Силоизмерительное устройство Советский патент 1992 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к силоизмери- тельной технике и может найти широкое применение при измерении действующих на вращающийся вал радиальных и осевых составляющих сил по величине реакций, возникающих в опорных подшипниках качения вала.

В частном случае изобретение может быть использовано при измерении и контроле усилий резания металлообрабатывающих станков для технического и технологического контроля за процессами обработки деталей на станках, работающих в безлюдном режиме в системах ЧПУ или других аналогичных системах.

Известно силоизмерительное устройство, выполненное на основе тензометриче- ских измерительных колец. Недостатком устройства является сложность -конструкции и ограниченность его применения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения сил, действующих на вращающийся вал, использующее подшипники качения, на обойме которых закреплены тензорезисторы.

Недостатком этих устройств является высокая температурная погрешность измерений в связи с возникновением кажущейся деформации при изменениях

VIю

00

о

00

4

температуры, а также невозможность исключения взаимовлияния измерительных схем при использовании радиально-упор- ных подшипников качения.

Цель изобретения - повышение точности измерения сил, действующих на вращающийся вал.

На .фиг.1 представлена структурная блок-схема тензорезисторного устройства; на фиг.2-4 - схемы взаимной ориентации измерительных осей тензорезисторных мостов подшипников для измерения трех компонент усилия нагрузки на вал; на фиг.5 - схема размещения тензорезисторов на подшипнике для измерения вертикальной и горизонтальной составляющих измеряемого усилия; на фиг.6-7 - схемы электрических соединений тензорезисторов на подшипнике для измерения горизонтальной и вертикальной составляющих измеряемого усилия; на фиг.8-9 - схемы электрических соединений тензорезисторов измерительных мостов подшипников для измерения Y, Z - составляющих усилия нагрузки на вал, изображенных на фиг.2.

Силоизмерительное устройство содержит тензорезисторные преобразователи (датчики) 1 и электронный модуль 2, предназначенный для предварительной обработки информации (фиг.1).

Электронный модуль содержит четыре измерительных канала, выполненных в виде последовательно соединенных фильтров 3 высокихчастот, усилителей4 переменного тока, выпрямителей 5 и фильтров б низких частот, два нормирующих элемента 7, 8 и три элемента вычитания 9, 10 и 11.

Выход первого измерительного канала является первым выходом устройства - Выход X, выход второго измерительного канала является вторым выходом устройства - Выход У и соединен через соответствующие нормирующие элементы 7 и 8 с первыми входами первого и второго элементов вычитания 9 и 10, выход третьего измерительного канала соединён с вторым входом первого элемента вычитания 9, выход которого соединен с первым входом третьего элемента вычитания 11, выход четвертого измерительного канала соединен с вторым входом второго элемента вычитания 10, выход которого подключен к второму входу третьего элемента вычитания 11, выход которого является третьим выходом устройства - Выход Z.

Тензорезисторный преобразователь включает в себя три радиально-упорных подшипника качения 12, 13, 14, на наружных обоймах которых установлены тензоре- зисторы (фиг.2-4),

Оптическое изображение напряжений нагруженного подшипника, полученное методом фотоупругости, позволяет установить с помощью изохроматических линий картину распределения напряжений и деформации на наружной обойме подшипника. Нагрузка на наружную обойму подшипника передается через контакт тел качения и обоймы. Над местом контакта в обойме образуются зоны продольной деформации, ко- торые при вращении подшипника вращаются вместе с телами качения.

Измерение величины этих деформаций производится тензорезисторами RI,

RIRi6, выходной сигнал которых представляет собой переменное напряжение с амплитудой, пропорциональной величине деформаций вращающихся зон, которые в свою очередь пропорциональны усилию.

действующему на подшипник. Выходной сигнал измерительной схемы тензорезисторов подается в измерительный канал.

Выход измерительного канала затем подается на регистрирующий прибор (например ЧПУ или другую иную систему обработки сигнала).

Для повышения чувствительности устройства, а также удобства размещения тензорезисторных измерительных схем в наружной обойме подшипника прошлифо- вывается продольная круговая канавка, геометрические размеры и место которой определяются типом опорных подшипников и другими конструктивными особенностями опорного узла вала.

Для повышения чувствительности измерительных тензорезисторных схем, а также для исключения температурной прогрешности измерений тензорезисторы объединены в мосты Уйтстона 12, 13, 14, 15.

В предлагаемом устройстве для измерения ортогональных радиальных составляющих сил используется первый подшипник

12 опоры вала, а для измерения осевых усилий по двум противоположным направлениям используются второй 14 и третий 14 подшипники опорного узла вала.

На первом подшипнике размещены два

измерительных тензорезисторных моста Уйтстона RI. R2, Рз, R4 и Rs. RG, Ry, Re (фиг.67)Тензорезисторы размещены на внешней обойме подшипника попарно рядом.

при этом расстояние между тензорезисторами в каждой паре не превышает длину между точками пересечения нормалей, проведенных через точки контакта двух ближайших тел качения с внешней обоймой

подшипника, и соединены в полумосты, сдвинутые по обойме один относительно

другого на 90°, образуя, таким образом, две пары диаметрально противоположных полумостов.

Противоположные полумосты объединены в измерительные мосты Уитстона, причем тензорезисторы смежных плеч мостов включены встречно, т.е. в каждый момент времени при вращении подшипника тензорезисторы смежных плеч моста находятся в абсолютно одинаковом положении относительно вращающихся тел качения (фиг.7-8).

