Kraftaufnehmer, Anordnung mit mehreren Kraftaufnehmern und Verwendung der

Anordnung

Stand der Technik Die Erfindung betrifft einen Kraftaufnehmer zur Ermittlung zweier, senkrecht zueinander angeordneter Kraftkomponenten. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung, bestehend aus einer Vielzahl von erfindungsgemäßen

Kraftaufnehmern sowie die Verwendung einer Anordnung zur Ermittlung von auf eine Bahn, insbesondere eine Packstoffbahn wirkenden Kräften.

Aus der EP 0 139 307 B1 (Fig. 8) ein stift- bzw. säulenförmiger

Mehrachsenkraftsensor bekannt. Mittels des bekannten Kraftsensors lassen sich sowohl die in den drei Raumachsen auf dem Kraftaufnehmer wirkenden Kräfte, als auch die um die entsprechenden Raumachsen wirkenden Momente ermitteln bzw. erfassen. Hierzu besteht der Kraftaufnehmer aus mehreren, einstückig miteinander verbundenen Abschnitten bzw. Kraftaufnehmerelementen, die zumindest teilweise in Form von Doppelbiegebalken ausgebildet sind. Die Erfassung der einzelnen Kräfte bzw. Momente erfolgt auf an sich bekannte Art und Weise insbesondere mittels Dehnmessstreifen. Der bekannte

Kraftaufnehmer ist durch die Erfassung der Vielzahl von Kräften bzw. Momenten relativ aufwendig ausgebildet. Darüber hinaus weist er eine zumindest im

Wesentlichen quadratische Querschnittsform auf, die insbesondere dazu dient, dass die in allen Richtungen bzw. Achsen wirkenden Kräfte bzw. Momente mit der gleichen Genauigkeit bzw. Empfindlichkeit erfasst werden können.

Bei der Verarbeitung von Packstoffbahnen auf Verpackungsmaschinen, beispielsweise auf sogenannten Schlauchbeutelmaschinen, ist es für eine optimale Funktion der Schlauchbeutelmaschine wichtig, die auf die

Packstoffbahn wirkenden Spannungen bzw. Kräfte erfassen zu können.

Insbesondere ist dabei die quer zur Längserstreckung der Packstoffbahn wirkende Spannung in der Packstoffbahn sowie die Reibkraft, verursacht durch von Charge zu Charge wechselnden Materialeigenschaften der Packstoffbahn von wesentlicher Bedeutung. Wichtig bei der Erfassung der Bahnspannung ist darüber hinaus, dass die zur Berechnung der Bahnspannung erfassten Kräfte an einer Vielzahl von quer zur Förderrichtung bzw. zur Längserstreckung der Packstoffbahn angeordneten Stellen, möglichst lückenlos, erfasst werden. Dies bedingt eine Anordnung einer Vielzahl von Kraftaufnehmern, die parallel und möglichst unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Zur Erzielung einer möglichst hohen Auflösung über die gesamte Breite der Packstoffbahn ist daher ein Kraftaufnehmer wünschenswert, der eine möglichst geringe Breite aufweist, damit möglichst viele Kraftaufnehmer nebeneinander quer zur Längserstreckung der Packstoffbahn angeordnet werden können. Der aus der EP 0 139 307 B1 bekannte Kraftaufnehmer scheint vor diesem Hintergrund aufgrund der dort fehlenden Angabe der Dimensionierung ungeeignet bzw. für die gestellte Aufgabe überdimensioniert zu sein. Insbesondere scheint es nicht möglich, eine Packstoffbahn derart in Wirkverbindung mit dem Kraftaufnehmer zu bringen, dass zwei, rechtwinklig zueinander angeordnete Kraftkomponenten mit der benötigten Auflösung bzw. Genauigkeit selbst bei relativ kleinen Kraftbeträgen erfasst werden können.

