DE4101732C2

DE4101732C2 - Kraft- Momenten-Sensor

Info

Publication number: DE4101732C2
Application number: DE4101732A
Authority: DE
Inventors: Hubert Droll; Michael Dr Lawo
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1991-01-22
Filing date: 1991-01-22
Publication date: 1994-08-18
Anticipated expiration: 2011-01-23
Also published as: DE4101732A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Momenten-Sensor (KMS) Die ser besteht aus zwei im unbelasteten Zustand auf einer Achse ausgerichteten Platten. Beide Platten sind über sechs Stäbe mechanisch miteinander gekoppelt. Die Stäbe haben gleiche me chanische Eigenschaften und sind im unbelasteten Zustand gleich lang. Sie sind austauschbar. Auf den einander zugewand ten Seiten der Platten befinden sich auf je einem Kreis um den Plattenmittelpunkt gleichverteilt drei Lagerpunktpaare, an denen jeweils zwei Stabenden verankert sind, von denen die Stabachsen V-förmig wegführen und mit ihren Stabenden auf der andern gegenüberliegenden Seite der Platte an verschiedenen Lagerpunktpaaren enden. An den Stäben sind Kraftaufnehmer mit Meßwertgebern zur Erfassung der jeweiligen Stablängsbelastung angebracht.

Mit einem derartigen Sensor werden Kräfte und Momente, die in beliebiger Richtung an der einen Platte angreifen, über die Messung der elastomechanischen Verformungen an der Kopplung ermittelt.

In dem Patents Abstract Of Japan, P-608 August 22, 1987 Vol. 11/No. 260 JP 62-63827 A und in der FR 25 29 333 ist ein solcher prinzipiel ler Aufbau dargestellt bzw. beschrieben. Die Koppelstäbe zwi schen den Platten sind an ihren jeweiligen Enden starr veran kert. Daher kann die Belastung nur soweit erfolgen, solange die Querkraft auf einen Stab gegenüber der Längskraft vernach lässigbar ist. Die Aussage über äußere Kräfte und Momente auf grund sechs gemessener Längskräfte über eine Matrix mit ange nommener idealisierter Geometrie muß demnach durch eine Kali brierung bzw. Eichung vor dem angewandten Meßeinsatz nach je dem Neuaufbau des Sensors bzw. nach jedem Austausch eines Kop pelstabes untermauert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elastomechani sche Kopplung eines Kraft-Momenten-Sensors aus handelsüblichen Komponenten zusammenzusetzen, um ein standardisiertes bzw. mo dular zusammengesetztes System zur Verfügung zu haben, bei dem Eichprozeduren entfallen können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 7 geben eine von Fall zu Fall vorteilhafte Meßeinrichtungen wie der, mit denen die Längenänderung der Stäbe bzw. der Kraftauf nehmer erfaßt werden kann. Der Unteranspruch 8 kennzeichnet eine Überlastschutzeinrichtung an dem Kraft-Momenten-Sensor.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen KMS besteht darin, daß die Basis und Plattform mit der geeigneten Konstruktion an den Lagerpunkten vorliegen, die nur eine axiale Beanspruchung der Koppelstäbe zulassen. Bei bekannten Stabeigenschaften und exakter Berücksichtigung der Lager- und Koppelgeometrie kann über die Koppelmatrix eine genaue Zuordnung zwischen äußeren wirkenden Kräften und Momentenden und der Längskraft in den den jeweiligen Stäben erfolgen.

Bei Austausch eines Stabes und erneuten Einbau eines gleichar tigen anderen muß deshalb keine erneute Eichung durchgeführt werden. Der Aufbau des KMS ist so ein modularer. Es sind für die elastomechanische Kopplung nur handelsübliche gleich artiger Bauelemente vorgesehen. Materialformende oder materi alabhebende Bearbeitungsprozesse entfallen somit.

