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Dokumentenidentifikation DE102007026827A1 22.01.2009
Titel Aufnehmer zur Messung mechanischer Kräfte und Momente
Anmelder Weiß, Hans, 71636 Ludwigsburg, DE
Erfinder Weiß, Hans, 71636 Ludwigsburg, DE
DE-Anmeldedatum 06.06.2007
DE-Aktenzeichen 102007026827
Offenlegungstag 22.01.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse G01L 1/22  (2006.01)  A,  F,  I,  20070606,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse G01B 7/16  (2006.01)  A,  L,  I,  20070606,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Derzeitige Kraft-Momenten-Aufnehmer bestehen aus einer metallischen Trägerkonstruktion, die sich unter Kraft- bzw. Momenteneinwirkung verformt. Diese Verformung wird über aufgebrachte Dehnmeßstreifen erfaßt. Diese werden manuell aufgebracht und einzeln verdrahtet, wodurch die Herstellung sehr kostenintensiv ist. Eine automatisierte Herstellung derzeitiger Kraft-Momenten-Aufnehmer ist aufgrund der komplexen Trägerstruktur nicht möglich.
Es wird ein Aufnehmer zur Erfassung von Kräften und Momenten vorgeschlagen, der aufgrund seines Aufbaus wirtschaftlich in einem Batchprozeß hergestellt werden kann. Dabei besteht der Träger aus einer konventionellen Leiterplatte (3), die in einen biegesteifen (6) sowie einen verformbaren Bereich (2) unterteilt ist und auf deren Kupferkaschierung die Dehnmeßstrukturen (5) direkt realisiert sind. Die erforderliche Verdrahtung der Dehnmeßstrukturen sowie die notwendige elektronische Signalaufbereitungselektronik (4) sind auf der gleichen Leiterplatte realisiert.
Der neue Aufnehmer eignet sich vorzugsweise zum Einsatz in robotergestützten Handhabungs- und Fügeprozessen, wo die wirkenden Kräfte und Momente registriert und begrenzt werden müssen.

Beschreibung[de]

Es wird eine Vorrichtung zur Messung von mechanischen Kräften und Momenten vorgeschlagen.

Zur Messung mechanischer Kräfte und Momente sind verschiedene Vorrichtungen bekannt. Im Zusammenhang mit der hier vorgeschlagenen ist insbesondere die Umwandlung der wirkenden Kräfte und Momente in korrespondierende Dehnungen eines speziellen Verformungskörpers, im folgenden auch „Träger" genannt, und deren Erfassung über Dehnmeßaufnehmer relevant. Diese bestehen in der Regel aus einem auf einen Folienträger aufgebrachten mäanderförmigen Draht, der seinen elektrischen Widerstand bei Dehnung ändert. Zur Messung von Kräften oder Momenten wird in der Regel ein metallischer Träger eingesetzt, der die eingeleitete Kraft in eine meßbare Verformung umwandelt und ein definiertes Verhältnis zwischen eingeleiteter Kraft und resultierender Verformung aufweist. An geeigneten Stellen werden mittels einer Klebeverbindung Dehnmeßstreifen derart aufgebracht, daß sie aufgrund der Verformung des Trägers entweder gedehnt oder gestaucht werden. Um Temperaturabhängigkeit und Streuungen im Grundwiderstand der Dehnmeßstreifen zu reduzieren, werden Dehnmeßstreifen meist in einer Brückenanordnung betrieben. Um die Empfindlichkeit des Aufnehmers zu verbessern, werden dabei die Dehnmeßaufnehmer derart angeordnet, daß sich ihr elektrischer Widerstand aufgrund der Verformung gegensinnig ändert. Auf Basis diese Verfahrens sind verschiedene Aufnehmer für Kräfte und Momente bekannt, die beispielsweise in der Wägetechnik, im allgemeinen Maschinenbau sowie in der Robotik Anwendung finden. Bei allen aus dem Stand der Technik bekannten Aufnehmern werden die Dehnmeßstreifen als separates Bauteil auf den Träger aufgebracht.

