DE2237661A1 - Verfahren und vorrichtung zur kraftmessung - Google Patents

Description

Sh 2216

¥. & T. AVERY LIMITED
Soho Foundry, Smethwick, Warley, Worchester/England

Verfahren und Vorrichtung zur Kraftmessung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kraftmessung durch Messung der Spannung in einem Balken infolge der Durchbiegung in Abhängigkeit von dem Angriff der zu messenden Kraft,

Bei einem bekannten Verfahren greift die zu messende Kraft an oder nahe dem freien Ende eines freitragenden Balkens an und Spannungsmessungen werden an Stellen zwischen dem festen Ende und der Angriffsstelle der Kraft durchgeführt und zur Auswertung der Grosse der angewandten Kraft verwendet.

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Dieses Verfahren beruht auf der Theorie der Messung von Momenten an voneinander entfernten Stellen längs eines belasteten freitragenden Balkens, nach der die Differenz zwischen den gemessenen Momenten an diesen Stellen direkt der angewandten Kraft proportional ist·

Die Anwendbarkeit dieses Verfahrens auf die Kraftmessung ist infolge einer Reihe von Faktoren wie unter anderem der Empfindlichkeit begrenzt·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kraftmessung unter Anwendung von Spannungsmessungen an einem Biegebalken zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass ein Balken an zwei im Abstand befindlichen Stellen derart gelagert wird, dass der Balken an einer dieser Stellen im wesentlichen fest ist, um Drehmomenten an dieser Stelle zu widerstehen und an der anderen Stelle im wesentlichen frei von Biegemomenten ist, dass die zu messende Kraft an einer Stelle zwischen den beiden Lagerstellen angewandt wird, um einen Wendepunkt des Biegemoments zwischen der einen Stelle und der Mittleren Stelle zu schaffen, dass die Spannung in einem Balken an Stellen gemessen wird, die an jeder Seite des Wendepunktes und zwischen der einen Stelle und der Zwischenstelle liegen, und dass die Absolutwerte der Spannungsmessungen addiert werden, um die Grosse der angewandten Kraft zu bestimmen·

Vorzugsweise wird die Spannung in dem Balken an Stellen gemessen, an denen die Biegemomente einander gleich und entgegengesetzt sind·

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Das Verfahren geraäss der Erfindung hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem bekannten Verfahren, unter anderem die erhöhte Empfindlichkeit, da die Spannungsmessungen entgegengesetztes Vorzeichen haben und, wenn sie zur Bestimmung der angewandten Kraft verwendet werden, ihre Grosseh addiert statt wie bei dem bekannten Verfahren subtrahiert werden« Der Balken kann wegen der erhöhten Empfindlichkeit und des Vorhandenseins eines zusätzlichen Lagers im Vergleich zu einem freitragenden Balken von höherer Steifigkeit sein. Die Tendenz des Kraftangriffpunktes, sich zu verschieben, wenn die Kraft zunimmt, wird vermindert und der Bereich der zu messenden Kräfte kann durch Änderung der Lage des zusätzlichen Lagers und damit der Arbeitslänge des Balkens geändert werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die sich auszeichnet durch einen Balken, der an einer ersten Stelle in einem im wesentlichen eingespannten Zustand und an einer zweiten Stelle durch ein einfaches Lager gelagert ist, eine Einrichtung zur Übertragung einer an einer vorbestimmten Stelle zwischen der ersten und zweiten Stelle angreifenden Kraft, und zwei Spannungsmesser, die an jeder Seite der Stelle des Balkens angeordnet sind, an der eine Umkehr des Biegemoments in Abhängigkeit von dem Angriff der Kraft an der vorbestimmten Stelle auftritt, wobei die Spannungsmesser zwischen der ersten Stelle und der vorbestimmten Stelle liegen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

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Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäss der Erfindung,

Fig. 2 ein Biegemomentdiagramm für den Balken der Fig. 1, und

Fig. 3 eine praktische Ausführungsform der Erfindung in Form einer Wägevorrichtung mit einem Biegebalken, an dem zwei Spannungsmesser befestigt sind und der gemäss der Erfindung belastet und gelagert ist·

Fig. 1 zeigt einen Balken 10, der an einem Ende in einem Einspannlager 11 fest gehalten wird, um allen Drehmomenten zu widerstehen, die von dem Balken auf es übertragen werden. Der Balken ist an einer Stelle an oder nahe seinem anderen Ende von einem Lager 12 fest unterstützt, das einer Drehung des Balkens um diese Stelle nicht entgegenwirkt, so dass an dieser Stelle kein Biegemoment in dem Balken auftritt. Dieses Lager, das als "einfaches" Lager bekannt ist, kann die Form einer Messerschneide oder vorzugsweise eines vertikal angeordneten Biegestreifens haben, der an einem Ende an dem freien Ende des Balkens angeordnet ist und an seinem anderen Ende von einem an einem Rahmen der Vorrichtung (nicht gezeigt) fest angeordneten Teil nach unten gerichtet ist. Die letztere Alternative fällt nicht unter die strenge Definition eines einfachen Lagers, ist aber dennoch in ihrer Funktion, wie sie hier angewandt wird, wirksam und der Ausdruck "einfaches" Lager, wie er hier im Zusammenhang mit einem Lager verwendet wird, soll solche Alternativen umfassen.

