Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Län genänderung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Automatisierungstechnik werden vielfach 6-Achs-Kraft- Momentensensoren eingesetzt, um die wirkenden Kräfte und Dreh momente in allen Richtungen bestimmen zu können. Beispielswei se können derartige Sensoren zur Anwendung beim automatischen Fügen oder Montieren von Werkstücken, beim Entgraten, Polieren oder Schleifen, bei Haptikmessungen oder anderen Einsatzgebie ten. Diese Sensoren messen die auf sie einwirkenden Kräfte (Fx, Fy, Fz) und Drehmomente (Mx, My, Mz) in und um drei Koor dinaten (x, y, z). Derartige Sensoren sollen einerseits mög lichst steif ausgebildet sein, damit sie selbst keine Verfor mungen durch die Kräfte oder Drehmomente erfahren. Anderer seits sollen aber möglichst hohe Auflösungen der gemessenen Signale erreicht werden können, was durch steife Sensoren in der Regel nicht möglich ist. Bei den bekannten Sensoren werden zur Bestimmung der Kräfte und Drehmomente Dehnmessstreifen verwendet, mit welchen sehr geringe Materialdehnungen gemessen werden können. Allerdings ist es sehr aufwendig, die Dehnmess streifen zu applizieren. Zudem benötigen Dehnmessstreifen eine hohe Signalverstärkung, was zu großen Kosten derartiger 6- Achs-Kraft-Momentensensoren führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrich tung zur Messung einer Längenänderung insbesondere zur Anwen dung in 6-Achs-Kraft-Momentensensoren bereitzustellen, welche bei einer hohen Steifigkeit eine hohe Auflösung der gemessenen Signale erreichen kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Messung der Längenänderung mit den Merkmalen des Patentan spruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung einer Längenände rung mit einem ersten Befestigungselement, einem zweiten Be festigungselement und wenigstens einem zwischen den beiden Be festigungselementen angeordneten Längenelement mit einem ers ten Ende, einem zweiten Ende und einer Länge entlang einer Längsrichtung, wobei eine parallel zur Längsrichtung wirkende Kraft zu einer Längenänderung des Längenelements führt, zeich net sich dadurch aus, dass quer zur Längsrichtung ein He belelement mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende und einem Drehpunkt angeordnet ist, wobei das Hebelelement einen ersten Hebelarm mit einer ersten Länge zwischen dem Drehpunkt und ei nem ersten Hebelarmende und einen zweiten Hebelarm mit einer zweiten Länge zwischen dem Drehpunkt und einem zweiten Hebel armende aufweist, wobei die zweite Länge größer ausgebildet ist als die erste Länge, dass das Längenelement mit seinem ersten Ende verschwenkbar am ersten Hebelarmende des ersten Hebelarms angeordnet ist und wobei das zweite Hebelarmende des zweiten Hebelarms mit einer Massverkörperung verbunden ist, deren Bewegung durch ein Abtastelement erfassbar ist.

Die grundlegende Idee der Erfindung beruht mit anderen Worten darauf, die Längenveränderung durch ein Hebelelement mecha nisch zu verstärken und die Wegänderung am freien Ende des längeren Hebelarms zu erfassen. Eine derartige mechanische Verstärkung ist einfach und kostengünstig zu realisieren. Sie kann insbesondere bei Systemen mit einer hohen Steifigkeit zur Anwendung kommen, wobei trotz der hohen Steifigkeit durch die mechanische Verstärkung eine hohe Auflösung der durch eine Kraft oder ein Drehmoment bewirkten Längenänderung erreicht werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Drehpunkt zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Hebelelements angeordnet und das erste Hebelarmende des ersten Hebelarms bildet das erste Ende des Hebelelements, während das zweite Hebelarmende des zweiten Hebelarms das zweite Ende des Hebelelements bildet. Auf diese Weise wird ein zweiseitiger Hebel gebildet.

In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung ist der Drehpunkt an dem ersten Ende des Hebelelements angeordnet. Auf diese Weise wird ein einseitiger Hebel gebil det.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein zweites Element, welches ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist und welches mittels eines ersten Arms und eines zweiten Arms, welche parallel zueinander ausgerichtet sind, parallel zu dem Hebelelement angeordnet ist, wobei die Anord nung zwischen dem zweiten Element und dem ersten Arm, zwischen dem zweiten Element und dem zweiten Arm, zwischen dem He belelement und dem ersten Arm und zwischen dem Hebelelement und dem zweiten Arm schwenkbar ist. Auf diese Weise wird ein Parallelogramm gebildet, welches es ermöglicht, die am zweiten Hebelarmende des zweiten Hebelarms angeordnete Massverkörpe- rung, welche ohne das zweite Element bei einer Schwenkbewegung des Hebelelements gegen das Abtastelement verkippt, bei einer Schwenkbewegung des Hebelelements durch das zweite Element pa rallel zur Längsrichtung ausgerichtet zu führen. Vorzugsweise ist die Massverkörperung an dem zweiten Arm ange ordnet, wobei sie sich vorzugsweise über den Abstand zwischen dem Hebelelement und dem zweiten Element erstreckt. Dies er möglicht bei einer Schwenkbewegung des Hebelelements die Mass verkörperung in jeder Position parallel zur Längsrichtung aus gerichtet anzuordnen.

