Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln von auf eine Komponente wirkenden Kraft und/oder Drehmoment in einem mechanischen System sowie auf eine hierfür einsetzbare Sensoranordnung und eine Verwendung der Sensoranordnung in unterschiedlichen Bereichen.

Stand der Technik Verfahren zum Ermitteln von auf eine Komponente wirkenden Kraft und/ oder Drehmoment bzw. einer Position der Komponente in einem mechanischen System werden in vielen Bereichen und auf ganz unterschiedliche Technologien basierend eingesetzt. So werden die relative Lage und Ausrichtung zwischen einem Werkstück und einem Werkzeug in einer Bearbeitungsvorrichtung ermittelt, um eine exakte Bearbeitung zu ermöglichen oder es werden Kraft und Drehmoment in einem Robotersystem ermittelt, um dessen Funktionalität zu verbessern. Es ist bekannt, in mechanischen Systemen Sensoren einzusetzen, um Verformungen der belasteten Komponente rechtzeitig zu erkennen. Bekannte Sensoren zum Erfassen von in einem mechanischen

System wirkenden Kräften und/oder Lasten sowie elastischer Verformungen unterscheiden sich je nach Art der zu bestimmenden Kraft und/oder Last und/oder Verformung. Bekannt sind unter anderem lineare Kraftsensoren, Sensoren zum Erfassen von Drehmomenten, Sensoren zum Messen der Gravitationskraft von Objekten, d.h. Waagen und Drucksensoren zum Bestimmen von einer Kraft bezogen auf eine definierte Fläche. Generell umfassen Sensoren einen sensitiven Bereich mit einer Sensorik, welche sich hinsichtlich ihrer verwendeten Technologie unterscheiden und einer Auswerteeinheit, welche die messbare Grösse in eine elektrische Grösse umwandelt, die mittels einer Signalausgabe an ein Steuersystem übermittelbar ist.

Zur Erfassung von einer auf eine Komponente eines mechanischen Systems wirkenden Last bzw. Kraft ist es erforderlich, dass der Sensor direkt im Kraftfluss angeordnet ist und somit die vollständige Kraft durch den Sensor fliesst. Eine derartige Anordnung eines als Kraftaufnehmer ausgebildeten Sensors erfordert einen gewissen konstruktiven Aufwand, so dass eine nachträgliche Anbringung des Sensors in einem bestehenden mechanischen System deutlich erschwert, eingeschränkt oder sogar unmöglich ist. So kann an einem Seil kein oder nur sehr eingeschränkt ein Kraftaufnehmer so angeordnet werden, dass die Kraft in der Mitte des Seils erfassbar ist. Lediglich an zugänglichen Stellen des zu messenden Objekts bzw. der Komponente können Sensoreinheiten wie Dehnmessstreifen angebracht werden und dies auch nur mittels fachkundiger Klebung oder dergleichen.

Generell können als Kraftaufnehmer ausgebildete Sensoren mit Dehnmessstreifen (DMS) oder alternativ piezoelektrische Elemente für Kraftmessaufgaben eingesetzt werden. Indiziert durch Kraft- und/oder Lastwirkung bzw. einer generierten mechanischen Verformung ändern sich deren elektrische Eigenschaften, d.h. der elektrische Widerstand bzw. die Ladungsverteilung und diese Änderungen ist von dem Sensor erfassbar und von einer Auswerteeinheit auswertbar. Ferner sind auch optische Sensoren mit Sender und Empfänger einsetzbar, welche durch Kraftbeaufschlagung induzierte Positionsverschiebungen und/oder Verformungen von definierten Flächen detektieren. Aber auch Sensoren, welche aus einer erfassbaren mechanischen Resonanzfrequenz eines Elements eine mechanische Spannung ableiten, sind bereits bekannt.

Ebenfalls bekannt sind Sensoren, welche einen Referenzkörper und Detektionsmittel einsetzen, um eine relative Position des Referenzkörpers in Bezug zu dem betrachteten Objekt zu ermitteln und daraus eine Kraft- und/oder Lasteinwirkung auf das Objekt abzuleiten. So ist aus WO 2017/162634 ein Sensor bekannt, welcher an einem Tragelement einer Anhängerkupplung in einem Bereich auftretender Last eine Aussparung mit von einem definierten Abstand getrennten Referenzflächen aufweist. Der Sensor umfasst zwei separate Sensorelemente, welche den sich bei Belastung ändernden Abstand zwischen den Referenzflächen messen. Die Sensorelemente können die zwischen sich befindliche und unter Last verformende Spaltbreite kapazitiv, induktiv, optisch und/oder etc. erfassen.

Auch hier bedingt die Anordnung des Sensors eine gewisse Gestaltung des Messortes, welches in diesem Fall zu einer Schwächung des Tragelements durch die Aussparung führen kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln von auf eine Komponente wirkenden Belastung, insbesondere einer wirkenden Kraft und/oder eines Drehmoments in einem mechanischen System vorzusehen, welches universell einsetzbar ist. Das Verfahren kann auch dann zur Anwendung kommen, wenn der Ort der Belastung bzw. die belastete Komponente selbst nicht zugänglich oder auch nicht geeignet ist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine universell einsetzbare Sensoranordnung vorzusehen, um eine auf eine Komponente eines mechanischen Systems wirkende Belastung, insbesondere Kraft und/oder Drehmoment, zu ermitteln, ohne dass es hierfür erforderlich ist, dass die Messung und die Anordnung der Sensoranordnung im Kraftfluss der wirkenden Kraft erfolgt bzw. liegt. Insbesondere kann die Sensoranordnung auch nachträglich an der Komponente bzw. in einem mechanischen System angebracht werden, ohne dass das System selbst und wenn doch nur marginal davon beeinträchtigt ist.

