Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor mit einer unteren und einer oberen ringförmigen Auflagefläche und einem Aussen- durchmesser D _Ä zum Messen von axial auftretenden Kräften in handbetriebenen oder pneumatischen Pressen umfassend einen zwischen einem Bolzen und einer Mutter vorgespannten, piezoelektrischen Kraftmessring mit einem Steckeranschluss, wobei die Mutter eine erste Bohrung mit einem ersten Durchmesser mit einem Innengewinde aufweist , und wobei der Bolzen ein Kopfteil aufweist sowie eine Hohldehnschraube mit einem Innendurchmesser Di und mit einem frontseitigen Aussengewinde , welche den Kraftmessring durchsetzt und in das Innengewinde der Mutter eingreift . Stand der Technik

Kraftsensoren oben genannter Art werden für vielerlei Zwecke eingesetzt und beispielsweise unter der Bezeichnung Press Force Sensor vertrieben .

Beispiele solcher Kraftsensoren sind in der EP 1590641 be- schrieben . Die dort als Stand der Technik angegebenen Messsensoren bestehen aus einem handelsüblichen Kraftsensor, der zwischen einem Bolzen und einer Mutter eingespannt ist , wobei sowohl der Bolzen und die Mutter an deren Aussenseiten zentrale Gewindebohrungen aufweisen zum Anbringen von Werkstü- cken . Diese Ausführung benötigt sehr viel Bauhöhe .

BESTÄTIGUNGSKOPIE Als bezüglich der Bauhöhe verbesserte Ausführung wird im selben Dokument eine Vorrichtung beschrieben, bei der der Sensor direkt im Bolzen integriert ausgestaltet ist. Zur Befestigung an angrenzende Werkstücke ist entweder eine durchgehende zentrale Bohrung vorgesehen, mehrere kleinere Gewindebohrungen an den frontseitigen Aussenflachen von Bolzen und Mutter oder eine zentrale Bohrung mit einem Absatz als innere Auflagefläche für einen Schraubenkopf einer durch die Bohrung geführte Befestigungsschraube. Die Ausführung mit integriertem Sensor beansprucht zwar eine geringere Bauhöhe, ist aber insgesamt teurer als die Ausführung mit separatem Sensor, weil kein herkömmlicher Sensor benutzt werden kann .

Solche Kraftsensoren werden beispielsweise verwendet , um die aufgebrachten Kräfte von handbetriebenen oder pneumatischen Pressen messen zu können . Da der Hub solcher Pressen systembedingt nicht sehr hoch ist , sollten die darin eingesetzten Kraftsensoren beispielsweise nicht höher als 50 mm sein bei Handpressen bis 60 k . Zudem ist es wichtig, dass die AufnähmeVor ichtungen an beiden äusseren Stirnseiten des Krafts- ensors einfach an die Vorgaben der Pressenhersteller ange- passt werden können .

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , einen Kraftsensor mit einer zentralen Achse eingangs angegebener Art zum Messen von axial auftretenden Kräften in handbetriebenen oder pneumatischen Pressen bis 60 kN zu beschreiben, der eine geringere Bauhöhe aufweist , insgesamt aber in der Herstellung günstiger kommt . Zudem sollen auch Zugkräfte bis lOkN gemessen werden können, vorzugsweise sogar bis 18 kN . Die Aufgabe wird gelöst durch einen erfindungsgemässen Kraftsensor mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs. Eine Alternative ist im unabhängigen Patentanspruch 4 beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben .

Erfindungsgemäss weist die Mutter eine zweite Bohrung mit einem zweiten, kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser Dj der Hohldehnschraube auf, welche die Mutter durchsetzt , wobei der Durchmesser der zweiten Bohrung mindestens ein Viertel des Aussendurchmessers ausmacht . Zudem ist die Länge der zweiten Bohrung mindestens so lang wie ihr Durchmesser . Erfindungsgemäss ist zudem die Innenfläche der zweiten Bohrung als Zentrieraufnahme für eine Gleitpassung ausgestaltet . In einer alternativen Ausführung sind die Anordnung von Bolzen und Mutter vertauscht , wobei die zweite Bohrung mit allen beschriebenen Merkmalen dann im Kopfteil des Bolzen ausgestaltet ist .

Der Aussendurchmessers D _A des Kraftsensors ist im Wesentli- chen gleich dem Aussendurchmesser der Mutter, der wiederum im Wesentlichen gleich gross ist wie der Aussendurchmesser des Kraftmessrings und des Bolzen .

Eine derartige Vorrichtung ist günstig in der Herstellung, weil ein herkömmlicher Kraftmessring verwendet werden kann . Als Beispiel wird ein Sensor des Typs 9040A der Firma Kistler Instrumente AG vorgeschlagen .