Eine gute Stabilität der Hebelanordnung kann erreicht werden, wenn vorzugsweise der erste Arm zwischen dem Drehpunkt und dem ersten Ende des zweiten Elements und der zweite Arm zwischen dem zweiten Ende des Hebelelements und dem zweiten Ende des zweiten Elements angeordnet ist.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die schwenkbaren Verbindungen nach Art eines Film scharniers ausgebildet sind. Derartige schwenkbare Verbindun gen lassen sich durch Materialschwächungen auch in Materialien mit hoher Steifigkeit einfach ausbilden, so dass einerseits die gewünschte hohe Steifigkeit des Längenelements nicht oder nur kaum beeinträchtigt wird, andererseits aber die gewünschte hohe Auflösung durch die mechanische Verstärkung durch die He belanordnung erreicht werden kann.

Vorzugsweise sind das erste Befestigungselement scheibenartig mit einer ersten Ebene und das zweite Befestigungselement scheibenartig mit einer zweiten Ebene ausgebildet, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene parallel zueinander angeord net sind und vorzugsweise die Längsrichtung senkrecht zu den Ebenen angeordnet ist. Die scheibenartige Ausbildung der Be festigungselemente ermöglicht eine gute Befestigung an den re lativ zueinander zu bewegenden Komponenten, zwischen denen die auftretenden Kräfte und Drehmomente gemessen werden sollen. Die Anordnung der Ebenen senkrecht zur Längsrichtung kann die Ermittlung der wirkenden Kräfte und Drehmomente vereinfachen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass meh rere, insbesondere mindestens sechs, beispielsweise genau sechs, Längenelemente zwischen dem ersten Befestigungselement und dem zweiten Befestigungselement angeordnet sind. Dies er möglicht eine Bestimmung der zwischen den beiden Befestigungs elementen wirkenden Kräfte und Drehmomente in und um drei Ach sen und somit die Ausbildung als 6-Achs-Kraft-Momentensensor.

Vorteilhafterweise ist das Abtastelement als optisch, kapazi tiv, induktiv oder magnetisch abtastender Sensor ausgebildet ist. Insbesondere optische Sensoren sind besonders robust und ermöglichen eine Abtastung mit hoher Auflösung.

Vorzugsweise ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche die durch das wenigstens eine Abtastelement detektierten Signale auswertet, und insbesondere aus den ermittelten Längenänderun gen die zwischen den beiden Befestigungselementen wirkenden Kräfte und Drehmomente berechnet.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren ausführ lich erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausfüh rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung einer Längenänderung,

Figur 2 eine weitere perspektivische Darstellung eines Teils der Vorrichtung gemäß Figur 1, Figur 3 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung gemäß Figur

2,

Figur 4 eine schematische Darstellung der Hebelanordnung der Vorrichtung gemäß Figur 1,

Figur 5 eine schematische Darstellung einer Hebelanordnung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Vor richtung zur Messung einer Längenänderung und

Figur 6 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Messung einer Längenänderungen mit sechs Längenele menten gemäß Figur 1 zur Bildung eines 6-Achs-Kraft- Momentensensors.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen verschiedene Ansichten eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Messung einer Längenänderung ÄL an einem Längenelement 15, welches ein erstes Ende 15a, ein zweites Ende 15b und eine Länge L entlang einer Längsrichtung R aufweist. Eine parallel zur Längsrichtung R wirkende Kraft F führt dabei zu einer Län genänderung ÄL des Längenelements 15. Eine direkte Messung dieser Längenänderung ÄL an dem Längenelement 15 ist aufwendig oder kann aufgrund der geringen Längenänderung ÄL oft nur mit geringer Auflösung erfasst werden. Die dargestellte Vorrich tung 10 umfasst daher ein quer zur Längsrichtung R angeordne tes Hebelelement 20 mit einem ersten Ende 20a, einem zweiten Ende 20b und einem Drehpunkt D, wobei das Hebelelement 20 ei nen ersten Hebelarm 21 mit einer ersten Länge a zwischen dem Drehpunkt D und einem ersten Hebelarmende 21a und einen zwei ten Hebelarm 22 mit einer zweiten Länge b zwischen dem Dreh punkt D und einem zweiten Hebelarmende 22b aufweist. Die zwei- te Länge b ist größer ausgebildet als die erste Länge a, wobei das Längenelement 15 mit seinem ersten Ende 15a verschwenkbar an dem ersten Hebelarmende 21a des ersten Hebelarms 21 ange ordnet ist, während das zweite Hebelarmende 22b des zweiten Hebelarms 22 mit einer Massverkörperung 30 verbunden ist. Die verschwenkbare Anordnung zwischen dem Längenelement 15 und dem ersten Hebelarmende 21a des ersten Hebelarms 21 kann insbeson dere nach Art eines Filmscharniers ausgebildet sein. Das Film scharnier kann beispielsweise durch eine Materialschwächung ausgebildet sein.

Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin ein Abtastelement 40, welches eine Bewegung der Massverkörperung 30 erfassen kann.

Eine Kraft F, die parallel zur Längsrichtung R auf das Längen element 15 einwirkt und eine Längenänderung ÄL am Hebelarmende 21a des kurzen Hebelarms 21 bewirkt, bewirkt aufgrund des He belelements 20 eine Wegänderung Äs am zweiten Hebelarmende 22b des langen Hebelarms 22. Dabei wird insbesondere die Längenän derung ÄL im Verhältnis b:a verstärkt, die Längenänderung Äs am zweiten Hebelarmende 22b beträgt somit Äs = b*ÄL/a

Die Wegänderung Äs wird mittels des Abtastelements 40 erfasst, welches die mit dem zweiten Hebelarmende 22b verbundene Mass verkörperung 30 abtastet. Insbesondere kann die Massverkörpe rung 30 optisch abgetastet werden, wozu beispielsweise die Massverkörperung 30 reflektierend ausgebildet sein kann.

Wie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt, ist der Drehpunkt D in dieser Ausführungsform zwischen dem ersten Ende 20a und dem zweiten Ende 20b des Hebelelements 20 angeordnet, so dass ein zweiseitiger Hebel ausgebildet wird. Insbesondere bildet dabei das erste Hebelarmende 21a des ersten Hebelarms 21 das erste Ende 20a des Hebelelements 20 und das zweite Hebelarmende 22b des zweiten Hebelarms 22 das zweite Ende 20b des Hebelelements 20.

Wie in Figur 5 dargestellt, ist es möglich, dass der Drehpunkt D an dem ersten Ende 20a des Hebelelements 20 angeordnet ist. Dadurch wird ein einseitiger Hebel ausgebildet. Die beiden He belarme 21, 22 erstrecken sich ausgehend von dem Drehpunkt D in die gleiche Richtung, jedoch mit unterschiedlicher Länge a bzw. b.

Die Massverkörperung 30 kann stirnseitig an dem Hebelelement 20 angeordnet sein. Das Abtastelement 40 ist derart ausgerich tet, dass es in Richtung der Stirnseite des zweiten Hebelar mendes 22b weist, um die Massverkörperung abtasten zu können. Dabei ist das Abtastelement 40 insbesondere starr fixiert, insbesondere parallel zur Längsrichtung R und starr relativ zu dem Längenelement 15. Bei einer Bewegung des Hebelelements 20 schwenkt jedoch die Massverkörperung 30 um den Drehpunkt D auf einer Kreisbahn, was zu verfälschten Messsignalen im Abtas telement 40 führen kann.

Daher ist vorzugsweise, unabhängig davon, ob das Hebelelement als einseitiger oder zweiseitiger Hebel ausgebildet ist, ein zweites Element 50 vorgesehen, welches ein erstes Ende 50a und ein zweites Ende 50b aufweist, und welches mittels eines ers ten Arms 51, der ein erstes Ende 51a und ein zweites Ende 51b aufweist, und eines zu dem ersten Arm 51 parallel ausgerichte ten zweiten Arms 52, der ein erstes Ende 52a und ein zweites Ende 52b aufweist, parallel zu dem Hebelelement angeordnet ist. Insbesondere ist das erste Ende 51a des ersten Arms 51 mit dem Drehpunkt D des Hebelelements 20 und das zweite Ende 51b des ersten Arms 51 mit dem ersten Ende 20a des zweiten Elements 50 verbunden, während das erste Ende 52a des zweiten Arms 52 mit dem zweiten Ende 20b des Hebelelements 20 und das zweiten Ende 52b des zweiten Arms 52 mit dem zweiten Ende 50b des zweiten Elements 50 verbunden ist. Dabei sind die Anord nungen zwischen dem zweiten Element 50 und dem ersten Arm 51, dem zweiten Element 50 und dem zweiten Arm 52, dem Hebelele ment 20 und dem ersten Arm 51 und zwischen dem Hebelelement 20 und dem zweiten Arm 52 schwenkbar ausgebildet, insbesondere nach Art eines Filmscharniers. Das Filmscharnier kann bei spielsweise durch eine Materialschwächung ausgebildet sein.