DE 34 04 936 A1 schlägt eine elektromechanische Wägezelle zur Messung einer einachsigen mechanischen Kraft vor, bei der die lastabhängige Verformung eines Metallkörpers über eine Anordnung von Dehnmeßstreifen erfaßt wird. Die in Brückenanordnung verschalteten Dehnmeßstreifen sind dabei auf einer gemeinsamen Folie realisiert, die auf den Träger aufgebracht wird. Eine passive elektrische Anordnung aus Widerständen zur Temperaturkompensation, welche auf einer weiteren Folie realisiert ist, ist ebenfalls Bestandteil der Wägezelle.

Eine Anordnung zur kombinierten Kraft- und Momentenmessung ist beispielsweise aus DE 100 13 059 C2 bekannt. Hier wird ein Kraft-Momenten-Aufnehmer beschrieben, der aus einer metallischen Trägerstruktur besteht, welche derart beschaffen ist, daß Kräfte und Momente der jeweiligen Hauptachsen eine charakteristische Verformung des Trägers bewirken. Die Verformung wird über diskrete Dehnmeßstreifen erfaßt, die auf unterschiedliche Flächen in verschiedenen Ebenen des Trägers aufgebracht sind und die jeweils über einzelne Leitungen kontaktiert werden. Die Auswertung der elektrischen Widerstandsänderungen erfolgt vom Träger entfernt.

DE 102 17 017 C1 schlägt einen kombinierten Kraft-Momenten-Aufnehmer vor, der so ausgestaltet ist, daß die Bestimmung aller Momente und Kräfte durch eine Dehnungsmessung in nur einer Ebene möglich ist. Auch hier werden für die Bestimmung der Trägerdehnung konventionelle Dehnmeßstreifen eingesetzt. Sie werden allerdings direkt an einen Folienleiter angeschlossen, der auch die Auswertungselektronik enthält.

Die beschriebenen Ausführungen des Standes der Technik haben gemein, daß sie mehrere diskrete Dehnmeßstreifen einsetzen, die in einem getrennten Vorgang auf der Trägerstruktur aufgebracht und verdrahtet werden müssen. Das Aufbringen der Dehnmeßstreifen erfolgt derzeit meist manuell, ebenso die Verdrahtung. Dies hat eine hohe Fehlteilrate zur Folge und führt aufgrund von Positionierungenauigkeiten der Meßstreifen zu Empfindlichkeitsstreuungen der einzelnen Meßachsen, die in aufwendigen Kalibrierprozessen korrigiert werden müssen. Dies macht die Fertigung heutiger Kraft-Momenten-Aufnehmer sehr aufwendig und damit das Endprodukt teuer. Eine maschinelle Montage zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit ist dabei aufgrund des schwierigen Klebeprozesses an unterschiedlichen Stellen der Trägerstruktur kaum möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aufnehmer zur ein- und mehrachsigen Messung mechanischer Kräfte und Momente vorzuschlagen, bei dem aufgrund seines neuartigen Aufbaus das nachträgliche Aufbringen von Dehnmeßstreifen entfällt, dieser dadurch vollständig maschinell herstellbar ist und dabei gleichzeitig geringere Streuungen der Meßachsen aufweist. Zudem soll es möglich sein, den Aufnehmer besonders wirtschaftlich in einem Batchprozeß zu fertigen.

