DE102005063022B4

DE102005063022B4 - Opto-electronic force-moment sensor

Info

Publication number: DE102005063022B4
Application number: DE200510063022
Authority: DE
Inventors: Peter Meusel; Bertram Willberg; Marius Brygalski
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2005-12-30
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2025-12-31
Also published as: DE102005063022A1

Abstract

Opto-elektronischer Kraft-Momenten-Sensor, mit einem ersten Trägerkörper (18), einem relativ zum ersten Trägerkörper (18) bewegbaren zweiten Trägerkörper (20), mehreren opto-elektronischen Messeinheiten (10), mit jeweils einer Sendeeinrichtung (12), einer Empfangseinrichtung (14) und einer Blendeneinrichtung (16), die jeweils derart mit dem ersten oder zweiten Trägerkörper (18, 20) fest verbunden sind, dass eine Relativbewegung zwischen Sendeeinrichtung (12) und Empfangseinrichtung (14), oder zwischen der Blendeneinrichtung (16) und der Sende- sowie Empfangseinrichtung (12, 14) erfolgt, und mindestens einem Rückstellelement (24, 28, 30, 36), das einen Elastomerkörper (24, 28, 30, 46) aufweist, mit den beiden Trägerkörpern (18, 20) fest verbunden ist und zwischen benachbarten Messeinheiten (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement (24, 28, 30, 36) zwei einander gegenüberliegende Befestigungsflächen aufweist, wobei zumindest eine Befestigungsfläche einen Winkel zum Trägerkörper (18, 20), insbesondere von 90°, aufweist und das Rückstellelement (24, 28, 30, 36) über ein Zwischenelement (32, 34, 38, 40, 50, 56) mit einem oder beiden Trägerkörpern (18, 20) verbunden ist.Optoelectronic force-moment sensor, comprising a first carrier body (18), a second carrier body (20) movable relative to the first carrier body (18), a plurality of optoelectronic measuring units (10) each having a transmitting device (12) Receiving device (14) and a diaphragm device (16) which are each firmly connected to the first or second carrier body (18, 20) such that a relative movement between transmitting device (12) and receiving device (14), or between the diaphragm device (16) and the transmitting and receiving device (12, 14) takes place, and at least one restoring element (24, 28, 30, 36), which has an elastomeric body (24, 28, 30, 46), with the two carrier bodies (18, 20). is firmly connected and between adjacent measuring units (10) is arranged, characterized in that the restoring element (24, 28, 30, 36) has two mutually opposite mounting surfaces, wherein at least one Befestigungsfl an angle to the support body (18, 20), in particular of 90 °, and the restoring element (24, 28, 30, 36) via an intermediate element (32, 34, 38, 40, 50, 56) with one or both support bodies (18, 20) is connected.

Description

Die Erfindung betrifft einen opto-elektronischen Kraft-Momenten-Sensor.The invention relates to an opto-electronic force-moment sensor.

Ein derartiger Kraft-Momenten-Sensor ist beispielsweise in EP 1 195 580 beschrieben. Opto-elektronische Kraft-Momenten-Sensoren weisen mehrere Messeinheiten auf. Jede Messeinheit umfasst eine Sendeeinrichtung, wie eine LED, und eine Empfangseinrichtung, d. h. einen Detektor zum Empfangen der von der Sendeeinrichtung abgegebenen Strahlung, bei der es sich üblicherweise um Licht handelt. Zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung ist eine Blendeneinrichtung, insbesondere mit einer Schlitzblende, vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, innerhalb der Messeinheit auftretende Relativbewegungen zu detektieren. Hierzu ist beispielsweise die Empfangseinrichtung relativ zur Sendeeinrichtung bewegbar. Hierbei ist die Blendeneinrichtung relativ zur Sendeeinrichtung unbewegbar. Ebenso ist es zur Messung von Kräften oder Momenten möglich, dass die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung relativ zueinander nicht bewegbar sind, jedoch eine Relativbewegung gegenüber der Blendeneinrichtung stattfindet. Je nach Ausführungsform sind die einzelnen Bauteile der Messeinheit mit einem ersten Trägerkörper, oder einem relativ zum ersten Trägerkörper bewegbaren zweiten Trägerkörper fest verbunden. Üblicherweise weisen opto-elektronische Kraft-Momenten-Sensoren mehrere Messeinheiten, insbesondere sechs Messeinheiten auf, um Kräfte und Momente bezüglich aller drei Koordinatenachsen messen zu können. Hierbei ist die Ausrichtung der Blendeneinrichtung, bei denen es sich insbesondere um Schlitzblenden handelt, entsprechend angeordnet. Zwischen dem ersten und dem zweiten Trägerkörper sind zur Rückstellung der beiden Trägerkörper nach einer Messung in eine Null- oder Ausgangsstellung Stahlfedern vorgesehen.Such a force-moment sensor is, for example, in EP 1 195 580 described. Opto-electronic force-moment sensors have several measuring units. Each measuring unit comprises a transmitting device, such as an LED, and a receiving device, ie a detector for receiving the radiation emitted by the transmitting device, which is usually light. Between the transmitting device and the receiving device, a diaphragm device, in particular with a slit diaphragm, is provided. This makes it possible to detect occurring within the measuring unit relative movements. For this purpose, for example, the receiving device is movable relative to the transmitting device. Here, the diaphragm device is immovable relative to the transmitting device. Likewise, it is possible to measure forces or moments that the transmitting device and the receiving device are not movable relative to each other, but a relative movement relative to the diaphragm device takes place. Depending on the embodiment, the individual components of the measuring unit with a first carrier body, or a relative to the first carrier body movable second carrier body are firmly connected. Typically, optoelectronic force-moment sensors have a plurality of measuring units, in particular six measuring units, in order to be able to measure forces and moments with respect to all three coordinate axes. Here, the orientation of the diaphragm device, which is in particular slit diaphragms, arranged accordingly. Between the first and the second carrier body steel springs are provided for returning the two carrier body after a measurement in a zero or initial position.

