eine gegenüber üblichen Unterlegscheiben deutlich vergrößerte Bauform aufweisen. Dabei wird unter der axialen Richtung die Richtung senkrecht zur den Plattenoberflächen der Unterlegscheibe
beziehungsweise die Richtung einer die Unterlegscheibe durchdringenden Schraube verstanden.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Im Stand der Technik ergibt sich eine gegenüber üblichen Unterlegscheiben deutlich axial vergrößerte Bauform dadurch, dass die Sensorik zur Erfassung der axial ausgerichteten Kräfte, bzw. allgemein der Kräfte senkrecht zu den
Plattenoberflächen zwischen den Plattenoberflächen liegt, das heißt, die Sensorik in den direkten Kraftfluss eingebunden ist und direkt durch die wirkende Kraft belastet ist.
Ringförmige Kraftmessplatten solcher bislang bekannter Bauform sind dabei üblicher Weise derart ausgestaltet, dass eine kraftmessende Schicht, zum Beispiel basierend auf Quarz oder anderen piezoresistiven Materialien zwischen zwei
Plattenoberflächen angeordnet ist und somit bei einer axialen Kraftbeaufschlagung unmittelbar eine Dickenänderung in Richtung senkrecht zu den Plattenoberflächen (axial bei Unterlegscheibe) bei dem Sensormaterial stattfindet, was zu einer messtechnisch erfassbaren Änderung einer physikalischen Größe dieses Materials, beispielsweise des Widerstandes führt und somit ausgewertet werden kann.
Wie eingangs erwähnt, ist es ein wesentlicher Nachteil der im Stand der Technik bekannten Bauformen, dass bei einem Vergleich mit üblichen Unterlegscheiben ohne jegliche kraftmessende Funktion die gewünschte kraftmessende Funktion nur dann erzielt werden kann, wenn die axiale Baulänge deutlich vergrößert wird aufgrund des in axialer Richtung, d.h. zwischen den Plattenoberflächen geschichteten Aufbaus. In den Anwendungsfällen als Unterlegscheibe muss daher sichergestellt sein, dass für eine gemäß dem Stand der Technik bekannte Kraftmessplatte einer solchen vergrößerten Bauform genügend axialer Bauraum zur Verfügung steht.
Ein weiterer Nachteil bei den bislang im Stand der Technik bekannten
Kraftmessplatten ist es, dass zur Erhöhung der Präzision eine Kraftvorbelastung nötig ist, die im Bereich von 20 bis 50 % der Größenordnung der zu messenden Kraft liegt. Dies bedeutet unmittelbar auch, dass der grundsätzliche Kraftmessbereich aufgrund der Kraftvorbelastung reduziert wird.
Ein darüber hinausgehender Nachteil bei den bekannten Bauformen ist es weiterhin, dass bei einer Kraftbeaufschlagung in nicht exakt axialer Richtung (bezogen auf Unterlegscheiben) bzw. nicht exakt senkrecht zu den Plattenoberflächen die hierdurch erzeugten Biegemomente Scherkräfte in den Sensormaterialien erzeugen und hierdurch die Messwerte stark verfälschen können.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Kraftmessplatte und ein Verfahren zur Messung von senkrecht zu den Plattenoberflächen eines Plattenelementes wirkenden Kräften bereitzustellen, welche die im Stand der Technik gegebenen Nachteile nicht aufweisen. Bevorzugt soll eine Kraftmessplatte dünner in einer Richtung senkrecht zu den Plattenoberflächen ausgebildet werden, als dies bislang bekannt ist. Insbesondere soll gemäß der Erfindung eine kraftmessende
Unterlegscheibe bereitgestellt werden, die in ihren Dickenabmessungen üblichen Unterlegscheiben entspricht, so dass jeglicher Anwendungsfall erschlossen werden kann, ohne einen besonderen axialen Platz in der Anwendung zur Verfügung stellen zu müssen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Kraftmessplatte der grundsätzlich eingangs genannten Art gelöst, bei der die Sensorik wenigstens einen
Dehnungssensor umfasst, der auf einer Umfangsfläche, insbesondere einer äußeren Umfangsfläche des Plattenelementes angeordnet ist.
