DE4110429C2 - Zugkraftmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zugkraftmeßeinrichtung nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Zugkraftmeßeinrichtungen ist auch aus der DE 34 08 497 A1 bekannt. Unter einem Faden werden in der vorliegenden Anmeldung alle üblichen Endlosgebilde wie z.B. Filamente, Drähte, Filamentbündel, Glasfasern. Kohlestoffasern, Aramidfasern, Lichtwellenleiter, schmale Bänder verstan­ den.

Derartige Zugkraftmessungen werden üblicherweise zwischen zwei aufeinanderfolgenden Leitrollen, welche starr am Maschinengestell sitzen, derart angebracht, daß der Faden unter Umlenkung über die Zugkraftmeßeinrichtung geführt wird. Hierdurch ergibt sich eine in die Zugkraftmeßeinrichtung eingeleitete an der Umlenkeinrichtung angreifende Kraft, die radial gerichtet ist. Sie ist die Resul­ tierende aus der Fadenzugkraft. Solche Zugkraftmeßeinrichtungen sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Diese Ausfüh­ rungsformen unterscheiden sich im wesentlichen hinsichtlich der Ausführung des Biegezapfens. Die Biegezapfen sind stets elastisch verformbare Federkörper, deren Federweg abhängig von der jeweils vorliegenden Fadenzugkraft ist.

Bei einer Ausführungsform greift z. B. die Resultierende der Faden­ zugkraft als Querkraft an dem Biegezapfen der Zugkraftmeßeinrich­ tung an. Die hierdurch hervorgerufene Biegung ist proportional der Resultierenden aus der Fadenzugkraft, und somit ein Maß für die Höhe der Fadenzugkraft. An sich bekannt sind auch Kraftsensoren, die einen Biegezapfen in Form einer Torsionsfeder aufweisen. Die Torsionsfeder wird mittels eines Hebelarms verdreht. Der Hebelarm trägt an seinem freien Ende die Fadenumlenkeinrichtung, über welche der Faden im wesentlichen parallel zur Axialrichtung der Torsionsfeder geführt wird. Die Resultierende aus der Faden­ zugkraft greift als Torsionsmoment an der Torsionsfeder an. Die hierdurch hervorgerufene Verdrehung ist proportional der Resul­ tierenden der Fadenzugkraft und somit ein Maß für deren Höhe. In dieser Anmeldung werden die Begriffe Biegezapfen und Zapfen synonym verwendet.

Technisch aufwendig ist bei den bekannten Zugkraftmeßeinrichtungen die absolut starre Verbindung des Biegezapfens mit dem Maschinen­ gestell, da der Biegezapfen infolge der Befestigung keinerlei inneren Spannungen ausgesetzt werden darf. Hieraus ergeben sich die Anforderungen, daß einerseits der Biegezeapfen mit seinem nicht eingespannten Ende frei beweglich bleiben muß, und daß andererseits die hohe geforderte Sensorgenauigkeit bei der Zug­ kraftmessung laufender Fäden einen spannungsfreien Einbau der Sensoren voraussetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den technischen Aufwand für die Biegezapfenbefestigung so gering wie möglich zu halten und gleich­ zeitig eine starre und spannungsfreie Verbindung des befestigten Zapfenendes zum Maschinengestell zu gewährleisten, wobei zusätz­ lich die Möglichkeit bestehen soll, derartige Kraftsensoren in unterschiedlichen Ausführungen verwenden zu können.

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

Aus der Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß auf die Zwi­ schenschaltung weiterer Bauteile als der Mantelhülse verzichtet werden kann. Andererseits ermöglicht die Mantelhülse eine problem­ lose starre Anbringung am Maschinengestell.

Die Erfindung hat erkannt, daß die Befestigung des Biegezapfens unmittelbar in der Mantelhülse nicht nur kostengünstiger als die bekannten Vorrichtungen ist, sondern darüber hinaus auch flexibler ist. Eine Anpassung der speziellen Geometrien handelsüblicher Kraftsensoren unterschiedlicher Hersteller an die jeweiligen Gegebenheiten im Maschinengestell kann gänzlich unterbleiben. Auch an schwierig zugänglichen Stellen läßt sich die erfindungsgemäße Zugkraftmeßeinrichtung leicht anbringen, da eine Feinbearbeitung des Maschinengestells nicht mehr notwendig ist.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß jeder Kraft­ sensor mit Biegezapfen ohne innere Spannungen infolge Pressung oder infolge eines anderweitig vorgespannten Zustandes innerhalb der zwischengeschalteten Mantelhülse sitzen kann. Diese Erkenntnis wird ermöglicht durch die vorausgegangene Erkenntnis, daß nur sehr geringe Kräfte vom Biegezapfen auf die Mantelhülse zu übertragen sind, und daß demzufolge eine im wesentlichen spannungsfreie Einbauweise des festgelegten Biegezapfenendes in die Mantelhülse erfolgen kann.