Die Bauhöhe wird dadurch reduziert , indem in der Mutter resp . im Kopfteil des Bolzen eine Vorrichtung zum Anbringung eines Einspannwerkzeuges ausgestaltet ist in Form einer Zentrieraufnahme für eine Gleitpassung. Diese ist beispielsweise bei einem Durchmesser von 14 mm mit einer Toleranz von H7 0/+0.018 angefertigt, damit eine Gleitpassung H7/g6 mit Kleinstspiel gewährleistet ist . Ein Werkzeug, das mit einem entsprechenden Aufnahmebolzen versehen ist , kann somit in der gewünschten Zentrieraufnähme angeordnet werden und mit seinem Auf ahmebolzen zentriert in den Kraftsensor eingefügt werden . Die Befestigung kann mittels einer von aussen zugänglichen Madenschraube erreicht werden . So ist das Montieren und Demontieren des Werkzeugs sehr einfach . Die Montage gewährleistet zudem stets eine zentrierte und kippsichere Aufnahme des Werkzeugs .

Erfindungsgemäss kann der Aufnahmebolzen lang ausgestaltet sein und weit in den Bolzen hineinreichen, da die Hohldehnschraube einen grösseren Innendurchmesser aufweist als die zweite Bohrung . Insbesondere kann der Aufnahmebolzen auch den Kraftsensor vollständig durchstossen und je nach Bedarf die Kraftmessung überbrücken, ohne dass dafür der Kraftsensor entfernt werden muss . Es wird dann nur eine Wegmessung durchgeführt .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt . Es zeigen Fig . 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsge- mässen Kraftsensors im Querschnitt Fig . 2 schematische Darstellung des erfindungsgemäs sen Kraftsensors mit daran angebrachte Aufnahmebolzen und Einspannbolzen;

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform des erfindungsge- mässen Kraftsensors in schematischer Darstellung mit daran angebrachte Aufnahmebolzen und Einspann- bolzen .

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Handpresse mit einem erfindungsgemässen Kraftsensor; Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Kraftsensor 1 mit einem Aussendurchmesser D _A und mit einer zentralen Achse A zum Messen von axial auftretenden Kräften F in handbetriebenen oder pneumatischen Pressen 2 gemäss Fig. 4, mit je einer unteren und einer obe- ren, ringförmigen Auflägefläche 10, 10 ^x . Er umfasst einen zwischen einem Bolzen 3 und einer Mutter 4 vorgespannten, piezoelekt ischen Kraftmessring 5 mit einem Steckeranschluss 6. Der Aussendurchmesser D _Ä ist im Bereich der Mutter 4 im Wesentlichen gleich gross wie im Bereich des Bolzen 3 und des Kraftmessrings 5.

Die Mutter 4 weist eine innere Stirnfläche 7 auf mit einer ersten Bohrung 8 mit einem ersten Durchmesser Dl mit einem Innengewinde 9. Zudem weist sie gemäss einer ersten Ausführung die untere, ringförmige Auflägefläche 10 auf . Der Bolzen 3 weist ein Kopfteil 11 auf sowie eine Hohldehnschraube 12 mit einem Innendurchmesser Dj in einer zentralen Bohrung 28. Die Hohldehnschraube 12 weist zudem ein frontseitiges Aussengewinde 13 auf, welche den Kraftmessring 5 durchsetzt und in das Innengewinde 9 der Mutter 4 eingreift . Erfindungsgemäss weist in der ersten erfindungsgemässen Ausgestaltung die Mutter 4 eine zweite Bohrung 14 auf mit einem zweiten, kleineren Durchmesser D2 als der Innendurchmesser Ό _τ der Hohldehnschraube 12, welche die Mutter 4 durchsetzt, wobei der Durch- messer D2 der zweiten Bohrung mindestens einem Viertel des genannten Aussendurchmessers D _a ausmacht und die Länge L der zweiten Bohrung 14 mindestens so lang ist wie ihr Durchmesser D2. Zudem ist die Innenwand 15 der zweiten Bohrung als Zentrieraufnahme 15 mit der Qualität H7 für eine Gleitpassung H7/g6 ausgestaltet.

Eine alternative , erfindungsgemässe Ausgestaltung ist in Fig . 3 dargestellt . Im Gegensatz zur ersten erfindungsgemässen Variante sind die Ausrichtung von Mutter 4 und Bolzen 3 vertauscht : Das Kopfteil 11 des Bolzen 3 weist nun die untere , ringförmige Auflägefläche 10 und auch die zweite Bohrung 14 auf, mit allen genannten Merkmalen, insbesondere mit der Zentrieraufnahme an der Innenwand 15 für eine Gleitpassung und alle genannten Masse und deren Verhältnisse .

