WO2023284939A1 - Verfahren zum ermitteln von auf eine komponente wirkenden kraft und/oder drehmoment, sensoranordnung und verwendung derselben - Google Patents

Verfahren zum ermitteln von auf eine komponente wirkenden kraft und/oder drehmoment, sensoranordnung und verwendung derselben Download PDF

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WO2023284939A1
WO2023284939A1 PCT/EP2021/069331 EP2021069331W WO2023284939A1 WO 2023284939 A1 WO2023284939 A1 WO 2023284939A1 EP 2021069331 W EP2021069331 W EP 2021069331W WO 2023284939 A1 WO2023284939 A1 WO 2023284939A1
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sensor arrangement
reference body
sensor
force
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PCT/EP2021/069331
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Peter Zankl
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Omnitron Peter Zankl
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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining force and/or torque acting on a component in a mechanical system and to a sensor arrangement that can be used for this purpose and use of the sensor arrangement in different areas.
  • sensors for detecting torques, sensors for measuring the gravitational force of objects, ie scales and pressure sensors for determining a force in relation to a defined area are known.
  • sensors include a sensitive area with a sensor system that differs in terms of the technology used and an evaluation unit that converts the measurable variable into an electrical variable converts, which can be transmitted to a control system by means of a signal output.
  • sensors designed as force transducers with strain gauges (DMS) or alternatively piezoelectric elements can be used for force measurement tasks. Indicated by the force and/or load effect or a generated mechanical deformation, their electrical properties change, i.e. the electrical resistance or the charge distribution and these changes can be detected by the sensor and evaluated by an evaluation unit.
  • optical sensors with a transmitter and receiver can also be used, which detect position displacements and/or deformations of defined surfaces induced by the application of force.
  • sensors that derive a mechanical stress from a detectable mechanical resonance frequency of an element are already known.
  • sensors which use a reference body and detection means in order to determine a relative position of the reference body in relation to the object being observed and to derive a force and/or load effect on the object from this.
  • a sensor is known from WO 2017/162634, which has a recess with reference surfaces separated by a defined distance on a support element of a trailer hitch in an area where a load occurs.
  • the sensor includes two separate sensor elements that measure the changing distance between the reference surfaces under load.
  • the sensor elements can capacitively, inductively, optically and/or etc. detect the gap width that is located between them and deforms under load.
  • the arrangement of the sensor requires a certain design of the measurement location, which in this case can lead to a weakening of the support element due to the recess.
  • the method can also be used if the location of the load or the loaded component itself is not accessible or not suitable.
  • the sensor arrangement can also be attached subsequently to the component or in a mechanical system without the system itself being adversely affected, even if only marginally.
  • the objects are achieved in particular by the features of a method according to claim 1, a sensor arrangement according to claim 8 and uses of the sensor arrangement according to claims 14 to 18.
  • Advantageous developments of the invention are reflected in the dependent claims.
  • the method according to the invention for determining force and/or torque acting on a component in a mechanical system uses a reference body that can be clamped or fixed to the component with a first end, whose geometry and/or position relative to the component can be determined by means of an or relative to the sensor unit that can be arranged is detected and the acting force and/or the acting torque can be determined by means of an evaluation.
  • the sensor unit can determine a geometry and/or a relative position of the reference body and define this as a reference value.
  • the geometry and/or the position of the reference body relative to the component changes under load or when the load on the mechanical system or the component changes and can be detected by the sensor unit as a measured value.
  • the difference between the reference value and the measured value can be a linear displacement along a longitudinal axis of the component, an inclination against a longitudinal axis of the component and/or a change in circumference or etc.
  • a load on a component can also be detected optically by means of a pattern shift.
  • the component can have a line pattern or grid and the reference body can have a structure in the form of a grid, which when superimposed form a defined optical pattern that changes under load.
  • the relative change in position of the reference body can be detected optically, e.g. in the form of a moiré effect.
  • An evaluation of the determined difference is based on certain relationships between the difference and the force, load, torque and/or pressure acting on the component.
  • the method is based on a measurement of an acting force and/or a torque not at the point of application of the force, or not in the Power flow itself, but rather at a location that can be chosen as desired within limits, at which the force can be felt in the mechanical system or on the component, also known as the measuring body.
  • the force effect can be detected and determined by means of a relative position and/or a geometry.
  • the method can be based on the detection of relative positions and/or deformations or displacements of geometries.
  • the method is based on an indirect determination of an acting force, load and/or torque by means of an easily detectable effect of the force, load and/or torque.
  • the detectable effect of the force, load and/or torque on the component under consideration can be determined by means of a geometry and/or a relative position, in particular a surface and/or a structure, for example an edge, of the reference body in relation to the component or component under consideration. a pattern provided thereon can be easily detected by the sensor unit.
  • the reference body arranged on the component under consideration which can preferably only be firmly connected to the component on one side, can be regarded as largely unloaded when the component is acted upon. Accordingly, the reference body serves as an unloaded reference object for the loaded component.
  • the advantageous result here is that the mechanical system itself is not influenced or is only marginally influenced by a sensor arrangement based on the method.
  • the sensor arrangement is designed in particular in such a way that its mass is low, electrical contacting or optical contacting or data transmission to an evaluation unit has no influence on the function of the component under consideration, while at the same time the load can be clearly determined.
  • the method can also be used for an already existing mechanical system, which can be retrofitted with a corresponding sensor arrangement.
  • the reference body which can be fixed at its first end to the component under consideration, can extend with a free length largely parallel to the component up to a second end.
  • the second end is a free end and has a defined structure, edge, and/or face Mistake. The defined edge, area and/or structure at the second end of the reference body facilitates a position and/or geometry determination by the sensor unit.
  • the reference body can be designed as a U-shaped profile, with a first end being able to be fixed to the component.
  • the connection can be made by pressing, gluing and/or by means of an aid, e.g. a clamp or screw connection, so that the first end is fixed to the component and the free length of the reference body extends largely parallel to it.
  • the second end of the reference body rests on part of a surface of a sensor surface of the sensor unit positioned on the component, for example an optical sensor unit.
  • the sensor unit can include a commercially available camera image sensor, i.e. CCD or CMOS sensors, with pixel sizes from 1.5 micrometers, which are important with regard to the resolution and thus with regard to a load to be recorded.
  • another type of sensor can be used, which can then be combined with a reference body matched to it.
  • the second end of the reference body can also be fixed to the component under consideration, with the free length of the reference body extending largely parallel to the component. Accordingly, in certain mechanical systems, an increased effect under load on the component can be detected by means of the sensor unit provided.
  • a display element can be provided on the reference body, the displacement of which, induced by a relative elongation of the reference body with a changing load on the component, can be detected by means of the sensor unit that can be arranged accordingly.
  • the detectable geometry and/or the relative position of the reference body is on the one hand a reference value in an unloaded state or in a basic state and on the other hand, a measured value under load or changing load.
  • a change in the force and/or torque acting on the component can be determined from the difference between the reference value and the measured value.
  • the difference can be a path length and/or an angle or also an optical effect such as a moiré effect.
  • the evaluation of the values that can be determined is based on a relationship to be defined and varies depending on the mechanical system and application. For example, there can be a proportional relationship between the determined difference in the relative positions and the acting force, which can be described with a linear function. In the simple case of a linear position change due to an axially acting load on the component considered as the measuring body, this is proportional to the acting force, proportional to the free length of the reference body and inversely proportional to a spring constant of the measuring body. In other cases, the relationship between the relative
  • the evaluation can be based on a mathematical model that describes the acting force and/or the torque as a function of the recorded values and characteristics of the component. Alternatively, the evaluation can also be based on a previous
  • the sensor unit which can be arranged on the component under consideration in a position such that it detects geometries and/or relative positions, can be designed as an inductive, magnetic, optical, capacitive sensor unit or the like.
  • a suitable sensor unit can be selected that can be fixed directly to the component. It can also be provided that the sensor unit is not arranged directly on the component under consideration, but by means of a connecting means in an area can be arranged, in which the load acting on the component under consideration can be detected at least indirectly. It is advantageous that the sensor technology used by the sensor arrangement according to the invention is irrelevant to its functioning. Accordingly, a suitable sensor technology can be selected and used depending on the application or location.
  • the method according to the invention can be used universally. With the embodiments of the method, both linear, axial forces acting on a component and transverse forces acting transversely or at an angle to a longitudinal axis of the component, torques on a component designed as a longitudinal shaft and pressure forces, for example acting on and/ or in a component formed as a tube or container.
  • the method can also be used universally in the sense that it is used when the component under consideration is difficult or impossible to access and/or when the component's functionality would be impaired at the point of loading by a placed sensor arrangement.
  • the present invention also relates to a sensor arrangement based on the method according to the invention.
  • the sensor arrangement comprises a reference body, one end of which is fixed and which extends to a second end with a free length, and a sensor unit, which can be arranged on the component relative to the reference body, so that it is set up to have a geometry and /or to determine a relative position and/or structure of the reference body.
  • the sensor unit can be attached directly to the component.
  • the sensor unit for example designed as an optical sensor or a camera, can be arranged relative to the component and the second end of the reference body such that a relative displacement between the second end and the component under consideration can be detected.
  • the second end of the reference body has a structure which corresponds to a pattern or grid or structure provided on the component, so that when there is a relative change in position, there is an effect that can be optically detected by the sensor unit that can be arranged independently.
  • the senor arrangement it can be arranged on the component of the mechanical system, the reference body being fixable on the component with the first end, the free length extending largely parallel to a surface of the component and the sensor unit on the component or relative to the Component can be arranged to determine the changing geometry and / or relative position of the reference body.
  • the sensor arrangement is the
  • Reference body designed in the form of a rod or a plate with the first end, which can be fixed to a component of a mechanical system.
  • the reference body can also have another suitable form, for example a slotted sleeve and can be fixed to the component under consideration by means of a clamp connection.
  • the free length of the reference body can extend from the first fixed end to the second end, substantially parallel to the component under consideration.
  • the reference body can also be shaped in such a way that it is adapted to a surface of the component under consideration.
