DE4330875C2 - Meßgeber zur getrennten Messung einer Kraft und eines Momentes, vorzugsweise zur Messung von Vorschubkraft und Drehmoment eines Bohrers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßgeber entsprechend dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Meßgeber ist Gegenstand der US 4577513. Dort ist ein Ringteil über radiale Hochkantstege mit Rechteckpro­ fil, dessen längere Seite parallel zur Achsrichtung des Ringteiles ausgerichtet ist, mit einem ersten Kernteil und über querliegend angeordnete radiale Stege mit Rechteckquer­ schnitt, dessen längere Seiten parallel zu einer Radialebene des Ringteiles liegen, mit einem zweiten Kernteil verbunden. Jeweils auf den Breitseiten der Stege sind Dehnmeßstreifen aufgeklebt, so daß einerseits in Achsrichtung des Ringteiles wirkende Kräfte und andererseits in Umfangsrichtung des Ringteiles wirksame Momente erfaßbar sind.

Die DE 25 20 673 B2 bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zum Messen von Kraft- und Drehmomentkomponenten, die an einem Achszapfen angreifen. Hier besitzt ein Meßgeber eine plat­ tenförmige Struktur ähnlich einer Nabe mit Speichen, wobei die Kraft und das Moment über die Nabe eingeleitet und über die Speichen weitergeleitet werden, welche mit Dehnmeßstrei­ fen versehen sind.

Im übrigen wird hinsichtlich des Standes der Technik auf die deutschen Offenlegungsschriften 23 57 484, 40 16 147 und 41 14 093 sowie auf die deutschen Patentschriften 32 38 951, 32 41 850 und 33 13 960 verwiesen.

Geber der eingangs angegebenen Art werden insbesondere zur Messung der Axialkraft und des Torsionsmomentes beim Bohren benötigt. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, daß Kraft und Moment über den Verschleiß des Bohrers Auskunft geben. Auch ein Bohrerbruch wird durch eine Signaländerung ange­ zeigt, weil sich insbesondere das Moment ändert.

Folgende Probleme müssen bei einem vorgenannten Geber gelöst werden:
Der Geber darf die Steifigkeit der Werkstückaufnahme nur ge­ ringfügig verändern, d. h. die Verschiebungen müssen minimal sein. Andernfalls würde vor allem dann, wenn sich der Bohrer nicht zufällig im kinematischen Drehpunkt des werkzeugseiti­ gen sowie des maschinentischseitigen Teiles des Meßgebers befindet, eine verschleiß- und bruchgefährdende Verschiebung des Werkstückes quer zum Bohrer auftreten.

Auch Verschiebungen in Vorschubrichtung des Bohrers sind un­ erwünscht, da dann, wenn sich der Bohrer nicht zufällig über dem Mittelpunkt des Gebers befindet, aufgrund ungleicher Be­ lastung der Stege des Gebers ein Ausweichen des Werkstückes zwangsläufig mit einer Kippung des Werkstückes verbunden ist, die zum Klemmen des Bohrers führt.

Andererseits muß an ausgewählten Stellen die Dehnung so groß sein, daß dort ein Dehnmeßstreifen ein deutlich über dem Grundrauschen liegendes Signal liefert.

Problematisch ist außerdem, daß die aus dem Moment resultie­ rende Querkraft an den Stegen wesentlich kleiner ist als die aus der Axialkraft (z. B. Vorschubkraft) des Bohrers resul­ tierende Querkraft, so daß z. B. bei Stegen mit quadratischem Querschnitt die Dehnung infolge des jeweiligen Momentes so klein ist, daß es im Grundrauschen untergeht, wenn die Stegquerschnitte so groß gewählt werden, daß die Axialkraft die Stege nicht überbelastet.

Wenn Stege mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden, wobei die längere Seite in Axialrichtung verläuft, werden diese Schwierigkeiten noch nicht in ausreichendem Maße be­ seitigt.

Für die Verschiebungen f der Endquerschnitte der Stege rela­ tiv zueinander in Umfangsrichtung bzw. in Achsrichtung er­ gibt sich dann unter Berücksichtigung der bekannten Bezie­ hung für einen beidseitig eingespannten Balken

f = l³ Q/12EJ

wobei

l = Länge der Stege
Q = Querkraft an den Stegen
J = wirksames Trägheitsmoment.