Die Last wirkt auf den Balken an einer im wesentlichen konstanten Stelle, so dass der Balken eine nach oben konvexe

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Form im Bereich des Einspannlagers 11 und eine nach oben konkave Form über den restlichen Teil des Balkens annimmt, wobei der unterste Bereich des konkaven Teils an der Angriffsstelle der Last liegt.

Fig. 2 zeigt das Biegemomentdiagramm, das sich ergibt, wenn die Last zwischen den Lagern 11 und 12 angreift, und es ist festzustellen, dass ein Punkt längs des Balkens auftritt, der zwischen dem Lager 11 und der Angriffsstelle der Last liegt, an dem das resultierende Biegemoment Null ist und dieser Punkt ist ein Wendepunkt. Da das Biegemoment an jedem Teil des Balkens als die resultierende Wirkung der beiden getrennten Momente angesehen werden kann, die in entgegengesetzten Richtungen wirken und sich aufgrund der.Last und der Gegenwirkung an dem jeweiligen einfachen Lager ergeben, von denen jedes als eine konzentrierte Last an dem äquivalenten freitragenden Balken wirkt und an einem Punkt in dem Balken ein Biegemoment hervorruft ., dessen Grosse linear von Null an der Angriffsstelle bis zum Maximum an dem eingespannten Lager steigt, sind die Biegemomente an jeder Seite des Wendepunktes gleich und einander entgegengesetzt.

Der Wendepunkt kann durch übliche geometrische Analyse des Systems berechnet werden, d.h. aufgrund des Lastangriffspunktes, dem einfachen Lager und der Einspannstelle· Normalerweise wird die Dehnung des Balkens vernachlässigt, da sie im allgemeinen klein im Vergleich zu der Verformung infolge der Biegung ist und daher wird die Annahme getroffen, dass die berechnete Stelle des Biegepunktes sich in der horizontalen Ebene während der Biegung des Balkens nicht verschiebt.

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Um die Grosse der auf den Balken einwirkenden Kraft zu
bestimmen, werden zwei Spannungsmesser an einer horizontalen Fläche des Balkens angeordnet, einer an jeder
Seite des Wendepunktes, so dass die AusgangsSignaIe der
Spannungsmesser entgegengesetztes Vorzeichen haben. Da
das Ausgangssignal der beiden Spannungsmesser proportional der algebraischen Differenz der Impedanzänderung der beiden Spannungsmesser ist, ist das Ausgangssignal proportional der Summe der Grossen der beiden Änderungen
der Impedanz und ergibt im Vergleich zu den bekannten
Systemen mit freitragendem Balken ein wesentlich höheres Ausgangssignal. Es wurde festgestellt, dass beste Ergebnisse erzielt werden, wenn die beiden Spannungsmesser
symmetrisch um den Wendepunkt angeordnet werden, so dass deren Ausgangssignale gleiche Grosse und entgegengesetztes Vorzeichen haben.

Weitere zwei Spannungsmesser können an der Fläche angeordnet werden, die der gegenüberliegt, an der die ersten
beiden angeordnet sind, um ein grösseres Ausgangssignal
zu erzeugen und die Spannungsmesser werden dann wegen der Genauigkeit in bekannter Weise in einem Brückenkreis angeordnet.

Die Anwendung der Erfindung auf eine Wägevorrichtung des Roberval-Typs ist in Fig. 3 gezeigt, in der ein Balken an einem Ende in einem Einspannlager 16 gelagert ist, das an der Grundplatte 17 der Vorrichtung befestigt ist. Das andere Ende des Balkens ist an dem unteren Ende eines
Biegestreifens 18 befestigt, dessen oberes Ende an dem
oberen Ende eines Ständers 19 befestigt ist, der von der Grundplatte 17 getragen wird« Ein Belastungsteil 20 wird über dem Balken 15 von einem Parallelbewegungssystem getragen, das aus oberen und unteren Parallelogranuntragarmen

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gleicher Länge besteht, die an dem Belastungsteil 20 und einer festen vertikalen Stütze 23 jeweils durch Metallbiegestreifen 22a angelenkt sind, um das Belastungsteil 20 zu zwingen, sich in einer vertikalen Ebene zu bewegen und so den Balken in einer Richtung senkrecht zu dem Balken an der Lastangriffsstelle zu belasten. Die Last 20 greift an dem Balken mittels eines Roilagers 21 an einer Stelle zwischen den Lagern 16 und 18 an·

Das Belastungsteil trägt eine Waagschale 24 und um eine unerwünschte Schwingbewegung des Belastungsteils 20 während des Angriffs einer Last zu verhindern, ist zwischen der Grundplatte 17 und einem von zwei sich seitlich erstreckenden Armen 26 des Belastungsteils ein Dämpfungselement vorgesehen·

