Многокомпонентный датчик сил и моментов Советский патент 1992 года по МПК G01L1/22 G01L5/16 G01G9/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве миниатюрного многокомпонентного динамометра для измерения сил и мо- ментов резания в металлообработке ив других технологических процессах, в качестве миниатюрных внутримодельн ых азрО- .динамических весов, для очувствления роботов, в эргономических исследованиях, в приборах и тренажерах спортивного назначения и ТА.

Известен многокомпонентный дат- чик сил и моментов; содержащий сило- восприн и мающую часть, основание и соединяющие их стержни с измеритёльны, мй преобразователями, которым присущи сложность и ctSTl Wfle p fllWH ftocTb конструкций с йёстабильностями во времени и по температуре, .

Цель изобретения - упрощение конструкций и повышение тёхнолртичности её изготовления, повышение точности измерений как в статмке так и в динамике, расширение динамического диапазона измерений и миниатюризации.

На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый датчик; на фиг.2 - конструкция одного из стержней с теНзорезисторами; на фиг.З -- рхемэ включения тензорезисторов каждого стержня в мост Уинстона; на фиг.42

XI

Ю О

9 - схемы вычисления компонент измеряемых векторов силы и момента Pz, Ру, Рх, M(z), М(у) и М(х) в показанной на фиг.1 системе координат XYZ,

Датчик состоит из силовоспринимаю- щей части 1, основания 2, шести одинаковых стержней 3, 4, 5, 6, 7 и 8, соединяющих силовоспринимающую часть 1 и основание 2 с помощью заделок 9 Стержни объединены -в пары 3-4, 5-6 и 7-8 под углом # « 108-120°, соединяющиеся между собой у основания 2. Плоскости пар 3-4, 5-6 и 7-8 перпендикулярны силовоспринимающей части 1 и основанию 2 и образуют в их пересечении равносторонние треугольники (пунктирные линии на фиг.1). Каждый стержень 3-8 имеет длину L и прямоугольное сечение со сторонами axb, причем величина L равна или больше утроенной большей стороне сечения (а или Ь) На противоположных сторбнах каждого стержня вдоль его оси в средней части наклеены тенэорезисторы 10 с базой 1, которые преобразуют деформа- цикГрастяжения - сжатия стержня в изменение своего омического сопротивления.

При этом длина L любого стержня равна (или) больше удвоенной величине базы 1. В непосредственной близости от рабочих тен- зорезисторов 10 перпендикулярно осям стержней 3-8 наклеены компенсационные тензорезмсторы 11 Если величины сторон сечений а и b стержней меньше базы тензо- резисторов 11, то последние могут быть наклеены на силовоспринммающей части 1 (например, заштрихованные полости 12 на фиг.2) или на основании 2 вблизи своих стержней,

Все тенэорезисторы 10 и 11 (или 10 и 12) каждого из стержней включены в мосты Уинстона (всего в устройстве шесть мостов - по числу стержней), выходные напряжения которых V3-Ve пропорциональны деформациям растяжения -сжатия соответствующих стержней. Причем рабочие тензо- резисторы 10 каждого стержня включены в противоположные плечи моста Уинстона, а компенсационные тензорезисторы 11 (или 12) - в смежные с первыми плечи моста. Такое известное включение тензорезисто- ров 10, 11 (или 12) обеспечивает компенсацию изгибной деформации стерхшей, минимизирует температурную и временную нестабильность всех шести мостовых схем.

Устройство работает следующим образом.

Воздействующие на силовоспринимающую часть 1 векторы силы и момента (не показаны) приводят к соответствующей де- формации части или всех шести 3-8 стержней. Как показали экспериментальные

исследования, доминирующим видом деформации каждого стержня является растяжение - сжатие, которые и воспринимают рабочие тензорезисторы 10. В результате

выходные напряжения каждого моста N/3-Ve пропорциональны нормальным силам соответствующих стержней 3-8.