Offenbarung der Erfindung

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftaufnehmer derart auszubilden, dass dieser insbesondere in Verbindung mit auf eine Packstoffbahn als zu vermessendem

Element wirkenden Kräften bzw. Spannungen eine optimierte Anordnung ermöglicht und gleichzeitig eine gewünschte (hohe) Auflösung auch bei relativ kleinen Kräften (gemeint ist dabei eine maximale Kraft von etwa 20N) aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftaufnehmer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die beiden

Kraftaufnehmerelemente über einen stegförmigen Verbindungsabschnitt einstückig miteinander verbunden sind, wobei die beiden

Kraftaufnehmerelemente jeweils eine im Wesentlichen rechteckförmige

Außenkontur mit einer Breite und einer Länge aufweisen, wobei die Länge jeweils größer ist als die Breite, wobei die die beiden Kraftaufnehmerelemente rechtwinklig zueinander angeordnet sind, wobei das erste Kraftaufnehmerelement dazu ausgebildet ist, in Wirkverbindung mit dem zu vermessenden Element (Packstoffbahn) angeordnet zu werden, und wobei das zweite Kraftaufnehmerelement mit einem Trägerelement für den Kraftaufnehmer verbunden ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die beiden, jeweils als Doppelbiegebalken ausgebildeten Kraftaufnehmerelemente in Form eines„T" zueinander angeordnet sind, wobei das eine freie Ende des einen

Kraftaufnehmerelements zumindest mittelbar mit dem zu vermessenden Element verbunden ist. Dadurch wird eine Ausbildung des Kraftaufnehmers ermöglicht, bei dem eine Packstoffbahn in einem relativ großen Umschlingungswinkel um das freie Ende des Kraftaufnehmerelements geführt werden kann. Dies ermöglicht eine besonders einfache und effektive Erfassung der auf die

Packstoffbahn wirkenden Kräfte.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftaufnehmers sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Zur besonders einfachen und effektiven Verbindung des Kraftaufnehmers an einem Trägerelement wird vorgeschlagen, dass das zweite

Kraftaufnehmerelement über einen weiteren stegförmigen Verbindungsabschnitt mit einem Basisabschnitt verbunden ist, der dazu ausgebildet ist, mit dem Trägerelement verbunden zu werden.

Zur Kopplung des Kraftaufnehmers mit dem Trägerelement bzw. mit dem zu vermessenden Element ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der

Basisabschnitt und das erste Kraftaufnehmerelement jeweils eine Aufnahme aufweisen. Unter einer Aufnahme wird dabei im einfachsten Fall eine Bohrung, ein Gewinde o.ä. verstanden, das eine mechanische Kopplung bzw. Verbindung des Kraftaufnehmers ermöglicht.

Zur Erzeugung einer Vorspannkraft auf ein Kraftaufnehmerelement zur

Verbesserung der Messung der Kraftkomponente ist es möglich, dass auf wenigstens eines der Kraftaufnehmerelemente mittels einer Spanneinrichtung eine Vorspannkraft aufbringbar ist. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass wenigstens einer der beiden

Kraftaufnehmerelemente Dehnmessstreifen zur Ermittlung der Kraftkomponenten aufweist. Derartige Dehnmessstreifen können in üblicher Art und Weise beispielsweise in Form einer wheatstoneschen Brücke elektrisch geschaltet sein. Durch entsprechende Ausgestaltung des Doppelbiegebalkens bzw. der

Empfindlichkeit der Dehnmessstreifen ist dabei in der Praxis beispielsweise ein Messbereich bei dem ersten Kraftaufnehmerelement zwischen ON und 5N und bei dem zweiten Kraftaufnehmerelementen zwischen ON und 15N möglich.

Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass wenigstens eine zu vermessende Kraftkomponente mittels eines Abstandssensors erfasst wird, der an einem ortsfesten Teilabschnitt des Kraftaufnehmerelements oder ortsfest und von dem Kraftaufnehmerelement getrennt angeordnet ist.

In weiterhin besonders bevorzugter geometrischer Dimensionierung des

Kraftaufnehmers ist es vorgesehen, dass die beiden Kraftaufnehmerelemente plattenförmig mit einer Dicke ausgebildet sind, die einen kleineren Wert aufweist als die Breite der Kraftaufnehmerelemente. Dadurch ist es in der Praxis beispielsweise möglich, einen Kraftaufnehmer mit einer Dicke von lediglich 10mm auszubilden.

Die Erfindung umfasst auch eine Anordnung, bestehend aus einer Vielzahl von parallel und fluchtend zueinander angeordneten Kraftaufnehmern, die in erfindungsgemäßer Art und Weise ausgebildet sind.

In bevorzugter Weiterbildung der Anordnung kann es vorgesehen sein, dass zwischen den Kraftaufnehmern Distanzelemente angeordnet sind. Damit ist es beispielsweise bei einer vorgegebenen Breite einer Packstoffbahn möglich, in Abhängigkeit von der gewünschten Auflösung bzw. Erfassung der Kräfte quer zur Packstoffbahn die Kraftaufnehmer auf einem Trägerelement in definierten Abständen zueinander anzuordnen.