Es ist zu erkennen, dass die beschriebene Vorrichtung der anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen schematischen Vorrichtung äquivalent ist, ,und dass, wenn eine Last auf der Waagschale 2k angeordnet wird, ein Wendepunkt zwischen dem Lager 16 und der Berührungsstelle des Rollagers 21 mit dem Balken 15 auftritt. Bei Verwendung der Vorrichtung der Fig. 3 werden Spannungsmesser (nicht gezeigt) an jeder Seite des berechneten Wendepunktes und zwischen dem Lager 16 und der Berührungsstelle des Rollagers 21 mit dem Balken 15 angeordnetο

Wenn ein Parallelogrammsystem verwendet wird, um die Last auf einen freitragenden Balken anzuwenden, verursachen grosse Lasten eine geringe Änderung der Angriffsstelle der Last und verursachen eine Nichtlinearität der Vorrichtung· Bei der Konstruktion gemäss der Erfindung wird diese Nichtlinearität dadurch vermindert, dass das Ende des

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Balkens, das von dem flexiblen Streifen 18 getragen wird, sich während der Biegung des Balkens in Richtung des Einspannlagers verschieben kann. Die erhöhte Empfindlichkeit des Verfahrens gemäss der Erfindung ermöglicht es, einen aus einem steiferen Material bestehenden Balken zu verwenden und eine weitere Festigkeit wird durch das Vorhandensein des zusätzlichen Lagers verliehen, das durch den Streifen 18 gebildet wird, und diese erhöhte Festigkeit des Balkens ermöglicht die Verwendung dünnerer Metallbiegestreifen 22a als Gelenke in dem Parallelogrammbewegungssystem anstelle üblicher Schwenkzapfen·

Erforderlichenfalls kann bei der Ausfuhrungsform der Fig. 3 eine ÜberlastungsVerhinderungsvorrichtung vorgesehen werden, um eine übermässige Verformung des Balkens zu verhindern, und diese kann aus einem Begrenzungeanschlag (nicht gezeigt) bestehen, der z.B. unter dem Balken an der Lastangriffestelle angeordnet ist.

Obwohl die Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf eine Wägevorrichtung beschrieben wurde, können die besondere Anordnung des Balkens, des Einspannlagers und des einfachen Lagers, der Spannungsmesser und der Lastangriffestelle in einer Kraftmessdose oder einer anderen Kraftmessvorrichtung verwendet werden. Vorteile, die durch die Lagerung und Belastung des Balkens entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren erhalten werden, sind eine bessere dynamische Empfindlichkeit, die verbesserte Linearität, geringere Hysterese und geringere Beanspruchung an der Stirnseite des Einspannlagers. Zusätzlich ermöglicht die erhöhte Genauigkeit, die mit der vorliegenden Konstruktion erzielbar ist, die Verwendung für viele Arten von Kraftmessung, für die bisher Vorrichtungen mit freitragendem Balken infolge ihrer nicht ausreichenden Genauigkeit nicht geeignet waren.

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Claims (1)

1. Ansprüche

   1. Verfahren zur Kraftmessung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Balken an zwei im Abstand befindlichen Stellen derart gelagert wird, dass der Balken an einer dieser Stellen im wesentlichen fest ist, um Drehmomenten an dieser Stelle zu widerstehen und an der anderen Stelle im wesentlichen frei von Biegemomenten ist, dass die zu messende Kraft an einer Stelle zwischen den beiden Lagerstellen angewandt wird, um einen Wendepunkt des Biegemoments zwischen der einen Stellen und der mittleren Stelle zu schaffen, dass die Spannung in einem Balken an Stellen gemessen wird, die an jeder Seite des Wendepunktes und zwischen der einen Stelle und der Zwischenstelle liegen, und dass die Absolutwerte der Spannungsmessungen addiert werden, um die Grosse der angewandten Kraft zu bestimmen.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung in dem Balken an Stellen gemessen wird, an denen die Biegemomente einander gleich und entgegengesetzt sind.

   3. Vorrichtung zur Kraftmessung, gekennzeichnet durch einen Balken, der an einer ersten Stelle in einem im wesentlichen eingespannten Zustand und an einer zweiten Stelle durch ein einfaches Lager gelagert ist, eine Einrichtung zur Übertragung einer an einer vorbestimmten Stelle zwischen der ersten und zweiten Stelle angreifenden Kraft, und zwei Spannungsmesser, die an jeder Seite der Stelle des Balkens angeordnet sind, an der eine Umkehr

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   des Biegemoments in Abhängigkeit von dem Angriff der Kraft an der vorbestimmten Stelle auftritt, wobei die Spannungsmesser zwischen der ersten Stelle und der vorbestimmten Stelle liegen.

   k» Vorrichtung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Addierung der Absolutwerte der Ausgangssignale der Spannungsmesser·

   5· Vorrichtung nach Anspruch 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, dass das einfache Lager aus einem Schneidenlager besteht.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das einfache Lager ein Biegeelement aufweist, das an dem Balken befestigt .ist, das senkrecht zu dem Balken und in der Richtung der Verformung des Balkens im wesentlichen starr und in Längsrichtung des Balkens flexibel ist.

   7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung ein Belastungsteil aufweist, das von einem Parallelbewegungssystem gesteuert wird, damit es sich senkrecht zu dem Balken bewegt.

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