DD224930A1

DD224930A1 - Kraft-momenten-fuehler

Info

Publication number: DD224930A1
Application number: DD26460684A
Authority: DD
Inventors: Torsten Thieme
Original assignee: Techn Hochschule Ilmenau
Priority date: 1984-06-28
Filing date: 1984-06-28
Publication date: 1985-07-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Momenten-Fuehler zur Messung von Kraeften und Momenten in drei zueinander senkrechten Richtungen. Das Ziel der Erfindung ist ein geeignet gestalteter Verformungskoerper, auf dem Dehnungsmessstreifenbruecken angebracht sind, der sich in einfacher Weise durch Drehen herstellen laesst. Der Kraft-Momenten-Fuehler besteht aus zwei Anschlusszylindern, Stegen und Federelementen. Durch Dehnungsmessstreifenbruecken koennen ueber die Verformung der Stege und Federelemente angreifende Kraefte und Momente in drei senkrecht zueinander stehenden Richtungen gemessen werden. Die Erfindung kann auf dem Gebiet der Robotertechnik angewendet werden. Fig. 1

Description

Kraft-Momenten-Fühler

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Kraf t-iMomenten-Fühler, der zur Messung von darauf ausgeübten Kräften und Momenten in drei zueinander senkrechten Richtungen, beispielsweise zur Messung von Kräften und Momenten, die an der Greiferhand eines Roboters angreifen, eingesetzt werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die bekannten Kraft-Momenten-Fühler, die Kräfte und Momente in drei zueinander senkrechten Richtungen messen können, benutzen meist kompliziert gestaltete Federsysteme. Nach DE-OS 2727704 ist ein Kraft-Momenten-Fühler, bestehend aus einer Grundplatte» einer Aufnehmerplatte und einem Zwischenstück, die mit verformbaren Speichen miteinander verbunden sind, bekannt.

Dieser Kraft-Momenten-Fühler hat den unerwünschten Mangel, daß er in der Herstellung kompliziert und schwierig ist, daß er aus mehreren Teilen durch Hartlöten, Kleben oder ähnliche Verfahren zusammengesetzt ist und somit verhältnismäßig teuer ist.

3ei einem bekannten Kraft-Momenten-Fühler des Massassüchetts

Institut of Technology ist eine Aufnehmerplatte an vier Balken aufgehängt. Jeder Balken enthält je zwei Dehnungsmeßstreifenmeßbrücken, welche die Verkrümmung in zwei zueinander senkrechten Richtungen messen, und ist am Ende mit einer Kugel abgeschlossen« Die Kugeln gleiten in vier Hülsen, in denen sie sich in Richtung der 3alkenlängsachse bewegen können. Eine Normal-' kraft bewirkt dabei die Durchbiegung der vier Balken, die von den Dehnungsmeßstreifen erfaßt und von einem Rechner ausgewertet wird.

Eine senkrecht zur Normalkraft wirkende Tangentialkraft bewirkt eine Durchbiegung von nur zwei Balken^ während die restlichen beiden Balken sich verschieben können und nicht beansprucht werden.

Wenn nun aber Tangential- und Vertikalkräfte gleichzeitig auftreten, wird die Normalkraft die Kugeln gegen die Hülsen pressen und damit eine Haftreibung erzeugen, die einen Teil der äußeren Tangentialkräfte kompensiert, der für die Messung verloren ist» Reibungskräfte, welche die Messung verfälschen, treten auch auf, wenn die Vorrichtung verformt worden ist, was schon bei kurzzeitiger Überlastung auftreten kann, so daB> die vier Kugeln samt ihrer Hülsen nicht mehr streng in einer Ebene liegen. Den bekannten Kraft-Momenten-Fühlern mangelt es in typischer Weise an einer leichten Herstellung und einem leichten Zusammenbau oder an Genauigkeit, was zur Herstellung eines preiswerten¹, jedoch genauen Kraft-Momenten-Fühlers erforderlich ist.