Diese Zielsetzung wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, im folgenden „Aufnehmer" genannt, erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo ein Verformungskörper getrennt gefertigt und anschließend mit diskreten Dehnmeßstreifen bestückt wird, zeichnet sich der erfindungsgemäße Aufnehmer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch aus, daß als Verformungskörper eine aus der Elektrotechnik bekannte konventionelle Leiterplatte eingesetzt wird, auf der gleichzeitig die Meßstrukturen zur Erfassung der aufgrund äußerer Kraft- bzw. Momenteneinwirkung resultierenden Dehnung sowie die notwendige Verschaltung beispielsweise durch Fotostrukturierung hergestellt werden. Hierdurch entfällt die manuelle Bestückung mit diskreten Dehnmeßstreifen und deren aufwendige Verkabelung. Die erforderliche Elektronik zur Signalaufbereitung und -Auswertung läßt sich ebenfalls direkt auf der Leiterplatte realisieren, wodurch sich ein monolithisch aufgebauter, kompakter Kraft-Momenten-Meßaufnehmer mit integrierter Signalaufbereitung ergibt. Dabei läßt sich der erfindungsgemäße Aufnehmer so gestalten, daß er sowohl eine einzige Kraft und/oder ein Moment als auch Kräfte und Momente in mehreren Achsen messen kann. Die zur Herstellung von Leiterplatten angewandten Fertigungsverfahren sind aus der Elektronikfertigung bekannt und werden heute technisch sehr gut beherrscht. Somit kann der Verformungskörper mitsamt den notwendigen Dehnmeßstreifen, der erforderlichen Verschaltung und der zugehörigen Signalaufbereitungselektronik in einem Vorgang sehr wirtschaftlich in einem Batchprozeß gefertigt werden. Hier ist insbesondere vorteilhaft, daß die eingesetzten Materialien und Herstellverfahren für den Kraft-Momenten-Aufnehmer mit denen der Fertigung konventioneller bestückter Baugruppen kompatibel sind. Hierdurch können elektronische Bauelemente ohne zusätzliche Konditionierverfahren direkt auf den zuvor strukturierten Verformungskörper aufgelötet werden.

Mögliche Ausführungsbeispiele eines Aufnehmers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

1: Einachsiger Kraft-Momenten-Aufnehmer mit mäanderförmiger Dehnmeßstruktur (5) und Signalaufbereitung (4) auf der gleichen Leiterplatte (3)

2: Lagenaufbau des einachsigen Kraft-Momenten-Aufnehmers aus 1, auf den äußeren Lagen ist die Struktur zur Messung der Biegedehnung (5, 8) zu erkennen, auf der inneren Lage sind zwei Strukturen zur Messung der Querdehnung (7) nebeneinander angeordnet.

3: Lagenaufbau eines einachsigen Kraft-Momenten-Aufnehmers mit zusätzlichen Lagen (10, 12, 13) zur Verbesserung der Empfindlichkeit. Hier als Schnittzeichnung dargestellt.

4: Brückenverschaltung der Lagen nach 3. Die Widerstandsbezeichnungen lehnen sich an die Lagenbezeichnung an (z. B. Meßstruktur auf der untersten Lage (8) entspricht R8).

5: Versteifung des Biegebereichs durch beidseitiges Aufbringen einer zusätzlichen funktionalen Schicht auf die eigentliche Leiterplatte, hier als Schnittzeichnung dargestellt.