Unter einer Umfangsfläche wird bevorzugt eine solche Fläche verstanden, welche die beiden gegenüberliegenden Plattenoberflächen des Plattenelementes über deren Abstand hinweg verbindet, insbesondere deren Normalenvektoren senkrecht oder in einer Umgebung von 90 Grad, bevorzugt plusminus 10 Grad zu dem jeweiligen Normalenvektor der Plattenoberflächen orientiert ist. Eine Umfangsfläche bildet somit einen Rand des Plattenelementes.
Sofern ein Plattenelement geschlossene Plattenoberflächen aufweist gibt es nur eine, die äußere Umfangsfläche. Weisen die Plattenoberflächen jedoch wenigstens eine Öffnung auf und bilden z.B. eine Ringform, so bestehen wenigstens zwei Umfangsflächen, nämlich innere und äußere Umfangsflächen.
So ist es ein wesentlicher Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, die Sensorik, die zur Erfassung der senkrecht zu den Plattenoberflächen wirkenden Kräfte zum
Einsatz kommt, außerhalb der Kraftflußrichtung anzuordnen, so dass die Sensorik nicht mehr unmittelbar selbst der wirkenden Kraft ausgesetzt ist und bereits hierdurch eine Vielzahl der im Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden wird, wie beispielsweise die nötige Vorbelastung sowie auch die
Biegemomentempfindlichkeit.
Erfindungsgemäß liegt zumindest ein Teil der Sensorik, nämlich wenigstens ein Dehnungssensor auf einer Umfangsfläche, bevorzugt der äußeren Umfangsfläche des Plattenelementes, was den Vorteil erzielt, dass bei üblichen Baugrößen von bestehenden Dehnungssenoren ein solcher Sensor vollständig auf eine
Umfangsfläche bezogen auf die Höhe der Umfangsfläche (= Abstand der
Plattenoberflächen) untergebracht werden kann.
Erfindungsgemäße Kraftmessplatten benötigen daher im Vergleich zu den bislang im Stand der Technik Bauformen keine vergrößerte Bauhöhe (insbesondere im
Vergleich zu Unterlegscheiben), da der zum Einsatz kommende Dehnungssensor zur Bauhöhe des Plattenelementes selbst nicht beiträgt aufgrund seiner auf einer Umfangsfläche vorgesehenen Anordnung. Da eine senkrecht auf die
Plattenoberflächen wirkende Kraft nicht auch auf den Dehnungssensor wirkt, muss dieser selbst gegen die wirkende Kraft keine Beständigkeit aufweisen.
Erfindungsgemäß wird es dabei als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Messrichtung des wenigstens einen Dehnungssensors in Umfangsrichtung der gewählten Umfangsfläche, insbesondere der äußeren Umfangsfläche orientiert ist, um mit dem Dehnungssensor Änderungen der Umfangslänge des Plattenelementes bei Kraftbeaufschlagung zu erfassen. Bevorzugt wird wenigstens ein
Dehnungssensor auf der äußeren Umfangsfläche angeordnet, weil diese die größte Umfangslänge aller Umgangsflächen aufweist, sofern es mehrere überhaupt gibt. Auch ist ein Sensor bei einer beabsichtigten Durchdringung einer Öffnung in dem Plattenelement durch z.B. eine Schraube vor einer mechanischen Beschädigung durch das durchdringende Element geschützt.
So beruht demnach das bevorzugte Messverfahren der Erfindung darauf, das Prinzip der Querkontraktion von im wesentlichen inkompressiblen Materialien, wie zum Beispiel Metallen, auszunutzen, welches besagt, dass bei einer Kompression des Materials in einer Richtung eine Längendehnung des Materials in einer dazu senkrechten Richtung stattfindet.