Bei opto-elektronischen Kraft-Momenten-Sensoren handelt es sich um äußerst empfindliche Bauteile. Insbesondere können bekannte opto-elektronische Kraft-Momenten-Sensoren nur zum Auftreten relativ geringer Kräfte und Momente von weniger als 300 N, bzw. 15 Nm eingesetzt werden.Opto-electronic force-moment sensors are extremely sensitive components. In particular, known optoelectronic force-moment sensors can only be used for the occurrence of relatively low forces and moments of less than 300 N or 15 Nm.

In DE 101 58 776 wird ein opto-elektronischer Sensor zur Erfassung von Relativbewegungen beschrieben, bestehend aus zwei Trägerkörpern und einem oder mehreren Rückstellelementen sowie mehreren opto-elektronischen Messeinheiten. Jede einzelne Messeinheit besteht aus einer Sendeeinrichtung, einer Empfangseinrichtung und einer Blendeneinrichtung. Zur Messung der Relativbewegung sind Sendeeinrichtung und Empfängereinrichtung auf einem Trägerkörper befestigt und die Blendeneinrichtung auf dem anderen Trägerkörper. Die beiden Trägerkörper sind elastisch mit einander verbunden und relativ zu einander bewegbar. Bei einer Bewegung der Trägerkörper relativ zu einander verändert sich die Position der Blendeneinrichtung im Strahlengang der Messeinheit. Die führt zu einer Intensitätsänderung, die detektiert und ausgewertet wird.In DE 101 58 776 an opto-electronic sensor for detecting relative movements is described, consisting of two support bodies and one or more return elements and a plurality of opto-electronic measuring units. Each individual measuring unit consists of a transmitting device, a receiving device and a diaphragm device. For measuring the relative movement, the transmitting device and the receiver device are fastened on a carrier body and the diaphragm device on the other carrier body. The two carrier bodies are elastically connected to each other and movable relative to each other. During a movement of the carrier body relative to each other, the position of the diaphragm device in the beam path of the measuring unit changes. This leads to a change in intensity, which is detected and evaluated.

Aus DE 101 43 489 ist ein opto-elektronischer Sensor zur Erfassung von Relativbewegungen bekannt wie vorstehend beschrieben, bei dem die Messeinheiten entlang einer gemeinsamen Kreisbahn in äquidistanten Winkelanständen angeordnet sind. Auch hier ist wieder die Blendeneinrichtung beweglich relativ zu Sende- und Empfangseinrichtung. Durch die besondere Anordnung der Messeinheiten lassen sich Bewegungen und Drehungen entlang aller Raumachsen bestimmen.Out DE 101 43 489 is an opto-electronic sensor for detecting relative movements known as described above, in which the measuring units are arranged along a common circular path in equidistant Winkelanständen. Again, the aperture device is again movable relative to the transmitting and receiving device. Due to the special arrangement of the measuring units, movements and rotations along all spatial axes can be determined.

Ein Einsatz derartiger opto-elektronischer Kraft-Momenten-Sensoren bei größeren Kräften ist nur durch Vorsehen entsprechender Zusatz- oder Zwischeneinrichtungen möglich. Dies führt jedoch stets zur Verfälschung der Messergebnisse, sowie zu einer Vergrößerung der Vorrichtung. Ferner ist dies mit zusätzlichen Kosten verbunden.A use of such opto-electronic force-moment sensors at higher forces is possible only by providing appropriate additional or intermediate devices. However, this always leads to the falsification of the measurement results, as well as to an enlargement of the device. Furthermore, this is associated with additional costs.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen opto-elektronischen Kraft-Momenten-Sensor zu schaffen, dessen Messbereich vergrößert ist, insbesondere um damit Kräfte und Momente messen zu können, die größer sind als 300 N, bzw. 15 Nm.The object of the invention is to provide an opto-electronic force-moment sensor whose measuring range is increased, in particular in order to be able to measure forces and moments which are greater than 300 N or 15 Nm.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen opto-elektronischen Kraft-Momenten-Sensor gemäß Anspruch 1.The object is achieved according to the invention by an opto-electronic force-moment sensor according to claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen opto-elektronischen Kraft-Momenten-Sensor sind zwischen den beiden Trägerkörpern Rückstellelemente vorgesehen, die einen Elastomerkörper aufweisen. Erfindungsgemäß sind die Rückstellelemente benachbart zu Messeinheiten zwischen den Trägerkörpern angeordnet, wobei zwischen benachbarten Messeinrichtungen erfindungsgemäß mindestens ein Rückstellelement angeordnet ist. Das Vorsehen von Elastomerkörpern hat den Vorteil, dass Elastomerkörper eine wesentlich höhere Energiedichte als Stahlfedern aufweisen. Insbesondere ist es durch das Vorsehen von Elastomerkörpern möglich eine höhere mechanische Dämpfung, sowie eine höhere Steifigkeit zu erzielen. Dies führt dazu, dass der Messbereich des erfindungsgemäßen opto-elektronischen Kraft-Momenten-Sensors erheblich vergrößert ist, wobei mit dem erfindungsgemäßen Kraft-Momenten-Sensor insbesondere Kräfte und Momente bis zu 3500 N, bzw. 150, bzw. gemessen werden können.In the case of the optoelectronic force / moment sensor according to the invention, restoring elements are provided between the two carrier bodies which have an elastomer body. According to the invention, the return elements are arranged adjacent to measuring units between the carrier bodies, wherein between adjacent measuring devices according to the invention at least one return element is arranged. The provision of elastomeric bodies has the advantage that elastomeric bodies have a much higher energy density than steel springs. In particular, it is possible by providing elastomeric bodies to achieve a higher mechanical damping, as well as a higher rigidity. This results in that the measuring range of the opto-electronic force-moment sensor according to the invention is considerably increased, with the force-moment sensor according to the invention, in particular forces and moments up to 3500 N, or 150, or can be measured.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass die Elastomerkörper zwischen benachbarten Messeinheiten angeordnet werden können. Es ist somit möglich, den Messbereich des Sensors erheblich zu verbessern, ohne die Außenabmessungen des Sensors vergrößern zu müssen. Werden beispielsweise Scheiben oder kreisringförmige Trägerkörper verwendet und die entsprechenden Messeinheiten zwischen deren Stirnflächen angeordnet, so ist es erfindungsgemäß bevorzugt, die Elastomerkörper ebenfalls zwischen den Stirnflächen der Trägerkörper anzuordnen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Elastomerkörper vollständig innerhalb der Außenabmessungen des größeren Trägerkörpers angeordnet sind.Another essential aspect of the invention is that the elastomeric bodies can be arranged between adjacent measuring units. It is thus possible to change the measuring range of the sensor significantly improve without having to increase the outer dimensions of the sensor. If, for example, disks or annular carrier bodies are used and the corresponding measuring units are arranged between their end faces, then it is preferred according to the invention to likewise arrange the elastomer bodies between the end faces of the carrier bodies. In particular, it is preferred that the elastomeric bodies are arranged completely within the outer dimensions of the larger carrier body.

