DE102013206605A1 - Preferred cross-sectional factor for thin-walled measuring axes - Google Patents

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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
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Abstract

Messachse (1), die hohlzylindrisch ausgebildet ist und in deren Innenbereich zumindest ein Sensor angeordnet ist sowie zumindest eine umlaufende Nut (3) in der äußeren Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messachse (1) einen Querschnittsfaktor (V) mindestens größer 2 aufweist, wobei sich der Querschnittsfaktor (V) aus den Durchmesserfaktoren (V1) und (V2) ergibt und (V1) = (⌀DN – ⌀DB)/2 und (V2) = (⌀DM – ⌀DB)/2 ist.Measuring axis (1), which is hollow cylindrical and in the inner region of which at least one sensor is arranged and has at least one circumferential groove (3) in the outer surface, characterized in that the measuring axis (1) has a cross-sectional factor (V) at least greater than 2 , where the cross-sectional factor (V) results from the diameter factors (V1) and (V2) and (V1) = (⌀DN - ⌀DB) / 2 and (V2) = (⌀DM - ⌀DB) / 2.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messachse zur Kraftmessung, die hohlzylindrisch ausgebildet ist und in deren Innenbereich zumindest ein Sensor angeordnet ist sowie zumindest eine umlaufende Nut in der äußeren Oberfläche aufweist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.The invention relates to a measuring axis for force measurement, which is formed as a hollow cylinder and in whose inner region at least one sensor is arranged and has at least one circumferential groove in the outer surface, according to the features of the preamble of claim 1.

Derart ausgestaltete Messachsen sind bei Baumaschinen bekannt. Sie werden dazu eingesetzt, um mittels des Sensors die auf sie wirkende Kraft zu messen, wobei die erfasste Kraft ein Maß für die Belastung eines Bauteiles, zum Beispiel eines Auslegers eines Kranes, ist.Such designed measuring axes are known in construction machinery. They are used to measure by means of the sensor, the force acting on them, the detected force is a measure of the load on a component, for example, a jib of a crane.

Die hohlzylindrischen Messachsen bestehen aus Metall und werden anstelle eines Bolzens, der zwei Bauteile gelenkig miteinander verbindet, eingesetzt. Um die auf die Messachse wirkende Kraft zu erfassen, ist im Innenbereich der hohlzylindrisch geformten Messachse ein Sensor angeordnet, der die auf die Messachse wirkende Kraft erfasst. Um definiert auf den Sensor die Kraft wirken zu lassen, ist eine umlaufende Nut in der äußeren Oberfläche der Messachse vorhanden. Die Tiefe der Nut ist dabei in bekannter Weise so bemessen, dass dadurch eine gezielte Scherwirkung (wenn auch nur geringstfügig) der Messachse derart zugelassen wird, dass die Scherung auf den Sensor wirkt und ein Maß für die auf die Messachse wirkende Kraft ist. Dabei ist gleichzeitig die Tiefe der zumindest einen umlaufenden Nut so gewählt, dass eine Schwächung der Messachse im Betrieb unter Berücksichtigung aller aufkommenden Kräfte nicht gegeben ist.The hollow cylindrical measuring axes are made of metal and are used instead of a bolt, which connects two components hinged together. In order to detect the force acting on the measuring axis, a sensor is arranged in the inner region of the hollow-cylindrical measuring axis, which detects the force acting on the measuring axis. In order to let the force act on the sensor in a defined manner, there is a circumferential groove in the outer surface of the measuring axis. The depth of the groove is dimensioned in a known manner so that thereby a targeted shearing action (albeit only slightly) of the measuring axis is allowed such that the shear acts on the sensor and is a measure of the force acting on the measuring axis force. At the same time the depth of the at least one circumferential groove is chosen so that a weakening of the measuring axis is not given in operation, taking into account all emerging forces.