Wird demnach also das Plattenelement senkrecht zu seinen Plattenoberflächen kraftbeaufschlagt, so vergrößert sich sein Querschnitt in einer Richtung senkrecht zur wirkenden Kraft und somit der eingangs genannte Plattenquerschnitt, bzw. in proportionaler Weise die Umfangslänge der Umfangsfläche. Bei einer bevorzugten Ausführung des Plattenelementes als kreisrunde Scheibe, insbesondere gelochte kreisrunde Scheibe, entsprechend einer Unterlegscheibe, wird bei einer Belastung in axialer Richtung die Ausdehnung in radialer Richtung vergrößert, was aufgrund der ringförmigen Bauform beziehungsweise bevorzugt kreisscheibenförmigen Bauform somit in gleicher Weise zu einer Verlängerung des Kreisumfangs der
Unterlegscheibe führt und demnach in bevorzugter Weise mit einem
Dehnungssensor erfasst werden kann, dessen Messrichtung in dieser
Umfangsrichtung liegt.
Aufgrund der Tatsache, dass die Querkontraktion, ausgedrückt durch die Poisson- Zahl des jeweils eingesetzten Materials, z.B. Metall zu einer, wenn auch linearen, so doch gegenüber der axialen Dicken- oder Längenänderung kleineren Änderung in einer Richtung senkrecht hierzu führt, ist es besonders bevorzugt, als
Dehnungssensor in einer Sensorik der erfindungsgemäßen Kraftmessplatte einen Dehnungsmessstreifen einzusetzen, der auf Samariumsulfid basiert, was bedeutet, dass die widerstandsändernde Schicht eines solchen Dehnungsmessstreifens Samariumsulfid zumindest umfasst, ggfs. mit weiteren Zusätzen, insbesondere solche seltener Erden.
Gegenüber anderen im Stand der Technik grundsätzlich bekannten Materialien für Dehnungsmessstreifen hat Samariumsulfid den besonderen Vorteil, eine sehr hohe Empfindlichkeit aufzuweisen, so dass trotz der geringen Umfangsänderungen bei Belastung einer erfindungsgemäßen Kraftmessplatte verlässliche Messwerte von einem solchen Dehnüngssensor erhalten werden können.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf Dehnungsmessstreifen auf der Basis von
Samariumsulfid beschränkt, sondern grundsätzlich ist es auch denkbar, andere insbesondere im Stand der Technik bereits bekannte Materialien bei Dehnungsmessstreifen zum Einsatz zu bringen, wobei eine eventuelle gewünschte Empfindlichkeitsverbesserung und Messgenauigkeit durch nachgeschaltete
Verstärker oder Elektroniken erzielt werden können oder durch geeignete
Längendimensionierung des Dehnungsmessstreifens in Umfangsrichtung.
Der bevorzugte Einsatzbereich erfindungsgemäßer Kraftmessplatten ergibt sich durch die Ausführung als Unterlegscheibe, also gelochte kreisrunde Kraftmessplatte mit Ringform. Erfindungsgemäße Ausführungen umfassen jedoch ebenso
geschlossene Plattenelemente mit grundsätzlich beliebiger Querschnittform.
Eine einfachste Bauform einer erfindungsgemäßen Kraftmessplatte kann vorsehen, wie eingangs beschrieben, einen Dehnungssensor, zum Beispiel einen solchen auf der Basis von Samariumsulfid auf einer der U mfangsf lächen, bevorzugt der äußeren Umfangsfläche des Plattenelementes anzuordnen, zum Beispiel durch Verklebung oder sonstige Befestigungstechniken. Die Kontaktflächen eines solchen
Dehnungssensors beziehungsweise Dehnungsmessstreifens weisen im
Wesentlichen Kabelanschlüsse bzw. Leitungsanschlüsse auf, die sodann von einer erfindungsgemäßen Kraftmessplatte bzw. bevorzugt kraftmessender
Unterlegscheibe weggeführt werden können, um eine Verbindung zu einer
Messelektronik zu schaffen.