  • the second end of the reference body can according to a
  • Embodiment be formed as a free second end and have a defined structure, edge and / or surface, by means of which changes in geometry or shifts in relative positions can be detected.
  • the second end can also be clamped to the component, so that a kind of amplification of the measurement signal can be achieved.
  • a longitudinal extent of the free length of the reference body, in particular parallel to the component under consideration, can be selected such that when a force and/or load is applied, a relative movement of the reference body that can be measured by the sensor unit is generated.
  • the measuring sensitivity of the included sensor unit is too consider.
  • the free length of the reference body must be selected in such a way that even minimal changes in the component under consideration can be detected by the sensor unit.
  • Reference body an edge, surface and / or structure may be provided, which supports a determination of geometry and / or relative positions.
  • the reference body can be made of a material which has a coefficient of thermal expansion which corresponds to that of the component for which the load is from the
  • Sensor arrangement is verified. It is thus possible for the reference body and the loaded component of a mechanical system to experience comparable deformation and/or expansion due to thermal effects. According to one embodiment of the sensor arrangement
  • Sensor unit is designed as an inductive sensor, a magnetic sensor, capacitive sensor or an optical sensor.
  • the present invention relates to a use of the sensor arrangement.
  • the sensor arrangement can be used to determine a linear axial force acting on a linear measuring body.
  • the component When the component is subjected to an axially acting force, or a tensile or compressive force, the component referred to as the measuring body experiences a change in its length.
  • the reference body which is connected or clamped to the loaded component at its first end and extends with its free length approximately parallel to the longitudinal component, does not change its length or does not change its length to the same extent.
  • the force acting on the component in the longitudinal direction can accordingly be determined from the relative positions that can be determined by the sensor unit.
  • the force to be determined is proportional to the length of the reference body and inversely proportional to a Spring constant of the component. From the proportional relationship between the force to be determined and the free length of the reference body, it can be deduced that this value can be adjusted in order to achieve greater measurement accuracy.
  • the sensor arrangement is suitable for transverse force measurements, for example on a beam or beam which rests on bearings with its two ends. When the beam is loaded in a direction perpendicular to its longitudinal axis, the beam will deform to a certain extent, whereby the longitudinal axis of the beam assumes a curved course under load with a progressively changing inclination to the original position of the longitudinal axis.
  • a sensor arrangement arranged on the beam behaves differently under load.
  • the reference body which is detachably connected to the beam at the first end, also undergoes a change in position, with the longitudinal axis of the reference body having a constant value depending on the fastening position
  • Angle of inclination to the original position of the longitudinal axis includes.
  • the second free end of the reference body is shifted relative to the component designed as a measuring body.
  • the displacement can be detected by means of the sensor unit, which can be arranged on the component in a determinable position. From the displacement determined, an evaluation algorithm based on a mathematical model and/or based on a calibration of the system, comprising the sensor arrangement and the component designed as a measuring body, can be used to determine a relationship between the displacement or the measurement signal generated therefrom of the at least one sensor arrangement force and/or load acting on the beam.
  • the sensor arrangement can be used to measure a torque which acts on a shaft.
  • the sensor arrangement is arranged on the shaft so that, starting from the first fixable end of the reference body, its free length extends approximately parallel to the longitudinal axis of the shaft to its second free end.
  • the reference body When the shaft is twisted by a torque acting on it, the reference body remains in its position elongated shape.
  • a change in position of the second free end of the reference body relative to the peripheral surface of the shaft can be detected by the sensor unit. The change in position is proportional to the torque acting on the shaft and the measurement signal from the sensor unit can be evaluated accordingly.
  • a further example of use is the use of the sensor arrangement for determining rope loads, for example for a safety net or a safety net.
  • the sensor arrangement is advantageously designed in such a way that it can be subsequently arranged on a cable, the reference body being able to be placed on the cable with a first end by means of a detachable clamp connection and the sensor unit being able to be placed by means of a detachably attachable connecting means.
  • the sensor unit can be designed in such a way that it detects a position of a flag formed on the second end of the reference body, preferably without contact.
  • the sensor arrangement can also be used
  • Measurement of pressure are used.
  • the pressure that can deform the component in all three dimensions can be recorded on a container that can be pressurized with fluid or a pipe.
  • this can include, for example, a reference body which is in the tangential direction around the
  • the reference body of the sensor arrangement can also be used to detect an expansion of a pipe to which fluid is applied in all three dimensions and to evaluate it accordingly.
  • the sensor arrangement can also be used to
  • the measuring point does not allow a sensor arrangement to be placed without disturbing the function and/or the movement sequence of the component under consideration or the mechanical system and/or due to an intolerable load on the component under consideration at this point.
  • a conventional sensor in a system comprising a gripper of a robot and a gripped by this and object to be held cannot be placed without affecting the operation of the gripper.
  • the sensor arrangement according to the invention allows placement and arrangement outside of the power flow. Accordingly, the sensor arrangement can be positioned outside the gripping space, for example on components of the mechanical system following the gripper. The forces and deformations that occur when the gripper is actuated can also be detected at this position.
  • FIG. 1a shows a schematic perspective view of a
  • FIG. 1b shows a schematic side view of the sensor arrangement of the first embodiment in a first application
  • 1 c shows a schematic side view of the sensor arrangement of the first embodiment in a measurement situation
  • FIG. 2a shows a schematic side view of a sensor arrangement in a second application
  • FIG. 2b a schematic side view of the sensor arrangement according to FIG. 2a in a measuring situation
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of a sensor arrangement according to a second embodiment in an application
  • 4a shows a schematic perspective view of a sensor arrangement according to the first embodiment in a third application
  • FIG. 4b shows a schematic detailed plan view of the sensor arrangement according to FIG. 4a;
  • FIG. 4c shows a schematic detailed plan view of the sensor arrangement according to FIG. 4a in a measuring situation
  • 5a shows a schematic view of a sensor arrangement according to a third embodiment in an application
  • 5b shows a schematic view of a sensor arrangement according to FIG
  • 6a shows a schematic perspective view of a sensor arrangement in a measurement situation
  • FIG. 6b shows a schematic detailed view of the sensor arrangement according to FIG. 6a;
  • FIG. 7 shows a schematic plan view of a further embodiment of the sensor arrangement in an initial situation and a measurement situation.
  • FIG. 1a shows a schematic perspective view of a sensor arrangement 1.
  • the sensor arrangement 1 comprises a reference body 10 and at least one sensor unit 20.
  • the reference body 10 can be designed in a variety of shapes and dimensions.
  • the reference body 10 is designed as an elongated body, for example as a plate or rod.
  • a first end 12 of the reference body 10 is designed to be clamped to a component 100 of a mechanical system.
  • the first end 12 is detachably attached to the component 100 by means of a clamp and/or screw connection and/or non-detachably by means of adhesive bonding or welding.
  • a free length 13 of the reference body 10 extends, starting from the clampable first end 12, to a second end 14, which is designed as a free second end 14 in the exemplary embodiment shown.
  • the second free end 14 of the reference body 10 has an edge 15 which is suitable for defining a definable relative position in relation to the component 100 .
  • the edge 15 can also be a surface or an end region 16 with a scaling or structure 17 (shown in FIG. 1b) which is suitable for determining a relative position of this edge 15 or surface 16 in relation to the component 100 to determine.
  • the free length 13 of the reference body 10 is substantially parallel to the component 100 in the direction of a longitudinal axis 18 of the component 100.
  • the distance between the free length 13 of the reference body 10 and a surface of the component 100 should be as small as possible to be able to use the sensor arrangement 1 for small installation situations.
  • the sensor arrangement 1 also includes the sensor unit 20, which can be arranged relative to the reference body 10, in particular on or in relation to the component 100 referred to as the measuring body
  • Sensor unit 20 is set up to determine a relative position and/or a geometry of reference body 10 .
  • the sensor unit 20 can be designed as an optical, magnetic, capacitive or inductive sensor unit 20 .
  • the sensor unit 20 can be attached to the component 100 relative to the second free end 14 of the reference body 10, for example by gluing or in another suitable manner.
  • FIG. 1b shows a side view of the sensor arrangement 1 according to FIG. 1a in an initial situation.
  • the reference body 10 extends from its fixable first end 12 with the free length 13 to its second free end 14 largely parallel to the component 100 and at the second free end 14 the edge 15 is defined.
  • the sensor unit 20 arranged on the component 100 is set up to determine a reference value 30 of the edge 15 and/or a surface 16 and/or structure 17 of the reference body 10 .
  • FIG. 1c A measurement situation of the sensor arrangement 1 in relation to the component 100 is shown in FIG. 1c. If the elongate component 100 is loaded axially, i.e. subjected to a tensile or compressive force, the length of the elongate component 100 changes along the longitudinal axis 18. In contrast, the length of the reference body 10 remains largely constant despite loading.
  • the position and/or geometry of the reference body 10 that can be detected under load, i.e. the second free end 14, or the edge 15, surface 16 and/or structure 17 formed thereon, is determined by the
  • Sensor unit 20 is recorded as a measured value 32 and is related to the reference value 30 . From a difference 33, which in this case is a path length, the force acting on the elongate component 100 in the axial direction can be determined on the basis of a mathematical function. A displacement can also be in the form of an angle between longitudinal
  • Axes are determined, and the load forces and/or load torques acting on the component 100 are determined by means of an evaluation.
  • FIG. 2a shows a further application of the sensor arrangement 1 according to the invention according to the first embodiment.
  • the measuring body is an elongated one
  • Component 100 for example a carrier in a mechanical system, which is stored in end areas.
  • the first end 12 of the reference body 10 of the sensor arrangement 1 is connected to the component 100, it being possible for the connection to be a detachable attachment or a welded or adhesive connection or the like.
  • the reference body 10 extends with its free length 13 in the direction of the longitudinal axis 18 and largely parallel to the surface of the component 100 at a certain distance and ends in the second free end 14.
  • On the component 100 reference is made in the region of the second free end 14 arranged the sensor unit 20, for example by means of adhesion or by means of a connecting means.
  • the second free end 14 can comprise an edge 15, a structure or scaling 17 and/or a surface 16 which can be detected by the sensor unit 20 in order to be able to detect values which change when component 100 is loaded.