6: Sechsachsiger Kraft-Momenten-Aufnehmer als Kombination dreier einachsiger Aufnehmer nach 1.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aufnehmers zur Erfassung von mechanischen Kräften und Drehmomenten ist in 1 dargestellt. Er ist in der Lage, eine Normalkraft-(F) sowie eine Querkraft-(Q) bzw. Torsionskomponente (M) in je einer Raumrichtung zu erfassen und besteht aus einer gewöhnlichen elektrischen Leiterplatte (3), wie sie zum Aufbau von elektrischen Schaltungen eingesetzt wird. Eine hier gemeinte Leiterplatte (auch „Platine" genannt) besteht im allgemeinen aus zumindest einer isolierenden Trägerschicht (Basismaterial), auf der zumindest eine leitfähige und strukturierte Schicht aufgebracht ist und dahingehend genutzt wird, eine elektrische Funktion, beispielsweise die Verschaltung von elektrischen Bauelementen, zu erfüllen. Bei einer mehrlagigen Platine werden mehrere Schichten des isolierenden Trägermaterials und strukturierter leitfähiger Schichten abwechselnd übereinander angeordnet, um so mehrere Verdrahtungsebenen zu erhalten. Als Basismaterial wird vorzugsweise ein Epoxid-Glasfaserträger vom Typ FR4 verwendet, da er aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften besonders gut geeignet ist. Das Basismaterial fungiert dabei als Biege- bzw. Torsionsbalken, dessen Verformung in einem definierten Zusammenhang mit den wirkenden Kräften F, Q und den Momenten M steht. Der Balken ist dabei vorzugsweise so ausgeführt, daß sich die durch eine äußere Belastung entstehenden mechanischen Spannungen möglichst gleichmäßig verteilen. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Außenkontur (2) des Balkens oder aber durch eine Dickenänderung über seine Länge oder durch eine Unterhöhlung im Bereich der Dehnmeßstrukturen erfolgen. Die Leiterplatte wird als mehrlagige Platine ausgeführt, auf der wie in 2 dargestellt in unterschiedlichen, übereinander angeordneten Ebenen zumindest eine Dehnmeßstruktur zur Messung der Dehnung in Längsrichtung (5, 8) sowie zumindest eine Dehnmeßstruktur zur Messung von Quer- bzw. Torsionsdehnungen (7, 12) realisiert ist. Um bei einer Brückenverschaltung der Dehnmeßstrukturen einen maximalen Hub des Ausgangssignals zu erhalten, werden zwei Dehnmeßstrukturen zur Erfassung der Normalspannungen des Basismaterials vorzugsweise auf den von der neutralen Faser (1) der Anordnung am weitesten entfernten und sich gegenüberliegenden Ebenen (5, 8) realisiert. Vorzugsweise nahe der neutralen Faser werden zumindest zwei Lagen mit vorzugsweise je zwei nebeneinander angeordneten Dehnmeßstrukturen (7a, 7b sowie 12a, 12b) zur Erfassung von mechanischen Querspannungen realisiert. Bedingt durch ihre Anordnung auf bzw. nahe der neutralen Faser (1) wird die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Längsspannungen reduziert. Eine Anordnung außerhalb der neutralen Faser ist jedoch ebenfalls denkbar. Bei den vorzugsweise einzusetzenden Dehnmeßstrukturen handelt es sich beispielsweise um mäanderförmige leitfähige Strukturen, wie sie von Dehnmeßstreifen bekannt sind. Sie werden, wie bei der Leiterplattenherstellung üblich, über Fotostrukturierung direkt aus der Kupferkaschierung hergestellt und bestehen deshalb aus Kupfer. Es können jedoch auch andere Werkstoffe mit einem höheren spezifischen elektrischen Widerstand und besseren thermischen Eigenschaften eingesetzt werden, wie Nickel-Kupfer-Legierungen (Konstantan Cu55Ni45, Manganin Cu86Mn12Ni2 oder Isotan Cu55Ni44Mn1) oder Wolfram. Zur Messung der Querspannungen werden die Dehnmeßstrukturen (7a, 7b, 12a, 12b) gegenüber derer zur Längsspannungsmessung (5, 8) in einem Winkel von vorzugsweise um ±45° gegeneinander gedreht angeordnet. Es ist auch ausreichend, nur die zur Messung der Dehnung relevanten Leiter zu drehen, um so eine parallelogrammartig verschobene Dehnmeßstruktur zu erhalten. Die Dehnmeßstrukturen werden in einer Brückenschaltung, vorzugsweise einer Vollbrückenschaltung, betrieben, um die Temperaturabhängigkeit und Störeinflüsse durch fertigungsbedingte Toleranzen der Grundwiderstände der Dehnmeßstrukturen zu minimieren. Zur Reduktion des Schaltungsaufwands sind auch Halb- und Viertelbrückenbeschaltungen denkbar. Je nach Verschaltung der einzelnen Brückenwiderstände untereinander kann die Anordnung zur Messung der Querkraft entweder für Torsionsmomente als auch für reine Querkräfte empfindlich sein. Bei eine Halbbrückenanordnung ist auch eine Empfindlichkeit für beide Komponenten möglich. Weitere Abgleich- und Kompensationswiderstände, wie sie aus der Wägetechnik bekannt sind, können ebenfalls direkt auf der Leiterplatte realisiert werden.