Ziel der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung ist ein Kraft-Momenten-Fühler mit gleichmäßigen 3elastungscharakteristiken , der Kräfte und Momente in drei zueinander senkrechten Richtungen messen kann, bei welchem minimale, die Messung verfälschende Komponenten auftreten, der aus einem Stück unkompliziert herstellbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kräfte und Momente in drei zueinander senkrechten Richtungen zu messen. Dabei soll die Ausgangsgröße eines jeden Ausgangsklemmenpaares der Meßbrücken nur von der zugeordneten Komponente abhängen. Der Kraft-Momenten-Fühler soll einen hohen Entkopplungsgrad der unterschiedlichen Komponenten aufweisen. ErfindungsgemäS wird die Aufgabe in folgender Weise gelöst:

Der Kraft-Momenten-Fühler ist aus einem Vollzylinder gefertigt. Nach dem Ausdrehen des ersten und zweiten Aufnahmezylinders werden von oben auf einem bestimmten Radius vier kreisförmige Aussparungen so angebracht, daß eine bestimmte Stegbreite zwischen den kreisförmigen Aussparungen stehenbleibt. Genau in der Zylinderachse ist eine fünfte kreis- . förmige Aussparung angebracht, die sich mit den anderen kreisförmigen Aussparungen überschneidet. Alle fünf kreisförmigen Aussparungen reichen nur etwa zu zwei Drittel in den Zylinder hinein.

Auf gleiche Weise werden von unten fünf kreisförmige Aussparungen in den Zylinder eingebracht. Der Abstand der Aussparungsgründe bestimmt die Höhe der 3ezugsplattform. Sodann wird das Teil von außen in der Weise formgedreht, daß in Höhe der Mitte der fünf tieferen Aussparungen ein Federring stehenbleibt. Durch das bestimmte Formdrehen entsteht ein System von Stegen und Federelementen. Der Kraft-Momenten-Fühler wird sensibilisiert, indem jeweils ein sich gegenüberliegendes Paar der Biega-Stege der tieferen Aussparungen durchgetrennt wird. Die durchgetrsnnten Paare liegen um die z-Achse zueinander um 90 versetzt, Die durchgetrennten 3iege-Stege können gleichzeitig als Gberlastungsanschlag dienen. Durch die Wahl der Durchmesser der kreisförmigen Aussparungen entstehen im Bereich dar tieferen Aussparungen Siege-Stege, deren Querschnitte senkrecht zur z-Achse tangential zu einem Kreisbogen um die z-Achse angeordnet sind, und im Bereich der weniger tiefen Aussparungen entstehen Verwindungs-Stege, deren Querschnitte senkrecht zur z-Achse radial zu einem Kreisbogen um die z-Achse angeordnet sind.

Es können auch mehr oder weniger kreisförmige Aussparungen angebracht werden, so daß sich die Anzahl der Stege und Federelemente erhöht bzw. verringert.

An den Stegen und Federelementen, die sich unter Belastung deformieren, sind an bestimmten Stellen Dehnungsmeßstreifen angebracht und in geeigneter Weise zu Meßbrücken verschaltet. An den Verwindungs-Stegen, die mit ihren Querschnitten senkrecht zur z-Achse radial zu einem Kreisbogen um die z-Achse liegen, können durch ein gleichsinniges Ansprechen der Verwindungs-Stege Momente um die z-Achse gemessen werden. Alle anderen Stege und Federelemente stehen mit ihrer Breite, die quadratisch in das Widerstandsmoment gegenüber einem Moment um die z-Achse eingehen, diesem Moment entgegen. Auf diesen Verwindungs-Stegen wird an den Orten günstiger Dehnung vorzugsweise eine Vollbrücke, bestehend aus vier Dehnungsmeß-· streifen, angebracht.