Der piezoelektrische Kraftmessring 5 ist ein handelsüblicher Sensor nach dem Stand der Technik . Er umfasst ein Gehäuse 16 mit darin unter einer Membran 17 eingelagerte und vorgespannte piezoelektrische Messelemente 18 sowie einen Steckeran- schluss 6.

In einer bevorzugten Ausführung weist die Mutter 4 in der ersten Bohrung 8 nahe der Stirnfläche 7 ebenfalls eine Innenfläche 19 auf, die als Zentrieraufnahme 19 der Qualität H7 für eine Gleitpassung H7/g6 ausgestaltet ist . Zudem weist der Bolzen 3 anschliessend an das Aus sengewinde 13 , dem Kopfteil 11 zugewandt , einen Führungsbereich 20 auf , der mindestens so breit ist wie das Gewinde 13 und nahe der inneren Stirnfläche 7 in die die Zentrieraufnähme 19 der ersten Bohrung 8 zentriert aufgenommen ist, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Dadurch wird die Zentrierung zwischen dem Bolzen 3 und der Mutter 4 gewährleistet. Es hat sich gezeigt, dass eine Zentrierung, die allein durch die Gewindeverbindung zwischen Bol- zen 3 und Mutter 4 zustande kommt, den Anforderungen nicht genügt .

Beim Zusammenbau wird der Kraftmessring 5 vorzugsweise mittels einer Zentrierhilfe, welche aussen am Kraftmessring 5 angreift , demnach mit einer AussenZentrierung, um die Hohl- dehnschraube 12 des Bolzens 3 zentriert und anschliessend durch Anziehen der Mutter 4 an den Gewinden 9, 13 zwischen dem Bolzen 3 und der Mutter 4 unter Vorspannung fixiert. Somit entfällt die Notwendigkeit, eine Zentrierhülse zwischen der Hohldehnschraube 12 und dem Kraftmessring 5 einzubauen. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zwischen dem Kraftmessring 5 und dem Kopfteil 11 des Bolzens 3 eine Gleitscheibe 21 anzuordnen, welche durch die Vorspannung fixiert ist. Diese Gleitscheibe 21 ermöglicht ein Gleiten zwischen den beiden Oberflächen des Kopfteils 11 und des Kraft- messrings 5 während dem gegenseitigen Verspannen mit der Mutter 4 zur Aufbringung der Vorspannung und verhindert somit einen Momentenverzug im Material des piezoelektrischen Kraftmessrings 5.

Erfindungsgemäss kann radial zwischen der Hohldehnschraube 12 und dem Kraftmessring ein Ringspalt 26 angeordnet sein (siehe Fig . 3), ohne dass dabei eine Zentrierhülse zwischen der Hohldehnschraube und dem Kraftmessring angeordnet ist . Der Ringspalt 26 kann somit den gesamten Raum zwischen der Hohl ^¬ dehnschraube 12 und dem Kraftmessring 5 einnehmen . Die be- schriebene AussenZentrierung kann über die Aussenmantel flächen vom Kraftmessring 5 und Kopfteil 11 erreicht werden . Dadurch wird die Vorrichtung erneut vereinfacht und günstiger in der Herstellung.

Da der Durchmesser D2 der zweiten Bohrung 14 der Mutter 4 resp. des Kopfteils 11 kleiner ist als der Innendurchmesser Di der Hohldehnschraube, ist gewährleistet, dass ein Aufnahmebolzen 32 in der zweiten Bohrung 14 aufgenommen werden kann, der viel länger ist als die zweite Bohrung, wie in Fig. 2 ersiehtlieh .

Zudem kann die Mutter 4 resp . das Kopfteil 11 im mittleren Bereich der zweiten Bohrung 14 eine radiale Bohrung 22 von aussen bis zur Innenwand 15 mit einem Innengewinde 23 aufweisen, in der eine Madenschraube 24 eingesetzt ist . Durch Anziehen der Madenschraube kann ein Aufnahmebolzen 32 fixiert werden, wie in Fig. 2 ersichtlich . Aus Fig . 2 und 3 ist zudem ersichtlich, dass die Zentrieraufnahme 15 in der zweiten Bohrung 14 mindestens in beiden Endbereichen der Innenwand 15 ausgestaltet sein muss . Der mittlere Bereich der zweiten Bohrung 14 wird in der Regel nicht für die Zentrierung benötigt , da dort bevorzugt die Maden- schraube 24 angreift und ein Aufnahmebolzen 32 in diesem Bereich eine konische Aussenflache aufweist , um zusammen mit der Madenschraube 24 einen Rückhalt eines eingesetzten Auf- nahmebolzens 32 zu gewährleisten . Die Zentrieraufnähme 15 im Bereich der beiden Endbereiche 15a und 15b gewähren aber ins- besondere eine KippSicherung und sorgen somit für eine gute Zentrierung . Wichtig ist , dass die Länge L der zweiten Bohrung 14 und insbesondere der Zentrieraufnähme 15 umfassend beide Bereiche 15a, 15b und deren Abstand zueinander lang ist , insbesondere mindestens so lang wie der Aussendurchmes- ser D _A sowie vorzugsweise mindestens 20% der axialen Gesamthöhe des Kraftsensors 1 ausmacht . Insbesondere kann die Mutter 4 nahe der inneren Stirnfläche 7 eine Auskragung 27 aufweisen. Diese Auskragung 27 dient als Begrenzung für die beschriebene Aussenzentrierung sowie ge- mäss Fig. 2 als Arretierung eines an der Mutter 4 anbringbaren breiten Ringes 29, an dem entsprechende Mittel 30 zur Bestimmung des axialen Weges angeordnet sind. Somit ist eine Kraft-Wegmessung möglich.