Um die in Widerstandsänderung per Dehnung gemessene Empfindlichkeit der Anordnung zu verbessern, können mehrere Dehnmeßstrukturen, wie in 3 dargestellt, für die gleiche mechanische Spannung lagenweise übereinander angeordnet und elektrisch zu einer Vollbrücke gemäß 4 geschaltet werden. Dabei wird auf der oberen Lage (9) die Dehnmeßstruktur zur Messung der Biegebelastung F realisiert. Die selbe Struktur wird auch auf der ersten Innenlage (10) hergestellt. Gleiches gilt für die unterste Lage (13) sowie für die vierte Innenlage (14). Auf der zweiten (11) und dritten (12) Innenlage wird entsprechend die Dehnmeßstruktur für die Torsionsbelastung M realisiert. Um den Innenwiderstand der Vollbrücken und damit die erzielbare Auflösung der Kraftmessung weiter zu steigern, können zusätzliche Lagenpaare mit vorzugsweise identischen Dehnmeßstrukturen realisiert werden. Diese werden gemeinsam mit den Dehnmeßstrukturen gleicher Belastungsrichtung in Serie geschaltet und dann wiederum in je einer Meßbrückenschaltung zusammengefaßt. Hierdurch steigt der Innenwiderstand der Meßbrücke proportional mit der Anzahl der zusätzlichen Lagen.

Auch die zur Auswertung der Widerstandsänderung der Dehnmeßstrukturen erforderliche elektronische Beschaltung, im wesentlichen ein vorzugsweise als integrierter Schaltkreis ausgeführter Differenzverstärker (4), kann auf der gleichen Leiterplatte (3), auf der auch die Dehnmeßstrukturen (5) angeordnet sind, realisiert werden. Dazu wird durch eine mechanische Unterkonstruktion (6) der Platinenteil der Auswertungselektronik versteift und somit mechanisch von dem sich verformenden Teil, auf dem die Dehnmeßstrukturen angeordnet sind, entkoppelt. Die Versteifung besteht vorzugsweise aus einer zusätzlichen Schicht des Basismaterials, welche während der Platinenherstellung aufgebracht wird. Die mechanische Entkopplung zwischen Dehnmeßteil und Elektronikteil auf der Leiterplatte kann auch durch eine Kerbung der Leiterplatte an geeigneten Stellen oder durch eine gezielte Schwächung des Leiterplattenmaterials, beispielsweise durch eine Niveaufräsung oder durch das Ausnehmen von Taschen erfolgen.

Zur Verbesserung des Drift- und Hystereseverhaltens eines erfindungsgemäßen Aufnehmers wird der Bereich, in dem die Meßstrukturen angeordnet sind und dessen mechanische Eigenschaften damit im wesentlichen für die Drift und die Hysterese des Aufnehmers verantwortlich sind, durch eine zusätzliche Schicht, deren Elastizitäts- und Biegemodul wesentlich größer als der des Basismaterials der Leiterplatte ist, versteift. Hierfür wird vorzugsweise eine Aluminiumschicht eingesetzt, wie sie in der Technik zur Wärmeabfuhr in Leistungselektroniken Einsatz findet. Sie wird vollflächig auf die Leiterplatte aufgebracht, so daß sie einen stabilen und dauerfesten Verbund mit der Leiterplatte bildet. Dies kann beispielsweise über eine Prepreg-Schicht (16) erfolgen, mit der die Schicht auf direkt auf die Leiterplatte heißlaminiert wird. Die zusätzliche Schicht kann entweder einseitig oder aber, wie in 5 dargestellt, beidseitig auf den Platinenträger aufgebracht werden. Auch kann der Platinenträger um diese zusätzliche Schicht herum aufgebaut werden. Je nach gewünschtem Meßbereich sind auch andere Materialien denkbar, beispielsweise eine zusätzliche FR4-Schicht, Stahl, Titan, etc. Durch dieses Verfahren lassen sich auch höhere Meßbereiche realisieren als dies mit reinen FR4-Trägern möglich wären.