Mit den angenähert trapezförmigen Federelementen des Federringskönnen durch vorzugsweise vier zu einer ,Vollbrücke verschaltete Dehnungsmeßstreifen Kräfte in z-Richtung gemessen werden. Die Federelemente sprechen bei Einwirkung einer Kraft in z-Richtung paarweise entgegengesetzt an. Alle anderen Stege können in diesem Fall nur geringfügig gestaucht werden. Die Verschaltung der Meßbrücken dieser Stege sorgt dafür, daß die Meßbrücken nicht auf diese Stauchung ansprechen. Bei Kräften in die x- bzw. y-Richtung werden sich jeweils ein Paar der mit ihren Querschnitten senkrecht zur z-Achse tangential zu einem Kreisbogen deformieren. An den Orten großer Dehnung und an den Orten der Dehnungsnullstellen sind Dehnungsmeßstreifen angebracht. Diese vorzugsweise jeweils acht Dehnungsmeßstreifen sind in geeigneter Weise so zu einer Vollbrücke verschaltet, daß die Brücke nur auf Kräfte in x- bzw. y-R-ichtung anspricht und Momente um die x- bzw. y-Achse herausfiltert.

Bei Momenten .um die x- bzw. y-Achse werden sich ebenfalls jeweils ein Paar der mit ihren Querschnitten senkrecht zur z-Achse tangential zu einem Kreisbogen um die z-Achse liegenden Biege-Stege deformieren. Jedoch existiert in diesem Fall keine Nullstelle im Dehnungsverlauf, An den Orten der Dehnungs-

nullstellen im Falle des Einwirkens einer Kraft in x- bzw, in y-Richtung sind vorzugsweise vier Dehnungsmeßstreifen angebracht und zu einer Vollbrücke verschaltet. Diese Meßbrücke reagiert dann nur auf Momente um die x- bzw. y-Achse. An den Aufnahmezylindern können Gewinde angebracht werden, so daß ein problemloses Anbringen des Kraft-Momentan-Fühlers an eine spezielle Vorrichtung gewährleistet ist, Der Kraft-Momenten-Fühler ist im Einkörperprinzip hergestellt. Somit treten keinerlei Trennstellen auf, welche Coulomsche Reibung erzeugen. Durch seine Herstellung auf der Drehbank ist der Kraft-Momenten-Fuhler exakt rotationssymmetrisch gestaltet. Symmetrische Sensoren haben durch ihre Symmetrie vorteilhafte MeSeigenschaften. Der Kraft-Momenten-Fühler ist so aufgebaut, daß jedes sich verformende Teil mindestens zweimal in streng symmetrischer Form auftritt, 3ei entsprechender Verschaltung der Dehnungsmeßstreifen läßt sich ein antisymmetrisches Verhalten der Meßgrößen leicht erzielen. So treten nur kleine Linearitätsfehler auf.

Aus führunqsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispi'els" naher erläutert werden.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: Gesamtaufbau des Kraft-Momenten-Fühlers Fig. 2: Kraft-Momenten-Fühler, angebracht zwischen Arm und Greifer

Der Kraft-Momenten-Fühler 11 kann entsprechend Fig. 2 mittels der Aufnahmezylinder 2 und 9 am Arm und am Greifer angebracht werden. Eine derartige Vorrichtung kann z.B. bei Manipulatoren eingesetzt werden, die zur Erfüllung ihrer komplexen Aufgaben (z.B. Montage oder Qualitätskontrolle) einen Informationsaustausch mit der Umwelt benötigen, Entsprechend Fig. 1 sind vier Verwindungs-3tege 1, deren Querschnitte senkrecht zur z-Achse durch Kreisbögen begrenzt sind und deren Querschnitte radial zu einem Kreisbogen um die z-Achse angeordnet sind", fest mit dem ersten Aufnahmezylinder 2 und der Bezugsplattform 3 verbunden. Auf diesen Stegen 1 sind an den Orten großer Dehnung bei Wirkung eines Drehmomentes um die z-Achse Dehnungsmeßstreifen angebracht und zu einer Brücke verschaltet. Diese Meßbrücke, bestehend aus vorzugsweise vier Dehnungsmeßstreifen, dient zur Messung von Momenten um die z-Achse.