Die Rückstellelemente sind erfindungsgemäß jeweils mit einem der beiden Trägerkörper verbunden. Je nach Anordnung der Rückstellelemente, bzw. je nach Art der Verbindung der Rückstellelemente mit Trägerkörpern, ggf. über Zwischenelemente, können Kräfte und Momente von den Elastomerkörpern aufgenommen werden.The restoring elements according to the invention are each connected to one of the two carrier bodies. Depending on the arrangement of the restoring elements, or depending on the nature of the connection of the restoring elements with support bodies, possibly via intermediate elements, forces and moments can be absorbed by the elastomer bodies.

Zur Verringerung des Effekts der Hysterese und des Kriechens ist es in einer alternativen Ausführungsform möglich, das Rückstellelement, insbesondere den Elastomerkörper, vorzuspannen. Hierbei kann die Vorspannung insbesondere derart erfolgen, dass die Spannung in einem äußeren Bereich bzw. am Außenrand des Sensors positiv und in einem inneren Bereich negativ ist. Bei einem zylindrischen bzw. tellerförmigen Sensor ist somit insbesondere ein am Außenrand angeordneter Elastomerkörper positiv und ein am inneren Bereich angeordneter Elastomerkörper negativ vorgespannt. Hierbei wird unter einer negativen. Vorspannung des Elastomerkörpers ein durch Druck vorgespannter Elastomerkörper verstanden. Ein positiv vorgespannter Elastomerkörper ist entsprechend ein durch Zug vorgespannter Elastomerkörper.In order to reduce the effect of hysteresis and creep, it is possible in an alternative embodiment to bias the restoring element, in particular the elastomeric body. In this case, the bias can in particular be such that the voltage in a outer region or at the outer edge of the sensor is positive and negative in an inner region. In the case of a cylindrical or plate-shaped sensor, therefore, in particular an elastomer body arranged on the outer edge is positively biased and an elastomer body arranged on the inner region is negatively biased. This is under a negative. Bias of the elastomeric body understood a pressure-biased elastomeric body. A positively biased elastomer body is accordingly a tension-biased elastomeric body.

Der Elastomerkörper weist vorzugsweise Rohkautschuk, Ruß und/oder Hilfsstoffe auf. Ferner kann der Elastomerkörper Polyurethan oder Silikone aufweisen. Des Weiteren sind thermoplastische Elastomere geeignet.The elastomeric body preferably comprises raw rubber, carbon black and / or auxiliaries. Furthermore, the elastomeric body may comprise polyurethane or silicones. Furthermore, thermoplastic elastomers are suitable.

Vorzugsweise sind die Rückstellelemente derart angeordnet bzw. ausgebildet, dass zwischen benachbarten Rückstellelementen Messzellen ausgebildet sind. Innerhalb einer Messzelle ist sodann vorzugsweise eine einzige Messeinheit angeordnet. Hierbei sind die Rückstellelemente derart ausgebildet, dass sie zumindest einen Teil der Seitenwände der Messzellen ausbilden. Hierdurch ist beispielsweise ein Verfälschen von Signalen durch Auftreten von Streulicht vermieden, da die Rückstellelemente sodann zusätzlich die Aufgabe einer optischen Begrenzung der Messzellen in Richtung benachbarter Messzellen ausführen.Preferably, the return elements are arranged or designed such that measuring cells are formed between adjacent return elements. Within a measuring cell then preferably a single measuring unit is arranged. Here, the return elements are designed such that they form at least a part of the side walls of the measuring cells. As a result, for example, a falsification of signals by the occurrence of stray light is avoided, since the restoring elements then additionally perform the task of an optical boundary of the measuring cells in the direction of adjacent measuring cells.

Der opto-elektronische Kraft-Momenten-Sensor weist vorzugsweise wesentlichen zylindrische Außenabmessungen auf. Die beiden Trägerkörper sind daher vorzugsweise kreis- oder kreisringförmig ausgebildet. Hierbei sind die Stirnseiten der beiden Trägerkörper vorzugsweise einander gegenüberliegend angeordnet, so dass zwischen den Stirnseiten der Trägerkörper die Rückstellelemente, die Messeinheiten und insbesondere auch die Messzellen, ausgebildet sind. Hierbei sind die Rückstellelemente bzw. die Elastomerkörper vorzugsweise kreissegmentförmig oder kreisringsegmentförmig ausgebildet. Die Messzellen weisen hierbei vorzugsweise ebenfalls einen kreissegmentförmigen oder kreisringsegmentförmigen Querschnitt auf. Der Strahlengang der Messeinheit verläuft hierbei vorzugsweise im Wesentlichen in radialer Richtung.The opto-electronic force-moment sensor preferably has substantial cylindrical outer dimensions. The two carrier bodies are therefore preferably circular or annular. Here, the end faces of the two support bodies are preferably arranged opposite one another, so that between the end faces of the support body, the restoring elements, the measuring units and in particular also the measuring cells, are formed. Here, the restoring elements or the elastomeric body are preferably formed in a circular segment or annular segment. The measuring cells preferably also have a circular segment-shaped or circular-segment-segment-shaped cross section. The beam path of the measuring unit in this case preferably extends substantially in the radial direction.