Eine andere weiterbildende bevorzugte Ausführungsform kann es auch vorsehen, in einem Abstand, bevorzugt radialen Abstand zur äußeren Umfangsfläche des
Plattenelementes ein Trägerelement anzuordnen, insbesondere ein solches
Trägerelement, welches mit dem Plattenelement bzw. bevorzugt der Unterlegscheibe einstückig ausgebildet ist und welches wenigstens über einen Steg, insbesondere über wenigstens einen im Wesentlichen radial ausgerichteten Steg mit dem
Plattenelement beziehungsweise der Umfangsfläche verbunden ist, wobei dieses Trägerelement in bevorzugter Ausführung dafür vorgesehen sein kann, eine
Messelektronik zur Erfassung von Messwerten des wenigstens einen
Dehnungssensors und/oder wenigstens einen weiteren Dehnungssensor zu umfassen. Bei der bevorzugten zuvor benannten einstückigen Ausführung von Plattenelement und Trägerelement kann es beispielsweise vorgesehen sein, die Gesamtanordnung aus Plattenelement und Trägerelement als Stanzbauteil oder zum Beispiel auch Laser- oder wasserstrahlgeschnittenes Bauteil auszuführen, was
fertigungstechnische Vorteile mit sich bringt.
Die hier beschriebene Ausführung, dass das Trägerelement durch wenigstens einen Steg von bevorzugt radialer Ausrichtung mit dem Plattenelement, bevorzugt der Unterlegscheibe beziehungsweise deren äußeren Umfangsfläche verbunden ist, beeinflusst die Längenänderung des Umfangs bei einer Kraftbeaufschlagung des Plattenelementes im Wesentlichen nicht, so dass durch die Anordnung eines solchen Trägerelementes an dem Plattenelement eine Messwertverfälschung nicht stattfindet beziehungsweise vernachlässigbar ist oder, sofern eine solche Vernachlässigung nicht möglich ist, zumindest mit der Messelektronik kompensierbar ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform kann es hier vorsehen, dass das Trägerelement über zwei in Umfangsrichtung beabstandete Stege, insbesondere mit bevorzugter radialer Ausrichtung des jeweiligen Steges mit dem Plattenelement bzw. bevorzugt der Unterlegscheibe beziehungsweise der Umfangsfläche verbunden ist und der auf der äußeren Umfangsfläche angeordnete wenigstens eine Dehnungssensor gegenüberliegend dem Trägerelement und zwischen den Stegen, bevorzugt mittig zwischen den Stegen angeordnet ist.
Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass der Dehnungssensor geschützt ist, da er sich in dem Abstandsraum zwischen der äußeren Umfangsfläche und dem Trägerelement befindet, sowie durch die Stege umschlossen ist und somit durch äußere Einflüsse geschützt ist, beispielsweise auch beim Ansetzen eines
Werkzeuges für die Verschraubung.
Des Weiteren besteht hier die Möglichkeit, eine Verdrahtung des Sensors zu einer auf dem Trägerelement gegebenenfalls vorgesehenen Messelektronik durch den Abstandsraum zwischen der Umfangsfläche und dem Trägerelement vorzunehmen, so dass auch diese elektrische Verdrahtung in einem geschützten Bereich liegt. Sofern zwei Stege zur Verbindung zwischen Plattenelement und Trägerelement vorgesehen sind, können diese einen Winkelabstand in Umfangsrichtung abweisen, der kleiner ist als 180 Grad, bevorzugt kleiner als 120 Grad und z.B. kleiner gleich 90 Grad ist.
Das Trägerelement kann selbst, wie zuvor beschrieben, zum Beispiel eingesetzt werden, um eine Elektronik zu tragen, nämlich eine solche, die dazu dient Messwerte von der Sensorik und somit von dem wenigstens einen Dehnungssensor auf der äußeren Umfangsfläche des Plattenelementes zu erfassen und gegebenenfalls weiter auszuwerten. Diese Elektronik kann auf der oberseitige Fläche des
Trägerelementes vorgesehen sein, bezogen auf die normale Montagerichtung eines als Unterlegscheibe ausgebildeten Plattenelementes.
Es kann hier weiterhin vorgesehen sein, an dem Trägerelement wenigstens einen weiteren Dehnungssensor anzuordnen, der von Einflüssen bei einer
Kraftbeaufschlagung des Plattenelementes unbeeinflusst ist und demnach zum Zwecke einer Temperaturkompensation eingesetzt werden kann, da
Temperatureinflüsse ebenso wie Dehnungen die Widerstände von
Dehnungsmessstreifen ändern können.