Zur Messung von Kräften und Momenten in mehreren Achsen wird der erfindungsgemäße Aufnehmer entsprechend um Meßstrukturen erweitert. Derartige mehrachsige Aufnehmer werden beispielsweise in der Handhabungstechnik oder für robotergestützte Fügeprozesse eingesetzt, um die auftretenden Prozeßkräfte zu registrieren. Mit mehrachsigen Aufnehmern sind hier Aufnehmer gemeint, die mechanische Kräfte und/oder Drehmomente in bzw. um verschiedene räumliche Achsen erfassen können. So können mit dem in 6 dargestellten Aufnehmer mechanische Kräfte in allen drei Raumrichtungen und Drehmomente um die zugehörigen drei Raumachsen gemessen werden. Dazu werden zumindest drei der bereits oben beschriebenen Kraft-Momenten-Aufnehmer zur Messung von zumindest einer Kraft und zumindest einer Querkraft nach 1 miteinander kombiniert. Die Einzel-Aufnehmer werden zentrisch und vorzugsweise in gleichem Winkel zueinander angeordnet. Als Träger für die Einzelaufnehmer dient eine einzige zusammenhängende Leiterplatte (3). Die Signalaufbereitungselektronik (4) wird auf dem inneren Teil der Leiterplatte realisiert. Eine Versteifung (6) verhindert eine Verformung dieses Bereichs und dient gleichzeitig zur Montage des Aufnehmers an einer tragenden Struktur. Die Krafteinleitungspunkte werden über einen Ring (17), der ebenfalls Teil der Leiterplatte sein kann, mechanisch miteinander verbunden. Dieser wird vorzugsweise versteift ausgeführt, damit sich in diesem Bereich keine ungewollte Verformung ergibt. Die Versteifung kann aber auch Teil des Gehäuses sein. Die zu messenden Kräfte sowie Drehmomente werden über diesen äußeren Ring eingeleitet. Je nach Ausführung kann auch der äußere Ring fixiert und die Kräfte und Momente über den inneren Teil der Aufnehmerstruktur eingekoppelt werden. Die Bestimmung der wirkenden Kräfte und Drehmomente erfolgt rechnerisch aus den gemessenen Komponenten.

Um die wirkenden Momente und Kräfte in mehreren Ebenen erfassen zu können, kann, wie in 7 dargestellt, als Träger eine Leiterplatte (3) mit flexiblen Bereichen (18) verwendet werden, in denen die Leiterplatte gebogen wird, so daß diese auf eine metallische Trägerstruktur (19) aufgebracht werden kann. Die einzelnen starren Bereiche entsprechen hier wieder einem Aufnehmer nach 1. Besonders geeignet hierfür sind Platinen, die einen zusätzlichen flexiblen und vorzugsweise aus Polyimid bestehenden Kern (20) enthalten, der in bestimmten Bereichen von dem umgebenden starren Basismaterial (21), vorzugsweise FR4, freigelegt wird. Ein derartiger Aufnehmer benötigt zwar eine zusätzliche tragende Struktur, die als Verformungskörper fungiert und die Platine in Position hält, kann jedoch ebenfalls in einem Batchprozeß hergestellt und einfach montiert werden. Die notwendige Verschaltung der Dehnmeßstrukturen sowie die Signalaufbereitungselektronik zur Erfassung der dehnungsbasierten Widerstandsänderung wird ebenfalls auf der Platine realisiert.

Um ein intelligentes Meßmodul zu erhalten, wird der erfindungsgemäße Aufnehmer in einer weiteren Ausführung um eine integrierte digitale Auswertung der Meßwerte erweitert. Dabei wird die Digitalisierung der Meßwerte vorzugsweise direkt auf der Leiterplatte durchgeführt, auf der auch die Meßstrukturen ausgebildet sind. Auf einer weiteren Platine, die über eine elektrische Kontaktierung, vorzugsweise über Steckverbinder, direkt über der ersten Platine fixiert werden kann, befindet sich ein Mikrorechner, welcher die Meßwerte erfaßt und aus ihnen die Kraftkomponenten der auf den Aufnehmer wirkenden Kräfte bestimmt. Je nach Miniaturisierungsgrad kann der Mikrorechner ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet sein, auf der sich auch die Meßstrukturen befinden. Zur Kommunikation verfügt der erfindungsgemäße Aufnehmer über verschiedene Schnittstellen nach industrierelevanten Standards.

