DE2727704A1

DE2727704A1 - Kraft-momenten-fuehler

Info

Publication number: DE2727704A1
Application number: DE19772727704
Authority: DE
Inventors: Florian Mettin; Lothar Dipl Phys Dr Schmieder; August Vilgertshofer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1977-06-21
Filing date: 1977-06-21
Publication date: 1979-01-11
Also published as: FR2395496B1; DE2727704B2; DE2727704C3; CH628433A5; US4178799A; FR2395496A1; JPS548569A; JPS5918645B2

Description

DIPL.· PHYS. F. ENDLiCK. D-8O34 UNTERPFAFFENHOFEN, »OSTF.

TELEX: 82 !73O Meine Akte: D-4255

Anmelder; Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V., Porz-Wahn_f Linder Höhe

Kraft-Momenten-Fühler

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Momenten-Fühler entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit einem Kraft-Momenten-Fühler können beispielsweise an einer Greifzange angreifende Kräfte und Drehmomente gemessen werden. Derartige Vorrichtungen werden insbesondere bei Manipulatoren eingesetzt, die zur Erfüllung ihrer komplexen Aufgaben (z.B. Montage oder Qualitätskontrolle) einen Informationsaustausch mit der Umwelt benötigen.

Fig. 1 zeigt eine derartige Greifzange, die ein Werkstück festhält, und deren Schließen zweckmäßig durch eine pneumatische Einrichtung bewirkt wird, bei welcher der Anpreßdruck leicht geregelt werden kann. Werden im Punkt O die dort angreifenden Kräfte und Momente gemessen, so kann der den Manipulator steuernde Prozeßrechner nicht nur das Gewicht P_ der Last, sondern mit Hilfe des gemessenen Drehmoments H auch den minimalen Hebelarm (r, P und M sind Vektoren)

¹'' ^rmin _p2

messen. Da der Angriffspunkt einer Kraft längs ihrer Angriffslinie beliebig verschoben werden kann, ist eine Berechnung des wahren Hebelarms r nicht möglich. Es können auch reine Lastdrehmomente auftreten, z."B.beim Eindrehen einer Schraube. Diese können nur dann eindeutig gemessen werden, wenn die Lastangriffslinie durch den Bezugspunkt geht, so daß das von der Last verursachte Drehmoment Null wird.

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ή- ς

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Fig. 2 zeigt eine Konstruktion, bei welcher in jedem Finger der Zange eine Heßvorrichtung eingebaut ist. Es eel ten für den in der Hitte von 0. und O₂ liegenden Punkt 0 die Gleichgewicrtsbedingungen (P., M-, P_, M_—in Fig. 2 nicht eingezeichnet-werden auf die Punkte 0., 0_ bezogen, s ist ein Vektor)

(2) P_L = P₁ + P₂ ,

die wiederum P, und r . eindeutig festlegen, wenn die öffnungsweite 2 s der

L min ~ ^{β a}

Zange bekannt ist. Da Gleichung (1) aber auch auf jeden Finger von Fig. 2 angewendet werden kann, sind auch die Angriffspunkte der Resultanten P?, Ρ? bekannt, schließlich liefert die zweite Komponente von (Pf- Pt), durch zwei dividiert, den Anpreßdruck der Zange. Damit ist es möglich, eine Greifhand nach Fig. 2 mit einem Elektromotor über eine Wegsteuerung zu betreiben, die durch laufendes Abfragen des Anpreßdrucks und entsprechende Korrekturen in eine Kraftsteuerung umgewandelt wird, wobei die Öffnungsweite der Handzange jederzeit bekannt ist, so daß auch Werkstücke vermessen werden können. Schließlich ist es möglich, das Gleiten eines Werkstückes festzustellen, da beim Übergang von der Haftreibung zur Gleitreibung eine plötzliche Verminderung der Tangentialkraft auftritt.

Durch Anordnung von Dehnungsmeßstreifen können die an einem starren Körper angreifenden Kräfte und Momente festgestellt werden. Die Entkopplung der durch die verschiedenen Kräfte verursachten Dehnungen bereitet erhebliche Schwierigkeiten. Bei einem bekannten Fühler der eingangs genannten Art (Report Nr. E-275^ des Massachusetts Institute of Technology, März 1973) ist eine Aufnehmerplatte an vier Balken aufgehängt (sh. hierzu Fig. 3)· Jeder Balken enthält je zwei Dehnungsmeßbrücken, welche die Verkrümmungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen messen und ist am Ende mit einer Kugel abgeschlossen. Die Kugeln gleiten in vier Hülsen, in denen sie in Richtung der Balkenlängsachse gleiten können. Eine Normalkraft bewirkt dabei eine Durchbiegung der vier Balken, die von den Dehnungsmeßstreifen erfaßt,und von einem Rechner ausgewertet werden. Auf diese Weise können die Normalkraft und die von ihr bei außermittigem Angriffspunkt bewirkten Drehmomente um die Achsen e. und e gemessen werden. Eine senkrecht dazu wirkende Tangentialkraft bewirkt eine Durchbiegung von nur zwei Balken, während die restlichen beiden Balken sich verschieben können und nicht beansprucht werden.