Die Aufgaben werden insbesondere durch die Merkmale eines Verfahrens gemäss dem Anspruch 1 , einer Sensoranordnung gemäss dem Anspruch 8 und Verwendungen der Sensoranordnung gemäss den Ansprüchen 14 bis 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche wiedergegeben. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Ermitteln von auf eine Komponente wirkenden Kraft und/oder Drehmoment in einem mechanischen System nutzt einen an der Komponente mit einem ersten Ende einspannbaren bzw. fixierbaren Referenzkörper, dessen Geometrie und/oder Position relativ zu der Komponente mittels einer an oder relativ zu der Komponente anordenbaren Sensoreinheit erfasst wird und die wirkende Kraft und/oder das wirkende Drehmoment mittels einer Auswertung bestimmbar sind.

In einem unbelasteten Zustand oder einem festlegbaren Ausgangszustand der Komponente in einem mechanischen System, beispielsweise eine Welle, ein Seil oder ein Stab in einer Konstruktion, ein

Querbalken in einer Tragkonstruktion, ein Greifer, ein Werkzeug etc. oder auch ein Fluidführendes Rohr bzw. ein Behälter, kann die Sensoreinheit eine Geometrie und/oder eine relative Position des Referenzkörpers bestimmen und diese als Referenzwert definieren. Unter Belastung bzw. bei veränderter Belastung des mechanischen Systems bzw. der Komponente verändert sich die Geometrie und/oder die relative Position des Referenzkörpers gegenüber der Komponente und ist von der Sensoreinheit als Messwert detektierbar. Die Differenz zwischen dem Referenzwert und dem Messwert kann je nach Messsituation eine lineare Verschiebung entlang einer longitudinalen Achse der Komponente, eine Neigung gegen eine longitudinale Achse der Komponente und/oder eine Umfangsänderung oder etc. sein.

Alternativ kann eine Belastung einer Komponente auch mittels einer Musterverschiebung optisch erfasst werden. Hierbei kann die Komponente ein Linienmuster bzw. Rasterung und der Referenzkörper eine Struktur in Form eines Rasters aufweisen, welche bei Überlagerung ein definiertes optisches Muster bilden, das sich unter Belastung verändert. Die relative Positionsänderung des Referenzkörpers ist z.B. in Form eines Moire- Effekts optisch erfassbar. Eine Auswertung der ermittelten Differenz basiert auf gewissen Zusammenhängen zwischen der Differenz und der auf die Komponente wirkenden Kraft, Last, Drehmoment und/oder Druck.

Das Verfahren basiert auf einer Messung einer wirkenden Kraft und/oder eines Drehmoments nicht am Ort der Krafteinwirkung, bzw. nicht im Kraftfluss, selbst sondern an einem in Grenzen beliebig wählbaren Ort, an dem die Kraft in dem mechanischen System bzw. an der auch als Messkörper bezeichneten Komponente bemerkbar ist. Die Kraftwirkung ist mittels einer relativen Position und/oder einer Geometrie detektierbar und bestimmbar. Das Verfahren kann auf der Detektion von relativen Positionen und/oder von Verformungen bzw. Verschiebungen von Geometrien basieren.

Das Verfahren stützt sich auf eine indirekte Ermittlung einer wirkenden Kraft, Last und/oder Drehmoment mittels einer einfach detektierbaren Wirkung der Kraft, Last und/oder des Drehmoments. Die detektierbare Wirkung der Kraft, Last und/oder des Drehmoments auf die betrachtete Komponente kann mittels einer Geometrie und/oder einer relativen Position, insbesondere einer Fläche und/oder einer Struktur, beispielsweise einer Kante, des Referenzkörpers in Relation zu der betrachteten Komponente bzw. einem daran vorgesehenen Muster von der Sensoreinheit leicht erfasst werden. Der an der betrachteten Komponente angeordnete Referenzkörper, welcher vorzugsweise nur an einer Seite fest mit der Komponente verbindbar ist, kann bei Beaufschlagung der Komponente als weitgehend unbelastet angesehen werden. Demnach dient der Referenzkörper als unbelastetes Bezugsobjekt für die belastete Komponente. Hierbei ergibt sich vorteilhaft, dass das mechanische System selbst durch eine auf das Verfahren basierende Sensoranordnung nicht oder nur marginal beeinflusst wird. Die Sensoranordnung ist insbesondere derart ausgebildet, dass ihre Masse gering ist, eine elektrische Kontaktierung oder eine optische Kontaktierung bzw. eine Datenübertragung zu einer Auswerteeinheit keinen Einfluss auf die Funktion der betrachteten Komponente hat, wobei gleichzeitig die Belastung eindeutig bestimmbar ist. Ferner ergibt sich vorteilhaft, dass das Verfahren auch für ein bereits bestehendes mechanisches System einsetzbar ist, welches mit einer entsprechenden Sensoranordnung nachrüstbar ist.

In einer Ausführungsform des Verfahrens kann der Referenzkörper, welcher an seinem ersten Ende an der betrachteten Komponente fixierbar ist, sich mit einer freien Länge weitgehend parallel zu der Komponente bis zu einem zweiten Ende erstrecken. In einer Ausführungsform ist das zweite Ende ein freies Ende und mit einer definierten Struktur, einer Kante und/oder Fläche versehen. Die definierte Kante, Fläche und/oder Struktur am zweiten Ende des Referenzkörpers erleichtert eine Positions- und/oder Geometriebestimmung durch die Sensoreinheit.

Beispielsweise kann der Referenzkörper als ein u-förmiges Profil ausgebildet sein, wobei ein erstes Ende an der Komponente fixierbar ist. Die Verbindung kann durch Verpressen, Kleben und/oder mittels eines Hilfsmittels, z.B. einer Klemm- oder Schraubverbindung, erfolgen, so dass das erste Ende an der Komponente fixiert und sich die freie Länge des Referenzkörpers weitgehend parallel zu dieser erstreckt. Denkbar ist auch, dass das zweite Ende des Referenzkörpers auf einem Teil einer Fläche einer auf der Komponente positionierten Sensorfläche der Sensoreinheit anliegt, beispielsweise einer optischen Sensoreinheit. Die Sensoreinheit kann einen handelsüblichen Kamera-Bildsensor, d.h. CCD oder CMOS Sensoren, umfassen, mit Pixelgrössen ab 1.5 Mikrometer, welche hinsichtlich der Auflösung und somit hinsichtlich einer zu erfassenden Belastung von Bedeutung sind. Alternativ kann anstatt einer optischen Sensoreinheit ein anderer Sensortyp verwendet werden, welcher dann mit einem auf diesen abgestimmten Referenzkörper kombinierbar ist.