Überlastung des KMS und damit Zerstörung eines oder mehrerer Stäbe läßt sich durch Austausch mit neuen gleichartigen Stäben einfach beheben, sofern die Basis und Plattform des Kraft-Mo menten-Sensors unbeschädigt sind. Eine Eichung entfällt auch in diesem Fall.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 perspektive Ansicht des KMS;

Fig. 2 axiale Projektion des prinzipiellen Aufbaus;

Fig. 3 Stab als Bauteil;

Fig. 4 Prinzip des in die Ebene abgewickelten Überlastschutzes;

Fig. 5 Stab mit Pleuelstangenform.

Fig. 1 zeigt den konstruktiven Aufbau des Kraft-Momenten-Sen sors (KMS) 1, insbes. die elastomechanische Kopplung zwischen Basis 2 und Plattform 3 über Stäbe 4 als standardisierte Bau elemente mit vorgegebener elastischer Eigenschaft in Richtung ihrer Achse 8. Beide Platten 2, 3 sind eben, kreisförmig und liegen im unbelasteten Zustand oder bei reiner Druck- bzw. Zugbelastung auf einer gemeinsamen Achse R_z. Die Kopplung be steht aus sechs Stäben. Über Gelenkköpfe 6, je einer am axia len Ende eines Stabes 4 angebracht, wird die Kopplung zwischen der Basis 2 und Plattform 3 über darauf vorhandene Lagerpunkte B_i, P_i geschaffen.

Auf der Basis 2 befinden sich auf einem konzentrischen Kreis zur Z-Achse gleichverteilt Lagerpunktpaare B₆, B₁; B₂, B₃; B₄, B₅ und entsprechend auf der Plattform Lagerpunktpaare P₁₁ P₂; P₃ P₄; P₅₁ P₆. Ein erster Stab 4 verbindet den Lagerpunkt B₁, mit P₁; ein zweiter Lagerpunkt P₂ mit B₂;. . .etc. . . und der letzte den Lagerpunkt P₆ mit B₆. Gelenkköpfe 6 und Lagerpunkt B_i bzw. P_i werden jeweils über eine Achse 7 gekoppelt.

Die Stäbe 4 sind windschief zur Z-Achse der Basis 2 und der Plattform 3 angebracht. Da sie die gleiche Länge und elasti sche Eigenschaft haben, stehen die Platten 2, 3 des unbelaste ten Sensors 1 in bestimmtem Abstand parallel zueinander.

Mit diesem Aufbau besitzen die Platten 2, 3 jeweils drei La gerpunkte bzw. drei Lagerpunktpaare. Das System ist also ein deutig und stabil gelagert.

Es gibt nun folgende grundsätzliche Belastung des KMS 1. Es sei die Basis 2 unbeweglich eingespannt, die Plattform werde belastet:

1. Im kartesischen Koordinatensystem x, y, z wirke nur eine Druck- bzw. Zugkraft R_z in negativer bzw. positiver Z-Rich tung auf die Plattform 3, dann werden sämtliche Stäbe 4 gleichartig um die Wegänderung 1 gestaucht bzw. gedehnt.
2. Es wirke nur ein Moment M_z um die Z-Achse, d. h. die Platt form 3 wird gegenüber der Basis 2 verdreht, dann erfahren gleichgerichtete Stäbe 4 eine gleiche Dehnung und die an deren eine gleiche Stauchung.

Für eine allgemeine Belastung ist wichtig, daß reine Axialbe anspruchungen ohne Biege- und Torsionswirkungen in den Stäben vorhanden sind. Hierzu sind die Gelenkköpfe an den Enden der Stäbe 4, damit der Stab 8 gegen die Lagerachse 7 momenten- und querkraftfrei geneigt werden kann.

Im unbelasteten Zustand oder bei reiner Druck- bzw. Zugbean spruchung des KMS 1 haben Lagerachsen 7 und Stabachsen 8 einen jeweils gleichen unveränderten Winkel zueinander.

Der Vorteil des modularen Aufbaus bei KMS 1 zeigt sich deutlich bei Überlastung eines Stabes 4 oder einiger Stäbe 4. Der Aus tausch mit einem neuwertigen gleichen bzw. mit neuwertigen gleichen Stäben 4 stellt die vorgegebene elastomechanische Ei genschaft des KMS1 wieder her, ohne daß eine Eichung notwendig wäre.