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Wenn nun aber Tangential- und Vertikal-Kräfte gleichzeitig auftreten, wird die Normalkraft die Kugeln gegen die Hülsen pressen und damit eine Haftreibung erzeugen, die einen Teil der äußeren Tangentialkraft kompensiert, der für die Messung verloren ist. Reibungskräfte, welche die Messungen verfälschen, treten auch auf, wenn die Vorrichtung verformt worden ist, was schon bei kurzzeitiger Uberbelastung auftreten kann, so daS die vier Kugeln samt ihren Hülsen nicht mehr streng in einer Ebene liegen.

Dieselben Schwierigkeiten bestehen auch bei einem verbesserten Fühler, der In der DT-0S2529796 beschrieben ist. Bei diesem Fühler ist eine Nabe 14 (sh. Fig. 5 der DTOS) an vier freitragenden Armen 16, 18, 20, 22 in dem Gehäuse 12 eingehängt, wobei die kugelförmigen Enden der Arme sich wieder in Richtung der Längsachse der Arme verschieben können. Eine Verbesserung gegenüber der alten Anordnung gemäß ^ig. 2 wird dadurch erreicht, daß fur die Messung Verlagerungsgeber eingesetzt werden, welche die Verschiebung eines Speichenkreuzes 32 und eines Flansches 30 messen. Damit ist der oben geschilderte grundsätzliche Fehler jedoch nicht behoben.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Kraft-Momenten-FOhler der eingangs genannten Art unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derartig zu verbessern, daß praktisch keine die Messungen verfälschende Komponenten auftreten können. Diese Aufgabe wird bei einem Kraft-Homenten-Fühler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vortei1 hafte Weiterbi1 düngen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise bekannter Kraft-Mominten-Fühler;

Fig. 3 das Prinzip der in der DT-0S2529796 beschriebenen Anordung als Erläuterung

Fig. k einen Aufriß bzw. eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung; und

Fig. 5 die Darstellung einss abgewandelten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung.

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Bei dem in Figur k dargestellten Ausffihrungsbeispiel ist eine Grundplatte 1 vorgesehen, parallel zu der eine Lastaufnehmerplatte 2 angeordnet ist. Die Grundplatte 1 ist über vier vertikal zu ihrer Ebene gelegene Stützen 5 starr mit einem als Ring ausgebildeten Zwischenstuck 3 verbunden. Der Ring 3 ist über vier Speichen ^ welche in der Ebene der Lastaufnehmei— platte 2 liegen, mit derselben starr verbunden. Die Stützen 5 können gegenüber den Speichen h um ^5° versetzt sein. An den Ober- und Unterseiten der Speichen h und an den senkrecht zur Ringperipherie liegenden Seiten der Stützen 5 sind bei diesem Ausführungsbeispiel Dehnungsmeßstreifen 6 bzw. 7 angebracht, welche die Verkrümmungen messen. Statt der Verkrümmungen können auch die senkrechten Verschiebungen von mindestens drei Punkten der Lastaufnehmerplatte 2 gegenüber der Ebene des Ringes k und die waagrechten Verschiebungen von mindestens drei Punkten auf der Lastaufnehmerplatte 2 oder des Rings k gegenüber der Grundplatte 1 mittels Verlagerungsgebern, wie es in der DT-OS2529796 beschrieben wird, gemessen werden.

Bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist die Lastaufnehmerplatte 2 kreisförmig ausgebildet und der Ring 3 ist ein Kreisring. Diese beiden Elemente können jedoch auch quadratisch oder rechteckförmig ausgebildet sein. Anstelle von vier Speichen und vier Stützen können auch drei Speichen und drei Stützen vorgesehen sein. Diese Anordnung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn auch die Grundplatte 1 eine kreisförmige Gestalt hat.

Die Dicke und Breite des Zwischenstückes 3 ist zweckmäßigerweise mindestens doppelt so groß wie die entsprechenden Abmessungen der Speichen und Stützen, damit möglichst die gesamte Verformungsenergie in die Speichen und Stützen geht, deren Verformungen gemessen werden.