Die Massverkörperung 30 kann an dem zweiten Arm 52 angeordnet sein und sich vorzugsweise über den Abstand zwischen dem He belelement 20 und dem zweiten Element 50 erstrecken. Diese An ordnung bewirkt, dass die Massverkörperung 30 mit dem He belelement 20 weiterhin verbunden ist, jedoch vorzugsweise schwenkbar, so dass bei Bewegung des Hebelelements 20 aufgrund einer auf das Längenelement 15 einwirkenden Kraft F weiterhin die Massverkörperung 30 entsprechend dem Übersetzungsverhält nis mitbewegt wird, durch die Führung des zweiten Elements je doch eine Parallelverschiebung bewirkt wird, so dass die Mass verkörperung 30 bei ihrer Bewegung in ihrer Ausrichtung rela tiv zu dem Abtastelement 40 verbleibt.

Das Abtastelement 40 kann eine Auswerteeinheit 60 umfassen o- der mit einer Auswerteeinheit 60 verbunden sein, welche die durch das Abtastelement 40 detektierten Signale auswertet, und insbesondere aus den ermittelten Längenänderungen Dl die auf das Längenelement 15 wirkende Kraft F berechnet. Um das Abtastelement 30 starr relativ zu dem Längenelement 15 anordnen zu können, sind an dem Längenelement 15 an dem ersten Ende 15a und dem zweiten Ende 15b zwei Querträger 17a, 17b an geordnet, die an der durch das Hebelelement sowie gegebenen falls das zweite Element und die beiden Arme 51, 52 gebildeten Hebelanordnung diese insbesondere beidseitig umgreifend vor beigeführt sind, so dass das Abtastelement an den von dem Län genelement 15 abgewandten Enden der Querträger 17a, 17b ange ordnet werden kann.

Um die Längenänderung DL bei Einwirken einer Kraft zwischen zwei Komponenten bestimmen zu können, ist das Längenelement 15 an seinem ersten Ende 15a mit einem ersten Befestigungselement 11 und an seinem zweiten Ende 15b mit einem zweiten Befesti gungselement 12 verbunden. Wird das erste Befestigungselement 11 mit einer nicht dargestellten ersten Komponente und das zweite Befestigungselement 12 mit einer nicht dargestellten zweiten Komponente verbunden, können bei Bewegung der beiden Komponenten relativ zueinander die dann wirkenden Kräfte be stimmt werden. Das erste Befestigungselement 11 kann durch den ersten Querträger 17a, das zweite Befestigungselement 12 kann durch den zweiten Querträger 17b gebildet sein.

Figur 6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 10' zur Messung einer Längenänderung ÄL, welche sechs Längen elemente 15 gemäß dem in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst. Die Vorrichtung 10' weist dabei ein erstes Befestigungselement 11' und ein zweites Befesti gungselement 12' auf, wobei die Querträger 17a der sechs Län genelemente 15 mit dem ersten Befestigungselement 11' und die Querträger 17b der sechs Längenelemente 15 mit dem zweiten Be festigungselement 12' verbunden sind. Die Befestigungselements 11', 12' sind scheibenartig, beispielsweise scheibenringartig, mit einer ersten Ebene El bzw. einer zweiten Ebene E2, ausge bildet, wobei die Ebenen El und E2 parallel zueinander ange ordnet sind und insbesondere senkrecht zur Längsrichtung R der Längenelemente 15 angeordnet sind. Die Längenelemente 15 sind gleichmäßig über den Umfang der Befestigungselemente 11', 12' verteilt angeordnet und bilden insbesondere einen 6-Achs- Kraft-Momentensensor . Dazu werden der Auswerteeinheit 60 die von sämtlichen sechs Abtastelementen 40 detektierten Signale zugeführt, aus welchen die zwischen den beiden Befestigungs- elementen 11', 12' wirkenden Kräfte Fx, Fy, Fz und Drehmomente Mx, My, Mz bei entsprechender Kalibrierung berechnet werden können.

Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung 10 Vorrichtung

11, 11' erstes Befestigungselement 12, 12' zweites Befestigungselement 15 Längenelement 15a erstes Ende 15b zweites Ende 20 Hebelelement 20a erstes Ende 20b zweites Ende 21 erster Hebelarm 21a erstes Hebelarmende 22 zweiter Hebelarm 22a zweites Hebelarmende 30 MassVerkörperung 40 Abtastelement

50 zweites Element 50a erstes Ende 50b zweites Ende

51 erster Arm 51a erstes Ende 51b zweites Ende

52 zweiter Arm 52a erstes Ende 52b zweites Ende 60 Auswerteeinheit L Länge

ÄL Längenänderung

R Längsrichtung

F Kraft

M Drehmoment D Drehpunkt s Weg

Äs Wegänderung a erste Länge b zweite Länge El erste Ebene

E2 zweite Ebene