Gegen Überlast kann jedoch eine zusätzliche konstruktive Maß nahme am KMS 1 schützen. Ein an der Plattform 3 befestigter und zu ihr konzentrischer Zylinder 10 ragt in einen an der Ba sis 2 befestigten und zu ihr konzentrischen Zylinder 11 und bildet einen Ringspalt 12 vorgegebener Breite und Tiefe. Auf dem äußeren Zylinder befinden sich gleichverteilt um den Um fang radiale Bohrungen 13, die beim unbelasteten KMS 1 gleichartig durch den inneren Zylinder 10 gehen. In den Boh rungen 13 am äußeren Zylinder 11 sind paßgenau radial nach in nen Bolzen 14 eingelassen, die außerhalb des Zylinders 11 ver jüngt sind und damit mit einem bestimmten Spielraum durch die Wand des inneren Zylinders 10 ragen. Bei zu starker Belastung der Plattform 3 stoßen diese Bolzen 14 am inneren Zylinder an und hemmen eine weitere Bewegung.

In Fig. 4 ist ein solcher Überlastschutz durch einen Schnitt durch den Bolzenbereich prinzipiell dargestellt.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines KMS 1 in der Draufsicht 3. Diese erleichtert das Verständnis und dient zur Herleitung der Koppelmatrix zwischen Stabkräften F_i in den Stäben 4 und Belastung der Plattform 3.

Basis 2 und Plattform 3 sind im unbelasteten Zustand auf das Blatt projiziert. Hieraus wird die Geometrie der Lagerpunkt paare und der Stabstrecken deutlich. Die drei Lagerpunktpaare B₆, B₁; B₂, B₃; B₄, B₅ der Basis 2 befinden sich gleichver teilt auf einem Kreis 15 um die Achse der Basis 2, oder die drei Lagerschwerpunkte aus den drei Lagerpunktpaaren bilden ein gleichseitiges Dreieck D_B, und damit befindet sich sein Schwerpunkt auf der Basisachse. Dasselbe trifft für die Lager punktpaare P₁, P₂; P₃₁ P₄; P₅₁ P₆ auf der Plattform 3 zu. Dort bilden die drei Lagerschwerpunkte ein gleichseitiges Dreieck D_P. Im unbelasteten Zustand des KMS 1 sind die Dreiecke D_B, D_P um 60° gegeneinander verdreht.

Über die Koppelmatrix C wird eine beliebige Kraft (R_x, R_y, R_z) und ein beliebiges Moment M_x, M_y, M_z auf die Platten 2, 3 ein deutig auf die jeweils nur axial mögliche Kraft F_i in den Stä ben 4 abgebildet. Da die elasto-mechanischen Eigenschaften der Stäbe 4 des KMS 1 gleich und bekannt sind, ist die Beziehung Kraft/Moment auf die Platten 2, 3 - Längenänderung in den Stä ben 4 über die KMS-Geometrie rechnerisch herstellbar.

Es ist:

Die mechanischen Eigenschaften eines Stabes und damit aller sechs Stäbe eines KMS 1 sind bekannt. Damit hat man über die Federkonstante D eines Stabes 4 den Zusammenhang zwischen Deh nung l_i des Stabes und Axialkraft, nämlich

F_i = D · Δl_i.

Die Koppelmatrix C hat die Gestalt, 1 ist die Stablänge:

Dabei ist r der Radius des Kreises um den Basis- bzw. Platt formmittelpunkt durch die Lagerpunkte B_i bzw. P_i. h ist der Abstand der beiden Kreise aber auch der beiden Dreieck D_B und D_P zueinander. Der Winkel A_Bi und A_Pi entstehen folgender maßen:

A_B1 = Φ + Π/6
A_B2 = 2/3 Π - Φ_B + Π/6
A_B3 = 2/3Π + Φ_B + Π/6
A_B4 = -(2/3Π + Φ_B) + Π/6
A_B5 = -(2/3Π - Φ_B) + Π/6
A_B6 = -Φ_B + Π/6
A_P1 = Φ_P + Π/6
A_P2 = 2/3Π - Φ_P + Π/6
A_P3 = 2/3Π + Φ_P + Π/6
A_P4 = -(2/3Π + Φ_P) + Π/6
A_P5 = -(2/3Π - Φ_P) + Π/6
A_P6 = -Φ_P + Π/6.

