DE2529796B2 - Mehrkomponenten-Kraftmeßdose - Google Patents
Mehrkomponenten-KraftmeßdoseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Mehrkomponenten-Kraftmeßdose, bestehend aus einem Gehäuse und einer
konzentrisch im Gehäuse angebrachten Nabe, die
mehrere Arme aufweist, wobei jeder Arm so im
Gehäuse geführt ist, daß dieser bei Belastung der Kraftmeßdose eine freie, senkrecht zur Nabenachse
gerichtete Relativverlagerung bezüglich des Gehäuses in Richtung parallel zu seiner Längsachse ausführen
kann, jedoch keine dazu quergerichtete Verlagerung.
Die Verwendung von mehrachsigen Kraftmeßdosen wurde im Zusammenhang mit automatisierten Montageverfahren vorgeschlagen, wobei eine Hantiereinrich-
tung so gesteuert wird, daß sie bestimmte Montageaufgaben mittels einer sogenannten »Kraftrückkoppelungssteuerung« ausführen kann, wobei die auf die
Hantiereinrichtung zurückübertragenen Reaktionskräfte bei Ausführung der Montageaufgabe verwendet
is werden, um Steuersignale zu erzeugen und die Montageaufgabe durchzuführen. Solch eine Anwendung erfordert eine Kraftmeßdose mit einer einfachen,
leichtgewichtigen Konstruktion, die noch dazu fähig sein muß, in einem weiten Bereich von dynamischen
Belastungen zu funktionieren, da einerseits sehr leichte Teile, z. B. Abdichtringe, Stifte usw., und andererseits
relativ schwere Teile, z.B. Gußstücke usw, von der Hantiereinrichtung montiert werden sollen. Die Reaktionskräfte können auch sehr stark variieren, was von
der dynamischen Natur der besonderen durchzuführenden Montageaufgabe abhängt Untersuchungen haben
gezeigt, dafl für die Wirksamkeit einer solchen
Kraftrückkoppelungssteuerung Kräfte entlang jeder der orthogonalen Achsen und Biegemomente um jede
dieser Achsen sehr genau gemessen werden müssen.
Ein Versuch, mehrachsige Kraftmeßdosen für oben beschriebene Anwendung einzusetzen, ist in der
Master's Thesis mit dem Titel »Force Feedback Steering of a Tele-Operator System« von R. C.
« G r ο ο m e, jr. in dem MIT Draper Laboratory Report
T-575, im August 1972, beschrieben worden. Diese Anordnung besteht aus einer Nabe, die mit einem
Gehäuse mittels vierer, in Kreuzform angeordneter freitragender Arme verbunden ist, wobei jeder der
^o Arme in dem Gehäuse so gelagert ist, daß er sich
entlang seiner Längsachse relativ zum Gehäuse verschieben kann. Widerstandsdehnungsmesser sind an
jedem dieser Arme angebracht, um die seitlichen Kräfte zu messen, die von jedem der freitragenden Arme
aufgenommen werden. Es wird weiterhin beschrieben, daß die so abgefühlten Kräfte so zerlegt werden, daß die
drei Kräfte und drei Drehmomentkomponenten erhalten werden, denen die Kraftmeßdose ausgesetzt ist
Obwohl dieser Versuch äußerst einfach und wirksam
ist, wird durch die Verwendung von Widerstandsdehnungsmeßelementen auf den freitragenden Armen zur
Messung der Kräfte der dynamische Bereich der Belastungen beschränkt, die von der Vorrichtung
gemessen werden können, da die Auflösung der
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftmeßdose zu schaffen, die sowohl einfach
aufgebaut ist, als auch fähig ist, vielachsige Belastungen in einem weiten dynamischen Belastungsbereich mit
ω großer Empfindlichkeit zu messen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich zu den Armen ein mit der Nabe starr