Im Betrieb solcher Messachsen ist festgestellt worden, dass es bei Messachsen, insbesondere bei dünnwandigen Messachsen, zu negativen Veränderungen der berechneten Empfindlichkeiten des Sensors kommt. Die Empfindlichkeit des Sensors wird geringer, die Wiederholbarkeit seiner Kennlinie ist nicht gewährleistet und die Nichtlinearität des Sensors steigt in negativer Weise um das Doppelte bis hin zum Dreifachen an.In the operation of such measuring axes has been found that it comes with measuring axes, in particular with thin-walled measuring axes, to negative changes in the calculated sensitivities of the sensor. The sensitivity of the sensor is reduced, the repeatability of its characteristic is not guaranteed and the non-linearity of the sensor increases in a negative way by twice to three times.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Messachse bereitzustellen, mit der die geschilderten Nachteile wirksam vermieden werden.The invention is therefore based on the object to provide a generic measuring axis, with which the described disadvantages are effectively avoided.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

  • 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Messachse einen Querschnittsfaktor V mindestens größer 2 aufweist, wobei sich der Querschnittsfaktor V aus den Durchmesserfaktoren V1 und V2 ergibt und V1 = (⌀DN – ⌀DB)/2 und V2 = (⌀DM – ⌀DB)/2 ist. Der äußere Durchmesser der Messachse ist mit ⌀DN, der innere Durchmesser (Durchgangsöffnung) der Messachse mit ⌀DB und der Durchmesser des tiefsten Punktes der umlaufenden Nut, der ebenfalls auf einem Durchmesser liegt, mit ⌀DM bezeichnet.
This object is solved by the features of claim 1.
  • 1. According to the invention, it is provided that the measuring axis has a cross-sectional factor V at least greater than 2, wherein the cross-sectional factor V from the diameter factors V1 and V2 results and V1 = (⌀DN - ⌀DB) / 2 and V2 = (⌀DM - ⌀DB ) / 2 is. The outer diameter of the measuring axis is denoted by ⌀DN, the inner diameter (through hole) of the measuring axis with ⌀DB and the diameter of the lowest point of the circumferential groove, which is also on a diameter, denoted by ⌀DM.

Die Erfindung hat erkannt, dass die Empfindlichkeit, die Wiederholbarkeit der Kennlinie und auch die Nichtlinearität des Sensors durch Dehnungen der Messachse, insbesondere im Bereich des Sensors, beeinflusst werden. Dadurch wird auch die Empfindlichkeit des Sensors durch Biegekräfte im Bereich der umlaufenden Nut (auch als Messnut bezeichnet) beeinflusst. Durch die erfindungsgemäße Bemessungsvorschrift werden nun in vorteilhafter Weise andere auf die Messachse wirkende Kräfte (gegenüber den bekannten reinen Scherkräften, die auf die Messachse wirken, und diese damit in ihren Eigenschaften beeinflussen) dahingehend korrigiert, dass die gewünschte Empfindlichkeit beibehalten oder sogar gesteigert wird, die Wiederholbarkeit der Kennlinie gewährleistet ist und eine Nichtlinearität des Ausgangssignals des zumindest einen Sensors zumindest nicht mehr um das Doppelte bis das Dreifache ansteigt. Untersuchungen haben ergeben, dass dann, wenn der Querschnittsfaktor V mindestens größer 2, in weiterhin vorteilhafter Weise mindestens größer 3 ist, wiederholbare Messergebnisse und geringe Nichtlinearitäten nachgewiesen werden konnten. insbesondere bei einem Querschnittsfaktor V größer gleich 3 ergaben sich äußerst geringe Nichtlinearitäten der Ausgangskennlinie des Sensors, die gleicher gleich 1% betragen.

  • 2. In Weiterbildung der Erfindung ist der Querschnittsfaktor V bei einer dünnwandigen Messachse größer als 2,5, vorzugsweise größer als 2,7. Auch hierdurch werden bei solchen dünnwandigen Messachsen wiederholbare Messergebnisse und geringe Nichtlinearitäten erzielt, wobei die erzielte geringe Nichtlinearität kleiner gleich 1% ist, wenn der Querschnittsfaktor V größer gleich 2,7 ist. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff „dünnwandig”, dass (⌀DM – ⌀DB)/2 ≤ 10 Millimeter ist.
The invention has recognized that the sensitivity, the repeatability of the characteristic and also the nonlinearity of the sensor are influenced by strains of the measuring axis, in particular in the region of the sensor. This also influences the sensitivity of the sensor due to bending forces in the area of the circumferential groove (also referred to as measuring groove). By means of the design rule according to the invention, other forces acting on the measurement axis (compared to the known pure shear forces acting on the measurement axis and thus influencing their properties) are advantageously corrected to maintain or even increase the desired sensitivity Repeatability of the characteristic is ensured and a non-linearity of the output signal of the at least one sensor at least no longer increases by twice to three times. Investigations have shown that if the cross-sectional factor V is at least greater than 2, more preferably at least greater than 3, repeatable measurement results and low nonlinearities could be detected. Particularly at a cross-sectional factor V greater than or equal to 3, extremely low nonlinearities of the output characteristic of the sensor were obtained, equal to 1%.
  • 2. In a further development of the invention, the cross-sectional factor V for a thin-walled measuring axis is greater than 2.5, preferably greater than 2.7. In this way too, repeatable measurement results and low non-linearities are achieved with such thin-walled measuring axes, with the low nonlinearity achieved being less than or equal to 1% if the cross-sectional factor V is greater than or equal to 2.7. In this context, the term "thin walled" means that (⌀DM - ⌀DB) / 2 ≤ 10 millimeters.