Fig. 3 zeigt einen einzelnen Stab 4 mit einer Kraftmeßdose 4a und zwei Gelenkköpfen 6. Zur Längenanpassung ist auf der lin ken Seite ein zusätzliches Ausgleichsteil 16 eingefügt.

Kraftmeßdosen zur Messung von Zug-Druckkräften beruhen auf dem Prinzip der Messung einer Dehnung eines sich verformenden ela stischen Teils mit Dehnmeßstreifen (DMS). Diese Aufnehmer sind für höhere Genauigkeitsklassen teuer. Eine Zerstörung der Auf nehmer stellt unter Umständen einen beträchtlichen wirtschaft lichen Verlust dar.

Fig. 5 ist ein pleuelförmiger Stab in der Draufsicht und mit einem Schnitt durch die Stabachse dargestellt. An den beiden Stabenden befinden sich die Gelenklager. Durch diese konstruk tive Bauart nimmt der Stab nur Zug-/Druckkräfte auf. Diese werden über Dehnmeßstreifen, die definiert am Stab angebracht sind, aus der dort auftretenden Längenänderung bei einer Bean spruchung erfaßt.

Eine Alternative ist somit der Einsatz berührungslos ar beitender Abstandsmeßsysteme. Die Kraftmeßdose in dem Stab wird in diesem Fall durch einen elastischen Körper ersetzt. Ein pa rallel zum Stab gerichteter Abstandssensor mißt die Längenän derung. Für den Einsatz kommen verschiedene Systeme in Frage, zum Beispiel:

a) ohmsche, induktive bzw. kapazitive Abstandsmeßsysteme
b) Wirbelstromsensoren
c) Glasfasersensoren im Einweg- oder Reflexbetrieb.

Aus dieser Anwendung ergibt sich ein Vorteil:

Die Elastizität des Meßkörpers ist frei wählbar. Sie kann im Bereich des verwendeten Metalls liegen oder durch eine Feder konstruktion beträchtlich erhöht werden. Dadurch wird aus dem steifen KMS-Sensor ein nachgiebiger bzw. weicher Sensor. Diese Eigenschaft bringt in bestimmten Anwendungen Vorteile mit sich:

- Wird der Sensor als Führungssensor im Master-Slave-Betrieb (MSB) von Robotern verwendet, so kann der Bediener (Master) den Masterroboter gefühlvoller führen, als mit einem stei fen Sensor.
- Der weiche KMS-Sensor kann als Füge- oder Montagesensor verwendet werden, d. h. durch die Nachgiebigkeit des Sensors wird ein Verkanten beim Fügen eines Bauteils verhindert.
- Eine Erhöhung der Elastizität bringt für das Regelungsver halten des kraft-/positionsgesteuerten Roboters eine Ver besserung mit sich.
- Etwaige Stöße auf den Sensor werden durch die Nachgiebig keit gedämpft.

Bezugszeichenliste

1 Kraft-Momenten-Sensor (KMS), Sensor
2 Basis, Platte
3 Plattform, Platte
4 Stab
4a Kraftmeßdose, Kraftaufnehmer
6 Gelenkkopf
B_i Lagerpunkt
P_i Lagerpunkt
7 Achse, Lagerachse
R_x, R_y, R_z Kräfte im kartesischen Koordinatensystem
M_x, M_y, M_z Momente im Koordinatensystem
8 Sensorachse
10 Zylinder
11 Zylinder
12 Ringspalt
13 Bohrungen
14 Bolzen
15 Kreis
16 Ausgleichstück
x, y, z Kartesisches Koordinatensystem, Achse
D_B Dreieck, Basisdreieck
D_P Dreieck, Plattformdreieck
h Abstand