verbundenes Speichenkreuz mit mehreren Speichen vorhanden ist, die von der Nabenachse radial nach
<>> außen ragen, weiterhin erste Weggeber zur Messung
der Verlagerung von Punkten, von denen je einer auf jeder Speiche liegt, in einer Ebene senkrecht zur
Nabenachse und in radialer Richtung, einen ringförmi-
gen Flansch, der von der Nabe radial nach außen ragt,
jnd zweite Weggeber zur Messung der Verlagerung von vier Punkten auf dem Flansch in Richtung der
Nabenachse, wobei diese Punkte in einer Ebene senkrecht zur Nabenachse liegen und wobei sich je ein
Punkt auf den Ecken eines Quadrats, dessen Mitte auf der Nabenachse liegt, befindet.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zusammenfassend wird eine Kraftmeßdose zur iu
Messung von Kräften entlang dreier orthogonaler Achsen, sowie von Biegemomenten um jede dieser
Achsen geschaffer, wobei die Kraftmeßdose von einfacher Konstruktion ist, jedoch einen weiten Bereich
dynamischer Arbeitsbelastungen genau messen kann. Die Kraftmeßdose besteht aus einem Gehäuse, das
Kräfte und Momente übertragend mit einer zentralen Nabe mittels eines Paares von in Kreuzform angeordneten,
nachgiebigen, freitragenden Armen verbunden ist Jeder Arm ist längs seiner Achse gleitend in dem
Gehäuse angeordnet, so daß er Querbelastung entlang der entsprechenden orthogonalen Achsen in einer
Querebene der Kraftmeßdose keinen Widerstand entgegensetzt. Verlagerungen der Nabe relativ zum
Gehäuse werden durch vier Gruppen von Weggebern gemessen, wobei jede Gruppe die relative seitliche
Bewegung parallel zu jeder der orthogonalen Achsen an einander gegenüberliegenden Stellen, die radial von der
Mittelachse der Kraftmeßdose entfernt liegen, mißt Diese Verlagerungen werden dazu verwendet, Signale m
zu erzeugen, welche den Kraftkomponenten entlang jeder der orthogonalen Achsen, also auch der
Biegemomente um jede dieser Achsen entsprechen.
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher v>
erläutert. Darin zeigt
F i g. 1 eine Draufsicht auf eine mehrachsige Kraftmeßdose,
F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 nach F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 nach F i g. 1,
F i g. 4 eine Seitenansicht einer mehrachsigen Kraftmeßdose, teilweise geschnitten, und
F i g. 5 eine Draufsicht auf eine mehrachsige Kraftmeßdose in Richtung der Pfeile 5-5 in F i g. 4.
Als Beispiel könnte die Verwendung von nur drei
freitragenden Armen genannt werden, die in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind und sechs
Übertragern anstelle von vier oder acht, so daß sechs Kraft- und Momentkomponenten erhalten werden
können. w
In den Zeichnungen ist die Kraftmeßdose mit 10 bezeichnet; sie besteht aus einem Gehäuse 12 und einer
Nabe 14, die innerhalb des Gehäuses 12 von vier freitragenden Armen 16, 18, 20 und 22 gehalten wird,
welche mit einem Ende an einem zentralen Teil 24 der «
Nabe 14 befestigt sind. Die anderen Enden werden in dem Gehäuse 12 mittels vierer, teilweise sphärisch
ausgebildeter Enden 26, die in Büchsen 28 gleiten, gehalten.
Um die verschiedenen Verlagerungen von radial mit feo
Abstand zueinander angeordneter Stellen, die jedoch in bezug zur Nabe 14 festliegen, relativ zum Gehäuse 12 zu
messen, ist die Nabe 14 mit einem Flansch 301 nd einem
Speichenkreuz 32 versehen, wobei jedes Teil an einander entgegenliegenden Enden der Nabe 14 «>
befestigt ist.