Weiterhin kann die Anordnung zur Erfassung einer Dickenverteilung einer Packstoffbahn ein Andrückelement aufweisen, das mit den Kraftaufnehmern zusammenwirkt.

Zuletzt umfasst die Erfindung auch die Verwendung einer entsprechenden Anordnung zur Ermittlung von auf eine Packstoffbahn wirkenden Kräften. Bei den Kräften handelt es sich dabei insbesondere um Reibungskräfte, verursacht durch verpackungsmaterialspezifische Oberflächeneigenschaften sowie um Kräfte, mittels derer auf eine Bahnspannung in der Packstoffbahn geschlossen werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Vorderansicht auf eine Anordnung, die aus einer Vielzahl von

erfindungsgemäßen Kraftaufnehmern besteht und zur Erfassung von auf eine Packstoffbahn wirkenden Kräften sowie deren Reibeigenschaften dient,

Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene II-II der Fig. 1 mit einer Packstoffbahn,

Fig. 3 eine Seitenansicht auf die Anordnung gemäß Fig. 1 ,

Fig. 4 einen Teil des Kraftaufnehmers gemäß Fig. 3 in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 5 die Teile des Kraftaufnehmers gemäß Fig. 4 in einer Seitenansicht und

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Kraftaufnehmer während der Dickenmessung der Packstoffbahn.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Anordnung 100 zur Messung von auf eine lediglich in der Fig. 2 erkennbare Packstoffbahn 1 dargestellt. Die Anordnung 100 findet vorzugsweise Verwendung im Zulaufbereich der Packstoffbahn 1 in einer Verpackungsmaschine, beispielsweise zu einer Formschulter einer

Schlauchbeutelmaschine, wobei die Packstoffbahn 1 beispielsweise eine heißsiegelfähige Kunststofffolie ist. Die Anordnung 100 dient dazu, die quer zur Längserstreckung bzw. zur Förderrichtung der Packstoffbahn 1 wirkenden Kräfte (und somit die in der Packstoffbahn 1 wirkenden Spannungen) sowie die aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit der Packstoffbahn 1 spezifischen Reibwerte der Packstoffbahn 1 zu erfassen.

Wie insbesondere anhand der Darstellung der Fig. 1 und 3 erkennbar ist, umfasst die Anordnung 100 eine Vielzahl von nebeneinander fluchtend angeordneten erfindungsgemäßen Kraftaufnehmern 10. Die Kraftaufnehmer 10 sind auf einem in der Fig. 2 erkennbaren, quer zur Längserstreckung der Packstoffbahn 1 sich erstreckenden Trägerelement in Form eines Querträgers 101 angeordnet, wobei der Querträger 101 Bestandteil einer im einzelnen nicht dargestellten Gestells mit Längsträgern 102 und Querverstrebungen 103 ist, wie dies anhand der Fig. 2 ersichtlich ist.

Die jeweils identisch ausgebildeten Kraftaufnehmer 10 weisen jeweils eine Dicke D von beispielsweise 10mm auf, und sind durch plattenförmige Distanzelemente 13 voneinander getrennt angeordnet. Durch die Distanzelemente 13 lässt sich in besonders einfacher Art und Weise der gegenseitige Abstand der

Kraftaufnehmer 10 auf dem Querträger 101 einstellen. Die Kraftaufnehmer 10, die einerseits mit dem Querträger 101 verbunden sind, wirken andererseits mit Kontaktelementen 14 zusammen, über deren Kontur die Packstoffbahn 1 entsprechend der Fig. 2 unter Ausbildung eines Umschlingungswinkels α geführt ist bzw. sich in Anlage mit den Kontaktelementen 14 befindet. Die Breite der Kontaktelemente 14 ist derart bemessen, dass die Packstoffbahn 1 über deren gesamte Breite von den Kontaktelementen 14 abgestützt ist. Der

Umschlingungswinkel α lässt sich über an den Längsträgern 102 in Richtung des Doppelpfeils 104 auf- und abbewegbaren Umlenkrollen 105, 106 beeinflussen.