Derzeitige Kraft-Momenten-Aufnehmer bestehen aus einer metallischen Trägerkonstruktion, die sich unter Kraft- bzw. Momenteneinwirkung verformt. Diese Verformung wird über aufgebrachte Dehnmeßstreifen erfaßt. Diese werden manuell aufgebracht und einzeln verdrahtet, wodurch die Herstellung sehr kostenintensiv ist. Eine automatisierte Herstellung derzeitiger Kraft-Momenten-Aufnehmer ist aufgrund der komplexen Trägerstruktur nicht möglich.

Es wird ein Aufnehmer zur Erfassung von Kräften und Momenten vorgeschlagen, der aufgrund seines Aufbaus wirtschaftlich in einem Batchprozeß hergestellt werden kann. Dabei besteht der Verformungskörper (1) aus einer konventionellen Leiterplatte (3), die in einen biegesteifen (6) sowie einen verformbaren Bereich (2) unterteilt ist und auf deren Kupferkaschierung die Dehnmeßstrukturen (5) direkt realisiert sind. Die erforderliche Verdrahtung der Dehnmeßstrukturen sowie die notwendige elektronische Signalaufbereitungselektronik (4) sind auf der gleichen Leiterplatte realisiert.

Der neue Aufnehmer eignet sich vorzugsweise zum Einsatz in robotergestützten Handhabungs- und Fügeprozessen, wo die wirkenden Kräfte und Momente registriert und begrenzt werden müssen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • - DE 3404936 A1 [0003]
  • - DE 10013059 C2 [0004]
  • - DE 10217017 C1 [0005]


Anspruch[de]
Aufnehmer zur Messung von Kräften und Momenten, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einer Leiterplatte besteht, die zumindest einen biegesteifen sowie zumindest einen unter Kraft- bzw. Momenteinwirkung verformbaren Bereich aufweist, wobei im verformbaren Bereich mindestens eine Dehnmeßstruktur zur Erfassung der Verformung als Teil der Metallkaschierung der Leiterplatte realisiert ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im verformbaren Bereich mindestens zwei Dehnmeßstrukturen zur Erfassung der Verformung realisiert sind, sodaß zumindest eine von außen wirkende Kraft sowie zumindest eine Querkraft oder zumindest ein wirkendes Drehmoment gemessen werden können. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Leiterplatte die Leitungsführung für zumindest einen Teil der zur Auswertung notwendigen elektrischen Beschaltung realisiert ist. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem biegesteifen Teil der Leiterplatte zumindest ein Teil der erforderlichen Signalaufbereitungselektronik realisiert ist. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aufnehmer zur Messung je einer Kraft und eines Moments auf einer einzigen Leiterplatte so angeordnet sind, daß mehrachsige Kräfte und Momente gemessen werden können. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer zur Messung je einer Kraft und eines Moments kreisförmig und vorzugsweise in gleichen Winkeln zueinander angeordnet sind und durch eine biegesteife Struktur auf beiden Seiten des verformbaren Bereichs miteinander verbunden sind. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenhängende Leiterplatte zumindest einen flexiblen Bereich enthält, in dem sie leicht umgebogen werden kann und somit auch Kräfte und Momente in unterschiedlichen Ebenen erfaßt werden können. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ortsinvarianten Positionierung der einzelnen starren Teilbereiche der Leiterplatte eine weitere Trägerstruktur eingesetzt wird. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrlagige Leiterplatte Einsatz findet, bei der auf verschiedenen Schichten Strukturen zur Dehnungsmessung realisiert sind und diese so zusammengeschaltet werden können, daß sich eine Verbesserung der Empfindlichkeit der Anordnung ergibt. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnmeßstrukturen zur Messung von Längs- und Querspannung auf unterschiedlichen Ebenen der Platine übereinander angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese vollständig in einem konventionellen Herstellungsprozeß für Leiterplatten gefertigt werden kann. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte zumindest im Bereich der Dehnmeßstrukturen durch eine oder mehrere zusätzliche Schichten, vorzugsweise aus Aluminium, verstärkt wird.






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