In einer anderen Ausführungsform ist das zweite Ende des Referenzkörpers ebenfalls an der betrachteten Komponente fixierbar, wobei sich der Referenzkörper mit der freien Länge weitgehend parallel zu der Komponente erstreckt. Demnach kann in bestimmten mechanischen Systemen ein verstärkter Effekt unter Belastung der Komponente mittels der vorgesehenen Sensoreinheit detektiert werden. Beispielsweise kann an dem Referenzkörper ein Anzeigeelement vorgesehen sein, dessen Verschiebung, induziert durch eine relative Längung des Referenzkörpers bei einer sich ändernden Belastung der Komponente, mittels der entsprechend anordenbaren Sensoreinheit erfassbar ist.

Gemäss einer Variante des Verfahrens liegt die erfassbare Geometrie und/oder die relative Position des Referenzkörpers einerseits einen Referenzwert in einem unbelasteten oder einem Grundzustand und andererseits unter Belastung oder sich ändernder Belastung einen Messwert fest. Aus der Differenz von Referenzwert und Messwert kann eine Änderung der auf die Komponente wirkenden Kraft und/oder Drehmoment ermittelt werden. Die Differenz kann je nach Fall eine Weglänge und/oder ein Winkel sein bzw. auch ein optischer Effekt wie ein Moire-Effekt.

Die Auswertung der ermittelbaren Werte basiert auf einem zu definierenden Zusammenhang und variiert je nach mechanischem System und Anwendung. Beispielsweise kann ein proportionaler Zusammenhang zwischen der ermittelten Differenz der relativen Positionen und der wirkenden Kraft bestehen, welcher mit einer linearen Funktion beschreibbar ist. In dem einfachen Fall einer linearen Positionsänderung aufgrund einer axial wirkenden Belastung der als Messkörper betrachteten Komponente ist diese proportional zur wirkenden Kraft, proportional zur freien Länge des Referenzkörpers und umgekehrt proportional zu einer Federkonstanten des Messkörpers. In anderen Fällen kann der Zusammenhang zwischen den relativen

Positionen und der zu bestimmenden Kraft, Last und/oder Drehmoment nichtlinear sein. Die Auswertung kann auf einem mathematischen Modell basieren, welches die wirkende Kraft und/oder das Drehmoment als Funktion der erfassten Werte und Merkmalen der Komponente beschreiben. Alternativ kann die Auswertung auch anhand einer vorhergehenden

Kalibrierung erfolgen, welche die wirkende Kraft und/oder das wirkende Drehmoment und die Differenz relativer Positionen und/oder Geometrien in einen Kontext zueinander stellt.

Die Sensoreinheit, welche an der betrachteten Komponente in einer Position anordenbar ist, dass sie Geometrien und/oder relative Positionen erfasst, kann als induktive, magnetische, optische, kapazitive Sensoreinheit oder dergleichen ausgebildet sein. Je nach Anwendungsgebiet und/oder Einsatzort kann demnach eine geeignete Sensoreinheit gewählt werden, welche direkt an der Komponente fixierbar ist. Es ist ebenfalls vorsehbar, dass die Sensoreinheit nicht unmittelbar an der betrachteten Komponente angeordnet ist, sondern mittels eines Verbindungsmittels in einem Bereich anordenbar ist, in welchem zumindest mittelbar die auf die betrachtete Komponente wirkende Belastung detektierbar ist. Vorteilhaft ist, dass die von der erfindungsgemässen Sensoranordnung eingesetzte Sensor-Technologie ohne Relevanz für deren Funktionsweise ist. Demnach kann je nach Einsatz bzw. Einsatzort eine geeignete Sensor-Technologie gewählt und eingesetzt werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist universell einsetzbar. Mit den Ausführungsformen des Verfahrens können sowohl auf eine Komponente wirkende lineare, axiale Kräfte ermittelt werden als auch quer bzw. in einem Winkel zu einer longitudinalen Achse der Komponente wirkende Querkräfte, Drehmomente auf eine als longitudinale Welle ausgebildete Komponente sowie Druckkräfte, beispielsweise wirkend auf und/oder in einer als Rohr oder Behälter ausgebildeten Komponente. Universell einsetzbar ist das Verfahren auch in dem Sinne, dass es Anwendung findet, wenn die betrachtete Komponente nur schwer oder nicht zugänglich ist und/oder wenn die Komponente am Ort der Belastung durch eine platzierte Sensoranordnung in ihrer Funktionalität beeinträchtigt wäre.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Sensoranordnung, basierend auf dem erfindungsgemässen Verfahren. Die Sensoranordnung umfasst einen Referenzkörper, dessen eines erstes Ende fixiert ist und der sich mit einer freien Länge zu einem zweiten Ende erstreckt, sowie eine Sensoreinheit, welche relativ zu dem Referenzkörper an der Komponente anordenbar ist, so dass diese eingerichtet ist, um eine Geometrie und/oder eine relative Position und/oder Struktur des Referenzkörpers zu bestimmen. In einer Ausführungsform kann die Sensoreinheit direkt an der Komponente befestigt sein. Alternativ kann die Sensoreinheit, beispielsweise ausgebildet als ein optischer Sensor oder eine Kamera, relativ zu der Komponente und dem zweiten Ende des Referenzkörpers angeordnet sein, dass eine relative Verschiebung zwischen dem zweiten Ende und der betrachteten Komponente detektierbar ist. Hierbei ist denkbar, dass das zweite Ende des Referenzkörpers eine Struktur aufweist, welche mit einem auf der Komponente vorgesehenen Muster bzw. Raster oder Struktur korrespondiert, so dass bei einer relativen Positionsänderung ein von der unabhängig anordenbaren Sensoreinheit optisch erfassbarer Effekt entsteht.