Entsprechend Fig. 1 ist die Bezugsplattform 3 mit vier unteren Biege-Stegen 4, deren Querschnitte senkrecht zur z-Achse durch Kreisbögen begrenzt sind und deren Querschnitte tangential zu einem Kreisbogen um die z-Achse angeordnet sind, von denen ein sich in x-Richtung gegenüberliegendes Paar unterbrochen ist, fest verbunden. Diese vier unteren Biege-Stege 4 sind mit den Federelementen 6 des Federrings 5 fest verbunden. Wirkt eine Kraft in y-Richtung_f so werden diese unteren Biege-Stege 4 in ihrem Verlauf eine Momentennullstelle aufweisen., deren Lage keine Funktion der Kraft ist. Auf dem nichtdurchtrennten Paar der unteren Biege-Stege 4 sind an den Orten großer Dehnung bei Einwirkung einer Kraft-in y-Richtung'vorzugsweise vier Dehnungsmeßstreifen angebracht und an den Nullstellen der Dehnung bei Einwirkung einer Kraft in y-Richtung vorzugsweise vier Dehnungsmeßstreifen angebracht. Diese vorzugsweise

acht Dehnungsmeßstreifen sind so zu einer Meßbrücke verschaltet, daß sie nur auf Kräfte in y-Richtung anspricht und Momente um die x-Achse herausfiltert.

Wirkt ein Moment um die x-Achse wird sich die Nullstelle des Momentenverlaufes der Kraft als Funktion des wirkenden Drehmoments um die x-Achse verschieben. Auf den Nullstellen bei Kraftwirkung sind vorzugsweise vier Dehnungsmeßstreifen angebracht und zu einer Meßbrücke verschaltet. Diese Meßbrücke mißt mittels Verschiebung der Nullstelle bei Wirkung eines Momentes um die x-Achse das Moment um die x-Achse, Die sich in x-Richtung gegenüberliegenden unteren Biege-Stege 4, welche durchgetrennt sind, dienen gleichzeitig als Oberlastungsanschlag für Momente.

Entsprechend Fig. 1 sind die vier unteren 3iege-Stege 4 fest mit vier Federelementen 6 des Federrings 5 verbunden. Die Federelemente 6 sind durch kreisförmige Aussparungen begrenzt» wodurch sie annähernd trapezförmige Gestalt haben« Auf den peripher gelegenen Orten der größten Dehnung bei Belastung durch eine Kraft in z-Richtung sind auf den Federelementen 6 vorzugsweise vier Dehnungsmeßstreifen angebracht und so zu einer Meßbrücke verschaltet, daß sie auf eine Belastung durch eine Kraft in z-Richtung anspricht. Entsprechend Fig. 1 sind die Federelemente 6 des Federrings fest mit vier oberen 8iege-Stegen 3, deren Querschnitte senkrecht zur z-Achse durch Kreisbögen begrenzt sind und deren Querschnitte tangential zu einem Kreisbogen um die z-Achse angeordnet sind, von denen ein sich in y-Richtung gegenüberliegendes Paar unterbrochen ist, verbunden. Diese vier oberen 3iege-Stege 8 sind am anderen Ende fest mit dem zweiten Aufnahmeizylinder 9 verbunden. Wirkt eine Kraft in y-Richtung, so werden diese oberen Siege-Stege 3 in ihrem Verlauf eine •Momentennullstelle aufweisen, deren Lage keine Funktion der Kraft ist. Auf dem nichtdurchtrennten Paar der oberen 3iegestege 8 sind an den Orten großer Dehnung bei Einwirkung einer Kraft in x-Richtung vorzugsweise vier Dehnungsmeßstreifen angebracht und an den Nullstellen der Dehnung bei Einwirkung einer Kraft in x-Richtung vorzugsweise vier Dehnungsmeßstreifen angebracht. Diese vorzugsweise acht Dehnungsmeßstreifen sind so zu einer Meßbrücke verschaltet, daß sie nur

auf Kräfte in x-Richtung anspricht und Momente um die y-Achse herausfiltert.