Das Speichenkreuz 32 besteht aus vier sich radial erstreckenden Speichen 34, 36, 38 und 40, die jede in
eine im Gehäuse 12 ausgebildete Ausnehmung 42 im Spiel eingreifen. Die Ausnehmungen 42 bilden für die
Speichen 34, 36, 38 und 40 einen festen Anschlag bei einem übergroßen Weg. Die Speichen 34 bis 40 haben je
eine seitliche Kante 44, 46, 48 und 50, die entlang der Achsen liegen, welche die zentrale Achse der Kraftmeßdose
schneiden.
Die seitliche Bewegung jeder dieser Kanten 44 bis 50 wird mittels Verlagerungsgebern, vorzugsweise 52, 54,
56 und 58 abgetastet, die im Gehäuse 12 angeordnet sind und so gelagert sind, daß ihre Kontaktspitzen 60 im
Eingriff mit den entsprechenden Kanten 44 bis 50 gehalten werden. Diese Geber sind vorzugsweise solche
mit großem Linearitätsbereich, die sehr genaue Verlagerungsmessungen über einen Bereich ausführen
können, der viel größer ist, als derjenige bei der Verwendung von Dehnungsmessern.
Solche Weggeber sind an sich gut bekannt und im Handel überall erhältlich, so daß sie hier nicht genauer
beschrieben zu werden brauchen. Es reicht aus festzustellen, daß jede Bewegung der Kontaktspitze 60
ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das genau dem Ausmaß dieser Bewegung entspricht Eine seitliche
Bewegung des Flansches 30 entlang von Linien, die zu den Achsen tier Kraftmeßdose 10 parallel laufen, wird
mittels von Weggebern 62, 64, 66 und 68 gemessen, die ebenfalls im Gehäuse 12 befestigt sind und so
angeordnet sind, daß sie mit dem äußeren Rand 70 des Flansches 30 in Abständen von 90° an dessen Umfang
im Eingriff stehen. Der äußere Rand 70 ist so angeordnet, daß er mit den Bereichen 71 und 73 des
Gehäuses 12 im Eingriff steht, um einen festen Anschlag bei einer zu großen Verlagerung zu bilden.
Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß entsprechend der seitlichen Verlagerung der Nabe 14 an
acht beschriebenen Stellen entsprechende Signale erzeugt werden, die verwandt werden können, um
weitere Signale zu bilden, die den Hauptkraftkomponenten entlang jeder der orthogonalen Achsen und den
Biegemomenten um diese Achsen entsprechen.
Jede Gebergruppe, bestehend aus einem in radialer Richtung gegenüberliegend angeordneten Paar stellt
sowohl ein Mittel zur Messung einer Kraftkomponente entlang einer zur Achse der Weggeber in der Gruppe
parallelen Achse dar und ebenfalls ein Mittel zur Messung des Biegemoments, das auf die orthogonale
Achse quer zur Ebene, in welcher die Achsen des speziellen Weggeber-Paares angeordnet sind, dar, da
die algebraische Summierung der Verlagerungen, die von dem Weggeber-Paar gemessen werden, auf
einzigartige Weise dieses Biegemoment definiert, was einem mit diesem Gebiet vertrauten Fachmann ohne
weiteres klar ist Die so erzeugten elektrischen Signale können daher kombiniert und in dieser Weise durch
bekannte Schaltkreistechniken aufgelöst werden, um Signale zu bilden, die jeder der Kraftkomponenten und
Biegemomente zur Verwendung in einem Steuersystem entsprechen.
Es ist bekannt, daß diese Weggeber fähig sind, äußerst
genaue Verlagerungsmessungen durchzuführen bzw. in einem Bereich von Verlagerungen zu arbeiten, welcher
deutlich größer ist als derjenige, der bei der Verwendung von Meßinstrumenten zur Dehnungs- bzw.
Spannungsmessung erreicht werden kann. Diese Weggeber haben ebenfalls ausgezeichnete dynamische
Meßeigenschaften, so daß die Kraftmeßdose sowohl die
Einfachheit der Kraftmeßdose aufweist, die von Groom, jr. beschrieben wurde, als auch die beschriebenen
Leistungseigenschaften.