Gemäss einer Ausführungsform der Sensoranordnung ist diese an der Komponente des mechanischen Systems anordenbar, wobei der Referenzkörper an der Komponente mit dem ersten Ende fixierbar ist, sich die freie Länge weitgehend parallel zu einer Oberfläche der Komponente erstreckt und die Sensoreinheit an der Komponente oder relativ zu der Komponente anordenbar ist, um die sich ändernde Geometrie und/oder relative Position des Referenzkörpers zu bestimmen. In einer Ausführungsform der Sensoranordnung ist der

Referenzkörper in Form eines Stabes oder einer Platte mit dem ersten Ende ausgebildet, welches an einer Komponente eines mechanischen Systems fixierbar ist. Der Referenzkörper kann aber auch eine andere geeignete Form haben, beispielsweise eine geschlitzte Hülse und mittels einer Klemmverbindung an der betrachteten Komponente fixiert werden. Die freie Länge des Referenzkörpers kann sich ausgehend von dem ersten fixierten Ende bis zu dem zweiten Ende erstrecken, weitgehend parallel zu der betrachteten Komponente. Dabei kann der Referenzkörper auch derart geformt sein, dass er an eine Oberfläche der betrachteten Komponente angepasst ist. Das zweite Ende des Referenzkörpers kann gemäss einer

Ausführungsform als ein freies zweites Ende ausgebildet sein und eine definierte Struktur, Kante und/oder Fläche aufweisen, mittels dieser Veränderungen der Geometrie oder Verschiebungen von relativen Positionen detektierbar sind. Alternativ kann das zweite Ende ebenfalls an der Komponente eingespannt sein, so dass eine Art Verstärkung des Messsignals erreicht werden kann.

Eine Längserstreckung der freien Länge des Referenzkörpers, insbesondere parallel zu der betrachteten Komponente, kann derart gewählt werden, dass bei Kraft- und/oder Lastbeaufschlagung eine von der Sensoreinheit messbare Relativbewegung des Referenzkörpers erzeugt wird. Hierfür ist die Messempfindlichkeit der umfassten Sensoreinheit zu berücksichtigen. Im Falle einer in longitudinaler Richtung beaufschlagten Komponente ist die freie Länge des Referenzkörpers so zu wählen, dass auch minimale Veränderungen der betrachteten Komponente von der Sensoreinheit erfassbar sind. In einer weiteren Ausführungsform kann zumindest teilweise an dem

Referenzkörper eine Kante, Fläche und/oder Struktur vorgesehen sein, welche eine Ermittlung von Geometrie und/oder relativer Positionen unterstützt.

Der Referenzkörper kann in einer Ausführungsform in einem Material gefertigt sein, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der demjenigen der Komponente entspricht, für welche die Belastung von der

Sensoranordnung verifiziert wird. Somit ist es möglich, dass der Referenzkörper und die belastete Komponente eines mechanischen Systems eine vergleichbare Verformung und/oder Dehnung aufgrund thermischer Effekte erfahren. Gemäss einer Ausführungsform der Sensoranordnung ist die

Sensoreinheit als ein induktiver Sensor, ein magnetischer Sensor, kapazitiver Sensor oder ein optischer Sensor ausgebildet ist.

Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Verwendung der Sensoranordnung. Gemäss einer Ausführungsform kann die Sensoranordnung eingesetzt werden, um an einem linearen Messkörper eine auf diesen wirkende lineare axiale Kraft zu ermitteln. Bei einer Beaufschlagung der Komponente mit einer axial wirkenden Kraft, bzw. einer Zug- oder Druckkraft, erfährt die als Messkörper bezeichnete Komponente eine Veränderung ihrer Länge. Der mit der belasteten Komponente mit seinem ersten Ende verbundene bzw. eingespannte Referenzkörper, welcher sich mit seiner freien Länge in etwa parallel zur longitudinalen Komponente erstreckt, erfährt aber nicht oder nicht im gleichen Masse eine Veränderung seiner Länge. Aus den von der Sensoreinheit ermittelbaren relativen Positionen kann demnach die auf die Komponente in longitudinaler Richtung wirkende Kraft bestimmt werden. Insbesondere ist die zu ermittelnde Kraft proportional zu der Länge des Referenzkörpers und umgekehrt proportional zu einer Federkonstante der Komponente. Aus dem proportionalen Zusammenhang zwischen zu ermittelnder Kraft und der freien Länge des Referenzkörpers kann abgeleitet werden, dass dieser Wert anpassbar ist, um eine höhere Genauigkeit der Messung zu erzielen. Ferner ist die Sensoranordnung geeignet für Querkraft-Messungen beispielsweise an einem Balken bzw. Träger, welcher mit seinen zwei Enden auf Lagern aufliegt. Bei einer Belastung des Balkens in einer Richtung senkrecht zu seiner longitudinalen Achse wird sich der Balken in einem gewissen Mass verformen, wobei die longitudinale Achse des Balkens unter Last einen gekrümmten Verlauf mit einer sich fortlaufend ändernden Neigung zur ursprünglichen Lage der longitudinalen Achse annimmt. Eine an dem Balken angeordnete Sensoranordnung verhält sich dagegen unter Last anders. Der an dem ersten Ende mit dem Balken lösbar verbundene Referenzkörper erfährt ebenfalls eine Lageänderung, wobei die Längsachse des Referenzkörpers je nach Befestigungsposition einen konstanten

Neigungswinkel zur ursprünglichen Lage der longitudinalen Achse einschliesst. Das zweite freie Ende des Referenzkörpers wird relativ zu der als Messkörper ausgebildeten Komponente verschoben. Die Verschiebung kann mittels der Sensoreinheit detektiert werden, welche an der Komponente in einer bestimmbaren Position anordenbar ist. Aus der ermittelten Verschiebung kann mittels eines Auswertealgorithmus, basierend auf einem mathematischen Modell und/oder basierend auf einer Kalibrierung des Systems, umfassend Sensoranordnung und als Messkörper ausgebildete Komponente, eine Beziehung zwischen der Verschiebung bzw. dem daraus generierten Messsignal der mindestens einen Sensoranordnung auf die auf den Balken wirkende Kraft und/oder Last geschlossen werden.