  • a reference value 30 can be recorded, to which further measured values 32 to be recorded can be related.
  • the reference value 30 is a distance between the edge 15 and the sensor unit 20, but it can also designate a different value, for example a position.
  • FIG. 2b shows a measurement situation of component 100, which is mounted on two bearings.
  • This application example is representative of a supported beam or beam in a building structure.
  • Transverse forces act on such a carrier or beam, i.e. forces transverse to the longitudinal axis 18 of the elongate component 100.
  • a sensor arrangement 1 that can be arranged on this component 100 comprises the reference body 10, which extends largely parallel to the longitudinal axis 18 and only by means of its first end 12 associated with this.
  • the loading of the mounted component 100 by transverse forces increasingly leads to a deflection of the component 100, the longitudinal axis 18 being at a constantly changing angle relative to its horizontal initial position.
  • the reference body 10 connected to the component 100 at the first end 12 assumes a position under load which can be described by a constant angle of inclination to the horizontal initial position.
  • This relative shift between the reference value 30 that can be detected by means of the sensor unit 20 arranged on the component 100 and a measured value 32 can be a difference 33 or can be described in the form of an angle.
  • This angle also referred to as differential angle 33, can be evaluated using a mathematical function in order to determine the value or values of the prevailing transverse forces.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the sensor arrangement 1 in an application example.
  • the sensor arrangement 1 according to the invention is arranged here in order to detect an internal pressure in a tube which can be acted upon by a fluid and which represents the component 100 designed as a measuring body.
  • a fluid-carrying pipe expands in all three dimensions under pressure.
  • the reference body 10 of Sensor arrangement 1 in the form of an open ring can be arranged on the circumference of the pipe and connected to the first end 12 thereon.
  • the reference body 10, designed as an open ring ends at the second end 14, on which an edge 15 is formed, which is positioned relative to the sensor unit 20 (not shown).
  • When fluid is applied to the tube the tube can expand, which can be detected by means of the arranged sensor arrangement 1 .
  • the change in pipe circumference can be considered to be largely proportional to the pressure.
  • other arrangements of the sensor arrangement 1 are also conceivable, which are suitable for detecting a change in the diameter and/or an axial dimension of the pipe to which fluid is
  • FIG. 4a shows the sensor arrangement 1 according to the first embodiment in a further application example.
  • the component 100 that can be referred to as a measuring body is a shaft that extends along a longitudinal axis 18 and is acted upon by torsional forces.
  • a shaft clamped on one side is shown, but shafts supported on both sides can also be considered as component 100.
  • the reference body 10 clamped on one side at the first end 12 can be regarded as unloaded, with the torsional forces and/or torques acting on the component 100 leading to a twisting of the shaft, which is compensated by the sensor arrangement 1 at the second end 14 by means of the sensor unit 20 are detectable.
  • FIG. 4b an unloaded position of the components 100 and the sensor arrangement 10 arranged thereon is shown in a detailed view.
  • the second free end 14 of the reference body 10 with its edge 15 or surface 16 formed thereon and the structure 17 can be seen.
  • the structure 17 is shown as an arrow, but can have a large number of shapes.
  • the sensor unit 20 is arranged on the component 100 under consideration in a position which is related to the second free end 14 . In this situation shown in FIG. 4b, the reference value 30 can be determined.
  • FIG. 4c A measurement situation is shown in FIG. 4c.
  • component 100 When component 100 is loaded, there is a relative change in position of edge 15, Surface 16 and/or structure 17, formed on the reference body 10, which can be detected by the sensor unit 20 positioned at a suitable point.
  • a torque acting on the component 100 under consideration causes a torsion which can be identified in the form of a differential angle 33 between the reference body 10 and the component 100 or between the reference value 30 and the measured value 32 .
  • the acting forces and/or torques can be determined by means of a mathematical relationship or by means of a calibration, with an evaluation taking place in a suitable unit to which the measurement data determined can be transmitted.
  • FIG. 5a shows a further embodiment of the sensor arrangement 1, which is arranged on a component 100 designed as a gripper.
  • the sensor arrangement 1 is not arranged directly in the stressed area, i.e. in the area where the component 100 designed as a gripper is operatively connected to a part 40 to be gripped, but rather in an area of the component 100 which is at least indirectly load is affected.
  • the sensor arrangement 1 is arranged laterally on the component 100 designed as a gripper, with the sensor unit 20 being detachably or non-detachably attached to it. If the position of gripper 100 changes, there is a relative displacement between reference body 10 clamped on one side at first end 12 and gripper 100 . As shown in Figure 5b, the position of the
  • Reference body 10 relative to the related with this gripper 100, so that the sensor unit 20, a measured value 32 can be detected.
  • This measured value 32, related to the reference value 30, can be evaluated.
  • the evaluation can be carried out in such a way that a value for the load on the gripper 100 can be generated from it.
  • FIG. 6a another example of use of a sensor assembly 1 is shown, wherein the component 100 as a cable and the Reference body 10 are designed as a slotted sleeve, which extends from the first fixed end 12 to the second end 14 with the free length 13.
  • the fixation of the first end 12 of the reference body 10 is solved in the illustrated embodiment by a simple clamp and screw connection.
  • a type of flag 11 with the defined edge 15 is formed at the second end 14 and extends from the reference body 10 .
  • the sensor unit 20 is detachably arranged on the component 100 by means of a connecting means 21, so that the lug 11 of the reference body 10 is arranged without contact between the legs of the sensor unit 20, as is shown in FIG. 6b.
  • the position of the lug 11 or the edge 15 (not shown) of the reference body 10 changes between the legs of the sensor unit 20, so that a measurement signal can be detected, which evaluates information about the load or a change in the Load in the form of a change in length of the rope-like component 100 there.
  • the sensor arrangement 1 or the sensor unit 20 is shown in detail in FIG. 6b.
  • the sensor unit 20 is arranged on the component 100 by means of a connecting means 21 .
  • the connecting means 21 is designed as a clamping sleeve which can be arranged on the component 100 designed as a cable by means of screw connections.
  • the free end 14 of the reference body 10 includes the lug 11, which protrudes tangentially and is accommodated between the legs of the sensor unit 20 without contact. If the component 100 shifts under load, in particular in the longitudinal direction, the position of the lug 11 changes relative to the legs of the sensor unit 20, which can be embodied as an optical sensor, for example.
  • a changing overlap between a light source and a receiver, arranged in the opposite legs of the sensor unit 20, allows conclusions to be drawn about the load acting in the cable in the axial direction.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the sensor arrangement 1 for a specific application, which once again illustrates how universally the method according to the invention can be used.
  • the component 100 that can be designated as a measuring body is a washer which is configured with an at least partially annular recess 110 in which the first end 12 of the reference body 10 is fixed.
  • the free length 13 of the reference body 10 runs largely in an arcuate manner within the recess 110 and ends in the second free end 14 with the edge 15 or a structure 17.
  • the load can be a compressive force acting on the washer 100, with the washer having a minimal elongation in learns radial direction, as indicated by the arrows F.
  • the sensor unit 20 (not shown) is placed in such a way that a change in position of the second end 14 of the reference body 10 generated when the washer 100 is loaded can be detected by the sensor unit 20 .
  • a difference value 33 between the reference value 30 in the unloaded state of the component 100 and the measured value 32 under load represents an initial value for determining the load, in this case a pressure load on the component 100 designed as a washer.
  • the reference body 10 can also be used as a type Measuring indicator can be viewed, the changing position of which can be detected and the values determined can be evaluated in terms of the method in order to verify the acting load. As can be seen from this or other examples, the
  • Dimension of the sensor arrangement can be adapted to the circumstances, with both miniaturized and correspondingly large-sized forms of the sensor arrangement 1 and/or the component 100 being conceivable.

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln von auf eine Komponente (100) wirkenden Kraft und/oder Drehmoment in einem mechanischen System mittels eines an der Komponente (100) mit einem ersten Ende (12) einspannbaren Referenzkörpers (10), dessen Geometrie und/oder relative Position zu der Komponente (100) von einer Sensoreinheit (20) erfasst wird und die wirkende Kraft und/oder das Drehmoment mittels einer Auswertung bestimmt werden.

Description

Verfahren zum Ermitteln von auf eine Komponente wirkenden Kraft und/oder Drehmoment, Sensoranordnung und Verwendung derselben
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln von auf eine Komponente wirkenden Kraft und/oder Drehmoment in einem mechanischen System sowie auf eine hierfür einsetzbare Sensoranordnung und eine Verwendung der Sensoranordnung in unterschiedlichen Bereichen.
Stand der Technik Verfahren zum Ermitteln von auf eine Komponente wirkenden Kraft und/ oder Drehmoment bzw. einer Position der Komponente in einem mechanischen System werden in vielen Bereichen und auf ganz unterschiedliche Technologien basierend eingesetzt. So werden die relative Lage und Ausrichtung zwischen einem Werkstück und einem Werkzeug in einer Bearbeitungsvorrichtung ermittelt, um eine exakte Bearbeitung zu ermöglichen oder es werden Kraft und Drehmoment in einem Robotersystem ermittelt, um dessen Funktionalität zu verbessern. Es ist bekannt, in mechanischen Systemen Sensoren einzusetzen, um Verformungen der belasteten Komponente rechtzeitig zu erkennen. Bekannte Sensoren zum Erfassen von in einem mechanischen
System wirkenden Kräften und/oder Lasten sowie elastischer Verformungen unterscheiden sich je nach Art der zu bestimmenden Kraft und/oder Last und/oder Verformung. Bekannt sind unter anderem lineare Kraftsensoren, Sensoren zum Erfassen von Drehmomenten, Sensoren zum Messen der Gravitationskraft von Objekten, d.h. Waagen und Drucksensoren zum Bestimmen von einer Kraft bezogen auf eine definierte Fläche. Generell umfassen Sensoren einen sensitiven Bereich mit einer Sensorik, welche sich hinsichtlich ihrer verwendeten Technologie unterscheiden und einer Auswerteeinheit, welche die messbare Grösse in eine elektrische Grösse umwandelt, die mittels einer Signalausgabe an ein Steuersystem übermittelbar ist.
