Способ измерения крутящего момента и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01L3/10 

$1)4884069/10.

(22)21.11.90

(46)15.02.93. Бюл. N 6

(tl) Научно-исследовательский институт

прикладной механики Научно-производстBJSHHoro объединения Ротор

(72)Д.М. Зайцев, Л.Г. Эткин и Д.Л. Эткин

(Йб)Плискин Ю.С. и др. Измерение перёменHJJX механических величин с помощью вибрйционно-частотных датчиков/сб.

Регистрирующая аппаратура для вибрационно-частотных датчиков, ч. 1, ОНТИприбор. 1967, с. 87.

Авторское свидетельство СССР № 1682837, кл. G 01 L 3/10, 1989.

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Использование: измерение крутящего момента частотными датчиками с механическим чувствительным элементом. Возбуждают колебания механического чувствительного элемента на заданной частоте, упруго деформируют его элементом, на котором измеряют крутящий момент, по разности значений частот колебаний чувствительного элемента при деформированном и недеформированном состояниях определяют крутящий момент. В процессе

измерения переменную составляющую крутящего момента компенсируют, дополнительно деформируя чувствительный элемент в плоскости его чувствительности, пропорционально скорости его смещения. Устройство содержит цилиндрический чув- ств тельный элемент (3), торцами шарнирно связанный с ведущим (1) и ведомым (2) валами. Элемент (3) охвачен упругой муфтой (11) из ферромагнитного материала, образованной набором П-обрэзных элементов, жестко связанных концами с ведущим и ведомым валами. Внутри чувствительного элемента (3) расположен кронштейн (6) с возбудителем (7) и приемником (8) колебаний чувствительного элемента (3). Соосно муфте (11)

установлена муфта (12). выполненная из немагнитного материала в виде набора П-об- разных элементов. Муфта (12) жестко связана с ведущим валом (1) и охватывает МУФТУ (11). Одни концы П-образных элементов муфты (12) шарнирно связаны с ведомым валом (2). Магнитопроводы. смонтированные на П-образных элементах муфты (12), обращены полюсными наконечниками к соответствующему П-образному элементу муфты (11), образуя магнитную цепь. Количество П-образных элементов муфт (11) и (12) четное, а полюсные наконеч- нуки половины общего числа магнитопрово- дов выполнены в виде постоянных магнитов. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области измерения физических величин, в частности, крутящего момента, частотными датчиками, снабженными механическими чувствительными элементами, и может быть использовано, например, в металлообрабатывающих отраслях промышленности.

Известен способ, заключающийся в том, что крутящий момент измеряют частотным датчиком с механическим чувствительным элементом следующим образом: возбуждают колебания механического чувствительного элемента на некоторой частоте, воздействуют элементом, на котором измеряют крутящий момент, на механический чувствительный элемент, вызывая упругую деформацию элемента, соответствующих недеформированному и деформированному его состояниям, определяют значение крутящего момента.

Известное устройство, реализующее вышеизложенный способ измерения крутящего момента, содержит цилиндрический упругий (механический) чувствительный элемент, торцы которого через шарнирные узлы присоединены к ведущему и ведомому валам. Цилиндрический упругий элемент охвачен упругой преимущественно в плоскости вращения валов муфтой, которая выполнена в виде набора П-образных упругих элементов, концы которых жестко связаны с ведущим и ведомым валами. Цилиндрический упругий элемент охватывает кронштейн, жестко закрепленный на ведущем валу, а на кронштейне смонтированы возбудитель и приемник колебаний упругого элемента, выполненные в виде электромагнитных катушек с магнитными сердечниками. При этом возбудитель коле0

5

0

5

0

5

0

баний смонтирован таким образом, что возбуждаются преимущественно окружные колебания цилиндрического упругого элемента. Выводы обмоток возбудителя и приемника колебаний через коллекторный блок подключены к электронному блоку, в состав которого входит усилитель, выход усилителя подключен к возбудителю колебаний, а ко входу усилителя подключен приемник колебаний. Таким образом, возбудитель и приемник колебаний, а также усилитель и цилиндрический упругий элемент образуют частотный датчик с механическим чувствительным элементом, организованный по автргенераторной схеме, т.е., в этой схеме при определенных известных соотношениях фаз и амплитуд сигналов на входе и выходе усилителя, возбуждаются незатухающие колебания, вследствие чего стенки цилиндрического упругого элемента совершают окружные колебания с некоторой собственной частотой. При наличии крутящего момента, передаваемого от ведомого к ведущему валу, значение частоты колебаний стенок цилиндра изменяется, что обусловливают измерение крутящего момента посредством устройства.