Gemäss einer weiteren Verwendung kann die Sensoranordnung eingesetzt werden zur Messung eines Drehmoments, welches an einer Welle wirkt. Hierfür wird die Sensoranordnung an der Welle angeordnet, so dass sich ausgehend von dem ersten fixierbaren Ende des Referenzkörpers dieser sich mit seiner freien Länge näherungsweise parallel zur longitudinalen Achse der Welle erstreckt bis zu seinem zweiten freien Ende. Bei Torsion der Welle durch ein auf diese wirkendes Drehmoment bleibt der Referenzkörper in seiner langgestreckten Form. Eine Positionsänderung des zweiten freien Endes des Referenzkörpers relativ zur Umfangsfläche der Welle ist mittels der Sensoreinheit detektierbar. Die Positionsänderung ist proportional zu dem auf die Welle wirkenden Drehmoment und das Messsignal der Sensoreinheit kann entsprechend ausgewertet werden.

Ein weiteres Verwendungsbeispiel ist die Anwendung der Sensoranordnung zur Ermittlung von Seillasten, beispielsweise für ein Auffangnetz bzw. ein Schutznetz. Vorteilhaft ist die Sensoranordnung derart ausgebildet, dass sie nachträglich an einem Seil anordenbar ist, wobei der Referenzkörper mittels einer lösbaren Klemmverbindung auf dem Seil mit einem ersten Ende und die Sensoreinheit mittels eines lösbar anbringbaren Verbindungsmittel platzierbar sind. Die Sensoreinheit kann derart ausgebildet, dass sie eine Position einer an dem zweiten Ende des Referenzkörpers ausgebildeten Fahne erfasst, vorzugsweise berührungslos. Gemäss einer Variante kann die Sensoranordnung auch zur

Messung von Druck eingesetzt werden. Hierbei kann beispielsweise an einem mit Fluid beaufschlagbaren Behälter oder einem Leitungsrohr der Druck erfasst werden, welcher die Komponente in allen drei Dimensionen verformen kann. Je nach gestellter Messaufgabe der Sensoranordnung kann diese beispielsweise einen Referenzkörper umfassen, welcher in tangentialer Richtung um die

Komponente angeordnet ist. Aber auch andere Anordnungen und Formen des Referenzkörpers der Sensoranordnung sind denkbar, um eine Ausdehnung eines mit Fluid beaufschlagten Rohres in allen drei Dimensionen zu erfassen und entsprechend auszuwerten. Die Sensoranordnung kann aber ebenfalls eingesetzt werden, um

Kräfte und/oder Lasten an Stellen zu bestimmen, welche nur schwer zugänglich sind. Oder die Messstelle erlaubt es nicht, eine Sensoranordnung zu platzieren, ohne die Funktion und/oder den Bewegungsablauf der betrachteten Komponente oder des mechanischen Systems zu stören und/oder aufgrund einer nicht tolerierbaren Belastung der betrachteten Komponente an dieser Stelle. Beispielsweise kann ein herkömmlicher Sensor in einem System, umfassend einen Greifer eines Roboters und ein von diesem zu greifendes und zu haltendes Objekt, nicht ohne Beeinflussung der Arbeitsweise des Greifers platziert werden. Die erfindungsgemässe Sensoranordnung erlaubt aber eine Platzierung und Anordnung ausserhalb des Kraftflusses. Demnach kann eine Positionierung der Sensoranordnung ausserhalb des Greifraumes, beispielsweise an Komponenten des mechanischen Systems folgend auf den Greifer, vorgesehen sein. Auch an dieser Position können die Kräfte und die Verformungen detektiert werden, welche bei einer Betätigung des Greifers auftreten.

Weitere Anwendungen sind möglich, wobei die erfindungsgemässe Sensoranordnung entsprechend der gestellten Messaufgabe ausgebildet und dimensioniert ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1a eine schematische perspektivische Ansicht einer

Sensoranordnung gemäss einer ersten Ausführungsform;

Fig. 1 b eine schematische Seitenansicht der Sensoranordnung der ersten Ausführungsform in einer ersten Anwendung;

Fig. 1 c eine schematische Seitenansicht der Sensoranordnung der ersten Ausführungsform in einer Messsituation;

Fig. 2a eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung in einer zweiten Anwendung;

Fig. 2b: eine schematische Seitenansicht der Sensoranordnung gemäss Fig. 2a in einer Messsituation;

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung gemäss einer zweiten Ausführungsform in einer Anwendung; Fig. 4a eine schematische perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung gemäss der ersten Ausführungsform in einer dritten Anwendung;

Fig. 4b eine schematische Detailaufsicht auf die Sensoranordnung gemäss Fig. 4a;

Fig. 4c eine schematische Detailaufsicht auf die Sensoranordnung gemäss Fig. 4a in einer Messsituation;

Fig. 5a eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung gemäss einer dritten Ausführungsform in einer Anwendung; Fig. 5b eine schematische Ansicht einer Sensorordnung gemäss

Fig. 5a in einer Messsituation

Fig. 6a eine schematische perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung in einer Messsituation;

Fig. 6b eine schematische Detailansicht der Sensoranordnung gemäss Fig. 6a;

Fig. 7 eine schematische Aufsicht einer weiteren Ausführungsform der Sensoranordnung in einer Ausgangssituation und einer Messsituation.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung 1. Die Sensoranordnung 1 umfasst einen Referenzkörper 10 und mindestens eine Sensoreinheit 20. Der Referenzkörper 10 kann in vielfältiger Form und Abmessungen ausgebildet sein. In der dargestellten Ausführungsform der Sensoranordnung 1 ist der Referenzkörper 10 als ein langgestreckter Körper ausgebildet, beispielsweise als Platte oder Stab. Ein erstes Ende 12 des Referenzkörpers 10 ist eingerichtet, um an einer Komponente 100 eines mechanischen Systems eingespannt zu werden. Insbesondere wird das erste Ende 12 lösbar an der Komponente 100 mittels einer Klemm- und/oder Schraubverbindung und/oder unlösbar mittels Klebung, Schweissung befestigt. Eine freie Länge 13 des Referenzkörpers 10 erstreckt sich, ausgehend von dem einspannbaren ersten Ende 12, zu einem zweiten Ende 14, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als freies zweites Ende 14 ausgebildet ist. Das zweite freie Ende 14 des Referenzkörpers 10 weist eine Kante 15 auf, welche zur Festlegung einer definierbaren relativen Position in Bezug zu der Komponente 100 geeignet ist. Die Kante 15 kann aber auch eine Fläche oder ein Endbereich 16 mit einer Skalierung bzw. Struktur 17 (dargestellt in Fig. 1b) sein, welche geeignet ist, um eine relative Position dieser Kante 15, bzw. Fläche 16, in Bezug zu der Komponente 100 zu ermitteln.