Um eine klar definierte Rückstellkraft durch die Rückstellelemente, insbesondere die in den Rückstellelementen vorgesehenen Elastomerkörper, zu gewährleisten, sind die Rückstellelemente vorzugsweise mit zumindest einem der beiden Trägerkörper verbunden. Das Verbinden kann hierbei durch Vulkanisieren erfolgen.In order to ensure a clearly defined restoring force by the restoring elements, in particular the elastomeric bodies provided in the restoring elements, the restoring elements are preferably connected to at least one of the two carrier bodies. The connection can be made by vulcanization.

Da elastomere Werkstoffe eine Hysterese aufweisen und ferner Kriecheffekte auftreten können, kann dies zur Verfälschung der Messergebnisse führen. Dies ist insbesondere bei hoch präzisen Messungen ggf. nachteilig oder muss durch entsprechende Korrekturfaktoren berücksichtigt werden. Zur Verringerung dieser negativen Effekte von elastomeren Werkstoffen weisen bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Rückstellelemente zusätzlich zu einem Elastomerkörper eine Metallfeder auf. Auf Grund der innerhalb vorgegebener Bereiche definierten, insbesondere linearen Charakteristik von Metallfedern, ist es möglich die unerwünschten Effekte der Hysterese und des Kriechens zu verringern.Since elastomeric materials have a hysteresis and further creep effects can occur, this can lead to a falsification of the measurement results. This may be disadvantageous, especially in the case of highly precise measurements, or must be taken into account by appropriate correction factors. To reduce these negative effects of elastomeric materials, in a particularly preferred embodiment of the invention, the return elements in addition to an elastomeric body on a metal spring. Due to the defined in particular ranges, in particular linear characteristic of metal springs, it is possible to reduce the undesirable effects of hysteresis and creep.

Hierzu ist es bevorzugt, dass der Elastomerkörper die Metallfeder umgibt. Dies kann insbesondere durch Umspritzen oder Umgießen der Metallfeder mit Elastomer erfolgen.For this purpose, it is preferred that the elastomeric body surrounds the metal spring. This can be done in particular by encapsulation or encapsulation of the metal spring with elastomer.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind positiv und negativ vorgespannte Elastomerkörper miteinander kombiniert. Hierbei ist die Vorspannung der einzelnen Elastomerkörper vorzugsweise derart gewählt, dass die Bewegung der Trägerkörper innerhalb des vorgespannten Bereichs erfolgt. Hierdurch ist ein Verformen des Elastomerkörpers in einem Bereich, in dem Hysterese auftritt, vermieden. Werden beispielsweise Elastomerkörper vorgesehen, die beispielsweise negativ um 4 mm und positiv ebenfalls um 4 mm vorgespannt sind, so tritt in einem Bereich von +4 bis –4 mm keine Hysterese auf. Vorzugsweise werden keine Bewegungen bis in den Grenzbereich durchgeführt, so dass das Auftreten von Hysterese mit hoher Sicherheit vollständig vermieden werden kann.In a particularly preferred embodiment, positively and negatively biased elastomeric bodies are combined. Here, the bias of the individual elastomeric body is preferably selected such that the movement of the carrier body takes place within the prestressed area. This avoids deformation of the elastomer body in an area where hysteresis occurs. If, for example, elastomeric bodies are provided which, for example, are biased negatively by 4 mm and also positively by 4 mm, no hysteresis occurs in a range of +4 to -4 mm. Preferably, no movements are carried out to the limit, so that the Occurrence of hysteresis with high security can be completely avoided.

Die Rückstellelemente, insbesondere die Elastomerkörper, können tonnenförmig ausgebildet sein. Beispielsweise verjüngen sich tonnenförmige Elastomerkörper ausgehend von einander gegenüberliegenden Befestigungsflächen nach innen. Ebenso ist es möglich, Rückstellelemente über Zwischenelemente miteinander zu verbinden. Je nach Ausgestaltung der Zwischenelemente können die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften der Rückstellelemente, insbesondere einer Kombination aus Elastomerkörpern und Federn variiert werden. Es ist somit möglich, den erfindungsgemäßen opto-elektronischen Kraft-Momenten-Sensor durch die Anordnung oder die Ausgestaltung der Rückstellelemente an die Anforderungen anzupassen.The return elements, in particular the elastomeric body, may be barrel-shaped. For example, barrel-shaped elastomer bodies taper inwardly from opposing attachment surfaces. It is also possible to connect reset elements via intermediate elements with each other. Depending on the configuration of the intermediate elements, the stiffness and damping properties of the restoring elements, in particular a combination of elastomeric bodies and springs, can be varied. It is thus possible to adapt the opto-electronic force-moment sensor according to the invention by the arrangement or the design of the return elements to the requirements.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Rückstellelemente sind konzentrische Zylinder vorgesehen, wobei zwischen den beiden konzentrischen Zylindern der Elastomerkörper angeordnet ist. Hierbei ist der Elastomerkörper vorzugsweise fest mit den Zylindern verbunden. Die Zylinder können sodann jeweils mit einem der beiden Trägerkörper verbunden sein. Je nach Anordnung der Zylinder, bzw. je nach Art der Verbindung der Zylinder mit Trägerkörpern, ggf. Über Zwischenelemente, können Kräfte und Momente von den Elastomerkörpern aufgenommen werden. Dies kann beispielsweise durch ein gegeneinander Verschieben der beiden Zylinder in Längsrichtung oder durch ein Verkippen der beiden Längsachsen der Zylinder zueinander erfolgen. Auch ein Verdrehen der beiden Zylinder gegeneinander sowie Kombinationen dieser Bewegungen sind möglich.In a preferred embodiment of the return elements concentric cylinders are provided, wherein between the two concentric cylinders of the elastomeric body is arranged. In this case, the elastomeric body is preferably firmly connected to the cylinders. The cylinders can then each be connected to one of the two carrier body. Depending on the arrangement of the cylinder, or depending on the nature of the connection of the cylinder with support bodies, possibly via intermediate elements, forces and moments can be absorbed by the elastomeric bodies. This can be done for example by a mutual displacement of the two cylinders in the longitudinal direction or by tilting the two longitudinal axes of the cylinder to each other. A twisting of the two cylinders against each other and combinations of these movements are possible.