Приведенная схема соединений тензорезисторов позволяет исключить влияние осевой силы при измерении радиальных со- ставляющих усилий за счет известных особенностей моста Уитстона с встречным соединением тензорезисторов его смежных плеч.

Другим принципиальным отличием тен- зорезисторных мостов от известных ранее является ориентация тензорезисторных полумостов на внешней обойме подшипника вдоль измерительных осей действия ортогональных радиальных составляющих сил. Та- ким образом исключается взаимовлияние радиальных составляющих сил на их измерительные схемы и в то же время обеспечивается измерение сил. действующих вдоль измерительных осей, как в одном, так и в противоположном направлении.

При действии силы вдоль оси Fx работают тензорезисторы полумоста Ri. Ra. при действии силы противоположного направления работают тензорезисторы Ra, R. Ана- логично работают тензорезисторы измерительного моста Rs. Re, R, Re при измерении другой радиальной составляющей, действующей вдоль оси Fy.

Схема расположения и соединения тен- зорезисторов на внешних обоймах второго и третьего подшипника для измерения осевой составляющей силы приведена на фиг.8-9. На каждой обойме расположено по одному измерительному тензорезисторно- му мосту,, причем тензорезисторы также размещены .попарно аналогично тензорези- сторам одного из мостов Уитстона первого подшипника.

Однако, соединение тензорезисторов в мостовую схему отличается тем, что включение тензорезисторов смежных плеч моста прямое, т.е. при вращении подшипника тензорезисторы смежных плеч моста подвергаются различной по знаку деформации. Таким образом, при действии осевых нагрузок измерительный мост выдает сигнал прямо пропорционально действующей силе. Одновременно при действии радиальной нагрузки в направлении расположения полумостов тензорезисторов они вырабатывают сигнал, пропорциональный радиальной силе.

Поэтому на выходе измерительных мостов второго и третьего подшипника имеется в общем случае сложный сигнал, вызванный действием и радиальной, и осевой составляющими сил.

Для того, чтобы получить сигнал только от действия осевых сил. необходимо прове-0 сти операции вычитания сигналов, т.е. из суммарного сигнала второго и третьего подшипника надо вычесть сигнал от измерительного моста первого подшипника, при этом сигнал от измерительного моста первого подшипника необходимо пронормировать, т.е. привести его величину к той, что воспринимается на втором и третьем подшипниках. Операция нормирования осуществляются элементами 7 и 8 измерительных каналов устройства.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Силоизмерительное устройство, содержащее три радиально-упорных подшипника качения, на наружных обоймах которых установлены тензорезисторы попарно рядом и сдвинутые один относительно другого на 90°, четыре измерительных канала, два нормирующих элемента и три элемента вычитания, при этом тензорезисторы подключены к измерительным каналам, выполненным в виде последовательно соединенных фильтров высоких частот, усилителей переменного тока, выпрямителей и фильтров низких частот, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения сил, действующих на вращающийся вал, расстояние между тензорезисторами в каждой паре не превышает длины между точками пересечения нормалей, проведенных через точки контакта двух ближайших тел качения с внешней обоймой подшипника, причем каждая пара тензорезисторов, расположенная на наружной обойме первого подшипника, соединена в полумосты, диаметрально противоположные полумосты объединены в первый и второй измерительные мосты Уитетона с встречным включением тензорезисторов смежных плеч, а на наружных обоймах второго и третьего подшипников тензорезисторы соединены аналогично одному из измерительных мостов Уитстона первого подшипника и объединены в третий и четвертый измерительные мосты Уитстона по одному на каждой обойме с прямым включением тензорезисторов смежных плеч моста, выходы всех измерительных мостов подключены к измерительным каналам, причем выход первого измерительного канала является

первым выходом устройства, выход второго измерительного канала - вторым выходом устройства, который соединен через соответствующие нормирующие элементы с первыми входами первого и второго элементов вычитания, выход третьего измерительного канала соединен со вторым входом первого элемента вычитания, выход

которого соединен с первым входом третьего элемента вычитания, выход четвертого измерительного канала соединен со вторым входом второго элемента вычитания, выход которого подключен ко второму входу третьего элемента вычитания, выход которого является третьим выходом устройства.

Изобретение относится к приборостроению и позволяет повысить точность измерения сил. действующих на вращающийся вал устройства с тремя радиально-упорны- ми подшипниками качения. На наружной обойме подшипника размещены четыре пары тензорезисторов RI и R2, Ra и R, RS и Re, R и RS. Каждая пара тензорезисторов объединены в полумост, а диаметрально противоположные полумосты объединены в первый /Ri, RI. R3 и R4/ и второй /Rs. Re. R, Re/ измерительные мосты Уитстона с встречным включением тензорезисторов смежных плеч. Величину силы FX определяют по сигналу с первого измерительного моста, а величину силы Fy - по сигналу второго измерительного моста. Для определения вели- чины силы, действующей, вдоль оси подшипников на наружных обоймах второго и третьего подшипников, установлены тен- зорезисторы, размещенные аналогично одному из измерительных мостов первого подшипника, и объединены в третий и четвертый измерительные мосты Уитстона по одному на каждой обойме с прямым включением тензорезисторов смежных плеч моста. Величина силы, действующей вдоль оси подшипников, определяется по сигналу, снимаемому с третьего выхода измерительной схемы. 9 ил. (Л С