Недостатком известных способа и устройства является наличие погрешности усреднения измеряемой величины, которая возникает при наложении на постоянный (или весьма медленно изменяющийся) по значению измеряемый сигнал некоторого переменного по значению сигнала, обусловленного, например, откликом цилиндрического упругого элемента на колебательные процессы, имеющие место в механической системе (редукторе), а которую передается .крутящий момент. Уклз-тимля погрешность

вызвана нелинейностью характеристики механического чувствительного элемента (значение частоты окружных колебаний тон- кфггеиного цилиндра в функции крутящего мфмента или окружного усилителя). Погреш- нбсть усреднения измеряемой величины снижает точность измерений крутящего мо- мфнта.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет снижения погрешности усреднения измеряемой величины.

Поставленная цель достигается тем, что пр(й измерении крутящего момента измеряют датчиком виброскорости скорость смещения механического чувствительного элемента под действием переменной со- ст вляющей измеряемого крутящего мо- ме|нта и дополнительно упруго деформирует егф в плоскости чувствительности пропорционально скорости смещения механического чувствительного элемента. Подставленная цель достигается также тем, чт4 в устройство для измерения крутящего момента введены второй усилитель, выпол- нейный из немагнитного материала в виде набора П-образных элементов, вторая муфта, установленная соосно первой муфте, ох- ва ывающая ее и жестко связанная с ведущим валом, шарнирный узел, связыва- юний вторую муфту и ведомый вал с воз- мо)жностью обеспечения взаимного поворота относительно их общей оси, маг- нит{опроводы, каждый из которых выполнен в виде двух полюсных наконечников, обра- щейных к соответствующему П-образному элементу первой муфты, и охватывающий соответствующий П-образный элемент вто- роймуфты.-и обмотки, размещенные на каж- flONJ магнитопроводе и подключенные ко втоЬому усилителю, причем П-образные элементы первой муфты выполнены из фер- ром|агнитного материала.

Количество П-образных элементов в первой и второй муфте четное, а полюсные наконечники половины общего числа магнм- топроводов выполнены в виде постоянных магнитов, обращенных полюсами к соответ- ству|ющему П-образному элементу первой муфты.

На фиг. 1 изображена конструкция заявляемого устройства, при работе которого реализуется заявляемый способ измерения крутящего момента; на фиг. 2, 3 и 4 - фраг- мен|ы конструкции заявляемого устройства, поясняющие взаимное расположение, взаимодействие основных элементов и существенность отличий заявляемого устройства: на фиг. 5. 6. 7 и 8 - взаимодействие

первой и второй муфта процессе измерения -v крутящего момента.

Заявляемый способ реализуется посредством следующего устройства. 5Между ведущим валом 1 (который может быть, например, выходным валом электропривода металлообрабатывающего станка), см. фиг. 1 и 2, и ведомым валом 2 (который может быть, например, кронштей0 ном для крепления инструмента металлооб- рэбатывающего станка) смонтирован цилиндрический упругий чувствительный элемент 3, выполненный из.магнитомягкого материала. Элемент 3 крепится к валам 1 и

0 элемента 3 в других направлениях и относительно других осей. Упругий элемент Зохва1 тывает кронштейн 6 см. фиг. 1. 4), который жестко прикреплен к ведущему валу 1, На кронштейне 6 смонтированы возбудитель 7

5 и приемник 8 колебаний упругого элемента 3, которые выполнены в виде электромагнитных катушек с сердечниками из магнитного материала. Концы катушек возбудителя 7 и приемника 8 колебаний че0 рез коллектор 9 (см. фиг. 1) подключены к электронному блоку 10 (усилителю), Упругий элемент 3 охвачен выполненной из ферромагнитного материала (например, стали) упругой муфтой 11, образованной набором

5 П-образных элементов, равномерно по окружности расположенных вокруг упругого . элемента 3. Каждый П-образный элемент муфты 11 жестко связан одним своим концом с ведущим валом 1, а другим концом 0 с ведомым валом 2 (см. фиг. 1, 2). Конструкция упругой муфты 11 исключает передачу моментро сил через нее в плоскости вращения валов 1 и 2 (т.е.. в плоскости перпендикулярной плоскости чертежа фиг. 1).

5 Одновременно конструкция муфты 11 обеспечивает передачу моментов сил в плоскостях, .перпендикулярных плоскости вращения валов 1 и 2 (т.е., в плоскостях, которым принадлежит ось 0-0). Таким об0 разом, конструкция муфты 11 обеспечивает передачу крутящего момента от вала 1 к валу 2 исключительно через упругий элемент 3.