Andererseits darf die feste Einspannung der Mantelhülse ohne weiteres innere Spannungen in dieser hervorrufen, da sich diese nicht auf den baulich von der Mantelhülse getrennten Biegezapfen übertragen können.

Die Erfindung kann durchaus Anwendung finden bei Kraftsensoren unterschiedlicher Größe, unterschiedlicher Abmessungen, unter­ schiedlicher Hersteller oder verschiedenartiger Ausführungsformen.

Die Erfindung kann Anwendung finden bei industriell genutzten Maschinen oder bei Labormaschinen.

Dabei ist der Aufwand für die Erfindung, gemessen am Fortschritt, gering. Die Erfindung läßt sich an jeder Stelle des Maschinenge­ stells, an welcher der Faden vorbeiläuft , anbringen, da sie nur einen äußerst geringen Platzbedarf hat. Prinzipiell genügt es für die Erfindung, ein Aufnahmeloch von etwa dem Außendurchmesser der Mantelhülse am Maschinengestell anzubringen. Dies ist praktisch an jeder Stelle des Maschinengestells möglich ohne zusätzlichen Platzbedarf. Die Verbindung am Maschinengestell muß schlüssig sein im Sinne einer starren Verbindung. Die Verbindung kann also auch durch eine Schweißnaht oder durch eine Klebeschicht erfolgen. Gleichsam kann die Mantelhülse mittels eines Gewindes entweder in das Maschinengestell eingeschraubt sein, oder mittels eines beid­ seitig des Maschinengestells angeordneten sich hemmenden Mut­ ternpaares gegen das Maschinengestell verspannt sein. In diesem Fall empfiehlt es sich, das auf der Mantelhülse angebrachte Außen­ gewinde als Trapezgewinde zu fertigen, da sich hieraus der Vorteil ergibt, daß die Gewindezähne beim Durchstecken der Mantel­ hülse durch das Maschinengestell nicht zerstört werden.

Der weitere Vorteil liegt darin, daß die Auflagefläche der Mantel­ hülse im Maschinengestell vergrößert wird. Vorteilhaft wird der Durchmesser eines Spitzgewindes um einen halben Millimeter durch Abtrag der Zähne verringert, ggf. auch schrittweise um jeweils einen halben Millimeter oder auf einen durch 0,5 teilbaren Durch­ messer. Dann läßt sich nämlich ein handelsüblicher Standardbohrer für das Aufnahmeloch im Maschinengestell verwenden.

Für den Einbau des Kraftsensors in den Innenraum der Mantelhülse gibt es verschiedene Möglichkeiten, von denen die Verklebung besonders hervorgehoben werden sollte. Bei entsprechender Gestal­ tung der Klebestellenabmessung kann selbst ein mit Cyanacrylat eingeklebter Kraftsensor mittels einer geeigneten Abdrückpresse reparaturfreundlich ohne Zerstörung gelöst und wieder eingesetzt werden.

Aus den Merkmalen des Anspruchs 2 ergibt sich eine Weiterbildung. Zum axialen Verspannen der eingeschraubten Mantelhülse sowie in gewissem Maß auch als Verdrehsicherung dient in einem Ausfüh­ rungsbeispiel eine auf der Mantelhülse gegen das Maschinengestell aufgeschraubte Kontermutter. Diese ist auf das Mantelhülsengewinde im Sinne einer Verspannung gegen das Maschinengestell geschraubt. Diese Variante liefert einen genau definierten Einspannungszustand für die Mantelhülse. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Mantelhülse fest in das Gewinde einzukitten.

Die Ansprüche 3 und 4 liefern Weiterbildungen, die je nach Anbrin­ gungsstelle am Maschinengestell Vorteile bieten. Anspruch 4 enthält eine Ausführung, die vorteilhaft anzuwenden ist, wenn das Ma­ schinengestell keine Möglichkeit zur Anbringung eines Innengewin­ des bietet. Die durch das Aufnahmeloch eingebrachte Mantelhülse wird in einem Ausführungsbeispiel beidseits des Maschinengestells mit je einer Mutter gegen das Maschinengestell verspannt, und sitzt starr verbunden mit dem Maschinengestell im Aufnahmeloch. Hierzu ist es erforderlich, daß der Mantelhülsendurchmesser ge­ ringfügig kleiner als der Aufnahmelochinnendurchmesser ist.