In Weiterbildung der Erfindung ist der zumindest eine Sensor ein Dehnmessstreifen. Solche Ausgestaltungen von Sensoren sind bekannt und lassen sich einfach und unkompliziert in der hohlzylindrischen Messachse anbringen.In a development of the invention, the at least one sensor is a strain gauge. Such embodiments of sensors are known and can be simply and easily attached in the hollow cylindrical measuring axis.

In Weiterbildung der Erfindung sind zwei Dehnmessstreifen nebeneinander in dem Innenbereich der Messachse angeordnet. Dadurch lassen sich unter Sicherheitsaspekten redundante Sensorsignale erzielen, sodass im Falle des Ausfalles eines Sensors auf das Ausgangssignal des weiteren Sensors zurückgegriffen werden kann. Außerdem haben zwei Sensoren den Vorteil, dass dann, wenn beide Sensorsignale zur Verfügung stehen, eine Plausibilitätsprüfung gemacht werden kann, ob beide Sensoren bei gleicher Belastung das nahezu identische Ausgangssignal liefern oder nicht. Darüber hinaus ist auch der Einsatz von drei oder mehr Sensoren denkbar, jedoch reicht es im Hinblick auf die Krafterfassung, auch unter Sicherheitsaspekten aus, ein oder zwei Sensoren, insbesondere ein oder zwei Dehnmessstreifen, im Innenbereich der hohlzylindrisch geformten Messachse anzuordnen.In a further development of the invention, two strain gauges are arranged side by side in the inner region of the measuring axis. As a result, redundant sensor signals can be achieved in terms of safety, so that in case of failure of one sensor, the output signal of the further sensor can be used. In addition, two sensors have the advantage that when both sensor signals are available, a plausibility check can be made as to whether or not both sensors deliver the almost identical output signal under the same load. In addition, the use of three or more sensors is conceivable, but it is sufficient in terms of force detection, also from safety aspects, one or two sensors, in particular one or two strain gauges to arrange in the interior of the hollow cylindrical measuring axis.

In Weiterbildung der Erfindung sind zwei parallel nebeneinander radial umlaufende Nuten in der äußeren Oberfläche der Messachse eingebracht. Dadurch ist es möglich, gezielt die auf die Messachse wirkende Kraft in Richtung des zumindest einen Sensors zu lenken, damit dieser die auf ihn wirkende Kraft erfassen und in ein Ausgangssignal umsetzen kann. Dieses Ausgangssignal wird einer nachgeschalteten elektronischen Steuereinheit zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Bei einer solchen elektronischen Steuereinheit kann es sich beispielsweise bei Baumaschinen um bekannte Lastmomentbegrenzer (LMB's) handeln.In a further development of the invention, two parallel radially adjacent grooves are introduced in the outer surface of the measuring axis. This makes it possible to selectively direct the force acting on the measuring axis in the direction of the at least one sensor so that it can detect the force acting on it and convert it into an output signal. This output signal is fed to a downstream electronic control unit for further processing. Such an electronic control unit may, for example, be known load-moment limiters (LMBs) in construction machines.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor, insbesondere der Dehnmessstreifen, in der gleichen Ebene, die quer zu der Längsachse der Messachse ausgerichtet ist, angeordnet wie die Nut. Dadurch wird bestmöglich die auf die Messachse wirkende Kraft in Richtung des Sensors geleitet, sodass dieser nicht nur einfach die auf ihn wirkende Kraft erfassen kann, sondern diese Kraft auch mit größtmöglicher Empfindlichkeit erfassen kann. Ebenfalls aus Gründen der Redundanz und/oder der Sicherheit sind zwei Sensoren und zwei parallel zueinander ausgerichtete umlaufende Nuten vorhanden, wobei jeweils ein Sensor in der gleichen Ebene, die quer zu der Längsachse der Messachse ausgerichtet ist, angeordnet ist wie die ihm zugeordnete Nut. Durch diese Ausgestaltung kann in besonders vorteilhafter Weise die auf die Messachse wirkende Kraft mit größtmöglicher Empfindlichkeit, Redundanz, Sicherheit, Wiederholbarkeit der Kennlinie und bestmöglicher Linearität realisiert werden.In a further development of the invention, the sensor, in particular the strain gauge, in the same plane, which is aligned transversely to the longitudinal axis of the measuring axis, arranged as the groove. As a result, the force acting on the measuring axis is best directed in the direction of the sensor, so that not only can it simply detect the force acting on it, but also detect this force with the greatest possible sensitivity. Also for reasons of redundancy and / or safety, two sensors and two mutually parallel circumferential grooves are provided, wherein in each case a sensor in the same plane, which is aligned transversely to the longitudinal axis of the measuring axis, is arranged as its associated groove. As a result of this configuration, the force acting on the measuring axis can be realized with the greatest possible sensitivity, redundancy, safety, repeatability of the characteristic and the best possible linearity in a particularly advantageous manner.