Zur Erfassung von einer auf eine Komponente eines mechanischen Systems wirkenden Last bzw. Kraft ist es erforderlich, dass der Sensor direkt im Kraftfluss angeordnet ist und somit die vollständige Kraft durch den Sensor fliesst. Eine derartige Anordnung eines als Kraftaufnehmer ausgebildeten Sensors erfordert einen gewissen konstruktiven Aufwand, so dass eine nachträgliche Anbringung des Sensors in einem bestehenden mechanischen System deutlich erschwert, eingeschränkt oder sogar unmöglich ist. So kann an einem Seil kein oder nur sehr eingeschränkt ein Kraftaufnehmer so angeordnet werden, dass die Kraft in der Mitte des Seils erfassbar ist. Lediglich an zugänglichen Stellen des zu messenden Objekts bzw. der Komponente können Sensoreinheiten wie Dehnmessstreifen angebracht werden und dies auch nur mittels fachkundiger Klebung oder dergleichen.
Generell können als Kraftaufnehmer ausgebildete Sensoren mit Dehnmessstreifen (DMS) oder alternativ piezoelektrische Elemente für Kraftmessaufgaben eingesetzt werden. Indiziert durch Kraft- und/oder Lastwirkung bzw. einer generierten mechanischen Verformung ändern sich deren elektrische Eigenschaften, d.h. der elektrische Widerstand bzw. die Ladungsverteilung und diese Änderungen ist von dem Sensor erfassbar und von einer Auswerteeinheit auswertbar. Ferner sind auch optische Sensoren mit Sender und Empfänger einsetzbar, welche durch Kraftbeaufschlagung induzierte Positionsverschiebungen und/oder Verformungen von definierten Flächen detektieren. Aber auch Sensoren, welche aus einer erfassbaren mechanischen Resonanzfrequenz eines Elements eine mechanische Spannung ableiten, sind bereits bekannt.
Ebenfalls bekannt sind Sensoren, welche einen Referenzkörper und Detektionsmittel einsetzen, um eine relative Position des Referenzkörpers in Bezug zu dem betrachteten Objekt zu ermitteln und daraus eine Kraft- und/oder Lasteinwirkung auf das Objekt abzuleiten. So ist aus WO 2017/162634 ein Sensor bekannt, welcher an einem Tragelement einer Anhängerkupplung in einem Bereich auftretender Last eine Aussparung mit von einem definierten Abstand getrennten Referenzflächen aufweist. Der Sensor umfasst zwei separate Sensorelemente, welche den sich bei Belastung ändernden Abstand zwischen den Referenzflächen messen. Die Sensorelemente können die zwischen sich befindliche und unter Last verformende Spaltbreite kapazitiv, induktiv, optisch und/oder etc. erfassen.
Auch hier bedingt die Anordnung des Sensors eine gewisse Gestaltung des Messortes, welches in diesem Fall zu einer Schwächung des Tragelements durch die Aussparung führen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln von auf eine Komponente wirkenden Belastung, insbesondere einer wirkenden Kraft und/oder eines Drehmoments in einem mechanischen System vorzusehen, welches universell einsetzbar ist. Das Verfahren kann auch dann zur Anwendung kommen, wenn der Ort der Belastung bzw. die belastete Komponente selbst nicht zugänglich oder auch nicht geeignet ist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine universell einsetzbare Sensoranordnung vorzusehen, um eine auf eine Komponente eines mechanischen Systems wirkende Belastung, insbesondere Kraft und/oder Drehmoment, zu ermitteln, ohne dass es hierfür erforderlich ist, dass die Messung und die Anordnung der Sensoranordnung im Kraftfluss der wirkenden Kraft erfolgt bzw. liegt. Insbesondere kann die Sensoranordnung auch nachträglich an der Komponente bzw. in einem mechanischen System angebracht werden, ohne dass das System selbst und wenn doch nur marginal davon beeinträchtigt ist.
Die Aufgaben werden insbesondere durch die Merkmale eines Verfahrens gemäss dem Anspruch 1 , einer Sensoranordnung gemäss dem Anspruch 8 und Verwendungen der Sensoranordnung gemäss den Ansprüchen 14 bis 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche wiedergegeben. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Ermitteln von auf eine Komponente wirkenden Kraft und/oder Drehmoment in einem mechanischen System nutzt einen an der Komponente mit einem ersten Ende einspannbaren bzw. fixierbaren Referenzkörper, dessen Geometrie und/oder Position relativ zu der Komponente mittels einer an oder relativ zu der Komponente anordenbaren Sensoreinheit erfasst wird und die wirkende Kraft und/oder das wirkende Drehmoment mittels einer Auswertung bestimmbar sind.
In einem unbelasteten Zustand oder einem festlegbaren Ausgangszustand der Komponente in einem mechanischen System, beispielsweise eine Welle, ein Seil oder ein Stab in einer Konstruktion, ein
Querbalken in einer Tragkonstruktion, ein Greifer, ein Werkzeug etc. oder auch ein Fluidführendes Rohr bzw. ein Behälter, kann die Sensoreinheit eine Geometrie und/oder eine relative Position des Referenzkörpers bestimmen und diese als Referenzwert definieren. Unter Belastung bzw. bei veränderter Belastung des mechanischen Systems bzw. der Komponente verändert sich die Geometrie und/oder die relative Position des Referenzkörpers gegenüber der Komponente und ist von der Sensoreinheit als Messwert detektierbar. Die Differenz zwischen dem Referenzwert und dem Messwert kann je nach Messsituation eine lineare Verschiebung entlang einer longitudinalen Achse der Komponente, eine Neigung gegen eine longitudinale Achse der Komponente und/oder eine Umfangsänderung oder etc. sein.
Alternativ kann eine Belastung einer Komponente auch mittels einer Musterverschiebung optisch erfasst werden. Hierbei kann die Komponente ein Linienmuster bzw. Rasterung und der Referenzkörper eine Struktur in Form eines Rasters aufweisen, welche bei Überlagerung ein definiertes optisches Muster bilden, das sich unter Belastung verändert. Die relative Positionsänderung des Referenzkörpers ist z.B. in Form eines Moire- Effekts optisch erfassbar. Eine Auswertung der ermittelten Differenz basiert auf gewissen Zusammenhängen zwischen der Differenz und der auf die Komponente wirkenden Kraft, Last, Drehmoment und/oder Druck.
Das Verfahren basiert auf einer Messung einer wirkenden Kraft und/oder eines Drehmoments nicht am Ort der Krafteinwirkung, bzw. nicht im Kraftfluss, selbst sondern an einem in Grenzen beliebig wählbaren Ort, an dem die Kraft in dem mechanischen System bzw. an der auch als Messkörper bezeichneten Komponente bemerkbar ist. Die Kraftwirkung ist mittels einer relativen Position und/oder einer Geometrie detektierbar und bestimmbar. Das Verfahren kann auf der Detektion von relativen Positionen und/oder von Verformungen bzw. Verschiebungen von Geometrien basieren.
Das Verfahren stützt sich auf eine indirekte Ermittlung einer wirkenden Kraft, Last und/oder Drehmoment mittels einer einfach detektierbaren Wirkung der Kraft, Last und/oder des Drehmoments. Die detektierbare Wirkung der Kraft, Last und/oder des Drehmoments auf die betrachtete Komponente kann mittels einer Geometrie und/oder einer relativen Position, insbesondere einer Fläche und/oder einer Struktur, beispielsweise einer Kante, des Referenzkörpers in Relation zu der betrachteten Komponente bzw. einem daran vorgesehenen Muster von der Sensoreinheit leicht erfasst werden. Der an der betrachteten Komponente angeordnete Referenzkörper, welcher vorzugsweise nur an einer Seite fest mit der Komponente verbindbar ist, kann bei Beaufschlagung der Komponente als weitgehend unbelastet angesehen werden. Demnach dient der Referenzkörper als unbelastetes Bezugsobjekt für die belastete Komponente. Hierbei ergibt sich vorteilhaft, dass das mechanische System selbst durch eine auf das Verfahren basierende Sensoranordnung nicht oder nur marginal beeinflusst wird. Die Sensoranordnung ist insbesondere derart ausgebildet, dass ihre Masse gering ist, eine elektrische Kontaktierung oder eine optische Kontaktierung bzw. eine Datenübertragung zu einer Auswerteeinheit keinen Einfluss auf die Funktion der betrachteten Komponente hat, wobei gleichzeitig die Belastung eindeutig bestimmbar ist. Ferner ergibt sich vorteilhaft, dass das Verfahren auch für ein bereits bestehendes mechanisches System einsetzbar ist, welches mit einer entsprechenden Sensoranordnung nachrüstbar ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann der Referenzkörper, welcher an seinem ersten Ende an der betrachteten Komponente fixierbar ist, sich mit einer freien Länge weitgehend parallel zu der Komponente bis zu einem zweiten Ende erstrecken. In einer Ausführungsform ist das zweite Ende ein freies Ende und mit einer definierten Struktur, einer Kante und/oder Fläche versehen. Die definierte Kante, Fläche und/oder Struktur am zweiten Ende des Referenzkörpers erleichtert eine Positions- und/oder Geometriebestimmung durch die Sensoreinheit.
Beispielsweise kann der Referenzkörper als ein u-förmiges Profil ausgebildet sein, wobei ein erstes Ende an der Komponente fixierbar ist. Die Verbindung kann durch Verpressen, Kleben und/oder mittels eines Hilfsmittels, z.B. einer Klemm- oder Schraubverbindung, erfolgen, so dass das erste Ende an der Komponente fixiert und sich die freie Länge des Referenzkörpers weitgehend parallel zu dieser erstreckt. Denkbar ist auch, dass das zweite Ende des Referenzkörpers auf einem Teil einer Fläche einer auf der Komponente positionierten Sensorfläche der Sensoreinheit anliegt, beispielsweise einer optischen Sensoreinheit. Die Sensoreinheit kann einen handelsüblichen Kamera-Bildsensor, d.h. CCD oder CMOS Sensoren, umfassen, mit Pixelgrössen ab 1.5 Mikrometer, welche hinsichtlich der Auflösung und somit hinsichtlich einer zu erfassenden Belastung von Bedeutung sind. Alternativ kann anstatt einer optischen Sensoreinheit ein anderer Sensortyp verwendet werden, welcher dann mit einem auf diesen abgestimmten Referenzkörper kombinierbar ist.