In der dargestellten Ausführungsform verläuft die freie Länge 13 des Referenzkörpers 10 weitgehend parallel zu der Komponente 100 in Richtung einer longitudinalen Achse 18 der Komponente 100. Der Abstand zwischen der freien Länge 13 des Referenzkörpers 10 und einer Oberfläche der Komponente 100 sollte möglichst klein sein, um die Sensoranordnung 1 auch für kleine Einbausituationen verwenden zu können.

Die Sensoranordnung 1 umfasst ferner die Sensoreinheit 20, welche relativ zu dem Referenzkörper 10 anordenbar ist, insbesondere an oder in Bezug zu der als Messkörper bezeichneten Komponente 100. Die

Sensoreinheit 20 ist eingerichtet, um eine relative Position und/oder eine Geometrie des Referenzkörpers 10 zu bestimmen. Die Sensoreinheit 20 kann dabei als optischer, magnetischer, kapazitiver oder induktive Sensoreinheit 20 ausgebildet sein. Die Sensoreinheit 20 kann an der Komponente 100 relativ zu dem zweiten freien Ende 14 des Referenzkörpers 10 angebracht sein, beispielsweise durch Klebung oder in einer anderen geeigneten Weise.

In Figur 1 b ist eine Seitenansicht der Sensoranordnung 1 gemäss der Figur 1a in einer Ausgangssituation dargestellt. Hierbei ist erkennbar, dass sich der Referenzkörper 10 von seinem fixierbaren ersten Ende 12 mit der freien Länge 13 bis zu seinem zweiten freien Ende 14 weitgehend parallel zur Komponente 100 erstreckt und an dem zweiten freien Ende 14 die Kante 15 definiert ist. Die an der Komponenten 100 angeordnete Sensoreinheit 20 ist eingerichtet, um einen Referenzwert 30 der Kante 15 und/oder einer Fläche 16 und/oder Struktur 17 des Referenzkörpers 10 zu bestimmen.

In Figur 1c ist eine Messsituation der Sensoranordnung 1 in Bezug auf die Komponente 100 dargestellt. Wird die langgestreckte Komponente 100 axial belastet, d.h. mit einer Zug- oder Druckkraft beaufschlagt, ändert sich die Länge der langgestreckten Komponente 100 entlang der longitudinalen Achse 18. Dagegen bleibt trotz Belastung die Länge des Referenzkörpers 10 weitgehend konstant. Die unter Last detektierbare Position und/oder Geometrie des Referenzkörpers 10, d.h. des zweiten freien Endes 14, bzw. der daran ausgebildeten Kante 15, Fläche 16 und/oder Struktur 17, wird von der

Sensoreinheit 20 als Messwert 32 erfasst und in Bezug zu dem Referenzwert 30 gesetzt. Aus einer Differenz 33, welche in diesem Fall eine Weglänge ist, kann aufgrund einer mathematischen Funktion, die auf die längliche Komponente 100 wirkende Kraft in axialer Richtung bestimmt werden. Eine Verschiebung kann auch in Form eines Winkels zwischen longitudinalen

Achsen ermittelt, und mittels einer Auswertung die Belastungskräfte und/oder Belastungsdrehmomente wirkend auf die Komponente 100 bestimmt werden.

In Figur 2a ist eine weitere Anwendung der erfindungsgemässen Sensoranordnung 1 gemäss der ersten Ausführungsform dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Messkörper eine langgestreckte

Komponente 100, beispielsweise ein Träger in einem mechanischen System, welcher in Endbereichen gelagert ist. Der Referenzkörper 10 der Sensoranordnung 1 ist mit seinem ersten Ende 12 mit der Komponente 100 verbunden, wobei die Verbindung eine lösbare Befestigung sein kann oder eine Schweiss- oder Klebverbindung oder dergleichen. Der Referenzkörper 10 erstreckt sich mit seiner freien Länge 13 in Richtung der longitudinalen Achse 18 und weitgehende parallel zur Oberfläche der Komponente 100 mit einem gewissen Abstand und endet in dem zweiten freien Ende 14. An der Komponente 100 ist mit Bezug im Bereich des zweiten freien Endes 14 die Sensoreinheit 20 angeordnet, beispielsweise mittels Klebung oder mittels eines Verbindungsmittels. Das zweite freie Ende 14 kann eine Kante 15, eine Struktur bzw. Skalierung 17 und/oder eine Fläche 16 umfassen, welche von der Sensoreinheit 20 detektierbar ist, um somit Werte erfassen zu können, welche sich bei Belastung der Komponente 100 ändern. In einem unbelasteten Zustand oder in einem definierbaren Zustand der Komponente 100 kann ein Referenzwert 30 erfasst werden, auf den weitere zu erfassende Messwerte 32 bezogen werden können. Der Referenzwert 30 ist in dem dargestellten Beispiel ein Abstand zwischen der Kante 15 und der Sensoreinheit 20, kann aber auch einen anderen Wert z.B. eine Position bezeichnen.