Der Vorteil liegt in der stufenlosen axialen Verstellmöglichkeit der Mantelhülse. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Fadenum­ lenkeinrichtung vollkommen unabhängig von der Geometrie der Man­ telhülse oder Gewindesteigung genau in die Fadenlaufebene ge­ bracht, und dort fixiert werden kann.

Aus den Merkmalen des Anspruchs 6 ergibt sich eine Weiterbildung mit dem Vorteil, daß zusätzlich die Einstellung der Zugkraftmeß­ einrichtung entsprechend der Ausrichtung der Meßachse mit der aus der Umlenkgeometrie resultierenden Kraftachse bereits vor der endgültigen Befestigung der Mantelhülse am Maschinengestell fi­ xiert werden kann, wobei die Einstellung sehr feinfühlig und damit präzise möglich ist. Dieser Vorteil wird dadurch erreicht, daß über die Schlüsselangriffsfläche mit Hilfe eines Einstellschlüs­ sels ein Drehmoment in die Mantelhülse eingeleitet wird, wobei die Positionierung der Mantelhülse durch Drehen derselben erfolgt.

Es soll ausdrücklich gesagt sein, daß die Erfindung nicht auf die in den folgenden Ausführungsbeispielen gezeigten Bauarten von Kraftsensoren mit Einfachbiegebalken bzw. Torsionsfedern be­ schränkt sein soll, sondern daß insbesondere auch Doppel­ biegebalken zum Einbau in die erfindungsgemäße Mantelhülse sehr gut geeignet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Die Fig. 1-3 zeigen eine Zugkraftmeßeinrichtung 1 an einer Bear­ beitungsmaschine für einen laufenden Faden 2. Die Zugkraftmeßein­ richtung besteht aus einem Kraftsensor 3, der in den Innenraum der Mantelhülse 26 eingebaut ist. Der Kraftsensor 3 ist ein sogenann­ ter Radialkraftsensor, der die aus der Fadenzugkraft resul­ tierende Radialkraft , welche über die Fadenumlenkrolle 4 in den Kraftsensor eingeleitet wird, aufnimmt. Infolge der Aufnahme der Radialkraft erfolgt eine Biegung des Biegezapfens 6, welche mit­ tels der Dehnungsmeßstreifen 7 erfaßt wird.

Die Dehnungsmeßstreifen 7 sind unter einem Winkel von 45 Grad zur Axialrichtung geneigt auf den Außenmantel des Biegezapfens 6 ge­ klebt. Sie liegen in derjenigen Ebene, in welcher die Biegung des Zapfens erfolgt. Von jedem Ende jedes Dehnungsmeßstreifens 7 geht eine Ableitung 8 zu einem Meßinstrument zur Auswertung. Dort wird die gemessene Größe in eine ablesbare Anzeige der Fadenzugkraft umgewandelt.

Der Kraftsensor 3 ist einseitig starr mit dem Maschinengestell 5 verbunden, und weist an seinem anderen Ende den frei auskragenden Biegezapfen 6 auf. An den Biegezapfen 6 schließt sich eine nicht dargestellte Lagerung für die Fadenumlenkrolle 4 an.

Der Durchmesser des Biegezapfens 6 ist in allen Darstellungen nicht maßstäblich.

Der Kraftsensor 3 ist ein handelsübliches Bauteil und besitzt zur Befestigung einen zylindrischen Körper 10, der die Funktion über­ nimmt, den Kraftsensor 3 starr mit dem Maschinengestell 5 zu verbin­ den. Dieser zylindrische Körper ist unmittelbar, im wesentlichen spannungsfrei und starr in den Innenraum der Mantelhülse eingepaßt und fest mit dieser verbunden. Im Falle der Fig. 1 erfolgt dies mit Hilfe der Feststellschraube 13, im Falle der Fig. 2 mit Hilfe der Klebeschicht 14.

Die Mantelhülse 26 besitzt ringförmige Querschnitte in denjenigen Axialebenen, innerhalb deren sie den Kraftsensor 3 aufnimmt.