In einer anderen Ausführungsform ist das zweite Ende des Referenzkörpers ebenfalls an der betrachteten Komponente fixierbar, wobei sich der Referenzkörper mit der freien Länge weitgehend parallel zu der Komponente erstreckt. Demnach kann in bestimmten mechanischen Systemen ein verstärkter Effekt unter Belastung der Komponente mittels der vorgesehenen Sensoreinheit detektiert werden. Beispielsweise kann an dem Referenzkörper ein Anzeigeelement vorgesehen sein, dessen Verschiebung, induziert durch eine relative Längung des Referenzkörpers bei einer sich ändernden Belastung der Komponente, mittels der entsprechend anordenbaren Sensoreinheit erfassbar ist.
Gemäss einer Variante des Verfahrens liegt die erfassbare Geometrie und/oder die relative Position des Referenzkörpers einerseits einen Referenzwert in einem unbelasteten oder einem Grundzustand und andererseits unter Belastung oder sich ändernder Belastung einen Messwert fest. Aus der Differenz von Referenzwert und Messwert kann eine Änderung der auf die Komponente wirkenden Kraft und/oder Drehmoment ermittelt werden. Die Differenz kann je nach Fall eine Weglänge und/oder ein Winkel sein bzw. auch ein optischer Effekt wie ein Moire-Effekt.
Die Auswertung der ermittelbaren Werte basiert auf einem zu definierenden Zusammenhang und variiert je nach mechanischem System und Anwendung. Beispielsweise kann ein proportionaler Zusammenhang zwischen der ermittelten Differenz der relativen Positionen und der wirkenden Kraft bestehen, welcher mit einer linearen Funktion beschreibbar ist. In dem einfachen Fall einer linearen Positionsänderung aufgrund einer axial wirkenden Belastung der als Messkörper betrachteten Komponente ist diese proportional zur wirkenden Kraft, proportional zur freien Länge des Referenzkörpers und umgekehrt proportional zu einer Federkonstanten des Messkörpers. In anderen Fällen kann der Zusammenhang zwischen den relativen
Positionen und der zu bestimmenden Kraft, Last und/oder Drehmoment nichtlinear sein. Die Auswertung kann auf einem mathematischen Modell basieren, welches die wirkende Kraft und/oder das Drehmoment als Funktion der erfassten Werte und Merkmalen der Komponente beschreiben. Alternativ kann die Auswertung auch anhand einer vorhergehenden
Kalibrierung erfolgen, welche die wirkende Kraft und/oder das wirkende Drehmoment und die Differenz relativer Positionen und/oder Geometrien in einen Kontext zueinander stellt.
Die Sensoreinheit, welche an der betrachteten Komponente in einer Position anordenbar ist, dass sie Geometrien und/oder relative Positionen erfasst, kann als induktive, magnetische, optische, kapazitive Sensoreinheit oder dergleichen ausgebildet sein. Je nach Anwendungsgebiet und/oder Einsatzort kann demnach eine geeignete Sensoreinheit gewählt werden, welche direkt an der Komponente fixierbar ist. Es ist ebenfalls vorsehbar, dass die Sensoreinheit nicht unmittelbar an der betrachteten Komponente angeordnet ist, sondern mittels eines Verbindungsmittels in einem Bereich anordenbar ist, in welchem zumindest mittelbar die auf die betrachtete Komponente wirkende Belastung detektierbar ist. Vorteilhaft ist, dass die von der erfindungsgemässen Sensoranordnung eingesetzte Sensor-Technologie ohne Relevanz für deren Funktionsweise ist. Demnach kann je nach Einsatz bzw. Einsatzort eine geeignete Sensor-Technologie gewählt und eingesetzt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist universell einsetzbar. Mit den Ausführungsformen des Verfahrens können sowohl auf eine Komponente wirkende lineare, axiale Kräfte ermittelt werden als auch quer bzw. in einem Winkel zu einer longitudinalen Achse der Komponente wirkende Querkräfte, Drehmomente auf eine als longitudinale Welle ausgebildete Komponente sowie Druckkräfte, beispielsweise wirkend auf und/oder in einer als Rohr oder Behälter ausgebildeten Komponente. Universell einsetzbar ist das Verfahren auch in dem Sinne, dass es Anwendung findet, wenn die betrachtete Komponente nur schwer oder nicht zugänglich ist und/oder wenn die Komponente am Ort der Belastung durch eine platzierte Sensoranordnung in ihrer Funktionalität beeinträchtigt wäre.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Sensoranordnung, basierend auf dem erfindungsgemässen Verfahren. Die Sensoranordnung umfasst einen Referenzkörper, dessen eines erstes Ende fixiert ist und der sich mit einer freien Länge zu einem zweiten Ende erstreckt, sowie eine Sensoreinheit, welche relativ zu dem Referenzkörper an der Komponente anordenbar ist, so dass diese eingerichtet ist, um eine Geometrie und/oder eine relative Position und/oder Struktur des Referenzkörpers zu bestimmen. In einer Ausführungsform kann die Sensoreinheit direkt an der Komponente befestigt sein. Alternativ kann die Sensoreinheit, beispielsweise ausgebildet als ein optischer Sensor oder eine Kamera, relativ zu der Komponente und dem zweiten Ende des Referenzkörpers angeordnet sein, dass eine relative Verschiebung zwischen dem zweiten Ende und der betrachteten Komponente detektierbar ist. Hierbei ist denkbar, dass das zweite Ende des Referenzkörpers eine Struktur aufweist, welche mit einem auf der Komponente vorgesehenen Muster bzw. Raster oder Struktur korrespondiert, so dass bei einer relativen Positionsänderung ein von der unabhängig anordenbaren Sensoreinheit optisch erfassbarer Effekt entsteht.
Gemäss einer Ausführungsform der Sensoranordnung ist diese an der Komponente des mechanischen Systems anordenbar, wobei der Referenzkörper an der Komponente mit dem ersten Ende fixierbar ist, sich die freie Länge weitgehend parallel zu einer Oberfläche der Komponente erstreckt und die Sensoreinheit an der Komponente oder relativ zu der Komponente anordenbar ist, um die sich ändernde Geometrie und/oder relative Position des Referenzkörpers zu bestimmen. In einer Ausführungsform der Sensoranordnung ist der
Referenzkörper in Form eines Stabes oder einer Platte mit dem ersten Ende ausgebildet, welches an einer Komponente eines mechanischen Systems fixierbar ist. Der Referenzkörper kann aber auch eine andere geeignete Form haben, beispielsweise eine geschlitzte Hülse und mittels einer Klemmverbindung an der betrachteten Komponente fixiert werden. Die freie Länge des Referenzkörpers kann sich ausgehend von dem ersten fixierten Ende bis zu dem zweiten Ende erstrecken, weitgehend parallel zu der betrachteten Komponente. Dabei kann der Referenzkörper auch derart geformt sein, dass er an eine Oberfläche der betrachteten Komponente angepasst ist. Das zweite Ende des Referenzkörpers kann gemäss einer
Ausführungsform als ein freies zweites Ende ausgebildet sein und eine definierte Struktur, Kante und/oder Fläche aufweisen, mittels dieser Veränderungen der Geometrie oder Verschiebungen von relativen Positionen detektierbar sind. Alternativ kann das zweite Ende ebenfalls an der Komponente eingespannt sein, so dass eine Art Verstärkung des Messsignals erreicht werden kann.
Eine Längserstreckung der freien Länge des Referenzkörpers, insbesondere parallel zu der betrachteten Komponente, kann derart gewählt werden, dass bei Kraft- und/oder Lastbeaufschlagung eine von der Sensoreinheit messbare Relativbewegung des Referenzkörpers erzeugt wird. Hierfür ist die Messempfindlichkeit der umfassten Sensoreinheit zu berücksichtigen. Im Falle einer in longitudinaler Richtung beaufschlagten Komponente ist die freie Länge des Referenzkörpers so zu wählen, dass auch minimale Veränderungen der betrachteten Komponente von der Sensoreinheit erfassbar sind. In einer weiteren Ausführungsform kann zumindest teilweise an dem
Referenzkörper eine Kante, Fläche und/oder Struktur vorgesehen sein, welche eine Ermittlung von Geometrie und/oder relativer Positionen unterstützt.
Der Referenzkörper kann in einer Ausführungsform in einem Material gefertigt sein, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der demjenigen der Komponente entspricht, für welche die Belastung von der
Sensoranordnung verifiziert wird. Somit ist es möglich, dass der Referenzkörper und die belastete Komponente eines mechanischen Systems eine vergleichbare Verformung und/oder Dehnung aufgrund thermischer Effekte erfahren. Gemäss einer Ausführungsform der Sensoranordnung ist die
Sensoreinheit als ein induktiver Sensor, ein magnetischer Sensor, kapazitiver Sensor oder ein optischer Sensor ausgebildet ist.
Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Verwendung der Sensoranordnung. Gemäss einer Ausführungsform kann die Sensoranordnung eingesetzt werden, um an einem linearen Messkörper eine auf diesen wirkende lineare axiale Kraft zu ermitteln. Bei einer Beaufschlagung der Komponente mit einer axial wirkenden Kraft, bzw. einer Zug- oder Druckkraft, erfährt die als Messkörper bezeichnete Komponente eine Veränderung ihrer Länge. Der mit der belasteten Komponente mit seinem ersten Ende verbundene bzw. eingespannte Referenzkörper, welcher sich mit seiner freien Länge in etwa parallel zur longitudinalen Komponente erstreckt, erfährt aber nicht oder nicht im gleichen Masse eine Veränderung seiner Länge. Aus den von der Sensoreinheit ermittelbaren relativen Positionen kann demnach die auf die Komponente in longitudinaler Richtung wirkende Kraft bestimmt werden. Insbesondere ist die zu ermittelnde Kraft proportional zu der Länge des Referenzkörpers und umgekehrt proportional zu einer Federkonstante der Komponente. Aus dem proportionalen Zusammenhang zwischen zu ermittelnder Kraft und der freien Länge des Referenzkörpers kann abgeleitet werden, dass dieser Wert anpassbar ist, um eine höhere Genauigkeit der Messung zu erzielen. Ferner ist die Sensoranordnung geeignet für Querkraft-Messungen beispielsweise an einem Balken bzw. Träger, welcher mit seinen zwei Enden auf Lagern aufliegt. Bei einer Belastung des Balkens in einer Richtung senkrecht zu seiner longitudinalen Achse wird sich der Balken in einem gewissen Mass verformen, wobei die longitudinale Achse des Balkens unter Last einen gekrümmten Verlauf mit einer sich fortlaufend ändernden Neigung zur ursprünglichen Lage der longitudinalen Achse annimmt. Eine an dem Balken angeordnete Sensoranordnung verhält sich dagegen unter Last anders. Der an dem ersten Ende mit dem Balken lösbar verbundene Referenzkörper erfährt ebenfalls eine Lageänderung, wobei die Längsachse des Referenzkörpers je nach Befestigungsposition einen konstanten
Neigungswinkel zur ursprünglichen Lage der longitudinalen Achse einschliesst. Das zweite freie Ende des Referenzkörpers wird relativ zu der als Messkörper ausgebildeten Komponente verschoben. Die Verschiebung kann mittels der Sensoreinheit detektiert werden, welche an der Komponente in einer bestimmbaren Position anordenbar ist. Aus der ermittelten Verschiebung kann mittels eines Auswertealgorithmus, basierend auf einem mathematischen Modell und/oder basierend auf einer Kalibrierung des Systems, umfassend Sensoranordnung und als Messkörper ausgebildete Komponente, eine Beziehung zwischen der Verschiebung bzw. dem daraus generierten Messsignal der mindestens einen Sensoranordnung auf die auf den Balken wirkende Kraft und/oder Last geschlossen werden.
Gemäss einer weiteren Verwendung kann die Sensoranordnung eingesetzt werden zur Messung eines Drehmoments, welches an einer Welle wirkt. Hierfür wird die Sensoranordnung an der Welle angeordnet, so dass sich ausgehend von dem ersten fixierbaren Ende des Referenzkörpers dieser sich mit seiner freien Länge näherungsweise parallel zur longitudinalen Achse der Welle erstreckt bis zu seinem zweiten freien Ende. Bei Torsion der Welle durch ein auf diese wirkendes Drehmoment bleibt der Referenzkörper in seiner langgestreckten Form. Eine Positionsänderung des zweiten freien Endes des Referenzkörpers relativ zur Umfangsfläche der Welle ist mittels der Sensoreinheit detektierbar. Die Positionsänderung ist proportional zu dem auf die Welle wirkenden Drehmoment und das Messsignal der Sensoreinheit kann entsprechend ausgewertet werden.
Ein weiteres Verwendungsbeispiel ist die Anwendung der Sensoranordnung zur Ermittlung von Seillasten, beispielsweise für ein Auffangnetz bzw. ein Schutznetz. Vorteilhaft ist die Sensoranordnung derart ausgebildet, dass sie nachträglich an einem Seil anordenbar ist, wobei der Referenzkörper mittels einer lösbaren Klemmverbindung auf dem Seil mit einem ersten Ende und die Sensoreinheit mittels eines lösbar anbringbaren Verbindungsmittel platzierbar sind. Die Sensoreinheit kann derart ausgebildet, dass sie eine Position einer an dem zweiten Ende des Referenzkörpers ausgebildeten Fahne erfasst, vorzugsweise berührungslos. Gemäss einer Variante kann die Sensoranordnung auch zur
Messung von Druck eingesetzt werden. Hierbei kann beispielsweise an einem mit Fluid beaufschlagbaren Behälter oder einem Leitungsrohr der Druck erfasst werden, welcher die Komponente in allen drei Dimensionen verformen kann. Je nach gestellter Messaufgabe der Sensoranordnung kann diese beispielsweise einen Referenzkörper umfassen, welcher in tangentialer Richtung um die
Komponente angeordnet ist. Aber auch andere Anordnungen und Formen des Referenzkörpers der Sensoranordnung sind denkbar, um eine Ausdehnung eines mit Fluid beaufschlagten Rohres in allen drei Dimensionen zu erfassen und entsprechend auszuwerten. Die Sensoranordnung kann aber ebenfalls eingesetzt werden, um
Kräfte und/oder Lasten an Stellen zu bestimmen, welche nur schwer zugänglich sind. Oder die Messstelle erlaubt es nicht, eine Sensoranordnung zu platzieren, ohne die Funktion und/oder den Bewegungsablauf der betrachteten Komponente oder des mechanischen Systems zu stören und/oder aufgrund einer nicht tolerierbaren Belastung der betrachteten Komponente an dieser Stelle. Beispielsweise kann ein herkömmlicher Sensor in einem System, umfassend einen Greifer eines Roboters und ein von diesem zu greifendes und zu haltendes Objekt, nicht ohne Beeinflussung der Arbeitsweise des Greifers platziert werden. Die erfindungsgemässe Sensoranordnung erlaubt aber eine Platzierung und Anordnung ausserhalb des Kraftflusses. Demnach kann eine Positionierung der Sensoranordnung ausserhalb des Greifraumes, beispielsweise an Komponenten des mechanischen Systems folgend auf den Greifer, vorgesehen sein. Auch an dieser Position können die Kräfte und die Verformungen detektiert werden, welche bei einer Betätigung des Greifers auftreten.
Weitere Anwendungen sind möglich, wobei die erfindungsgemässe Sensoranordnung entsprechend der gestellten Messaufgabe ausgebildet und dimensioniert ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1a eine schematische perspektivische Ansicht einer
Sensoranordnung gemäss einer ersten Ausführungsform;
Fig. 1 b eine schematische Seitenansicht der Sensoranordnung der ersten Ausführungsform in einer ersten Anwendung;
Fig. 1 c eine schematische Seitenansicht der Sensoranordnung der ersten Ausführungsform in einer Messsituation;
Fig. 2a eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung in einer zweiten Anwendung;
Fig. 2b: eine schematische Seitenansicht der Sensoranordnung gemäss Fig. 2a in einer Messsituation;
Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung gemäss einer zweiten Ausführungsform in einer Anwendung; Fig. 4a eine schematische perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung gemäss der ersten Ausführungsform in einer dritten Anwendung;
Fig. 4b eine schematische Detailaufsicht auf die Sensoranordnung gemäss Fig. 4a;
Fig. 4c eine schematische Detailaufsicht auf die Sensoranordnung gemäss Fig. 4a in einer Messsituation;
Fig. 5a eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung gemäss einer dritten Ausführungsform in einer Anwendung; Fig. 5b eine schematische Ansicht einer Sensorordnung gemäss
Fig. 5a in einer Messsituation
Fig. 6a eine schematische perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung in einer Messsituation;
Fig. 6b eine schematische Detailansicht der Sensoranordnung gemäss Fig. 6a;
Fig. 7 eine schematische Aufsicht einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung in einer Ausgangssituation und einer Messsituation.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung 1. Die Sensoranordnung 1 umfasst einen Referenzkörper 10 und mindestens eine Sensoreinheit 20. Der Referenzkörper 10 kann in vielfältiger Form und Abmessungen ausgebildet sein. In der dargestellten Ausführungsform der Sensoranordnung 1 ist der Referenzkörper 10 als ein langgestreckter Körper ausgebildet, beispielsweise als Platte oder Stab. Ein erstes Ende 12 des Referenzkörpers 10 ist eingerichtet, um an einer Komponente 100 eines mechanischen Systems eingespannt zu werden. Insbesondere wird das erste Ende 12 lösbar an der Komponente 100 mittels einer Klemm- und/oder Schraubverbindung und/oder unlösbar mittels Klebung, Schweissung befestigt. Eine freie Länge 13 des Referenzkörpers 10 erstreckt sich, ausgehend von dem einspannbaren ersten Ende 12, zu einem zweiten Ende 14, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als freies zweites Ende 14 ausgebildet ist. Das zweite freie Ende 14 des Referenzkörpers 10 weist eine Kante 15 auf, welche zur Festlegung einer definierbaren relativen Position in Bezug zu der Komponente 100 geeignet ist. Die Kante 15 kann aber auch eine Fläche oder ein Endbereich 16 mit einer Skalierung bzw. Struktur 17 (dargestellt in Fig. 1b) sein, welche geeignet ist, um eine relative Position dieser Kante 15, bzw. Fläche 16, in Bezug zu der Komponente 100 zu ermitteln.
In der dargestellten Ausführungsform verläuft die freie Länge 13 des Referenzkörpers 10 weitgehend parallel zu der Komponente 100 in Richtung einer longitudinalen Achse 18 der Komponente 100. Der Abstand zwischen der freien Länge 13 des Referenzkörpers 10 und einer Oberfläche der Komponente 100 sollte möglichst klein sein, um die Sensoranordnung 1 auch für kleine Einbausituationen verwenden zu können.
Die Sensoranordnung 1 umfasst ferner die Sensoreinheit 20, welche relativ zu dem Referenzkörper 10 anordenbar ist, insbesondere an oder in Bezug zu der als Messkörper bezeichneten Komponente 100. Die
Sensoreinheit 20 ist eingerichtet, um eine relative Position und/oder eine Geometrie des Referenzkörpers 10 zu bestimmen. Die Sensoreinheit 20 kann dabei als optischer, magnetischer, kapazitiver oder induktive Sensoreinheit 20 ausgebildet sein. Die Sensoreinheit 20 kann an der Komponente 100 relativ zu dem zweiten freien Ende 14 des Referenzkörpers 10 angebracht sein, beispielsweise durch Klebung oder in einer anderen geeigneten Weise.
