ГРУППОВОЙ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ СИЛЫ Российский патент 2024 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к технологии изготовления групповым способом тензорезисторных датчиков силы параллелограммного типа. Известен способ изготовления тензорезисторных датчиков силы, заключающийся в том, что отдельные заготовки упругих элементов на шпильках собирают в единый блок, производят его механическую и термическую обработку, закрепляют на нем матрицу тензорезисторов и разделяют блок на отдельные датчики [1]. Способ технологичен и прост, но не позволяет изготавливать групповым способом датчики с упругими элементами на основе параллелограммных механизмов, состоящих из двух идентичных, монолитно объединенных, параллелограммов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является «Групповой способ изготовления тензорезисторных датчиков силы» [2]. Он перспективен во всех отношениях, но требует специального вакуумного оборудования с силозадающим приспособлением внутри камеры, что удорожает процесс изготовления датчиков.

Целью изобретения является возможность изготовления групповым способом тензорезисторных датчиков с упругими элементами на основе параллелограммных механизмов, состоящих из двух идентичных параллелограммов в монолитном исполнении. Такая конструкция позволяет создавать недорогие помехозащищенные от паразитных сил, изгибающих и крутящих моментов стабильные и надежные датчики высокой точности.

Поставленная цель достигается тем, что в процессе механической обработки монолитного блока заготовок упругих элементов в нем параллельно продольной оси симметрии блока O-O формируют четыре сквозных отверстия диаметром d, при этом пары отверстий расположены симметрично и на одинаковом расстоянии от оси симметрии сечения блока а-а и каждое отверстие расположено на равном расстоянии от оси симметрии сечения блока б-б; и одно сквозное отверстие диаметром D, расположенное вдоль продольной оси O-O, при этом величину D выбирают такой величины, чтобы расстояние δ между отверстиями D и d было технологически минимально возможным и составляло величину не более 0,3 мм; далее на рабочей поверхности блока, перпендикулярно ей, с шагом h формируют идентичные сквозные П-образные пазы, пока еще не полностью освобождающие балки параллелограммов из монолитного блока и частично формирующие из монолитного блока заготовок параллелограммные механизмы с силоприемными узлами, расположенными между параллелограммами; изготавливают матрицу тензорезисторов так, чтобы при ее наклейке на блок заготовок пары тензорезисторов располагались симметрично относительно продольных осей балок в зоне максимальных деформаций, наклеивают ее на блок и с одинаковым шагом разделяют его на полностью готовые датчики. Таким образом, в каждом датчике формируется параллелограммный механизм, состоящий из двух, симметрично расположенных, одинаковых монолитно объединенных параллелограммов. В матрице на последнем этапе ее изготовления, для освобождения силоприемных узлов при ее наклейке, вырезают окна, по площади равные площади П-образных пазов, а тензорезисторы, которые расположены в вырезанных окнах, разделяют на пары или дискретно и в дальнейшем используют для создания датчиков с упругими элементами любых типов.

За один цикл в зависимости от длины блока L и шага разделки h могут быть изготовлены несколько идентичных датчиков с монолитным параллелограммным механизмом в каждом. При создании датчиков на нагрузки менее 5 кгс, четыре шунтирующих перемычки δ по всей длине L блока удаляют электроискровым способом, после чего таким же способом разделяют блок на отдельные датчики, а при создании датчиков на средние нагрузки, не меняя размеров П-образных пазов, увеличивают шаг разделки блока h на отдельные датчики, тем самым увеличивая жесткость балок сдвоенных параллелограммов к нагрузке.

На фиг. 1 показан групповой способ изготовления тензорезисторных датчиков силы с упругими элементами в форме параллелограммных механизмов.

На фиг. 2 - датчик силы с монолитным параллелограммным механизмом, нагруженный силой F.

На фиг. 1, 2 использованы следующие обозначения: L - длина блока заготовок упругих элементов; h - шаг разделки блока на отдельные датчики; П - «П»-образные пазы; П1, П2 - параллелограммы; (а-а) - продольная ось сечения блока; (б-б) - поперечная ось сечения блока; (О-О) - продольная ось симметрии блока заготовок; 1 - четыре сквозных отверстия диаметром d; 2 - сквозное отверстие диаметром D; 3 - силовводящие узлы; 4 - матрица с вырезанными окнами; 5 - расстояние δ между D и d; F - измеряемая нагрузка; ТР - тензорезисторы. Способ реализуется следующим образом: из стали, например, 35ХГСА изготавливают монолитный блок заготовок, в блоке одним из известных способов формируют четыре сквозных отверстия диаметром, например, d=5 мм и одно сквозное отверстие диаметром, например, D=30 мм, далее с шагом h, равным ширине упругих элементов, перпендикулярно рабочей поверхности блока по всей ее длине изготавливают, например, электроискровым методом, сквозные П-образные пазы, частично формируя из блока монолитно-объединенные параллелограммные механизмы с силовводящими узлами, расположенными по центру между балками параллелограммов.