Das Maschinengestell 5 weist jeweils ein Aufnahmeloch 9 auf, welches unmittelbar zur Aufnahme der Mantelhülse 26 dient. Die Auf­ nahme der Mantelhülse erfolgt mittels einer starren Verbindung zum Maschinengestell 5. Diese Verbindung kann unterschiedlich ausgestal­ tet sein. In allen Fällen wird die Mantelhülse 26 jeweils in axialer Richtung gegen das Maschinengestell 5 verspannt, und zwar so fest, daß eine Bewegung der Mantelhülse 26 im Aufnahmeloch 9 nicht möglich ist. Mittels unterschiedlicher Befestigungseinrichtungen ist die Mantelhülse 26 dann an dem Maschinengestell 5 angebracht.

In Fig. 1 besteht diese Befestigungseinrichtung aus einer stufenar­ tigen Durchmesservergrößerung 15, welche sich mit einer Stirn­ fläche 16 auf der Außenseite 17 des Maschinengestells 5 abstützt. Das durchgesteckte freie Ende 18 der Mantelhülse 26 nimmt eine Spannmut­ ter 19 als axial wirkende Spanneinrichtung auf. Die Spannmutter 19 ist auf das Außengewinde 20 der Mantelhülse 26 geschraubt. Auf diese Weise wird das Maschinengestell 5 zwischen der Stirnfläche 16 der Durchmesserstufe und der zugewandten Mutternstirnfläche fest eingespannt.

In Fig. 2 besteht diese Befestigungseinrichtung aus einem Außen­ gewinde 20 auf der Mantelhülse, welches mit einem Innengewinde 21 des Maschinengestells 5 im Eingriff ist. Grundsätzlich kann bei dieser Befestigungsart der Mantelhülse 26 am Maschinengestell 5 Siche­ rungskitt genügen, hier ist jedoch die Spannmutter 19 als axial wir­ kende Spanneinrichtung mit dem Außengewinde 20 der Mantelhülse 26 im Eingriff und gegen das Maschinengestell 5 verspannt.

Fig. 3 zeigt eine Befestigungseinrichtung, bei welcher der Durch­ messer D des Aufnahmelochs 9 etwas größer ist als der Außen­ durchmesser der Mantelhülse 26. Dieser wird mit d bezeichnet.

Hierdurch wird einfaches Durchstecken der Mantelhülse durch das Maschinengestell 5 ermöglicht. Die Mantelhülse 26 trägt ein Außen­ gewinde 20 und nimmt beidseits des Maschinengestells 5 je eine Spannmutter 19 auf. Beide Spannmuttern 19 wirken als ein sich gegenseitig hemmendes Mutternpaar und sind in axialer Richtung gegeneinander verspannt.

Weiterhin zeigen die Fig. 1 und 2 eine zusätzliche Besonderheit: Zwischen der Fadenumlenkeinrichtung 4 und dem Biegezapfen 6 bildet der Kraftsensor eine Verdickung 22, welche im unbelasteten Zustand einen Luftspalt mit der Maximalweite H zur Mantelhülse bildet. Diese Luftspaltweite nimmt im Betrieb der Zugkraftmeßeinrichtung ab, bleibt aber bei Zugkräften in üblicher Höhe als Luftspalt erhalten. Überschreiten die Zugkräfte jedoch einen Maximalwert, so dient die Verdickung als Begrenzungsanschlag 23. Dies ist der Fall, wenn der Zapfen infolge der radial zur Zapfenachse weisenden Resultierenden der Fadenzugkraft zu weit verbogen wird. Dies wäre z. B. bei unzulässig hoher Fadenspannung der Fall.

Die Besonderheit besteht weiterhin darin, daß der mit dem Anschlag 23 zusammenwirkende Teil 24 aus einem Stück mit der Mantelhülse besteht. Durch die Abmessung des Innendurchmessers der Mantelhülse im Verhältnis zum Außendurchmesser der Verdickung 22 wird die Weite des Luftspalts bestimmt.