Ein besonderer Vorteil der unterschiedlichen Gestaltungsmöglichkeiten der Rückstellelemente besteht darin, dass die üblichen Bauteile des erfindungsgemäßen Kraft-Momenten-Sensors unverändert bleiben können, während unterschiedliche Rückstellelemente eingebaut werden. Es ist somit möglich allein durch den Austausch der Rückstellelemente bzw. durch das Vorsehen verschiedener Rückstellelemente auf einfache Weise eine große Anzahl unterschiedlicher Kraft-Momenten-Sensoren für unterschiedliche Einsatzgebiete herzustellen.A particular advantage of the different design options of the return elements is that the usual components of the force-moment sensor according to the invention can remain unchanged, while different return elements are installed. It is thus possible to produce a large number of different force-moment sensors for different applications simply by replacing the restoring elements or by providing different restoring elements in a simple manner.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to various embodiments with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Draufsicht eines opto-elektronischen Kraft-Momenten-Sensors, 1 a schematic plan view of an opto-electronic force-moment sensor,

2 eine schematische Schnittansicht des opto-elektronischen Kraft-Momenten-Sensors in Richtung der Linie II-II in 1, und 2 a schematic sectional view of the opto-electronic force-moment sensor in the direction of line II-II in 1 , and

3–13 unterschiedliche Ausführungsformen erfindungsgemäßer Rückstelleelemente. 3 - 13 different embodiments of restoring elements according to the invention.

Ein opto-elektronischer Kraft-Momenten-Sensor, der stark vereinfacht in den Prinzipsskizzen der 1 und 2 dargestellt ist, weist beispielsweise acht Messeinheiten 10 auf um Kräfte und Momente in Richtung von jeweils drei Koordinatenachsen zu messen. Die acht Messeinheiten sind kreisförmig angeordnet, wobei jeweils zwei Messeinheiten zu einem Messeinheitenpaar 11 zusammengefasst sind. Die beiden Messeinheiten 10 eine Messeinheitenpaares 11 weisen einen Abstand von ca 15° zueinander auf. Benachbarte Messeinheiten weisen einen Abstand von 75° zueinander auf. Jede Messeinheit weist eine Sendeeinheit 12, wie eine LED, und eine Empfangseinheit 14, d. h. einen Detektor auf. Zwischen der Sendeeinheit 12 und der Empfangseinheit 14 ist eine Blendeneinheit 16, insbesondere eine Schlitzblende, angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Schlitze der Schlitzblenden 60 abwechselnd horizontal und vertikal ausgerichtet.An opto-electronic force-moment sensor that simplifies greatly in the schematic diagrams of the 1 and 2 is shown, for example, has eight measuring units 10 to measure forces and moments in the direction of three coordinate axes. The eight measurement units are arranged in a circle, with two measurement units each to form a pair of measurement units 11 are summarized. The two measuring units 10 a pair of measurement units 11 have a distance of about 15 ° to each other. Adjacent measuring units have a distance of 75 ° from each other. Each measuring unit has a transmitting unit 12 like an LED, and a receiving unit 14 ie a detector. Between the transmitting unit 12 and the receiving unit 14 is a panel unit 16 , In particular, a slit, arranged. In the illustrated embodiment, the slots of the slit diaphragms 60 alternately aligned horizontally and vertically.

Zur Messung von Kräften und Momenten sind die Sendeeinrichtungen 12 zusammen mit den Empfangseinrichtungen 14 im dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem ersten Trägerkörper 18 (2) angeordnet und mit diesem fest verbunden. Die Blendeneinrichtung 16 ist mit einem zweiten Trägerkörper fest verbunden. Die beiden Trägerkörper 18, 20 sind im Wesentlichen als kreisringförmige Scheiben ausgebildet und einander gegenüberliegend angeordnet, so dass Stirnflächen 22, 25 der Trägerkörper 18, 20 aufeinander zuweisend angeordnet sind.To measure forces and moments are the transmitting devices 12 together with the reception facilities 14 in the illustrated embodiment, on a first carrier body 18 ( 2 ) and firmly connected with this. The aperture device 16 is firmly connected to a second carrier body. The two carrier bodies 18 . 20 are substantially formed as annular discs and arranged opposite each other, so that faces 22 . 25 the carrier body 18 . 20 arranged facing each other.

Von dem Detektor 14 wird die von der Sendeeinrichtung 12 abgegebene Strahlung, die durch den Schlitz der Blendeneinrichtung 16 gelangt, detektiert. Die Menge der detektierten Strahlung verändert sich bei einer Relativbewegung zwischen den beiden Trägerkörpern 18, 20. Ferner verändert sich hierbei die Lage des durch die Schlitzblende abgebildeten Lichts auf dem Detektor 14. Durch eine entsprechende Verabreitung der Detektorsignale können, durch den in den 1 und 2 dargestellten Kraft-Momenten-Sensor, sowohl Kräfte als auch Momente in jeweils drei Koordinatenrichtungen bestimmt werden.From the detector 14 becomes that of the transmitting device 12 emitted radiation passing through the slot of the aperture device 16 passes, detected. The amount of radiation detected changes with a relative movement between the two carrier bodies 18 . 20 , Furthermore, in this case, the position of the light imaged by the slit diaphragm changes on the detector 14 , By a corresponding execution of the detector signals, by the in the 1 and 2 shown force-moment sensor, both forces and moments are determined in three coordinate directions.