Daraus ergeben sich die Verschiebungen f_Z in axialer Rich­ tung und f_T in Umfangsrichtung, wenn einerseits gesetzt wird

Q = Axialkraft/Anzahl der Stege

bzw. andererseits

Q = M/D

wobei

D = Abstand zwischen einander diametral gegen­ überliegenden Stegen
und wobei der jeweils für die Verschiebung maßgebende Wert von J einzusetzen ist. Daraus ergibt sich für die maximale erzielbare Dehnung ε_Z in Achsrichtung

ε_Z = 3f_Z h/l²

und für die maximale Dehnung ε_T aufgrund des jeweiligen Mo­ mentes

ε_T = 3f_T b/l²

wobei h die Erstreckung des Querschnittes in Richtung der Axialkraft und b die Erstreckung in Umfangsrichtung bezeich­ net.

Die Verschiebungen f_Z und f_T sind, wie vorangehend erläutert wurde, in Grenzen zu halten. Andererseits kann die Steglänge nicht beliebig kurz sein. Außerdem ist das Nutzsignal mehr oder weniger vorgegeben. Daraus ergeben sich die Höhe h und die Breite b entsprechend den vorgenannten Gleichungen für die maximal erzielbare Dehnung, d. h. Höhe h und Breite b sind hierdurch festgelegt. Werden die zulässigen Werte für f_Z und f_T etwa gleichgroß angenommen, folgt, daß die Höhe h und die Breite b ungefähr gleiche Werte haben, wobei ein quadratischer Querschnitt mit den oben erwähnten Nachteilen entsteht. Dies läuft darauf hinaus, daß eine bestimmte Rela­ tion zwischen Kraft und Moment erforderlich ist, um die vor­ genannten Gleichungen für die maximal erzielbare Dehnung zu erfüllen. Tatsächlich ist aber eine solche Relation nicht gegeben.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Erfüllung der vorgenann­ ten Gleichungen für die maximal erzielbare Dehnung entsteht dadurch, daß die primär für die Beanspruchung der Stege maß­ gebenden Biegespannungen, welche durch die Axialkraft be­ wirkt werden, und die Biegespannungen, welche durch das je­ weilige Moment verursacht werden, gleiche Größenordnung ha­ ben sollten. Dies führt unter Berücksichtigung der bekannten Formeln für die Biegespannung zu der Forderung

M/l f_Z ≈ h/b.

Dieselbe Beziehung ergibt sich, wenn etwa gleichgroße Signa­ le (durch die Dehnmeßstreifen) aufgrund von Axialkraft und Moment gefordert werden (weil die Spannung proportional der Dehnung ist).

Damit ergeben sich für die Bemessungen von h und b einander widersprechende Forderungen, d. h. einerseits sollen h und b annähernd gleich groß sein, andererseits werden unterschied­ liche Größen gefordert.

Annähernd gleiche Signale für Kraft und Moment sind auch deshalb wichtig, weil Dehnmeßstreifen, die theoretisch nur von der Kraft oder dem Moment alleine beeinflußt werden - weil sie bspw. in der neutralen Faser bezüglich der auszu­ schaltenden Größe (Moment oder Kraft) angeklebt sind - in der Praxis trotzdem von der jeweils anderen Größe beeinflußt werden, weil die tatsächliche Spannungsverteilung von der nach der Balkentheorie ermittelten theoretischen Spannungs­ verteilung abweicht. Diese Störung ist umso bedeutsamer, je geringer das zu messende Signal ist.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Gestaltung eines Meßge­ bers für den Einsatz bei der Überwachung in der spanabheben­ den Fertigung bereitet die Forderung nach geringer Bauhöhe.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen besonders vorteil­ haften Meßgeber der eingangs angegebenen Art zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Bei der Erfindung sind zwei Arten von Stegen vorgesehen. Da­ bei werden die einen Stege im wesentlichen nur von der Axialkraft beansprucht; und nur diese Stege leisten der Ver­ formung aufgrund der Axialkraft Widerstand. Für die anderen Stege gilt entsprechendes bezüglich des Momentes.

Jede Art von Stegen kann so für sich dimensioniert werden. Die Tatsache, daß die Axialkraft relativ groß ist, kann au­ ßerdem dadurch berücksichtigt werden, daß z. B. vier oder mehr Hochkantstege verwendet werden, dagegen nur zwei quer­ liegende Stege.

Um dem geringen Moment zusätzlich Rechnung tragen zu können, wird z. B. entsprechend Position 2 in Fig. 1 der querliegende Steg im Querschnitt als Doppel-T-Profil ausgeführt. Dadurch kann die effektive Breite des Steges besonders verringert werden, ohne daß die Schmalseite zu schmal für einen gängi­ gen Dehnmeßstreifen ist.