Für das Ausführungsbeispiel gem. Fig. 4 gilt die Beschreibung der Fig. 1-3 sinngemäß. Anstelle des Biegezapfens 6 wird nun die auf Torsion beanspruchte Torsionsfeder 6′ der radial wirkenden, in diesem Fall senkrecht aus der Papierebene herausschauenden Faden­ zugkraftresultierenden ausgesetzt. Die Torsionsfeder 6′ ist mittels des Wellensicherungsringes 25 in der Mantelhülse 26 axial gesi­ chert. Aus Symmetriegründen ist die Torsionsfeder 6′ in diesem Fall mit ihren beiden Enden jeweils einseitig verdrehfest in der Man­ telhülse 26 gelagert. Zwischen dieser einseitig starren Lagerung und der Welle 27 sitzt die Torsionsfeder 6′, deren Verdrehung ein Maß für die Höhe der angreifenden Fadenzugkraftresultierenden ist. Die längs der Torsionsfeder 6′ liegende Drehachse fällt mit der Drehachse der Welle 27 zusammen. Die Welle 27 ragt einerseits über das Mantelhülsenende 28 hinaus und trägt andererseits an ihrem gegenüberliegenden Ende eine Kondensatorplatte 29, welche um 90 Grad gedreht dargestellt ist. In Wirklichkeit sieht man also die Plattenfläche und nicht die Plattenkante. Beidseits der Kon­ densatorplatte 29 sind weitere Kondensatorplatten 29a mit Abstand zur ersteren angeordnet, zwischen denen eine elektrische Spannung anliegt. Die elektrische Kapazität des Kondensators verändert sich mit der jeweiligen Position der mittleren beweglichen Platte 29 in Abhängigkeit von der jeweiligen an der Fadenumlenkeinrichtung 4 eingeleiteten Radialkraftresultierenden, und ist somit ein Maß für die Höhe der Zugkraft.

Fig. 5 zeigt in axialer Draufsicht die Mantelhülse 26 die bzgl. ihrer Mittelachse 31 zwei zueinander parallele Schlüsselan­ griffsflächen 32 aufweist. Ein zugehöriger Schraubenschlüssel 30 sitzt auf den Schlüsselangriffsflächen 32 und ermöglicht die derar­ tige Einstellung der Zugkraftmeßeinrichtung 1, daß die Kraftachse F, die in der gezeigten Drehstellung nicht mit der Meßachse M zusam­ menfällt, bei Drehung um den mit Pfeil gezeigten Winkel mit dieser zusammenfällt.

Claims (7)

1. Zugkraftmeßeinrichtung an einer Bearbeitungsmaschine für einen laufenden Faden, mit einem Kraftsensor (3) mit Biegezapfen (6) der über eine Mantelhülse (26) mit dem Maschinengestell (5) verbunden ist, wobei der Biegezapfen (6) eine frei zugängliche Fadenumlenkeinrichtung (4) trägt, und wobei die der jeweiligen Fadenzugkraft zugeordnete Meßgröße die am Biegezapfen (6) jeweils vorliegende Biegung ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftsensor (3) mit Biegezapfen (6) einseitig starr in den Innenraum der Mantelhülse (26) eingebaut ist, und daß
zur Befestigung des Kraftsensors (3) mit Biegezapfen (6) in oder an einem Aufnahmeloch (9) des Maschinengestells (5) gegenseitig axial wirkende Spanneinrichtungen am Außenmantel der Mantelhülse (26) vorgesehen sind.

2. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aufnahmeloch (9) und Außenmantel jeweils mit einem Gewinde (20, 21) ausgestattet sind, und daß als Spanneinrichtung gegen das Maschinengestell (5) eine Spannmutter (19) auf der Mantelhülse (26) sitzt.

3. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelhülse (26) an ihrem der Fadenumlenkeinrichtung (4) zugewandten Ende (28) eine stufenartige Durchmesservergrößerung (15) trägt, und daß die Spanneinrichtung (19) auf dem durch das Maschinengestell (5) ragenden freien Ende (18) der Mantelhülse (26) sitzt.

4. Zugkraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Aufnahmeloch (9) ein Durchsteckloch mit größerem Durchmesser (D) als der Mantelhülsenaußendurchmesser (d) ist, und
daß die Mantelhülse (26) ein Außengewinde (20) trägt, welches das Durchsteckloch beidseits überragt, und
daß zur Befestigung ein sich gegenseitig hemmendes Paar von Spannmuttern (19) beidseits des Maschinengestells (5) ver­ wendet wird.

5. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Abmessungen von Biegezapfen (6) und Innendurchmesser der Mantelhülse (26) so aufeinander abgestimmt sind, daß die maximale Biegung des Biegezapfens (6) in der Belastungsrichtung durch einen Begrenzungsanschlag (23), und einen mit diesem zusammenwirkenden Teil (24) der Mantelhülse (26) begrenzt wird.

6. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelhülse (26) außen mit zumindest einer in Axialrichtung ver­ laufenden sekantial ausgerichteten Schlüsselangriffsfläche (32) ver­ sehen ist, wobei vorzugsweise paarweise einander zugeordnete Schlüsselangriffsflächen (32) sich diametral gegenüberliegen.

7. Zugkraftmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegezapfen (6) als Doppelbiegebalken ausgeführt ist.