Es kann demnach hier vorgesehen sein, wenigstens einen solchen weiteren
Dehnungssensor zusammen mit dem wenigstens einen auf der Umfangsfläche angeordneten Dehnungssensor als Teil einer Temperaturkompensation auszubilden, insbesondere dadurch, dass diese Dehnungssensoren in der Art einer
Widerstandsmessbrücke miteinander elektrisch verschaltet sind.
Eventuelle Temperaturänderungen wirken sich demnach auf beide
Dehnungssensoren in gleicher weise aus, so dass diese durch die
Widerstandsmessbrücke kompensierbar sind und im Wesentlichen eventuelle Widerstandsänderungen somit ausschließlich auf Längenänderung des wenigstens einen am Umfang des Plattenelementes angeordneten Dehnungssensors
zurückzuführen sind. Eine Anordnung dieser vorbeschriebenen Art, bei der wenigstens ein weiterer Dehnungssensor am Trägerelement zum Zwecke der Temperaturkompensation zum Einsatz kommt, hat darüber hinaus auch den Vorteil, dass die Orientierung dieses wenigstens einen Dehnungssensors irrelevant ist, wenngleich es bevorzugt vorgesehen sein kann, den Dehnungssensor in gleicher Orientierung auszurichten, wie dies bei demjenigen Dehnungssensor auf der Umfangsfläche, bevorzugt der äußeren Umfangsfläche vorgesehen ist.
Unabhängig davon, ob eine erfindungsgemäß ausgestattete Kraftmessplatte bzw. kraftmessende Unterlegscheibe mit oder ohne Temperaturkompensation vorgesehen ist, kann eine weitere bevorzugte Ausführungsform vorsehen, dass die
Messelektronik eingerichtet ist, die von der Sensorik erfassten und/oder
ausgewerteten (verarbeiteten) Messwerter mit wenigstens einem Vergleichswert, insbesondere Sollwert zu vergleichen und ein vom Vergleich abhängiges Ergebnis auszugeben.
Beispielsweise kann es hier vorgesehen sein, dass ein Vergleichswert fest in der Elektronik abgespeichert ist oder aber auch, dass durch einen Benutzer ein solcher Vergleichswert von außen individuell und variabel je nach Anwendungsfall einprogrammiert werden kann.
Das Ausgeben eines Vergleichsergebnisses, insbesondere also ob der
Vergleichswert unterschritten wird, überschritten wird oder sich der aktuelle Messwert in einem bevorzugt definierten Intervall um den Vergleichswert / Sollwert herum befindet, kann beispielsweise nach außen hin visualisiert werden, zum Beispiel durch die Anordnung von bevorzugt mehreren Leuchtdioden am oder im Trägerelement, insbesondere einem Gehäuseteil des Trägerelementes, um einen Benutzer unmittelbar darüber zu informieren, ob die aufgebrachte Kraft, zum Beispiel bei einem Schraubvorgang, zu klein, richtig oder zu groß ist. Insbesondere besteht so auch die Möglichkeit Langzeitüberwachungen vorzunehmen und so zu überprüfen, ob sich ursprünglich eingestellte Kräfte im Laufe der Zeit ändern.
Hier kann es auch vorgesehen sein, dass die Überschreitung oder Unterschreitung des Vergleichswertes oder das Heraustreten des Messwertes aus einem um den Vergleichswert definierten Intervall zu einer Alarmauslösung führt, die visualisiert, akustisch angezeigt oder durch eine Kommunikation bekannt gegeben werden kann.
Die Messelektronik selbst kann in bevorzugter Weiterbildung auch eine
Kommunikationsschnittstelle umfassen, beispielsweise eine kabelgebundene zum Beispiel nach dem USB-, Fire-Wire- oder ähnlichem Standard oder auch eine funkgebundene Kommunikationsschnittstelle, zum Beispiel nach dem Bluetoothoder WLAN-Standard.
Es besteht so die Möglichkeit über eine solche Kommunikationsschnittstelle Daten in die Messelektronik einzuspeichern und/oder Daten aus der Messelektronik
auszulesen, insbesondere zeitlich fortwährend zu erfassen und/oder die
Überwachung der axial wirkenden Kräfte vorzunehmen. Eine solche Ausführung kann auch als Datenlogger verwendet werden, wenn die Messelektronik einen internen Speicher aufweist, der die Messwerte speichert und zur späteren Auslesung über eine Kommunikationsschnittstelle bereitstellt.