Zwischen benachbarten Messeinheiten 10 sind erfindungsgemäß Rückstellelemente 24 (1) vorgesehen. In einfachster Form handelt es sich bei den Rückstellelementen 24 um Segmente mit einem kreisringsegmentförmigen Querschnitt wie in 1 dargestellt. Die Dicke der Rückstellelemente 24 entspricht hierbei dem Abstand der zwei Trägerkörper 18, 20. Die Rückstellelemente 24 füllen somit den Raum zwischen zwei benachbarten Messeinheiten, insbesondere vollständig, aus. Hierdurch sind zwischen zwei benachbarten Rückstellelemente 24 Messzellen 26 ausgebildet.Between adjacent measuring units 10 are according to the invention reset elements 24 ( 1 ) intended. In the simplest form, these are the restoring elements 24 around segments with a circular segment-shaped cross section as in 1 shown. The thickness of the return elements 24 corresponds to the distance between the two carrier body 18 . 20 , The reset elements 24 to fill thus the space between two adjacent measuring units, in particular completely, from. As a result, between two adjacent return elements 24 measuring cells 26 educated.

Bei den Rückstellelementen 24 kann es sich um einen vollständigen Elastomerkörper handeln. Vorzugsweise sind innerhalb des Elastomerkörpers Stahlfedern angeordnet, deren Längsachsen sich vorzugsweise zwischen den beiden Trägerkörpern erstrecken. Hierdurch können unerwünschte Effekte der Hysterse und des Kriechens verringert werden.At the reset elements 24 it can be a complete elastomeric body. Preferably, steel springs are arranged within the elastomer body whose longitudinal axes preferably extend between the two carrier bodies. This can reduce undesirable effects of hysteresis and creep.

In den 3 bis 10 sind unterschiedliche Ausführungsformen von Rückstellelemente dargestellt. Hierbei ist jeweils ein einziges Rückstellelement dargestellt. Vorzugsweise sind mehrere derartige Rückstellelemente oder eine Kombination der Rückstellelemente anstelle des in 1 dargestellten Rückstellelements 24 zwischen den beiden Trägerkörpern 18, 20 angeordnet. Ein zwischen den beiden Trägerkörpern angeordnetes Rückstellelement kann als zylindrisches Rückstellelement 28 (3) ausgebildet sein. Hierbei sind zwei Stirnseiten des Rückstellelements 28, beispielsweise durch Vulkanisieren, mit einer oder beiden Stirnseiten 22, 25 der Trägerkörper 18, 20 verbunden.In the 3 to 10 different embodiments of reset elements are shown. Here, a single return element is shown in each case. Preferably, a plurality of such return elements or a combination of the return elements instead of in 1 shown return element 24 between the two carrier bodies 18 . 20 arranged. An arranged between the two support bodies return element can be used as a cylindrical return element 28 ( 3 ) be formed. Here are two end faces of the return element 28 For example, by vulcanization, with one or both end faces 22 . 25 the carrier body 18 . 20 connected.

Ebenso kann ein Rückstellelement 30 vorgesehen sein, das als sich nach innen verjüngende Tonne 30 (4) ausgebildet ist. Das Rückstellelement 30 kann ebenfalls mit den Stirnseiten 22, 25 der Trägerkörper 18, 20 fest verbunden sein.Likewise, a reset element 30 be provided as the inwardly tapering barrel 30 ( 4 ) is trained. The reset element 30 can also with the front sides 22 . 25 the carrier body 18 . 20 be firmly connected.

Innerhalb der Rückstellelemente 28, 30 können beispielsweise Spiralfedern aus Stahl oder dergleichen angeordnet sei, um Hysterese- und Kriecheffekte zu verhindern.Within the reset elements 28 . 30 For example, coil springs made of steel or the like may be arranged to prevent hysteresis and creep.

Die Rückstellelemente 30 oder 28 können auch wie in den 5 und 6 dargestellt, angeordnet sein. Hierbei sind die Längsachsen der Rückstellelemente nicht senkrecht zu den Trägerkörpern 18, 20, sondern parallel zu diesen angeordnet. Die Rückstellelemente 30 sind sodann über Zwischenelemente, beispielsweise Stege 32, mit den Trägerkörpern 18, 20 verbunden. Durch eine derartige Anordnung der Rückstellelemente kann je nach Anforderung eine geforderte Dämpfungs- und/oder Steifigkeitscharakteristik erzielt werden.The reset elements 30 or 28 can also like in the 5 and 6 represented, may be arranged. Here, the longitudinal axes of the return elements are not perpendicular to the carrier bodies 18 . 20 but arranged parallel to these. The reset elements 30 are then via intermediate elements, such as webs 32 , with the carrier bodies 18 . 20 connected. Such an arrangement of the restoring elements, a required damping and / or stiffness characteristic can be achieved depending on the requirement.

Weitere Möglichkeiten der Befestigung von Rückstellelementen 28, 30 mit Hilfe von Zwischenelementen 32 sind in den 7 und 8 dargestellt. Hierbei sind die beiden Rückstellelemente miteinander kombiniert. Insbesondere ist es auch möglich, die Längsrichtung zweier miteinander kombinierter Rückstellelemente 28 in einem Winkel zueinander, insbesondere in einem Winkel von 90°, zueinander anzuordnen (8).Further possibilities of fixing restoring elements 28 . 30 with the help of intermediate elements 32 are in the 7 and 8th shown. Here, the two return elements are combined. In particular, it is also possible, the longitudinal direction of two combined restoring elements 28 at an angle to each other, in particular at an angle of 90 ° to each other to order ( 8th ).