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Eine in Richtung e- angreifende Normalkraft verbiegt die Speichen k, während die Stützen 5 infolge der großen Steifigkeit des Rings 3 nur auf Druck belastet werden, was von den Dehnungsmeßstreifen 7 auf den Stutzen 5 nicht registriert wird. Eine Tangentialkraft in Richtung e. belastet zwei der Speichen 5 auf Druck und die beiden anderen auf Biegung in der Richtung, in der sie von den Dehnungsmeßstreifen nicht registriert wird, aber alle Stützen 5 erfahren Biegungen, die auf zwei dieser Stützen gemessen werden. Versuche haben Uberkopplungen ergeben, die unter 3% lagen. Eine bleibende

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Verformung infolge Uberbelastung verursacht lediglich eine Nullpunktsverschiebung der Dehnungsmeßstreifen, die beim Betrieb mit Rechnern ohnehin laufend kompensiert wird.

Bei dem in Figure 5 dargestellten abgewandelten Ausführungsbeispiel ist eine ringförmige Grundplatte 1 über ein massives Mittelstuck 3 mit der Aufnehmerplatte 2 verbunden. Verbindungselemente sind die parallel zur Grundplattenebene 1 legenden Speichen Ί und die senkrecht dazu verlaufenden Stutzen 5. Auf den Stützen werden vermittels der Dehnungsmeßbrücken 7 die Tangential kräfte und das senkrecht zur Grundplattenebene liegende Drehmoment gemessen. Eine Arbeitsplatte 8, welche an der Aufnehmerplatte 2 mittels der Bolzen 9 befestigt ist, bewirkt eine Begrenzung durch Anschlag an die Grundplatte 1.

Eine starre Verbindung kann dadurch erreicht werden, daß die Anordnung 1-2-3 aus einem Stück gedreht bzw. gefräst wird. Man kann diese starre Verbindung jedoch auch durch andere Verfahren, z.B. Hartlöten, erreichen, was besonders bei größeren Anordnungen zweckmäßig erscheint.

Statt der Dehnungsmeßstreifen 6 und 7 können auch Verlagerungsgeber 10 verwendet werden, welche die relativen Verschiebungen zwischen der Grundplatte und der Aufnehmerplatte 2 messen, und zwar in zwei zueinander senkrechten Richtungen, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.

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Le e rs e i ί e

Claims

DlPL-PHYS. F. ENDLICH 20. Juni 1977

PATENTANWALT D-4255 DPVLB

8O34 UNTERPFAFFENHOFEN
POSTFACH

• PATENTANSPRÜCHE

1.) Kraft-Momenten-Fühler mit einer Anordnung von Dehnungsmeßstreifen, Verlagerungsgebern oder dergleichen Sensoren zur Messung von Verformungen, mit einer Grundplatte und einer parallel dazu angeordneten Lastaufnehmerplatte, die miteinander durch deformierbare Stützen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lastaufnehmerplatte (2) über ein Zwischenstück (3) vermittels mindestens 3 parallel zur Lastaufnehmerplatte liegende verformbare Speichen Ct) und mindestens drei senkrecht dazu angeordnete verformbare Stützen (5) starr mit einer Grundplatte (1) verbunden ist, die parallel zur Lastaufnehmerplatte liegt.

2. Kraft-Momenten-Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die Dicke und Breite des «ils Ring ausgebildeten Zwischenstückes (3) mindestens doppelt so groß wie die entsprechenden Abmessungen der Stützen (5) und der Speichen (3) sind.

3. Kraft-Momenten-Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Verbindung zwischen Grundplatte, Aufnehmerplatte und Zwischenstück sowie den Stützen und Speichen, dadurch erreicht wird, daß die gesamte Anordnung aus einem einzigen Metallstück gefräst bzw. gedreht wird oder die starre Verbindung durch Hartlöten, Kleben und ähnliche Verfahren zustande kommt.

k. Kraft-Momenten-Fühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oehnungsmeßstreifen auf den parallel zur Grundplatten liegenden Flächen der Speichen (k) und auf den senkrecht zur Kreisperipherie liegenden Flächen der Stützen (3) angebracht sind.

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ORIGINAL INSPECTED

5. Kraft-Momenten-Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß statt der Dehnungsmeßstreifen Verlagerungsgeber eingesetzt werden, weiche die Verschiebung zwischen der Grundplatte 1 und der Aufnehmerplatte 2 sowohl in Richtung parallel zur Grundplattenebene als auch senkrecht dazu in jeweils mindestens 3 Punkten messen.

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