Hier kann es gegebenenfalls auch vorgesehen sein, mehrere erfindungsgemäße Kraftmessplatten mit ihrer jeweiligen Messelektronik in ein Netzwerk zu integrieren und die Messwerte von den mehreren Kraftmessplatten in einer zentralen
Datensammelstelle zu erfassen und auszuwerten.
Eine Energieversorgung der Messelektronik kann beispielsweise dadurch
vorgesehen sein, dass auf dem Trägerelement, welches ebenso die Messelektronik umfasst, beispielsweise eine Batterie oder ein sonstiger Energiespeicher,
gegebenenfalls ein aufgeladener Kondensator oder auch ein Element angeordnet ist, dass eine von der elektrischen Energie abweichende Energieform in elektrische Energie wandelt, beispielsweise ein thermoelektrisches Element, welches
eingerichtet ist, um Umgebungswärme in elektrische Betriebsenergie zu wandeln.
Bevorzugt ist es weiterhin vorgesehen, das Trägerelement und insbesondere auch den wenigstens einen, bevorzugt auf der äußeren Umfangsfläche angeordneten Dehnungssensor, ggfs. auch die weiteren Dehnungssensoren mit einer Haube zu überdecken. Eine solche Haube kann im Vergleich zum Plattenelement zu einer größeren Dicke senkrecht zur Plattenoberfläche führen bei der Gesamtanordnung der erfindungsgemäßen Kraftmessplatte, was jedoch zumindest in der Anwendung als Unterlegscheibe unerheblich ist, da ein eventueller über die Dicke der
Unterlegscheibe hinausgehender Aufbau sich in radialer Richtung außerhalb der Unterlegscheibenperipherie befindet und somit den Vorgang der Verschraubung und demnach den bestimmungsgemäßen Einsatz als Unterlegscheibe nicht begrenzt.
Eine solche Haube kann insbesondere auf ihrer Oberseite Durchgänge aufweisen zur Aufnahme von LED'S zweck Visualisierung eines Vergleichsergebnisses oder auch zur Aufnahme eine sonstigen Displays zur Anzeige der Messwerte oder der Vergleichsergebnisse.
Sofern nicht nur eine funkgebundene Kommunikationsschnittstelle vorgesehen ist, kann statt einer Kommunikationsschnittstelle nach Funkstandard oder aber auch zusätzlich zu einer Funkkommunikationsschnittstelle eine entsprechende
kabelgebundene Schnittstelle als Stecker oder Buchsenelement in dem Gehäuse angeordnet sein.
Die bevorzugte Ausgestaltung einer überdeckenden Haube ist in weiterer
Ausgestaltung derart, dass diese ebenso die im wesentlichen radialen Stege sowie auch den Abstandsbereich zwischen der äußeren Umfangsfläche und dem
Trägerelement überdeckt, so dass der wenigstens eine Dehnungssensor
gegebenenfalls die mehreren Dehnungssensoren mit überdeckt und geschützt sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt eine erste perspektivische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Kraftmessplatte, die als kraftmessenden Unterlegscheibe Anwendung findet, umfassend eine kreisringförmiges Plattenelement 1 mit einer inneren Ausnehmung 2, die dazu dient, eine Schraube durch die Ausnehmung 2 hindurchzuführen, wie dies von üblichen Unterlegscheiben bekannt ist.
Die hier gezeigte erfindungsgemäße Anordnung weist in einem radialen Abstand zur Plattenelement 1 weiterhin ein Trägerelement 3 auf, das im vorliegenden Fall durch zwei in Umfangsrichtung beabstandete, im Wesentlichen radial ausgerichtete Stege 4 mit der äußeren Umfangsfläche 1b des wie eine Unterlegscheibe geformten Plattenelementes 1 verbunden ist. Trägerelement3 und Plattenelement 1 sind hier einstückig aus demselben Material, insbesondere Metall gefertigt.