Bei einer besonderes bevorzugten Ausführungsform der Rückstellelemente sind zwei konzentrische Zylinder vorgesehen, zwischen denen der Elastomerkörper angeordnet und fest mit beiden Zylindern verbunden ist. Ein derartiges Rückstellelement 36 (9 und 10) kann mit den beiden Trägerkörpern 18, 20 verbunden werden. Hierbei ist in 9 der Trägerkörper 18 über Zwischenelemente 32 mit dem inneren Zylinder verbunden. Mit dem äußeren Zylinder ist der Trägerkörper 20 über ein weiteres Zwischenelement 34 verbunden. Auf Grund des zwischen den beiden Zylindern angeordneten Elastomerkörpers ist eine Relativbewegung der beiden Zylinder zueinander und somit ein Aufnehmen von Kräften und Momenten durch das Rückstellelement 36 möglich.In a particularly preferred embodiment of the return elements, two concentric cylinders are provided, between which the elastomeric body is arranged and fixedly connected to both cylinders. Such a return element 36 ( 9 and 10 ) can with the two carrier bodies 18 . 20 get connected. Here is in 9 the carrier body 18 about intermediate elements 32 connected to the inner cylinder. With the outer cylinder is the carrier body 20 via another intermediate element 34 connected. Due to the elastomer body arranged between the two cylinders, there is a relative movement of the two cylinders relative to one another and thus a picking up of forces and moments by the return element 36 possible.

Ein entsprechendes Rückstellelement 36 kann auch bezogen auf seine Längsrichtung senkrecht zu den beiden Trägerkörpern 18, 20 angeordnet sein. Hierbei ist der innere der beiden konzentrischen Zylinder über ein C-förmiges Zwischenelement 38 mit dem Trägerkörper 18 verbunden. Der äußere Zylinder ist über ein L-förmiges Zwischenelement 40 mit dem Trägerkörper 20 verbunden.A corresponding reset element 36 can also with respect to its longitudinal direction perpendicular to the two carrier bodies 18 . 20 be arranged. Here, the inner of the two concentric cylinders via a C-shaped intermediate element 38 with the carrier body 18 connected. The outer cylinder is over an L-shaped intermediate element 40 with the carrier body 20 connected.

Die anhand der 9 und 10 beschriebenen Rückstellelement 36 mit zwei konzentrischen Zylindern zwischen denen der Elastomerkörper angeordnet ist, werden auch in den Ausführungsbeispielen nach den 11 und 12 verwendet. Hier sind die beiden konzentrischen Zylinder 42, 44 sichtbar zwischen denen ein ring-zylinderförmiger Elastomerkörper 46 angeordnet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 11 sind mehrere Rückstellelemente 36 im Wesentlichen parallel zueinander in Ausnehmungen 48 mit kreissegmentförmigem Querschnitt angeordnet. Die Ausnehmungen 48 sind in einem der beiden Trägerkörper, beispielsweise in dem Trägerkörper 18, vorgesehen. Die äußeren Zylinder 42 sind über ein Zwischenelement bzw. ein Befestigungselement 50 mit der Oberseite des Trägerkörpers 18 verbunden. Die inneren Zylinder 44 sind über stabförmige Zwischenelemente 52 mit dem zweiten Trägerkörper 20 (nicht dargestellt) verbindbar.The basis of the 9 and 10 described reset element 36 with two concentric cylinders between which the elastomeric body is arranged, are also in the embodiments of the 11 and 12 used. Here are the two concentric cylinders 42 . 44 visible between those a ring-cylindrical elastomeric body 46 is arranged. In the illustrated embodiment according to 11 are several reset elements 36 essentially parallel to each other in recesses 48 arranged with a circular segment-shaped cross section. The recesses 48 are in one of the two carrier body, for example in the carrier body 18 , intended. The outer cylinders 42 are via an intermediate element or a fastener 50 with the top of the carrier body 18 connected. The inner cylinders 44 are about rod-shaped intermediate elements 52 with the second carrier body 20 (not shown) connectable.

Ferner ist es, wie in 12 dargestellt, möglich derartige Rückstellelemente 36 in einer gemeinsamen Ausnehmung 54 eines Trägerkörpers 18 hintereinander anzuordnen. Hierbei sind die äußeren Zylinder 42 über einzelne Halte- bzw. Befestigungselemente 56 mit dem Trägerkörper 18 verbunden. In dieser Ausführungsform sind die Zwischenelemente 52 sowohl miteinander als auch mit dem zweiten Trägerkörper 20 verbunden.It is also, as in 12 illustrated, possible such return elements 36 in a common recess 54 a carrier body 18 to arrange one behind the other. Here are the outer cylinders 42 about individual holding or fastening elements 56 with the carrier body 18 connected. In this embodiment, the intermediate elements 52 both together and with the second carrier body 20 connected.

In 13 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Hierbei sind die Elastomerkörper 28 in der linken Darstellung vor dem Montieren und in der rechten Darstellung nach dem Montieren dargestellt. Im montierten System ist der linke Elastomerkörper 28 negativ vorgespannt, d. h. durch Druck belastet. Der rechte Elastomerkörper 28 ist positiv vorgespannt, d. h. durch Zug belastet. Der Abstand der beiden Trägerkörper 18, 20 liegt somit zwischen den Beträgen der positiven und der negative Vorspannung. Bei einer gleichen Anzahl an Elastomerkörpern 28,die ferner mit gleichen Vorspannkräften bzw. Vorspannbeträgen beaufschlagt sind, ist der Abstand der beiden Trägerkörper 18, 20 der mittlere Abstand zwischen den Vorspannungsbeträgen.In 13 a particularly preferred embodiment of the invention is shown schematically. Here are the elastomeric body 28 shown in the left-hand illustration before mounting and in the right-hand illustration after mounting. In the assembled system is the left elastomeric body 28 negatively biased, ie loaded by pressure. The right elastomer body 28 is positively biased, ie loaded by train. The distance between the two carrier body 18 . 20 is thus between the amounts of positive and negative bias. With an equal number of elastomeric bodies 28 , Which are also subjected to the same biasing forces or bias amounts, is the distance between the two carrier body 18 . 20 the mean distance between the bias amounts.