Eine erfindungsgemäße Messachse ist in der Figur dargestellt und im Folgenden erläutert.A measuring axis according to the invention is shown in the figure and explained below.

Mit 1 ist, soweit im Einzelnen dargestellt, eine hohlzylindrische Messachse gezeigt, in deren Innenbereich zumindest ein Sensor, hier zwei Sensoren, die als Dehnmessstreifen 2 ausgebildet sind, angeordnet ist und die zumindest eine umlaufende Nut, hier zwei parallel zueinander ausgerichtete umlaufende Nuten 3 in der äußeren Oberfläche aufweist. Der äußere Durchmesser der Messachse 1 ist mit DN, der innere Durchmesser (Durchgangsöffnung) der Messachse 1 mit DB und der Durchmesser des tiefsten Punktes der umlaufenden Nuten 3, die ebenfalls auf einem Durchmesser liegen, mit DM bezeichnet. Die beiden Dehnmessstreifen 2 sind in der gleichen Ebene, die quer zu der Längsachse der Messachse 1 ausgerichtet ist, angeordnet wie die zugehörigen umlaufenden Nuten 3. Die auf die Messachse 1 wirkende Kraft ist mit F bezeichnet, wobei diese aufgrund der Konstruktion der Messachse 1 in Folge der beiden parallel zueinander angeordneten umlaufenden Nuten 3 in ihrer Größe jeweils halbiert (dargestellt durch die Kräfte F/2) auf die Dehnmessstreifen 2 wirkt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden umlaufenden Nuten 3 etwas nach rechts aus der Mitte der Messachse 1 (bei Betrachtung der Figur) versetzt angeordnet, wobei allerdings auch eine Anordnung der umlaufenden Nuten 3 und der zugehörigen Dehnmessstreifen 2 symmetrisch zu der Mitte der Messachse 1 denkbar ist.With 1 is, as far as shown in detail, a hollow cylindrical measuring axis shown in the inner region of at least one sensor, here two sensors, as strain gauges 2 are formed, is arranged and the at least one circumferential groove, here two mutually parallel circumferential grooves 3 in the outer surface. The outer diameter of the measuring axis 1 is with DN, the inner diameter (through hole) of the measuring axis 1 with DB and the diameter of the deepest point of the circumferential grooves 3 , which are also on a diameter, denoted by DM. The two strain gauges 2 are in the same plane, which are transverse to the longitudinal axis of the measuring axis 1 is aligned, arranged as the associated circumferential grooves 3 , The on the measuring axis 1 acting force is denoted by F, this being due to the construction of the measuring axis 1 as a result of the two mutually parallel circumferential grooves 3 each halved in size (represented by the forces F / 2) on the strain gauges 2 acts. In this embodiment, the two circumferential grooves 3 slightly to the right from the middle of the measuring axis 1 (When viewing the figure) arranged offset, but also an arrangement of the circumferential grooves 3 and the associated strain gauges 2 symmetrical to the center of the measuring axis 1 is conceivable.