Um das Signal bezüglich Axialkraft davon unabhängig zu ma­ chen, wo bzw. ob nahe der Mitte oder mehr am Rand der Platte gebohrt wird, ist es von Vorteil, in der Meßbrücke, (vgl. Fig. 2) die Dehnmeßstreifen so zu verschalten, daß sich die Signale addieren, wobei über die Diagonale angeordnete Dehn­ meßstreifen, die eine Dehnung mit gleichem Vorzeichen erfah­ ren, in der Brücke entsprechend Fig. 2 so verschaltet wer­ den, daß Temperatureinflüsse kompensiert werden und sich ein Temperatur-Kompensationsstreifen erübrigt.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführung mit Deck- und Grund­ platte 3 und 5 ergibt einen kompakten, leicht gegen Ver­ schmutzung abdichtbaren Geber, der sich besonders dazu eig­ net, mit einer Platte am Maschinentisch und mit der anderen Platte an einem Schraubstock in üblicher Weise befestigt zu werden, z. B. mittels Nutensteinen bzw. Schrauben.

Claims (8)

1. Meßgeber zur getrennten Messung einer Kraft und eines Mo­ mentes bei gleicher Richtung von Kraft- und Momentenvektor, vorzugsweise zur Messung von Vorschubkraft und Drehmoment eines Bohrers, bestehend aus zwei konzentrisch angeordneten Teilen, welche über radial angeordnete Stege miteinander verbunden sind, die die Kraft bzw. das Moment vom inneren zum äußeren Teil bzw. vom äußeren zum inneren Teil leiten und mit Dehnmeßstreifen beklebt sind, deren elektrische Wi­ derstandsänderung als Signal dient, wobei die Stege Recht­ eckquerschnitte mit Seitenlängen aufweisen, die sich um ein Vielfaches unterscheiden, und ein Teil der Stege hochkant so angeordnet ist, daß die längere Seite des Querschnittes parallel zur Richtung des Kraft- und des Momentenvektors verläuft, und ein Teil Stege querliegend so angeordnet ist, daß die kürzere Seite des Querschnittes parallel zur Rich­ tung des Kraft- und Momentenvektors verläuft, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Dehnmeßstreifen (1a, 2a) auf die Schmalseite der Stege (1, 2) geklebt sind,
• - daß der äußere Teil (4) mit einer Grundplatte (3) und der innere Teil mit einer Deckplatte (5) fest verbunden ist und
• - daß zwischen dem äußeren Teil (4) und der Deckplatte (5) und dem inneren Teil und der Grundplatte (3) jeweils ein Spalt verbleibt.

2. Meßgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (3) sowie die Deckplatte (5) dieselben Außenabmessungen wie der Meßgeber aufweisen.

3. Meßgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte (5) mit einem Schraubstock und die Grund­ platte (3) mit einem Maschinentisch verschraubt ist.

4. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung etwa gleicher Signale für Kraft und Mo­ ment die Summe der Widerstandsmomente der (gleich hohen und gleich langen) Hochkantstege (1) zu der Summe der Wider­ standsmomente der querliegenden Stege (2) im gleichen Ver­ hältnis steht wie die Axialkraft (z. B. Bohrervorschubkraft) relativ zu der sich aus dem Moment ergebenden Umfangskraft an den Stegen (1, 2), wobei entweder die Zahl der Hochkant­ stege (1) größer ist als die Zahl der querliegenden Stege (2) und/oder die Breite und/oder die Höhe der Hochkantstege (1) anders ist als bei den querliegenden Stegen (2).

5. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Stege (1, 2), vorzugsweise die querliegenden Stege (2), in Doppel-T-Form (Fig. 1) ausgebildet sind, deren Flanschbreite etwa der Breite des Dehnmeßstreifens (2a) ent­ spricht.

6. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen aller Stege (1, 2) radial zur einer Mit­ telachse des Meßgebers ausgerichtet sind.

7. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei einander diametral gegenüberliegende Dehn­ meßstreifen (1a, 2a) in einer Meßbrücke auf zwei Brückenzwei­ gen angeordnet sind, welche an einem Punkt miteinander ver­ bunden sind, wobei die Dehnmeßstreifen (1a), die für die Kraftmessung auf die Hochkantstege (1) geklebt sind, in ei­ ner Meßbrücke und die übrigen Dehnmeßstreifen (2a) in einer zweiten Meßbrücke verschaltet sind.

8. Meßgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Dehnmeßstreifen (1a, 2a), welche an einander diametral gegenüberliegenden Stegen (1, 2) angebracht sind, in der Meß­ brücke in diagonal zueinander liegenden Brückenzweigen lie­ gen.