Selbstverständlich können auch die in den vorstehenden Figuren dargestellten sowie erläuterten Ausführungsformen von Rückstellelementen positiv und/oder negativ vorgespannt werden. Bei vorgespannten Elastomerkörpern sind ringförmige Elastomerkörper besonders bevorzugt.Of course, the embodiments of reset elements shown and explained in the preceding figures can also be positively and / or negatively biased. For prestressed elastomeric bodies, annular elastomeric bodies are particularly preferred.

Die Anordnung der in den 5, 6, 8 und 9 dargestellten Rückstellelemente auf den Trägerkörpern 18, 20 kann in radialer Richtung, in Umfangsrichtung oder beliebig erfolgen. Die Form der Elastomerkörper in den 5 bis 8 kann jeweils zylindrisch oder tonnenförmig sein.The arrangement of in the 5 . 6 . 8th and 9 shown restoring elements on the support bodies 18 . 20 can be done in the radial direction, in the circumferential direction or any. The shape of the elastomeric body in the 5 to 8th can each be cylindrical or barrel-shaped.

Claims

Opto-electronic force-moment sensor, with a first carrier body ( 18 ), relative to the first carrier body ( 18 ) movable second carrier body ( 20 ), several opto-electronic measuring units ( 10 ), each with a transmitting device ( 12 ), a receiving device ( 14 ) and a diaphragm device ( 16 ), each in such a way with the first or second carrier body ( 18 . 20 ) are connected, that a relative movement between transmitting device ( 12 ) and receiving device ( 14 ), or between the aperture device ( 16 ) and the transmitting and receiving device ( 12 . 14 ), and at least one reset element ( 24 . 28 . 30 . 36 ) comprising an elastomeric body ( 24 . 28 . 30 . 46 ), with the two carrier bodies ( 18 . 20 ) and between adjacent measuring units ( 10 ), characterized in that the return element ( 24 . 28 . 30 . 36 ) has two opposing mounting surfaces, wherein at least one mounting surface at an angle to the carrier body ( 18 . 20 ), in particular of 90 °, and the return element ( 24 . 28 . 30 . 36 ) via an intermediate element ( 32 . 34 . 38 . 40 . 50 . 56 ) with one or both support bodies ( 18 . 20 ) connected is.

Opto-electronic force-moment sensor according to claim 1, characterized in that the return element ( 24 . 28 . 30 . 36 ) is biased.

Opto-electronic force-moment sensor, with a first carrier body ( 18 ), relative to the first carrier body ( 18 ) movable second carrier body ( 20 ), several opto-electronic measuring units ( 10 ), each with a transmitting device ( 12 ), a receiving device ( 14 ) and a diaphragm device ( 16 ), each in such a way with the first or second carrier body ( 18 . 20 ) are connected, that a relative movement between transmitting device ( 12 ) and receiving device ( 14 ), or between the aperture device ( 16 ) and the transmitting and receiving device ( 12 . 14 ), and at least one with the two carrier bodies ( 18 . 20 ) associated return element ( 24 . 28 . 30 . 36 ) comprising an elastomeric body ( 24 . 28 . 30 . 46 ) and between adjacent measuring units ( 10 ), characterized in that the return element ( 24 . 28 . 30 . 36 ) is biased.

Opto-electronic force-moment sensor according to claim 3, characterized in that the return element ( 24 . 28 . 30 . 36 ) has two opposing mounting surfaces.

Opto-electronic force-moment sensor according to claim 3 or 4, characterized in that the return element ( 24 . 28 . 30 . 36 ) via an intermediate element ( 32 . 34 . 38 . 40 . 50 . 56 ) with one or both support bodies ( 18 . 20 ) connected is.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 3 to 5, characterized in that at least one mounting surface at an angle to the carrier body ( 18 . 20 ), in particular of 90 °.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 3 to 6, characterized in that the return elements ( 24 . 28 . 30 . 36 ) with one, preferably two carrier bodies ( 18 . 20 ) are firmly connected.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the return elements ( 24 . 28 . 30 . 36 ) at least one elastomeric body ( 24 . 28 . 30 . 47 ) and at least one metal spring.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that between all adjacent measuring units ( 10 ) each a reset element ( 24 . 28 . 30 . 36 ) is provided.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that between the return elements ( 24 . 28 . 30 . 36 ) Measuring cells ( 11 ) are formed, in each of which a measuring unit ( 10 ) is arranged.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the carrier body ( 18 . 20 ) are circular or circular in shape.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 1 to 11, characterized in that the return elements ( 24 ) have a circular segment-shaped or annular segment-shaped cross-section.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 1 to 12, characterized in that the beam path of the measuring units ( 10 ) extends only radially.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 1 to 13, characterized in that the connection is effected by vulcanization.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 2 to 14, characterized in that the elastomeric body ( 24 . 28 . 30 . 46 ) surround the metal spring.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 3 to 15, characterized in that the return element ( 30 ), starting from both attachment surfaces is tapered.

Opto-electronic force-moment sensor according to one of claims 1 to 16, characterized in that the return element ( 36 ) two substantially concentric cylinders ( 42 . 44 ), between which the elastomeric body ( 46 ) is arranged.

Opto-electronic force-moment sensor according to claim 17, characterized in that each cylinder ( 42 . 44 ) is connected to one of the two carrier body.