Die Bemessungsvorschrift des Querschnittsfaktors ergibt sich dabei aus der folgenden Vorschrift, wobei auf die Durchmesserfaktoren V1 und V2 in der Figur verwiesen wird:
Schließlich ist noch neben der eigentlichen Messachse 1 mit ihren beiden Dehnmessstreifen 2 und den umlaufenden Nuten 3 in der Darstellung unterhalb der Messachse 1 beispielhaft die Ausgestaltung eines Dehnmessstreifens 2 dargestellt. Bei dieser Ausführung des Dehnmessstreifens 2 sind auf einem flexiblen Trägermaterial Leiterstrukturen, die elektrische Widerstände bilden, angeordnet. Die flexible Trägerstruktur ermöglicht es, den Dehnmessstreifen 2 in dem Innenbereich der Messachse 1 anzuordnen, zum Beispiel einzukleben. Durch die weitere Längung der Leiterstrukturen infolge der Krafteinwirkung auf die Messachse 1 verändert sich der elektrische Widerstand der Leiterstrukturen des Dehnmessstreifens 2, wobei dieser erfasst und ausgewertet werden kann.The design rule of the cross-sectional factor results from the following rule, reference being made to the diameter factors V1 and V2 in the figure:
Finally, it is next to the actual measurement axis 1 with their two strain gauges 2 and the circumferential grooves 3 in the illustration below the measuring axis 1 exemplified the embodiment of a strain gauge 2 shown. In this version of the strain gauge 2 are on a flexible substrate conductor structures, which form electrical resistances arranged. The flexible support structure allows the strain gauge 2 in the interior of the measuring axis 1 to arrange, for example, glue. Due to the further elongation of the conductor structures as a result of the action of force on the measuring axis 1 the electrical resistance of the conductor structures of the strain gauge changes 2 where this can be recorded and evaluated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Messachsemeasuring axis
22
DehnmessstreifenStrain
33
Nutgroove

Claims (7)

Messachse (1), die hohlzylindrisch ausgebildet ist und in deren Innenbereich zumindest ein Sensor angeordnet ist sowie zumindest eine umlaufende Nut (3) in der äußeren Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messachse (1) einen Querschnittsfaktor (V) mindestens größer 2 aufweist, wobei sich der Querschnittsfaktor (V) aus den Durchmesserfaktoren (V1) und (V2) ergibt und (V1) = (⌀DN – ⌀DB)/2 und (V2) = (⌀DM – ⌀DB)/2 ist.Measuring axis ( 1 ), which is formed as a hollow cylinder and in whose inner region at least one sensor is arranged and at least one circumferential groove ( 3 ) in the outer surface, characterized in that the measuring axis ( 1 ) has a cross-sectional factor (V) at least greater than 2, wherein the cross-sectional factor (V) from the diameter factors (V1) and (V2) results and (V1) = (⌀DN - ⌀DB) / 2 and (V2) = (⌀ DM - ⌀DB) / 2. Messachse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnittsfaktor (V) mindestens größer 3 ist. Measuring axis ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the cross-sectional factor (V) is at least greater than 3. Messachse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnittsfaktor (V) bei einer dünnwandigen Messachse (1) größer als 2,5, vorzugsweise größer als 2,7 ist, wobei dünnwandig bedeutet, dass (⌀DM – ⌀DB)/2 ≤ 10 Millimeter ist.Measuring axis ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the cross-sectional factor (V) in a thin-walled measuring axis ( 1 ) is greater than 2.5, preferably greater than 2.7, where thin-walled means that (⌀DM - ⌀DB) / 2 ≦ 10 millimeters. Messachse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor ein Dehnmessstreifen (2) ist.Measuring axis ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor is a strain gauge ( 2 ). Messachse (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Dehnmessstreifen (2) nebeneinander in dem Innenbereich der Messachse (1) angeordnet sind.Measuring axis ( 1 ) according to claim 4, characterized in that two strain gauges ( 2 ) side by side in the interior of the measuring axis ( 1 ) are arranged. Messachse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallel nebeneinander radial umlaufende Nuten (3) in der äußeren Oberfläche der Messachse (1) eingebracht sind.Measuring axis ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that two parallel adjacent to each other radially circumferential grooves ( 3 ) in the outer surface of the measuring axis ( 1 ) are introduced. Messachse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor in der gleichen Ebene, die quer zu der Längsachse der Messachse (1) ausgerichtet ist, angeordnet wie die Nut (3).Measuring axis ( 1 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor is in the same plane transverse to the longitudinal axis of the measuring axis ( 1 ), arranged like the groove ( 3 ).
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