In der hier beschriebenen Ausführungsform ist das Speichenkreuz 32 und der Flansch 30 von der Ebene der
freitragenden Arme 16 bis 22 versetzt, hauptsächlich für eine Erleichterung der Herstellung. Diese drei Flächen
können jedoch auch zusammenfallen, so daß die freitragenden Arme und die Kontaktspitzen der acht
(oder sechs) Weggeber alle in der gleichen Fläche liegen, wodurch das Kreuzkoppeln der Signale verrin
gert wird, die von der Verlagerung jedes Teiles erzeugt werden. Die freitragenden Arme sind mit rundem
Querschnitt dargestellt. Wenn jedoch eine unterschiedliche Steifheit gewünscht wird, können die Armquerschnitte
rechteckig oder von irgendeiner anderen Gestalt sein, um die Steifheit in den verschiedenen
Richtungen der speziellen Anwendung genau anzupassen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Mehrkomponenten-Kraftmeßdose, bestehend aus einem Gehäuse und einer konzentrisch im
Gehäuse angebrachten Nabe, die mehrere Arme aufweist, wobei jeder Arm so im Gehäuse geführt ist,
daß dieser bei Belastung der Kraftmeßdose eine freie, senkrecht zur Nabenachse gerichtete Relativverlagerung bezüglich des Gehäuses in Richtung
parallel zu seiner Längsachse ausführen kann, jedoch keine dazu quergerichtete Verlagerung,
dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Armen (16 bis 22) ein mit der Nabe (14) starr
verbundenes Speichenkreuz (32) mit mehreren Speichen (34 bis 40) vorhanden ist, die von der
Nabenachse radial nach außen ragen, weiterhin erste Weggeber (53 bis 58) zur Messung der Verlagerung
von Punkten, von denen je einer auf jeder Speiche (34 bis 40) liegt, in einer Ebene senkrecht zur
Nabenachse und in radialer Richtung, einen ringförmigen Flansch (30), der von der Nabe (14) radial nach
außen ragt, und zweite Weggeber (62 bis 68) zur Messung der Verlagerung von vier Punkten auf dem
Flansch (30) in Richtung der Nabenachse, wobei diese Punkte in einer Ebene senkrecht zur
Nabenachse liegen und wobei sich je ein Punkt auf den Ecken eines Quadrats, dessen Mitte auf der
Nabenachse liegt, befindet.
2. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Weggeber (52 bis 58)
zur Messung der Verlagerung eines Punktes auf den Speichen aus mehreren Gebern (52 bis 58) mit
großem Linearitätsbereich bestehen, daß die zweiten Weggeber (62 bis 68) zur Messung der
Verlagerung von zwei Gruppen radial entgegengesetzt liegender Punkte auf dem Flansch ebenfalls aus
mehreren solcher Geber (62 bis 68) bestehen, und daß jeder Weggeber (52 bis 58, 62 bis 68) eine
Kontaktspitze (60) aufweist.
3. Kraftmeßdose nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (34 bis 40) des
Speichenkreuzes (32) Enden haben, die in Ausnehmungen (42) eingreifen, welche in dem Gehäuse (12)
angeordnet sind, und daß die ersten Weggeber (52 bis 58), welche die ersten Abtastmittel bilden, in dem
Gehäuse (12) angeordnet sind und so gelagert sind, daß ihre Kontaktspitzen (60) im Eingriff mit den
entsprechenden Punkten auf den Speichen (34 bis 40) gehalten werden.
4. Kraftmeßdose nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (30) einen äußeren
Rand (70) aufweist, der sich in das Gehäuse (12) erstreckt, und daß die zweiten Weggeber (62 bis 68),
welche die zweiten Abtastmittel bilden, im Gehäuse (12) angeordnet sind und so gelagert sind, daß ihre
Kontaktspitzen (60) im Eingriff mit den Punkten auf dem äußeren Rand (70) gehalten werden.
5. Kraftmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichenkreuz (32) und der
Flansch (30) an einander entgegengesetzt liegenden Längsenden der Nabe (14) angebracht sind.
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