Durch die radiale Beabstandung zwischen Plattenelement 1 und Trägerelement 3 ergibt sich ein Abstandsraum 5 zwischen der äußeren Umfangsfläche 1 b des
Plattenelementes 1 und dem Trägerelement 3 der im Wesentlichen eine gebogene Erstreckung in Umfangsrichtung zwischen den Stegen 4 beschreibt, wobei die Breite dieses Abstandsraumes 5 dem radialen Abstand zwischen der äußeren
Umfangsfläche 1 b und dem Trägerelement 3 entspricht.
Zwischen den beiden Stegen 4 und gegenüberliegend dem Trägerelement 3 ist auf der äußeren Umfangsfläche 1b gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ein Dehnungssensor 6 angeordnet, mit dem eine Umfangslängenänderung des
Plattenelementes 1 erfasst werden kann, sofern eine Kraft F auf diesen senkrecht zu den Plattenoberflächen des Plattenelementes 1 wirkt. Hierdurch wird das Material des Plattenelementes 1 belastet, was aufgrund des Prinzips der Querkontraktion zu einer Vergrößerung des Plattenelementes 1 in radialer Richtung und demnach auch zu einer Umfangslängenänderung führt.
Der Dehnungssensor 6, der bevorzugt als Dehnungsmessstreifen auf der Basis von Samariumsulfid ausgeführt sein kann, wird entsprechend dieser
Umfangslängenänderung in seiner Länge geändert und demnach auch in seinem Widerstand, was durch eine Elektronik 9 erfasst werden kann, die auf dem
Trägerelement 3 angeordnet ist und zum Beispiel durch den Abstandsraum 5 hindurch elektrisch mit dem wenigstens einen Dehnungssensor 6 verbunden, insbesondere verdrahtet ist.
Die Elektronik 9 selbst kann eingerichtet sein, um erfasste Messwerte von dem wenigstens einen Dehnungssensor 6 mit wenigstens einem intern gespeicherten Wert zu vergleichen und über Leuchtdioden 7 zu visualisieren, ob die axial wirkenden Kräfte in einem tolerablen Bereich liegen oder zu groß oder zu klein sind. Diese Leuchtdioden 7 können in einer Haube 10 angordnet sein, die Figur 3 zeigt. Die Haube 10 fällt in der Dicke in Richtung zum Plattenelement 1 ab.
Die hier gezeigte Ausführung weist eine Schnittstelle 8 auf, hier als USB- Schnittstelle, um kabelgebunden mit der Elektronik zu kommunizieren.
Ebenso können andere Schnittstellen, zum Beispiel nach Funkstandards alternativ oder in Ergänzung vorgesehen sein.
Die Figur 2 zeigt in einer weiteren perspektivischen Ansicht, dass gegenüberliegend zu dem wenigstens einen Dehnungssensor 6 auf der Umfangsfläche 1 b des
Plattenelementes 1 oder auch an einem anderen Ort des Trägerelementes 3, wenigstens ein weiterer, Dehnungssensor 6b vorgesehen sein, der zum Zwecke der Temperaturkompensation dient und mit dem wenigstens einen Dehnungssensor 6 auf der Umfangsfläche eine Widerstandsmessbrücke ausbilden kann.
Die hier dargestellte erfindungsgemäße Ausführung hat den besonderen Vorteil, dass die Bauhöhe des Unterlegscheibenelementes 1 derjenigen einer ganz normalen üblichen Unterlegscheibe entsprechen kann. Eine axiale Baulängenvergrößerung wird vermieden, da zumindest ein Teil der Sensorik, gegebenenfalls die vollständige Sensorik ausgebildet wird durch wenigstens einen Dehnungssensor 6 auf der Umfangsfläche des Plattenelementes 1 , der also vollständig außerhalb des
Kraftflusses angeordnet ist und demnach durch die Kräfte selbst nur eine indirekte Beeinflussung aufgrund des Prinzips der Querkontraktion des kraftbeaufschlagten Materials des Plattenelementes erfährt.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftmessplatte umfassend ein Plattenelement und eine Sensorik zur
Erfassung von senkrecht zu den Plattenoberflächen wirkenden Kräften, wobei die Sensorik (6, 6b) wenigstens einen Dehnungssensor (6) umfasst, der auf einer Umfangsfläche (1b) des Plattenelementes (1 ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abstand zur äußeren Umfangsfläche (1 b) des Plattenelementes (1 ) ein Trägerelement (3) angeordnet ist, welches über wenigstens einen Steg (4) mit dem Plattenelement (1 ) / der äußeren
Umfangsfläche (1 b) verbunden ist, wobei das Trägerelement (3) eine
Messelektronik (9) zur Erfassung von Messwerten des wenigstens einen Dehnungssensor (6) und wenigstens einen weiteren Dehnungssensors (6b) umfasst, der dem wenigstens einen an der äußeren Umfangsfläche (1 b) angeordneten Dehnungssensor (6) gegenüberliegend angeordnet ist und die wenigstens zwei Dehnungssensoren (6, 6b) einen Teil einer
Temperaturkompensation bilden.
2. Kraftmessplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Messrichtung des wenigstens einen Dehnungssensors (6) in Umfangsrichtung des Plattenelementes ( ) orientiert ist und mit dem wenigstens einen
Dehnungssensor Änderungen der Umfangslänge des Plattenelementes (1 ) bei Kraftbeaufschlagung senkrecht zu den Plattenoberflächen erfassbar sind.
3. Kraftmessplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Plattenelement (1 ) als kreisrunde Scheibe, insbesondere kreisrunde gelochte Scheibe, insbesondere als Unterlegscheibe ausgebildet ist, wobei der wenigstens eine Dehnungssensor (6) auf einer der beiden Umfangsflächen, bevorzugt auf der äußeren Umfangsfläche (1 b) angeordnet ist.
4. Kraftmessplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dehnungssensor (6, 6b) ein Dehnungsmessstreifen ist auf der Basis von Samariumsulfid.
5. Kraftmessplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) über zwei in Umfangsrichtung beabstandete Stege (4) mit dem Plattenelement (1 ) / der Umfangsfläche (1b) verbunden ist und der auf der äußeren Umfangsfläche (1b) angeordnete wenigstens eine Dehnungssensor (6) gegenüberliegend dem Trägerelement
(3) und zwischen den Stegen (4), insbesondere mittig zwischen den Stegen
(4) angeordnet ist.
6. Kraftmessplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Messelektronik (9) eingerichtet ist, die von der Sensorik erfassten und/oder ausgewerteten Messwerte mit wenigstens einem Vergleichswert zu vergleichen und ein vom Vergleich abhängiges Ergebnis auszugeben, insbesondere zu visualisieren, bevorzugt durch LED's (7).
7. Kraftmessplatte nach einem der vorherigen Ansprüche , dadurch
gekennzeichnet, dass die Messelektronik (9) eine
Kommunikationsschnittstelle (8), insbesondere eine kabelgebundene (8) oder funkgebundene Kommunikationsschnittstelle aufweist.
8. Kraftmessplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3), insbesondere auch der wenigstens eine auf der äußeren Umfangsfläche (1 b) angeordnete
Dehnungssensor (6), durch eine Haube (10) überdeckt ist.
9. Verfahren zur Messung der auf ein Plattenelement senkrecht zu den
Plattenoberflächen wirkenden Kraft, wobei mittels wenigstens eines auf einer Umfangsfläche (1 ) des Plattenelementes (1 ) angeordneten Dehnungssensors (6) Änderungen der Umfangslänge des Plattenelementes (1 ) bei
Kraftbeaufschlagung erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Messelektronik auf einem in einem Abstand zur äußeren Umfangsfläche (1 b) des Plattenelementes (1 ) angeordneten Trägerelement (3), welches über wenigstens einen Steg (4) mit dem Plattenelement (1 ) / der äußeren Umfangsfläche (1 b) verbunden ist, eine Erfassung von Messwerten des wenigstens einen Dehnungssensors (6) und wenigstens eines weiteren am Trägerelement angeordneten Dehnungssensors (6b) erfolgt, der dem wenigstens einen an der äußeren Umfangsfläche (1 b) angeordneten
Dehnungssensor (6) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die wenigstens zwei Dehnungssensoren (6, 6b) einen Teil einer Temperaturkompensation bilden.
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000020_0001
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