In Figur 1 b ist eine Seitenansicht der Sensoranordnung 1 gemäss der Figur 1a in einer Ausgangssituation dargestellt. Hierbei ist erkennbar, dass sich der Referenzkörper 10 von seinem fixierbaren ersten Ende 12 mit der freien Länge 13 bis zu seinem zweiten freien Ende 14 weitgehend parallel zur Komponente 100 erstreckt und an dem zweiten freien Ende 14 die Kante 15 definiert ist. Die an der Komponenten 100 angeordnete Sensoreinheit 20 ist eingerichtet, um einen Referenzwert 30 der Kante 15 und/oder einer Fläche 16 und/oder Struktur 17 des Referenzkörpers 10 zu bestimmen.
In Figur 1c ist eine Messsituation der Sensoranordnung 1 in Bezug auf die Komponente 100 dargestellt. Wird die langgestreckte Komponente 100 axial belastet, d.h. mit einer Zug- oder Druckkraft beaufschlagt, ändert sich die Länge der langgestreckten Komponente 100 entlang der longitudinalen Achse 18. Dagegen bleibt trotz Belastung die Länge des Referenzkörpers 10 weitgehend konstant. Die unter Last detektierbare Position und/oder Geometrie des Referenzkörpers 10, d.h. des zweiten freien Endes 14, bzw. der daran ausgebildeten Kante 15, Fläche 16 und/oder Struktur 17, wird von der
Sensoreinheit 20 als Messwert 32 erfasst und in Bezug zu dem Referenzwert 30 gesetzt. Aus einer Differenz 33, welche in diesem Fall eine Weglänge ist, kann aufgrund einer mathematischen Funktion, die auf die längliche Komponente 100 wirkende Kraft in axialer Richtung bestimmt werden. Eine Verschiebung kann auch in Form eines Winkels zwischen longitudinalen
Achsen ermittelt, und mittels einer Auswertung die Belastungskräfte und/oder Belastungsdrehmomente wirkend auf die Komponente 100 bestimmt werden.
In Figur 2a ist eine weitere Anwendung der erfindungsgemässen Sensoranordnung 1 gemäss der ersten Ausführungsform dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Messkörper eine langgestreckte
Komponente 100, beispielsweise ein Träger in einem mechanischen System, welcher in Endbereichen gelagert ist. Der Referenzkörper 10 der Sensoranordnung 1 ist mit seinem ersten Ende 12 mit der Komponente 100 verbunden, wobei die Verbindung eine lösbare Befestigung sein kann oder eine Schweiss- oder Klebverbindung oder dergleichen. Der Referenzkörper 10 erstreckt sich mit seiner freien Länge 13 in Richtung der longitudinalen Achse 18 und weitgehende parallel zur Oberfläche der Komponente 100 mit einem gewissen Abstand und endet in dem zweiten freien Ende 14. An der Komponente 100 ist mit Bezug im Bereich des zweiten freien Endes 14 die Sensoreinheit 20 angeordnet, beispielsweise mittels Klebung oder mittels eines Verbindungsmittels. Das zweite freie Ende 14 kann eine Kante 15, eine Struktur bzw. Skalierung 17 und/oder eine Fläche 16 umfassen, welche von der Sensoreinheit 20 detektierbar ist, um somit Werte erfassen zu können, welche sich bei Belastung der Komponente 100 ändern. In einem unbelasteten Zustand oder in einem definierbaren Zustand der Komponente 100 kann ein Referenzwert 30 erfasst werden, auf den weitere zu erfassende Messwerte 32 bezogen werden können. Der Referenzwert 30 ist in dem dargestellten Beispiel ein Abstand zwischen der Kante 15 und der Sensoreinheit 20, kann aber auch einen anderen Wert z.B. eine Position bezeichnen.
In Figur 2b ist eine Messsituation der Komponente 100 dargestellt, welche auf zwei Lagern gelagert ist. Dieses Anwendungsbeispiel ist repräsentativ für einen gelagerten Balken oder Träger in einer Baukonstruktion. Auf einen derartigen Träger oder Balken wirken Querkräfte, d.h. Kräfte quer zur longitudinalen Achse 18 der langgestreckten Komponente 100. Ein an dieser Komponente 100 anordenbare Sensoranordnung 1 umfasst den Referenzkörper 10, welcher sich weitgehend parallel zur longitudinalen Achse 18 erstreckt und lediglich mittels seines ersten Endes 12 mit dieser verbunden ist. Die Belastung der gelagerten Komponente 100 durch Querkräfte führt verstärkt zu einer Durchbiegung der Komponente 100, wobei die longitudinale Achse 18 relativ zu ihrer horizontalen Ausgangslage in einem sich stetig verändernden Winkel steht. Der mit der Komponente 100 an dem ersten Ende 12 verbundene Referenzkörper 10 nimmt dagegen unter Belastung eine Position ein, welche durch einen konstanten Neigungswinkel zu der horizontalen Ausgangslage beschreibbar ist. Diese relative Verschiebung zwischen dem mittels der an der Komponente 100 angeordneten Sensoreinheit 20 erfassbaren Referenzwert 30 und einem Messwert 32 kann eine Differenz 33 sein oder in Form eines Winkels beschrieben werden. Dieser auch als Differenzwinkel 33 bezeichnete Winkel kann mittels einer mathematischen Funktion ausgewertet werden, um den oder die Werte der herrschenden Querkräfte zu ermitteln.
In Figur 3 ist eine zweite Ausführungsform der Sensoranordnung 1 in einem Anwendungsbeispiel dargestellt. Hier ist die erfindungsgemässe Sensoranordnung 1 angeordnet, um einen Innendruck in einem mit einem Fluid beaufschlagbaren Rohr zu erfassen, welches die als Messkörper ausgebildete Komponente 100 darstellt. Ein fluidführendes Rohr dehnt sich unter Druck in allen drei Dimensionen. Demnach kann der Referenzkörper 10 der Sensoranordnung 1 in Form eines offenen Rings am Umfang des Rohrs angeordnet und mit dem ersten Ende 12 daran verbunden sein. Der als offener Ring ausgebildete Referenzkörper 10 endet an dem zweiten Ende 14, an welchem eine Kante 15 ausgebildet ist, die relativ zu der Sensoreinheit 20 (nicht dargestellt) positioniert ist. Bei Beaufschlagung des Rohrs mit Fluid kann es zu einer Erweiterung des Rohrs kommen, welches mittels der angeordneten Sensoranordnung 1 erfassbar ist. Die Veränderung des Rohrumfangs kann als weitgehend proportional zum Druck gesetzt werden. Denkbar sind aber auch andere Anordnungen der Sensoranordnung 1 , welche geeignet sind, um eine Veränderung des Durchmessers und/oder einer axialen Dimension des mit Fluid beaufschlagten Rohrs zu erfassen.
In Figur 4a ist die Sensoranordnung 1 gemäss der ersten Ausführungsform in einem weiteren Anwendungsbeispiel dargestellt. Hierbei ist die als Messkörper bezeichenbare Komponente 100 eine sich entlang einer longitudinalen Achse 18 erstreckende Welle, auf welche Torsionskräfte wirken. Dargestellt ist eine einseitig eingespannte Welle, aber auch beidseitig gelagerte Wellen können als Komponente 100 betrachtet werden. In diesem Anwendungsbeispiel kann der einseitig am ersten Ende 12 eingespannte Referenzkörper 10 als unbelastet angesehen werden, wobei die auf die Komponente 100 wirkenden Torsionskräfte und/oder Drehmomente zu einer Verwindung der Welle führen, welche mittels der Sensoranordnung 1 an dem zweiten Ende 14 mittels der Sensoreinheit 20 erfassbar sind.
In Figur 4b ist eine unbelastete Position der Komponenten 100 und der daran angeordneten Sensoranordnung 10 in eine Detailansicht dargestellt. Erkennbar ist das zweite freie Ende 14 des Referenzkörpers 10 mit seiner daran ausgebildeten Kante 15 bzw. Fläche 16 und der Struktur 17. Die Struktur 17 ist als Pfeil dargestellt, kann aber eine Vielzahl von Formen haben. Ferner ist die Sensoreinheit 20 an der betrachteten Komponente 100 in einer Position angeordnet, die in Bezug zu dem zweiten freien Ende 14 steht. In dieser in Fig. 4b dargestellten Situation kann der Referenzwert 30 ermittelt werden.
In Figur 4c ist eine Messsituation dargestellt. Bei Belastung der Komponente 100 kommt es zu einer relativen Positionsänderung der Kante 15, Fläche 16 und/oder Struktur 17, ausgebildet am Referenzkörper 10, welche durch die an einer angeeigneten Stelle positionierten Sensoreinheit 20 erfassbar ist. In dem dargestellten Anwendungsbeispiel bewirkt ein auf die betrachtete Komponente 100 wirkendes Drehmoment eine Torsion, welche in Form eines Differenzwinkels 33 zwischen Referenzkörper 10 und Komponente 100, bzw. zwischen Referenzwert 30 und Messwert 32, identifizierbar ist. Die wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente können mittels eines mathematischen Zusammenhangs oder mittels einer Kalibrierung bestimmt werden, wobei eine Auswertung in einer geeigneten Einheit erfolgt, an die ermittelte Messdaten übermittelbar sind.
In Figur 5a ist eine weitere Ausführungsform der Sensoranordnung 1 dargestellt, welche an einer als Greifer ausgebildeten Komponente 100 angeordnet ist. In dieser Anordnung ist die Sensoranordnung 1 nicht unmittelbar in dem belasteteten Bereich angeordnet, d.h. in dem Bereich an dem die als Greifer ausgebildete Komponente 100 in Wirkverbindung mit einem zu greifenden Teil 40 steht, sondern an einem Bereich der Komponente 100, welcher zumindest mittelbar durch die Belastung beeinflusst ist. In Fig. 5a ist die Sensoranordnung 1 seitlich an der als Greifer ausgebildete Komponente 100 angeordnet, wobei die Sensoreinheit 20 an dieser lösbar oder unlösbar befestigt ist. Ändert sich die Stellung des Greifers 100 kommt es zu einer relativen Verschiebung zwischen dem einseitig am ersten Ende 12 eingespannten Referenzkörper 10 und dem Greifer 100. Mit anderen Worten, die Ausgangsposition der als Greifer ausgebildeten Komponente 100 kann durch den Referenzwert 30 identifiziert sein. Wie in Figur 5b dargestellt, verändert sich die Lage des
Referenzkörpers 10 relativ zu dem mit diesem in Beziehung stehenden Greifer 100, so dass von der Sensoreinheit 20 ein Messwert 32 erfasst werden kann. Dieser Messwert 32, in Bezug gesetzt zu dem Referenzwert 30, kann ausgewertet werden. Die Auswertung kann derart erfolgen, dass daraus ein Wert der Belastung des Greifers 100 generierbar ist.