Секторы статических или динамических силы и момента, приложенных к силовоспринимающей части 1, в данной статически определимой конструкции вычисляются из известных шести уравнений равновесия в принятой на фиг.1 системе координат XY с помощью определения трех проекций силы

Рх, Ру, PZ и трех составляющих момента М(х), М(у) и (Mz) по выходным напряжениям мостов Va-Ve. Для решения этой известной задачи используются известные устройства, например шесть сумматоров на операционнЫх усилителях с соответствующими коэффициентами передачи и инверсиями (фиг 4-фиг 9).

Использование заделок 9 концов всех

стержней, а не сферических шарниров , обеспечивает упрощение конструкции устройства и, ее технологичности, Этим же целям служит равенство всех стержней 3-8 по длине и по размерам их прямоугольных

сечений. При сборке устройства стержни могут ввариваться между силовоспринимающей частью 1 и основанием 2 по отдельности или совместно предварительно изготавливаться из листового материала

штамповкой и (или) фрезеровкой имеете с частями силовоспринимающей части 1 и основания 2 с последующей сваркой мест соединений и т.д. Прямоугольное сечение стержней упрощает процедуру наклейки рабочих и компенсационных тензорезисторов 10 и 11. При этом повышается точность измерений как в статике, так и в динамике за счет устранения эффекта гистерезиса, минимизации нелинейности и повышения

жесткости, а с ней низших собственных частот устройства в целом, с повышением прочности и перегрузочной способности, что обеспечивается с помощью попарного объединения стержней 3-4, 5-6, 7-8 под

углом тр 108-120° в трех плоскостях, перпендикулярных силовоспринимающей части 1 и основанию 2 в виде равносторон- k них треугольников, повернутых друг относительно друга под углом 60°. Для

минимизации размеров.устройства экспериментально определены предельные соотношения: длина каждого стержня в три раза превышает размер большей стороны его сечения (а или 0) и в два раза превышает

базу рабочих 10 тензорезисторов 1.

Формула изобретения Многокомпонентный датчик сил и моментов, содержащий силовоспринимаю- щую часть, связанную с параллельным ей основанием шестью стержнями с тензоре- зисторами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и уменьшения габаритов, стержни выполнены с прямоугольным сечением и одинаковыми по длине, и скреплены с силовоспринимающей частью и основанием при помощи жестких заделок, а основание и силовоспринимаю- щая часть представляют собой повернутые друг относительно друга на угол 60° треугольники, при этом стержни скреплены поЪ

в

парно в вершинах основания и силовоспринимающей части, и углы при вершинах треугольных граней, образованных стержнями в месте закрепления в силовоспринимающей части Составляют 108-120°, а сами эти вершины находятся в вершинах треугольника силовоспрмнимающей части, при этом треугольные грани с вершинами в си- - ловоспрмнимающей части перпендикулярны плоскости основания и плоскости силовоспринимающей части, а длина каждого стержня в три и более раза превышает длину большей стороны его сечения и в два и более раза превышает базу тензорезисторов.

Использование: область измерительной техники и может быть использовано в качестве миниатюрного многокомпонентного динамометра дл я измерения; сил и моментов резаний в металлообработке, а также в качестве миниатюрных в н утр им отельных аэродинамических весов. Сущность изобретения: датчик содержит силовоспринимающую часть (1), связанную с параллельным ей основанием (2) шестью стержнями (3-8) с тензорезисторамй.при этом стержни (3-8) выполнены с прямоугольным сечением и .6дййа р вы ми П 0 л1йГн КСкйёг1Щнь1 .Ь сйло- воспрйнймаюЧцеЙ частью (1) и основанием

Фиг. 2

11

t/, о

сь

. «

Й/«. 5

X/

l/9()

Фиг.З

4«

,-«--

-(4-,)

,

4t

%+-tn

fah±jf $-$ $) %

Фчг.6

« tfaff

M($ (-У3.Ц,) ШУ2

1 s

Рчг.7

-№-%+ ) (

tpui.g

u

Пч.9

8

2-etsSL

.

/; ; .