In Figur 2b ist eine Messsituation der Komponente 100 dargestellt, welche auf zwei Lagern gelagert ist. Dieses Anwendungsbeispiel ist repräsentativ für einen gelagerten Balken oder Träger in einer Baukonstruktion. Auf einen derartigen Träger oder Balken wirken Querkräfte, d.h. Kräfte quer zur longitudinalen Achse 18 der langgestreckten Komponente 100. Ein an dieser Komponente 100 anordenbare Sensoranordnung 1 umfasst den Referenzkörper 10, welcher sich weitgehend parallel zur longitudinalen Achse 18 erstreckt und lediglich mittels seines ersten Endes 12 mit dieser verbunden ist. Die Belastung der gelagerten Komponente 100 durch Querkräfte führt verstärkt zu einer Durchbiegung der Komponente 100, wobei die longitudinale Achse 18 relativ zu ihrer horizontalen Ausgangslage in einem sich stetig verändernden Winkel steht. Der mit der Komponente 100 an dem ersten Ende 12 verbundene Referenzkörper 10 nimmt dagegen unter Belastung eine Position ein, welche durch einen konstanten Neigungswinkel zu der horizontalen Ausgangslage beschreibbar ist. Diese relative Verschiebung zwischen dem mittels der an der Komponente 100 angeordneten Sensoreinheit 20 erfassbaren Referenzwert 30 und einem Messwert 32 kann eine Differenz 33 sein oder in Form eines Winkels beschrieben werden. Dieser auch als Differenzwinkel 33 bezeichnete Winkel kann mittels einer mathematischen Funktion ausgewertet werden, um den oder die Werte der herrschenden Querkräfte zu ermitteln.

In Figur 3 ist eine zweite Ausführungsform der Sensoranordnung 1 in einem Anwendungsbeispiel dargestellt. Hier ist die erfindungsgemässe Sensoranordnung 1 angeordnet, um einen Innendruck in einem mit einem Fluid beaufschlagbaren Rohr zu erfassen, welches die als Messkörper ausgebildete Komponente 100 darstellt. Ein fluidführendes Rohr dehnt sich unter Druck in allen drei Dimensionen. Demnach kann der Referenzkörper 10 der Sensoranordnung 1 in Form eines offenen Rings am Umfang des Rohrs angeordnet und mit dem ersten Ende 12 daran verbunden sein. Der als offener Ring ausgebildete Referenzkörper 10 endet an dem zweiten Ende 14, an welchem eine Kante 15 ausgebildet ist, die relativ zu der Sensoreinheit 20 (nicht dargestellt) positioniert ist. Bei Beaufschlagung des Rohrs mit Fluid kann es zu einer Erweiterung des Rohrs kommen, welches mittels der angeordneten Sensoranordnung 1 erfassbar ist. Die Veränderung des Rohrumfangs kann als weitgehend proportional zum Druck gesetzt werden. Denkbar sind aber auch andere Anordnungen der Sensoranordnung 1 , welche geeignet sind, um eine Veränderung des Durchmessers und/oder einer axialen Dimension des mit Fluid beaufschlagten Rohrs zu erfassen.

In Figur 4a ist die Sensoranordnung 1 gemäss der ersten Ausführungsform in einem weiteren Anwendungsbeispiel dargestellt. Hierbei ist die als Messkörper bezeichenbare Komponente 100 eine sich entlang einer longitudinalen Achse 18 erstreckende Welle, auf welche Torsionskräfte wirken. Dargestellt ist eine einseitig eingespannte Welle, aber auch beidseitig gelagerte Wellen können als Komponente 100 betrachtet werden. In diesem Anwendungsbeispiel kann der einseitig am ersten Ende 12 eingespannte Referenzkörper 10 als unbelastet angesehen werden, wobei die auf die Komponente 100 wirkenden Torsionskräfte und/oder Drehmomente zu einer Verwindung der Welle führen, welche mittels der Sensoranordnung 1 an dem zweiten Ende 14 mittels der Sensoreinheit 20 erfassbar sind.

In Figur 4b ist eine unbelastete Position der Komponenten 100 und der daran angeordneten Sensoranordnung 10 in eine Detailansicht dargestellt. Erkennbar ist das zweite freie Ende 14 des Referenzkörpers 10 mit seiner daran ausgebildeten Kante 15 bzw. Fläche 16 und der Struktur 17. Die Struktur 17 ist als Pfeil dargestellt, kann aber eine Vielzahl von Formen haben. Ferner ist die Sensoreinheit 20 an der betrachteten Komponente 100 in einer Position angeordnet, die in Bezug zu dem zweiten freien Ende 14 steht. In dieser in Fig. 4b dargestellten Situation kann der Referenzwert 30 ermittelt werden.

In Figur 4c ist eine Messsituation dargestellt. Bei Belastung der Komponente 100 kommt es zu einer relativen Positionsänderung der Kante 15, Fläche 16 und/oder Struktur 17, ausgebildet am Referenzkörper 10, welche durch die an einer angeeigneten Stelle positionierten Sensoreinheit 20 erfassbar ist. In dem dargestellten Anwendungsbeispiel bewirkt ein auf die betrachtete Komponente 100 wirkendes Drehmoment eine Torsion, welche in Form eines Differenzwinkels 33 zwischen Referenzkörper 10 und Komponente 100, bzw. zwischen Referenzwert 30 und Messwert 32, identifizierbar ist. Die wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente können mittels eines mathematischen Zusammenhangs oder mittels einer Kalibrierung bestimmt werden, wobei eine Auswertung in einer geeigneten Einheit erfolgt, an die ermittelte Messdaten übermittelbar sind.

