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Vorrichtung zur Kraftmessung.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftmessung durch Messung
der Dehnung eines Meßelementes mit einem spannungsabhängige Meßwerte abgebenden
Meßgitter.
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Derartige Meßelemente sind für eine Vielzahl von Meßaufgaben ungeeignet.
Für die Kraftmessung in Werkzeügmaschinen beispielsweise werden Meßelemente benötigt,
die einfach und robust sind und Langzeitmessungen zulassen. Mägnetostriktive Elemente
müssen zu mehreren in einen Ring eingebaut werden. Die nicht-lineare Kennlinie dieser
Elemente macht eine Mittelung der Meßwerte schwierig. Handelstbliche, piezoelektrische
Aufnehmer sind für Langzeitmessungen ungeeignet. Massive, mit Dehnmeßatreifen beklebte
Ringe sind zwar sehr robust. Die Kraft kann aber erst bei hohen Lasten einigermaßen
gleichmäßig über die gesamte Stirnfläche eingeleitet werden.
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Derartig hohe Lasten treten bei vielen Meßproblemen nicht auf.
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Außerdem können bei bestimmten Verhältnissen von Durchmesser und Höchstlast
Instabilitätsprobleme durch Beulen oder Kippen des Meßelementes auftreten. Schließlich
sind Uberlastsicherungen nur schwierig anzubringen, so daß der volle Meßbereich
des Meßgitters -eines Dehnmeßstreifens bzw. die maximal nöglicheelastische Verformung
des Werkstoft-es nur selten ausgenutzt werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches, robustes,
wenig Raum beanspruchendes Kra~tmeBelement zu schaffen, das zu Dauermessungen geeignet
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf dem Meßelement
mindestens eine Meßzone vorgesehen ist, die bei Belastung durch dem Betrage nach
gleiche Spannungsgradienten dem Betrage nach gleiche örtliche Dehnungen aufweist
und daß das Meßgitter zur Aufnahme dieser Dehnungen in der Meßzone befestigt ist.
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Bei einer derartig ausgestalteten Vorrichtung liegt die Größenordnung
vler aufzunehmenden Maximallast ztlischen 2 kN und 200 kN. Mit ihr können sowohl
ruhende als auch veränderliche Lasten gemessen werden. Die Verformung der Vorrichtung
unter r Einwirkung der zu messenden Kräfte kann klein gehalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind auf dem
Meßelement mehrere Meßzonen mit gleichen elastischen Eigenschaften und gleichen
geometrischen Abmessungen vorgesehen, die mit Auflagern zur Kraftein- und aus leitung
abwechselnd aufeinander folgen und je ein Meßgitter ist in jeder Meßzone an einer
örtlich genau bestimmten Meßstelle befestigt, die hinsichtlich ihrer Lage und Ausbildung
mit der entsprecheI n Meßstelle aller weiteren Meßzonen übereinstimmt. Auf diese
Weise ergeben sich eine der Anzahl der Meßgitter entsprechende Anzahl von Meßwerten,
die einen genauen Überblick über die in einem bestimmten Querschnitt wirkende Kraft
geben. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Meßelement
ringförmig ausgebildet und die Aufbringung der Belastung ist in axialer Richtung
vorgesehen. Mit einem derartigen ringförmigen Meßelement kann die Einwirkung von
Kräften in Richtung der Rotationsachse des Ringes in Meßsignale umgesetzt werden.
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Der Innendurchmesser des Ringes kann zwischen 50 und 500 mm liegen.
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Die Verformung des Ringes kann sehr klein gehalten werden. Dieses
Meßelement ist daher zur Messung von Axialkräften an sich drehenden Wellen besonders
geeignet.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist.
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In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf eine ringförmige
Vorrichtung zur Kraftmessung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Teilabwicklung
des Ringes gemäß Fig. 1 und Fig. 3 eine Draufsicht auf ein geradliniges Meßelement.
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Eine Vorrichtung zur Kraftmesung besteht im wesentlichen aus Meßzonen
1 und Auflagern 2, die beidseits der als verformbare Stege ausgebildeten Meßzonen
1 angeordnet sind. Auf den Oberflächen der Meßzonen 1 sind Dehnmeßstreifen 3 befestigt,
deren Meßgitter die Dehnung von Meßstellen aufnehmen, die hinsichtlich ihrer Lage
und Ausbildung mit den entsprechenden Meßstellen aller anderen Meßzonen 1 übereinstimmen.
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Die beiden beidSeits einer Meßzone 1 Vorgesehenen Auf lager 2 sind
in axialer Richtung, d. h. in Richtung der angreifenden Kraft um einen Federweg
4 gegeneinander versetzt. Die in Angriffsrichtung der Kraft oben liegenden Oberflächen
5, 6 dienen zur Einleitung der zu mesulidenKräftein den Kraftmeßring. Die Querschnitte
der Meßzonen 1 sind untereinander gleich und auch die Querschnitte der Auf lager
2 sind untereinander gleich.
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In den Oberflächen 6 der Auf lager 2 sind Nuten 7 vorgesehen, in denen
eine Verdrahtung verlegt ist. Diese dient zur Zusammenschaltung der Dehnmeßstreifen
z. B. zu einer nichtdargestellten Wheatstone' schen Brücke. Da es bei der dargestellten
Anordnung gleich viele auf Dehnung wie auf Stauchung beanspruchte Dehnmeßstreifen
gibt, ist die Schaltung einer Vollbrücke möglich, auch wenn nur eine Seite des Ringes
mit Dehnmeßstreifen beklebt wird.