In Figur 6a ist ein weiteres Verwendungsbeispiel einer Sensoranordnung 1 dargestellt, wobei die Komponente 100 als ein Seil und der Referenzkörper 10 als eine geschlitzte Hülse ausgebildet sind, welche sich von dem ersten fixierten Ende 12 zu dem zweiten Ende 14 mit der freien Länge 13 erstreckt. Die Fixierung des ersten Endes 12 des Referenzkörpers 10 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine einfache Klemm- und Schraubverbindungverbindung gelöst. An dem zweiten Ende 14 ist eine Art Fahne 11 mit der definierten Kante 15 ausgebildet, welche sich von dem Referenzkörper 10 erstreckt. An der Komponente 100 ist die Sensoreinheit 20 mittels eines Verbindungsmittels 21 lösbar angeordnet, so dass die Fahne 11 des Referenzkörpers 10 zwischen Schenkeln der Sensoreinheit 20 berührungslos angeordnet ist, wie dies in Figur 6b gezeigt ist. Bei Belastung der seilförmigen Komponente 100 verändert sich die Position der Fahne 11 bzw. der Kante 15 (nicht dargestellt) des Referenzkörpers 10 zwischen den Schenkeln der Sensoreinheit 20, so dass ein Messsignal detektierbar ist, welches ausgewertet Auskunft über die Belastung bzw. eine Änderung der Belastung in Form einer Längenänderung der seilförmigen Komponente 100 gibt.
In Figur 6b ist die Sensoranordnung 1 bzw. die Sensoreinheit 20 im Detail dargestellt. Die Sensoreinheit 20 ist mittels eines Verbindungsmittels 21 an der Komponenten 100 angeordnet. Das Verbindungsmittel 21 ist als eine Klemmhülse ausgebildet, welche mittels Schraubverbindungen an der als Seil ausgebildeten Komponente 100 anordenbar ist. Das freie Ende 14 des Referenzkörpers 10 umfasst die Fahne 11 , welche tangential vorsteht und zwischen Schenkeln der Sensoreinheit 20 berührungslos aufgenommen ist. Verschiebt sich die Komponente 100 unter Belastung, insbesondere in longitudinaler Richtung, verändert sich die Position der Fahne 11 relativ zu den Schenkeln der Sensoreinheit 20, welche beispielsweise als optischer Sensor ausgebildet sein kann. Durch eine sich verändernde Überdeckung zwischen einer Lichtquelle und einem Empfänger, angeordnet in den gegenüberliegenden Schenkeln des Sensoreinheit 20, kann auf die in dem Seil in axialer Richtung wirkende Belastung geschlossen werden.
In Figur 7 ist eine weitere Ausführungsform der Sensoranordnung 1 für eine spezifische Anwendung dargestellt, welche einmal mehr verdeutlicht wie universell das erfindungsgemässe Verfahren einsetzbar ist. Die als Messkörper bezeichenbare Komponente 100 ist in dem dargestellten Beispiel eine Unterlegscheibe, welche mit einer zumindest teilweise ringförmigen Ausnehmung 110 ausgebildet ist, in die der Referenzkörper 10 mit seinem ersten Ende 12 fixiert ist. Die freie Länge 13 des Referenzkörpers 10 verläuft weitgehend bogenförmig innerhalb der Ausnehmung 110 und endet in dem zweiten freien Ende 14 mit der Kante 15 oder einer Struktur 17. Die Belastung kann eine auf die Unterlegscheibe 100 wirkende Druckkraft sein, wobei die Unterlegscheibe eine minimale Dehnung in radialer Richtung erfährt, wie dies mit den Pfeilen F angedeutet ist. Die Sensoreinheit 20 (nicht dargestellt) ist derart platziert, dass eine sich mit Belastung der Unterlegscheibe 100 generierte Positionsänderung des zweiten Endes 14 des Referenzkörpers 10 von der Sensoreinheit 20 detektierbar ist. Ein Differenzwert 33 zwischen dem Referenzwert 30 im unbelasteten Zustand der Komponente 100 und dem Messwert 32 bei Belastung stellt eine Ausgangswert zur Bestimmung der Belastung dar, in diesem Fall einer Druckbelastung der als Unterlegscheibe ausgebildeten Komponente 100. Insbesondere kann aber auch der Referenzkörper 10 als eine Art Messzeiger angesehen werden, dessen sich ändernde Position detektierbar und die ermittelten Werte im Sinne des Verfahrens auswertbar sind, um die wirkende Belastung zu verifizieren. Wie aus diesem oder auch anderen Beispielen ersichtlich kann die
Dimension der Sensoranordnung an die Begebenheiten angepasst werden, wobei sowohl miniaturisierte als auch entsprechend grossdimensionierte Formen der Sensoranordnung 1 und/oder der Komponente 100 denkbar sind.
Zum Schluss sei nochmals darauf hingewiesen, dass die hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen nur Realisierungsmöglichkeiten der erfindungsgemässen Ideen darstellen und keinesfalls als limitierend angesehen werden sollen. Der Fachmann wird verstehen, dass noch andere Implementierungen der Erfindung und weitere Elemente möglich sind, ohne dass die wesentlichen Merkmale der Erfindung vernachlässigt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ermitteln von auf eine Komponente (100) wirkenden Kraft und/oder Drehmoment in einem mechanischen System mittels eines an der Komponente (100) mit einem ersten Ende (12) einspannbaren Referenzkörpers (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie und/oder die relative Position des Referenzkörpers (10) zur Komponente (100) von einer Sensoreinheit (20) erfasst wird, und dass die wirkende Kraft und/oder das Drehmoment mittels einer Auswertung bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie und/oder die relative Position mittels einer Kante (15), einer Fläche
(16) und/oder Struktur (17) des Referenzkörpers (10) bestimmbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassbaren Geometrien und/oder relativen Positionen einen Referenzwert (30) und einen Messwert (32) festlegen und aus einer Differenz (33) zwischen dem Referenzwert (30) und dem Messwert (32) eine Änderung der auf die Komponente (100) wirkenden Kraft und/oder Drehmoment ermittelbar ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz (33) eine Weglänge und/oder ein Winkel ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wirkende Kraft und/oder das Drehmoment bestimmbar ist, basierend auf einem mathematischen Modell, welches die wirkende Kraft und/oder das Drehmoment als Funktion der erfassten Werte und Merkmalen der Komponente (100) beschreibt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wirkende Kraft und/oder das Drehmoment bestimmbar ist, basierend auf einer vorhergehenden Kalibrierung.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20) die Geometrie und/oder relative Position des Referenzkörpers (10) induktiv, magnetisch, kapazitiv oder optisch erfassen.
8. Sensoranordnung (1) zum Ermitteln von auf einer Komponente (100) wirkenden Kraft und/oder Drehmoment in einem mechanischen System mittels eines Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) umfasst:
- einen Referenzkörper (10) mit einem ersten Ende (12), welches fixierbar ist und einer sich zu einem zweiten Ende (14) erstreckenden freien Länge (13); und - eine Sensoreinheit (20), welche relativ zu dem Referenzkörper (10) anordenbar und eingerichtet ist, um eine Geometrie und/oder eine relative Position des Referenzkörpers (10) zu einer Komponente (100) zu bestimmen.
9. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese an der Komponente (100) anordenbar ist, wobei der Referenzkörper (10) an der Komponente (100) mit dem ersten Ende (12) fixierbar ist, sich die freie Länge (13) weitgehend parallel zu einer Oberfläche der Komponente (100) erstreckt und die Sensoreinheit (20) an der Komponente (100) anordenbar ist, um die Geometrie und/oder relative Position des Referenzkörpers (10) zu bestimmen.
10. Sensoranordnung (1 ) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (14) des Referenzkörpers (10) ein freies Ende ist, an welchem eine Kante (15), eine Fläche (16) und/oder Struktur (17) ausgebildet ist, welche von der Sensoreinheit (20) erfassbar ist.
11. Sensoranordnung (1 ) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (14) des Referenzkörpers (10) an der Komponente (100) fixierbar ist und die Sensoreinheit (20) angeordnet ist, um eine Veränderung der Position und/oder Geometrie des Referenzkörpers (10) relativ zu der Komponenten (100) zu erfassen.
12. Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzkörper (10) in einem Material gefertigt ist, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entsprechend demjenigen der Komponente (100) hat.
13. Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (20) als ein induktiver Sensor, ein magnetischer Sensor, ein kapazitiver Sensor oder ein optischer Sensor ausgebildet ist.
14. Verwendung einer Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) an einer longitudinalen Komponente (100) anordenbar ist, um eine axiale Belastung der Komponente (100) zu bestimmen.
15. Verwendung einer Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) an einer einseitig oder beidseitig gelagerten longitudinalen Komponente (100) anordenbar ist, um eine Belastung durch Kräfte weitgehend quer zur longitudinalen Achse (18) der Komponente (100) zu bestimmen.
16. Verwendung einer Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) an einer als Welle ausgebildeten longitudinalen Komponente (100) anordenbar ist, um eine Torsionsbelastung der Komponente (100) zu bestimmen.
17. Verwendung einer Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) in einem Bereich eines mechanischen Systems anordenbar ist, welcher mit der Komponente (100) in Wirkverbindung steht, um die Belastung der Komponente (100) zu bestimmen.
18. Verwendung einer Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) an einer als ein mit Fluid beaufschlagbares Rohr oder Behälter ausgebildeten Komponente (100) anordenbar ist, um eine Druckbelastung des Rohrs oder des Behälters zu bestimmen.
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