Entsprechend der Darstellung der Fig. 5 ist der erfindungsgemäße

Kraftaufnehmer 10 dazu ausgebildet, senkrecht zueinander angeordnete Kraftkomponenten F-ι und F ₂ zu erfassen, wobei aus der Größe der

Kraftkomponente F-ι auf die Bahnspannung in der Packstoffbahn 1 geschlossen werden kann, während die Kraftkomponente F ₂ als Indikator für die

Oberflächenbeschaffenheit bzw. den Reibungskoeffizienten der Packstoffbahn 1 dient, der sich insbesondere bei einem Wechsel der als Packstoffrolle bevorrateten Packstoffbahn 1 von Packstoffcharge zu Packstoffcharge verändern kann. Entsprechend der Fig. 3 weist der Kraftaufnehmer 10 einen plattenförmigen Grundkörper 15 als Trägerelement auf, der zwei, in den Fig. 4 und 5 erkennbare, senkrecht zueinander angeordnete Kraftaufnehmerelemente 16 und 17 trägt. Der Grundkörper 15 ist wiederum mit dem Querträger 101 der Anordnung 100 verbunden. An dem Grundkörper 15 sind darüber hinaus Kabelanschlüsse 19, 20 angeordnet bzw. vorgesehen, die zur Übertragung der von den

Kraftaufnehmerelementen 16, 17 ermittelten Kraftkomponenten F-ι und F ₂ zu einer nicht dargestellten Auswerte- bzw. Steuereinrichtung dient.

Entsprechend der Darstellung der Fig. 4 und 5 sind die beiden

Kraftaufnehmerelemente 16, 17 jeweils in Form eines Doppelbiegebalkens 21 , 22 ausgebildet. Das erste, dem Kontaktelement 14 zugewandte

Kraftaufnehmerelement 16 ist über einen stegförmigen Verbindungsabschnitt 23 mit dem zweiten, dem Grundkörper 15 zugewandten Kraftaufnehmerelement 17 verbunden. Darüber hinaus weist das zweite Kraftaufnehmerelement 17 auf der dem ersten Kraftaufnehmerelement 16 abgewandten Seite einen weiteren stegförmigen Verbindungsabschnitt 24 auf, der in einen flachen bzw.

blockförmigen Basisabschnitt 25 übergeht. Der Basisabschnitt 25 weist beispielhaft in einem mittleren Bereich eine Durchgangsbohrung 26 auf, über die der Basisabschnitt 25 und somit auch die einstückig miteinander verbundenen Kraftaufnehmerelemente 16, 17 beispielsweise mit dem Grundkörper 15 verbunden, insbesondere verschraubbar sind. Gleichzeitig oder alternativ kann die Durchgangsbohrung 26 auch zur

Durchführung einer lediglich in der Fig. 5 dargestellten Spannschraube 30 benutzt werden. In diesem Fall weist das Kraftaufnehmerelement 17 zusätzliche Durchgangsbohrungen für die Spannschraube 30 auf, und in der dem

Kraftaufnehmerelement 17 zugewandten Seite des Kraftaufnehmerelements 16 ist ein Gewinde 29 ausgebildet, in das die Spannschraube 30 einschraubbar ist.

Die Spannschraube 30 dient dadurch der Erzeugung einer Vorspannkraft auf das Kraftaufnehmerelement 17.

Die beiden Kraftaufnehmerelemente 16, 17 weisen jeweils eine zumindest im Wesentlichen rechteckförmige Außenkontur 27, 28 mit einer Breite B-ι und B ₂ sowie einer Länge U und L ₂ auf. Wesentlich ist, dass die erste Breite B-i , B ₂ jeweils kleiner ist als die Länge U, L ₂ . Darüber hinaus ist die Dicke D kleiner als die Breite B-i , B ₂ . Das erste Kraftaufnehmerelement 16 ist in etwa mittig zum zweiten Kraftaufnehmerelement 17 angeordnet bzw. mit diesem verbunden, so dass die beiden Kraftaufnehmerelemente 16, 17 T-förmig zueinander angeordnet sind. Die beiden Kraftaufnehmerelemente 16, 17 weisen in üblicher Art und

Weise eine in etwa knochenförmige Aussparung 31 , 32 auf. Durch die

Formgebung der Aussparung 31 , 32 ist die Wanddicke des

Kraftaufnehmerelements 16, 17 unterschiedlich groß ausgebildet. In den

Bereichen, in denen die Wanddicke den geringsten Wert aufweist, sind

Dehnmesselemente in Form von Dehnmessstreifen 33, 34 am ersten

Kraftaufnehmerelement 16 bzw. Dehnmessstreifen 35, 36 im Bereich des zweiten Kraftaufnehmerelements 17 angeordnet.

Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass die Dehnmessstreifen 33 bis 36 auch an anderen Stellen der Kraftaufnehmerelemente 16, 17 angeordnet sein können.

Das erste Kraftaufnehmerelement 16, das zur Erfassung der Kraftkomponente F ₂ dient, weist darüber hinaus auf der dem Kontaktelement 14 zugewandten Seite an seiner dem Kontaktelement 14 zugewandten Seite eine Durchgangsöffnung 37 auf, über die das Kontaktelement 14 mit dem ersten Kraftaufnehmerelement

16 an dessen Schmalseite verbunden bzw. verschraubt werden kann. Sowohl die Dehnmessstreifen 33, 34 des ersten Kraftaufnehmerelements 16, als auch die Dehnmessstreifen 35, 36 des zweiten Kraftaufnehmerelements 17 sind in bekannter Art und Weise elektrisch miteinander verschaltet. Durch die erzeugten Spannungssignale der Dehnmessstreifen 33 bis 36 wird eine Verformung des jeweiligen Kraftaufnehmerelements 16, 17 infolge der Einwirkung der

Kraftkomponenten F-ι und F ₂ erfasst, die der erwähnten Auswerte- bzw.

Steuereinrichtung als Eingangswerte zugeführt werden, welche die Größe der Kraftkomponenten F-ι und F ₂ berechnet.

Zusätzlich oder aber alternativ ist es auch denkbar, anstelle von

Dehnmessstreifen 33 bis 36 als Dehnmesselementen Abstandssensoren zu verwenden. Hierzu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass in dem

Basisabschnitt 25 auf der dem Verbindungssteg 24 abgewandten Seite eine weitere Durchgangsöffnung 38 ausgebildet ist, in die ein entsprechender

Abstandssensor 50 einsetzbar ist, wie dies in der Fig. 5 dargestellt ist. Alternativ kann der entsprechende Abstandssensor auch beispielsweise in dem

Grundkörper 15 angeordnet sein, und die Durchgangsöffnung 38 dient lediglich dazu, die Position der dem Basisabschnitt 25 zugewandten Unterseite 39 des zweiten Kraftaufnehmerelements 17 erfassen zu können. Als Abstandssensoren kommen beispielsweise berührungslos arbeitende Sensoren, wie

Infrarotsensoren o.ä. in Frage. Für den Fall, dass die Verformung des ersten Kraftaufnehmerelements 16 erfasst werden soll, kann ein entsprechender Abstandssensor ortsfest sowie getrennt von dem ersten Kraftaufnehmerelement 16 etwa im Bereich der Ankopplung des ersten Kraftaufnehmerelements 16 an das Kontaktelement 14 vorgesehen sein.

In der Fig. 6 ist erkennbar, dass die Anordnung 100 zusätzlich optional eine stangenförmige, zwischen den Längsträgern 102 sich erstreckende Andrückleiste 107 aufweisen kann, die aus der in der Fig. 6 erkennbaren abgesenkten Position, in der sie sich in Anlagekontakt mit der Packstoffbahn 1 befindet, in Richtung des Pfeils 108 angehoben werden kann. In der in der Fig. 6 dargestellten Stellung sind auch die beiden Umlenkrollen 105, 106 in einer angehobenen Stellung, so dass die Packstoffbahn 1 zumindest im Wesentlichen eben auf den

Kontaktelementen 14 aufliegt. In der in der Fig. 6 dargestellten Position wird über die Andrückleiste 107 unter Zwischenlage der stillstehenden Packstoffbahn 1 auf die Kontaktelemente 14 ein Druck erzeugt, der als Kraftkomponente F-ι von dem jeweiligen Kraftaufnehmerelement 17 erfasst wird. Die Kraftkomponenten F-i dienen der Ermittlung einer Dickenverteilung der Packstoffbahn 1 in deren Querrichtung, d.h. senkrecht zur Förderrichtung der Packstoffbahn 1 und wird insbesondere bei thermoverformbaren Packstoffbahnen 1 angewandt.

Der soweit beschriebene erfindungsgemäße Kraftaufnehmer 10 bzw. die aus einer Vielzahl von Kraftaufnehmern 10 bestehende Anordnung 100 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.