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Der Kraftmeßring wird zwischen zwei ebene Flächen eingebaut, durch
die die zu messende Kraft in die Oberflächen 5, 6 der Auf lager 2 ein- bzw. aui;geleitet
wird. Unter dieser Kraft verformt sich der Ring in der Weise, daß jeweils zwei benachbarte
Auf lager 2 in einander entgegengesetzte Richtungen belastet werden und dabei die
zwischen ihnen liegende Meßzone 1 verformen. Die Dehnmeßstreifen
3
sind an Stellen gleicher örtlicher Dehnung befestigt und geben aufgrund ihrer Widerstandsänderung
ein Meßsignal ab, das in linearer Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft steht.
Falls die Einleitung der Kraft nicht gleichmäßig erfolgt, werden bei Schaltung zu
einer Vollbrücke etwa unterschiedliche Kräfte an den Auflagerflächen 5, 6 gemittelt.
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Falls die zu messenden Kräfte so groß sind, daß der Federweg 4 aufgebraucht
wird, kommen die diesen Kräften unterworfenen Auflager 2 an beiden Oberflächen 5,
6 zur Anlage mit den die Kräfte in den Kraftmeßring einleitenden Flächen. Die Meßkapazität
des Kraftmeßringes ist damit erschöpft. Größere Kräfte lösen ein weiteres Meßsignal
nicht mehr aus. Auf diese Weise wird aber der Bruch oder eine dauernde Verformung
des Kraftmeßringes vermieden, so daß dieser durch Überlast nicht beschädigt werden
kann. Bei einer Belastung des Kratmeßringes auf Zug können zwar die Zugkräfte in
ähnlicher Weise ermittelt werden wie bei der Belastung auf Druck. Der Ring ist in
diesem Falle aber gegen Überlast nicht gesichert.
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Bei der AnbringUng der Dehnmeßstreifen 3 kommt es wesentlich darauf
an, daß sie an Stellen gleicher örtlicher Dehnung angebracht werden.
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Unter der Voraussetzung gleicher Querschnitte für die Meßzonen 1 und
gleichbleibender Versetzung der Auflager 2 untereinander können die den Übergang
ton der Meßone 1 in das Auflager 2 bildenden Absätze 8 als Bezflgskanten angesehen
Werden, bezÜglich derer die Dehnmeßstreifen 3 auf den Meßonen 5 ausüöriohtet werden
mS müssen.
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Um die Vefformungswege in axialer Richtung niöglichst klein zu halten,
sollte das Meßelement mJglichst aus einem Stück gefertigt werden. Grundsätzlich
ist es aber auch möglich, das Meßelement aus mehreren Einzelstücken zusammenzusetzen.
In jedem Falle wird der eingespannte Träger durch Biegung verformt. Dabei ist es
nicht möglich, längere Zonen gleicher Dehnung zu erhalten, wie es bei den meisten
bekannten Kraftmeßdosen mit Dehnmeßstreifen angestrebt wird. Zur Erzielung einer
der Belastung proportionalen Anzeige ist es daher notwendig, daß alle aktiven Dehnmeßstreifen
so aufgebracht werden, daß ihre Meßgitter dem Betrage nach gleiche örtliche Dehnungen
mit dem Betrage nach gleichen Spannungsgradienten erleiden.
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Bei Anwendung mehrerer Dehnmeßstreifen ist es erforderlich, daß
auf
dem eingespannten Ring mehrere Abschnitte mit gleichen elastischen Eigenschaften
und geometrischen Abmessungen einander abwechseln und die Meßgitter der Dehnmeßstreifen
an örtlich genau bestimmten Stellen befestigt werden, die untereinander hinreichend
geringe Abweichungen aufweisen.
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Auf den Oberflächen der Meßzonen 1, die den Oberflächen mit den aufgebrachten
Dehnmeßstreifen 3 abgewandt sind, können Abgleich-und Kalibrierwiderstände untergebracht
werden. Grundsätzlich können diese Flächen aber auch frei bleiben.
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Statt einer ringförmigen Ausführung können die Meßzonen 1 und Auflager
2 sich auch in geradliniger Richtung einander abwechseln.
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Ein derartig ausgebildetes Meßelement ist beispielsweise vorteilhaft
verwendbar, wenn die Kraftüberagung über einen Stößel mit eckigem Querschnitt erfolgt.
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Bei einem ringformigen Meßelement sind mindestens je vier Auflager
und Meßzonen notwendig, die einander abwechselS aufeinander folgen.
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Sehr günstige Meßergebnisse werden aber mit je sechs Auflage2n2 und
Meßzonen 1 erzielt. Bei geradlinigen Meßelementen genügen bereits drei Auflager
2 mit zwei zwischen ihnen angeordneten Meßzonen 1.
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Günstigere Meßergebnisse werden aber mit vier Auf lagern 2 erzielt,
zwischen denen drei Meßzonen 1 angeordnet sind.
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Als weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich
die geringe Bauhöhe, die eine Vielzahl von Einbaumöglichkeiten zur Folge hat. Die
Dehnmeßstreifen und ihre Verdrahtung sind vor Beschädigungen bei der Montage und
in Betrieb weitgehend geschützt, so daß ein Gehäuse nict benötigt wird. Bei sorgfältiger
Aufbringung der Dehnmeßetreifen ist auch bei kleinen Kräften eine gute Linearität
gewA L leistot. Wegen der hohen ederkonstanten ist eine Vorspannung nicht nötig.
Da die einzuleitenden Kräfte auf die Oberflächen 5, 6 einwirken, kann das Meßelement
einfach eingebaut werden und beispielsweise mit Schrauben auf den Gegenflächen befestigt
werden. Da der Werkstoff des Meßelementes bis kurz vor Erreichen der Streckgrenze
belastet werden kann, werden die einzelnen Meßergebnisse mit einer hohen Auflösung
voneinander getrennt registriert.