Insbesondere ist die zentrale Bohrung im Kraftsensor 1 durch- gehend. Eine solche Anordnung ermöglicht eine Überbrückung des Kraftsensors 1, ohne dass dieser dazu ausgebaut werden muss . Insbesondere wenn Mittel zur Wegmessung vorhanden sind, können diese Messungen weiter geführt werden, ohne dass ein Kraftnebenschluss durch den Kraftmessring 5 stattfindet . In der Bohrung nahe der oberen ringförmigen Auflagefläche 10 ^Λ des Kraftsensors 1 , je nach Ausführungsvariante im Kopfteil 11 des Bolzens 3 oder in der Mutter 4 , kann ein Innengewinde 25 angebracht sein . Dieses erlaubt ein Anbringen eines Einspannzapfens 31 nahe der oberen Auflägefläche 10 ^λ für die einfache Adaptierung resp . Befestigung des Kraftsensors 1 an eine Presse 2, wie in Fig. 4 dargestellt. Die Bohrung kann insbesondere die Bohrung 28 der Hohldehnschraube 12 sein oder eine weitere Bohrung 8 ^x in der Mutter 4, welche diese durch- stösst . Da bei einem Einsatz stets auch Zugkräfte auftreten, muss der erfindungsgemässe Kraftsensor 1 resp. der Kraftmessring 5 auch auf Zug belastbar sein . Erfindungsgemässe Kraftsensoren sind bis 60 kN auf Druckkräfte belastbar und/oder bis 10 kN auf Zugkräfte . Dies bedingt , dass die beschriebene Vorspan- nung zwischen Bolzen 3 und Mutter 4 entsprechend hoch ist . Andererseits muss die Anbringung des Kraftsensors 1 an den Einspannzapfen 31 sowie an den Aufnahmebol zen 32 entsprechend stark sein.

In den Figuren ist der Kraftmessring 5 mit einer Membrane 17 ausgestaltet, die in Richtung Mutter 4 ausgerichtet ist. Es ist aber auch möglich, den Kraftmessring 5 um 180° zu drehen, sodass er mit seiner Membrane 17 gegen den Bolzen 3 resp. gegen die Gleitscheibe 21 ausgerichtet ist.

Alle bevorzugten Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit einer Ausführung nach den Figuren 1-3 beschrieben sind, las- sen sich ebenso mit einem erfindungsgemässen Kraftsensor 1 gemäss Figur 3 durchführen. Die Referenzzeichen tragen jeweils dieselbe Bedeutung zur Erklärung der Erfindung.

Bezugszeichenliste

1 Kraftsensor

2 Presse

3 Bolzen

4 Mutter

5 Kraftmessring

6 Steckeranschluss

7 Innere Stirnfläche

8 Erste Bohrung (der Mutter)

8' weitere Bohrung (in der Mutter)

9 Innengewinde der Mutter

10 10 ^λ Auflagefläche

11 Kopfteil

12 Hohldehnschraube

13 Aussengewinde

14 Zweite Bohrung

15 Innenwand, Zentrieraufnähme

15a, 15b Bereiche der Innenwand, Zentrierbereiche

16 Gehäuse

17 Membran

18 Piezoelektrische Messelemente

19 Innenfläche, Zentrieraufnahme

20 Führungsbereich

21 Gleitscheibe

22 radiale Bohrung

23 Innengewinde für Madenschraube

24 Madenschraube

25 Innengewinde Bolzen

26 Ringspalt

27 Auskragung

28 Bohrung ( in der Hohldehnschraube )

29 Ring

30 Mittel

31 Einspannzapfen

32 Aufnahmebol zen

A Achse

F Kraft

Dl Durchmesser ( innen)

D _Ä Aussendurchmesser

D2 kleinerer Durchmesser (innen)

L Länge

Di Innendurchmesser der Hohldehnschraube