На изолирующей подложке, например, из полиамидной смолы ПАИ-2И с закрепленной на ней фольгой, например, из константана, изготавливают матрицу тензорезисторов так, чтобы продольные оси тензорезисторов при ее наклейке совпадали с продольными осями балок и находились в зонах максимальных деформаций балок.

В матрице до наклейки на блок, для высвобождения силовводящих узлов при ее наклейке, на одном из последних этапов изготовления формируют окна, по площади равные площади П-образных пазов, а тензорезисторы, которые освобождаются при этом, предварительно разделив их поэлементно, в дальнейшем используют по прямому назначению для создания любых тензорезисторных датчиков. Матрицу с окнами наклеивают на блок и затем блок с одинаковым шагом разделяют на отдельные датчики.

При создании датчиков на малые нагрузки четыре перемычки шунтирующих балок параллелограммов удаляют по всей длине блока, а при создании датчиков на средние нагрузки увеличивают шаг разделки блока, что увеличивает жесткость балок параллелограммов к нагрузке.

В сравнении с известными, предлагаемый способ имеет следующие преимущества:

1. Позволяет упростить технологию изготовления датчиков с монолитными параллелограммными механизмами, так как для этого способа изготовления не требуется специальное вакуумное оборудование с силозадающим механизмом внутри камеры, что снижает энергозатраты и, соответственно, стоимость датчиков.

2. Предложенный способ может быть автоматизирован.

Источники информации, принятые при экспертизе:

1. Авт. свидетельство СССР №1118876, кл. G01L 1/ 22, 1984, БИ №38.

2. Решение от 28.07.2023 о выдаче патента на изобретение по заявке на «Групповой способ изготовления тензорезисторных датчиков силы» за №2023102341/ 28 (004992).

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для изготовления групповым способом точных, помехозащищенных тензорезисторных датчиков силы с параллелограммными механизмами. Способ состоит в следующем: в монолитном блоке заготовок упругих элементов формируют четыре сквозных отверстия одного диаметра параллельно продольной оси симметрии блока и одно сквозное отверстие другого диаметра вдоль этой же оси; затем перпендикулярно рабочей поверхности блока с одинаковым шагом изготавливают сквозные П-образные пазы, формируя частично готовые, монолитные параллелограммные механизмы. Изготавливают матрицу тензорезисторов, делая в ней окна для освобождения при ее наклейке силовводящих узлов, после чего ее наклеивают на балки параллелограммов, и разделяют блок на полностью готовые датчики. Технический результат заключается в помехозащищенности датчиков от паразитных сил, изгибающих и крутящих моментов, стабильности, надежности и высокой точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Групповой способ изготовления тензорезисторных датчиков силы параллелограммного типа, включающий изготовление в блоке заготовок упругих элементов с шагом h идентичных сквозных П-образных пазов, наклейке на рабочую поверхность блока матрицы тензорезисторов и разделке блока на отдельные датчики, отличающийся тем, что перед изготовлением П-образных пазов параллельно продольной оси симметрии блока O-O формируют четыре сквозных отверстия диаметром d, при этом пары отверстий расположены симметрично и на одинаковом расстоянии от оси симметрии сечения блока а-а и каждое отверстие расположено на равном расстоянии от оси симметрии сечения блока б-б; и одно сквозное отверстие диаметром D расположено вдоль продольной оси О-О, при этом величину D выбирают такой величины, чтобы расстояние между отверстиями D и d было технологически минимально возможным и составляло величину менее или равную 0,3 мм.

2. Групповой способ изготовления тензорезисторных датчиков силы по п. 1, отличающийся тем, что для создания датчиков на нагрузки менее 5 кгс четыре шунтирующих перемычки по всей длине блока L удаляют электроискровым способом, после чего таким же способом разделяют блок на отдельные датчики.

3. Групповой способ изготовления тензорезисторных датчиков силы по п. 1, отличающийся тем, что для создания датчиков на средние нагрузки, не меняя размеров П-образных пазов, увеличивают шаг разделки блока h на отдельные датчики, тем самым увеличивая жесткость балок сдвоенных параллелограммов к нагрузке.