Claims

1. Kraft-Momenten-Sensor (KMS), bestehend aus zwei im unbe lasteten Zustand auf einer Achse (y) ausgerichteten Platten (2, 3), die mittels sechs gleichartiger, im unbelasteten Zustand gleichlanger Stäbe (4), die wiederum einzeln aus tauschbar sind, mechanisch miteinander verbunden sind, der gestalt, daß sich auf der einen Platte (2) drei gleichmäßig auf einem Kreis (15) um die Achse (y) verteilte Lagerpunkt paare (Bi, Bi+1) und auf der anderen Platte (3) ebenfalls drei gleichmäßig auf einem dortigen Kreis (15) um die Achse (y) verteilte Lagerpunktpaare (Pi, Pi+1) bilden, wobei sich bei einer achsparallelen Projektion sechs symmetrisch um die Achse (y) verteilte, abwechselnd aufeinanderfolgende Lagerpunktpaare (Bi, Bi+1 bzw. Pi, Pi+1) ergeben, die ver ankerten Stäbe (4) sich nicht kreuzen und jeder der sechs Stäbe (4) mit einem Kraftaufnehmer (4a) zur Erfassung der jeweiligen Längsbelastung versehen ist, wodurch über eine Matrix von den gemessenen Längskräften in den Stäben (4) auf die äußeren wirkenden Kräfte und Momente geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- jeder Stab (4) mit seinen beiden Enden auf der einen und auf der anderen Platte (2, 3) an einem Lagerpunkt (Bi, Pi) des jeweiligen Lagerpunktpaares (Bi, Bi+1; Pi, Pi+1) so gelagert ist, daß der Stab (4) nur Längskräfte auf nimmt, und die Nachgiebigkeit der über die sechs Stäbe gekoppelten Platten (2, 3) gegeneinander über den Einbau von Stäben (4) mit vorgegebener Federkonstanten in Längsrichtung einstellbar ist,
- bei bekannter Stabeigenschaft der verwendeten Stäbe (4) eine Kalibrierung des Kraftmomentensensors (1) entfällt, weil über die Matrix, deren Elemente die geometrischen Parameter, wie Radius der Achse (y) zu den Lagerpunkt paaren (Bi, Bi+1; Pi, Pi+1), Stablänge, senkrechter Ab stand der Lagerpunktpaare (Bi, Bi+1; Pi, Pi+1) zwischen den Platten (2, 3) und Abstand der Lagerpunkte (Bi, Bi+1, Bi+2 bzw. Pi, Pi+1, Pi+2) zueinander auf der obe ren und unteren Platte (2, 3) des jeweiligen Lagerpunkt paares (Bi, Bi+1 bzw. Pi, Pi+1) umfassen, eine exakte Abbildung der in den Stäben (4) resultierend wirkenden Längskräfte auf die von außen auf den Kraft-Momenten- Sensor (1) wirkenden Kräfte und Momente erfolgt.

2. Kraft-Momenten-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Stäbe (4) aus je einer axial geführten Feder mit vorgegebenen mechanischen Eigenschaften bestehen.

3. Kraft-Momenten-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stäbe (4) je zusätzlich eine Dämpfungseinrichtung in axialer Richtung haben.

4. Kraft-Momenten-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß parallel zu jedem Stab (4) eine ohmsche oder eine induktive oder eine kapazitive Längenmeßeinrichtung angebracht ist.

5. Kraft-Momenten-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß entlang eines jeden Stabes (4) eine Längenmeßeinrichtung nach dem Wirbelstromprinzip angebracht ist.

6. Kraft-Momenten-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß entlang den Stäben (4) angebrachte Glasfasersensoren die Längenänderung im Einweg oder Reflexbetrieb erfassen.

7. Kraft-Momenten-Sensor nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertgeber an oder entlang der Stäbe (4) an einen Rechner angeschlossen sind.

8. Kraft-Momenten-Sensor nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überlastschutz einge baut ist, der aus zwei sich überlappenden Zylindern (10 und 11) besteht, die jeweils mit einer Platte (2 und 3) starr verbunden sind und gleichverteilt um den Umfang des äußeren Zylinders (11) mindestens drei Bolzen (14) paßgenau und ra dial eingelassen haben, die mit ihren Ende in den inneren Zylinder (10) ragen und dort jeweils ein vorgegebenes Spiel haben.