Wirkt ein Moemnt um die y-Achse wird sich die Nullstelle des Moraentenverlaufs der Kraft als Funktion des wirkenden Drehmomentes um die y-Achse verschieben. Auf diesen Nullstellen bei Kraftwirkung sind vorzugsweise vier Dehnungsmeßstreifen angebracht und zu einer Meßbrücke verschaltet. Diese Meßbrücke mißt mittels Verschiebung der Nullstelle bei Wirkung eines Momentes um die y-Achse das Moment um die y-Achse. Die sich in y-Richtung gegenüberliegenden oberen Siege-Stege S, welche durchgetrennt sind,;dienen gleichzeitig als Cberlastungsanschlag für Momente um die y-Achse.

Claims

Erfindunqsanspruch

/1/ Kraft-Momenten-Fühler zur Messung von Kräften und Momenten, bestehend aus AnschluSteilen, Federelementen und darauf angebrachten Dehnungsmeßstreifenbrücken', dadurch gekennzeichnet, daß an einem aus einem Teil bestehenden Verformungskörper vier parallel zur z-Achse verlaufende Verwindungs-Stege (1), deren längere Querschnittssymmetrieachsen des Querschnittes senkrecht zur z-Achse radial zu einem Kreisbogen um die z-Achse verlaufen, die an ihrem einen Ende mit einem ersten Aufnahmezylinder (2) und an ihrem anderen Ende mit einer 3ezugsplattform (3) fest verbunden sind, angeordnet' sind, daß die Bezugsplattform (3) mit vier parallel zur z-Achse verlaufenden unteren Biege-Stegen (4), deren längere Querschnittssymmetrieachsen des Querschnittes senkrecht zur z-Achse tangenital zu einem Kreisbogen um die z-Achse verlaufen und von denen ein sich in x-Richtung gegenüberliegendes Paar unterbrochen ist/ verbunden ist, daß diese unteren 3iege-Stege (4) fest mit einem senkrecht zur z-Achse angeordneten Federring (5) mit vier Federelementen (6) , dessen äußere Umrandung eine Verstärkung (7) besitzt, verbunden sind, daß dieser Federring (5) fest mit vier parallel zur z-Achse verlaufenden oberen Biege-Stegen (8), deren längere Querschnittssymmetrieachsen des Querschnittes denkrecht zur z-Achse tangential zu einem Kreisbogen um die z-Achse verlaufen und von denen ein sich in y-Ricnuung gegenüberliegendes Paar unterbrochen ist, verbunden ist, daß diese oberen Siege-Stege (S) fest mit einem zweiten Aufnahmezylinder (9) verbunden sind, daß auf den unteren Siagestegen (4) und auf den oberen Biege-Stegen (3) die Dehnungsmeßstreifen zur Messung von Kräften in x- und y-Richtung und zur Messung von Momenten um die x- und y-Achse angebracht sind, daß auf den Federelementen (5) des Federrings (5) die Dehnungsmeßstreifen zur Messung von Kräften in Z-Richtung angebracht sind und daß auf den Verwindungs-Stegen (1) die Dehnungsmeßstreifen zur Messung der Momente um die z-Achse angebracht sind.
/2/ Kraft-Momenten-Fühler nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte senkrecht zur z-Achse der Verwindungs-Stege (1), der unteren Biegefedern (4) und der oberen Biegefedern (3) durch Kreisbögen begrenzt sind, und daß die Federelemente (5) des Federrings (5) durch kreisförmige Aussparungen, deren Symmetrieachsen parallel zur z-Achse verlaufen, begrenzt sind.

Hierzu 2.. Seiten Zeichnungen