In Figur 5a ist eine weitere Ausführungsform der Sensoranordnung 1 dargestellt, welche an einer als Greifer ausgebildeten Komponente 100 angeordnet ist. In dieser Anordnung ist die Sensoranordnung 1 nicht unmittelbar in dem belasteteten Bereich angeordnet, d.h. in dem Bereich an dem die als Greifer ausgebildete Komponente 100 in Wirkverbindung mit einem zu greifenden Teil 40 steht, sondern an einem Bereich der Komponente 100, welcher zumindest mittelbar durch die Belastung beeinflusst ist. In Fig. 5a ist die Sensoranordnung 1 seitlich an der als Greifer ausgebildete Komponente 100 angeordnet, wobei die Sensoreinheit 20 an dieser lösbar oder unlösbar befestigt ist. Ändert sich die Stellung des Greifers 100 kommt es zu einer relativen Verschiebung zwischen dem einseitig am ersten Ende 12 eingespannten Referenzkörper 10 und dem Greifer 100. Mit anderen Worten, die Ausgangsposition der als Greifer ausgebildeten Komponente 100 kann durch den Referenzwert 30 identifiziert sein. Wie in Figur 5b dargestellt, verändert sich die Lage des

Referenzkörpers 10 relativ zu dem mit diesem in Beziehung stehenden Greifer 100, so dass von der Sensoreinheit 20 ein Messwert 32 erfasst werden kann. Dieser Messwert 32, in Bezug gesetzt zu dem Referenzwert 30, kann ausgewertet werden. Die Auswertung kann derart erfolgen, dass daraus ein Wert der Belastung des Greifers 100 generierbar ist.

In Figur 6a ist ein weiteres Verwendungsbeispiel einer Sensoranordnung 1 dargestellt, wobei die Komponente 100 als ein Seil und der Referenzkörper 10 als eine geschlitzte Hülse ausgebildet sind, welche sich von dem ersten fixierten Ende 12 zu dem zweiten Ende 14 mit der freien Länge 13 erstreckt. Die Fixierung des ersten Endes 12 des Referenzkörpers 10 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine einfache Klemm- und Schraubverbindungverbindung gelöst. An dem zweiten Ende 14 ist eine Art Fahne 11 mit der definierten Kante 15 ausgebildet, welche sich von dem Referenzkörper 10 erstreckt. An der Komponente 100 ist die Sensoreinheit 20 mittels eines Verbindungsmittels 21 lösbar angeordnet, so dass die Fahne 11 des Referenzkörpers 10 zwischen Schenkeln der Sensoreinheit 20 berührungslos angeordnet ist, wie dies in Figur 6b gezeigt ist. Bei Belastung der seilförmigen Komponente 100 verändert sich die Position der Fahne 11 bzw. der Kante 15 (nicht dargestellt) des Referenzkörpers 10 zwischen den Schenkeln der Sensoreinheit 20, so dass ein Messsignal detektierbar ist, welches ausgewertet Auskunft über die Belastung bzw. eine Änderung der Belastung in Form einer Längenänderung der seilförmigen Komponente 100 gibt.

In Figur 6b ist die Sensoranordnung 1 bzw. die Sensoreinheit 20 im Detail dargestellt. Die Sensoreinheit 20 ist mittels eines Verbindungsmittels 21 an der Komponenten 100 angeordnet. Das Verbindungsmittel 21 ist als eine Klemmhülse ausgebildet, welche mittels Schraubverbindungen an der als Seil ausgebildeten Komponente 100 anordenbar ist. Das freie Ende 14 des Referenzkörpers 10 umfasst die Fahne 11 , welche tangential vorsteht und zwischen Schenkeln der Sensoreinheit 20 berührungslos aufgenommen ist. Verschiebt sich die Komponente 100 unter Belastung, insbesondere in longitudinaler Richtung, verändert sich die Position der Fahne 11 relativ zu den Schenkeln der Sensoreinheit 20, welche beispielsweise als optischer Sensor ausgebildet sein kann. Durch eine sich verändernde Überdeckung zwischen einer Lichtquelle und einem Empfänger, angeordnet in den gegenüberliegenden Schenkeln des Sensoreinheit 20, kann auf die in dem Seil in axialer Richtung wirkende Belastung geschlossen werden.

In Figur 7 ist eine weitere Ausführungsform der Sensoranordnung 1 für eine spezifische Anwendung dargestellt, welche einmal mehr verdeutlicht wie universell das erfindungsgemässe Verfahren einsetzbar ist. Die als Messkörper bezeichenbare Komponente 100 ist in dem dargestellten Beispiel eine Unterlegscheibe, welche mit einer zumindest teilweise ringförmigen Ausnehmung 110 ausgebildet ist, in die der Referenzkörper 10 mit seinem ersten Ende 12 fixiert ist. Die freie Länge 13 des Referenzkörpers 10 verläuft weitgehend bogenförmig innerhalb der Ausnehmung 110 und endet in dem zweiten freien Ende 14 mit der Kante 15 oder einer Struktur 17. Die Belastung kann eine auf die Unterlegscheibe 100 wirkende Druckkraft sein, wobei die Unterlegscheibe eine minimale Dehnung in radialer Richtung erfährt, wie dies mit den Pfeilen F angedeutet ist. Die Sensoreinheit 20 (nicht dargestellt) ist derart platziert, dass eine sich mit Belastung der Unterlegscheibe 100 generierte Positionsänderung des zweiten Endes 14 des Referenzkörpers 10 von der Sensoreinheit 20 detektierbar ist. Ein Differenzwert 33 zwischen dem Referenzwert 30 im unbelasteten Zustand der Komponente 100 und dem Messwert 32 bei Belastung stellt eine Ausgangswert zur Bestimmung der Belastung dar, in diesem Fall einer Druckbelastung der als Unterlegscheibe ausgebildeten Komponente 100. Insbesondere kann aber auch der Referenzkörper 10 als eine Art Messzeiger angesehen werden, dessen sich ändernde Position detektierbar und die ermittelten Werte im Sinne des Verfahrens auswertbar sind, um die wirkende Belastung zu verifizieren. Wie aus diesem oder auch anderen Beispielen ersichtlich kann die

Dimension der Sensoranordnung an die Begebenheiten angepasst werden, wobei sowohl miniaturisierte als auch entsprechend grossdimensionierte Formen der Sensoranordnung 1 und/oder der Komponente 100 denkbar sind.

Zum Schluss sei nochmals darauf hingewiesen, dass die hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen nur Realisierungsmöglichkeiten der erfindungsgemässen Ideen darstellen und keinesfalls als limitierend angesehen werden sollen. Der Fachmann wird verstehen, dass noch andere Implementierungen der Erfindung und weitere Elemente möglich sind, ohne dass die wesentlichen Merkmale der Erfindung vernachlässigt werden.