Упругая муфта 11 охвачена изготовлен5 . ной из немагнитного материала, например, бронзы, жесткой муфтой 12 (см. фиг. 1, 2. 4), которая выполнена в виде набора П-образных элементов, равномерно размещенных по образующей вокруг муфты 11. Каждый . П-образный элемент муфты 12 одним концом жестко прикреплен к ведущему валу 1, а дру не концы П-обраэных элементов муфты 12 связаны жестко между собой и прикреплены через шарнирный узел 13 (см. фиг. 1) к ведомому валу 2. Конструкция жесткой муфты 12 обеспечивает синхронное вращение муфты 12 и ведущего вала 1. Одновременно шарнирный узел 13 обеспечивает возможность взаимного углового перемещения (в определенных пределах) относительно оси 0-0 вала 2 и муфты 12 (см. фиг. 1, 2) при передаче крутящего момента от вала 1 к валу 2. На П-образных элементах муфты 12 смонтированы две группы магни- толроводов 14, 15 и 16, 17 (см. фиг. 1-6), причем каждый магнитопровод охватывает соответствующий П-образный элемент муфты 12. Каждый магнитопровод снабжен полюсными наконечниками (см. фиг. 1-6), которые обращены к соответствующим П- образным элементам муфты 11, при этом каждые магнитопровод и соответствующий П-образный элемент муфты 11 образуют магнитную цепь, магнитный поток Ф которого замыкается так, как это изображено на чертеже фиг. 3.

Полюсные наконечники магнитопрово- дов 14 и 15 снабжены (см. фиг. 3-6) постоянными магнитами 18 (например, в виде пластин из материала КС-37 ГОСТ 21559- 76), которые ориентированы относительно соответствующего П-образного элемента муфты 11 в соответствии с чертежом фиг..З. Полюсные наконечники магнитолроводов 16 и 17 выполнены формовкой на поверхностях последних. Магнитопроводы 14 и 15 снабжены соответственно обмотками 19,20 и 21, 22, концы которых соединены между собой последовательно, синфазно. Таким образом, совокупность: магнитопроводы 14, 15, соответствующие П-образные элементы муфты 11, магниты 18 и обмотки 19- 22. образуют четыре датчика скорости (виброскорости), причем в обмотках 19-22 наводятся сигналы при взаимных перемещениях (колебаниях) П-образных элементов муфты 11 относительно полюсов соответствующих магниолроводов, пропорциональные значению виброскорости колебаний. Мэгнитопроводы 16 и 17 снабжены соответственно обмотками 23, 24 и 25, 26, которые включены последовательно. Каждый магнитопровод 16 или 17 с соответствующей обмоткой 23-26 представляет собой электромагнит, предназначенный для силового взаимодействия с соответствующим П образным элементом (выполненным из ферромагнитного материала) муфты 11 (см. фиг. 1). Концы обмоток 19-22 через коллектор 9 подключены ко входу Вх электронного

блока 27, а к выходу Вых блока 27 подключены обмотки 23-26. Последовательное соединение обмоток 19-22 и 23-26 осущестЕлено на клеммных колодках, которые условно на приводимых чертежах не изображены, но место их размещения обозначено на фиг. 1 стрелкой В.

Электронный блок 27 представляет собой усилитель, обеспечивающий преобразование маломощных сигналов, наводимых в обмотках 19-22 в мощные токовые сигналы, поступающие в обмотки 23-26.

Блок 28 (частотомер), подключенный ко входу Вх блока 10 (или, что то же, к выходу

приемника 8 колебаний упругого элемента 3) предназначен для измерения частоты колебаний упругого элемента 3, текуще-г значение которой является функцией постоянного крутящего момента, передаваёмого от ведущего к ведомому валу.

Заявляемый способ измерения крутящего момента реализуется посредством заявляемого устройства следующим образом. Цилиндрический упругий чувствительный элемент 3 возбуждается на одной из своих окружных частот колебаний (предпочтительно с числом целых волн по окружности, например, , см. (4), сечение упругого элемента 3 при максимальной деформации

в этом случае имеет форму эллипса). Требуемое значение частоты колебаний элемента 3 обеспечивается, например, фильтром, настроенным на заданную частоту и размещенном в блоке 10 (на фиг. 1 частотный

фильтр условно не обозначен). Возбуждение элемента 3 осуществляется по автогенераторной схеме, посредством устройств: возбудитель 7, приемник 8 колебаний и усилитель 10. При передаче крутящего момента

М (см. фиг. 1) от вала 1 к валу 2 упругий элемент 3 деформируется таким образом, что его торцы (связанные с шарнирными узлами 4 и 5. см-, фиг. 1) взаимно поворачиваются относительно оси 0-0 на некоторый

угол а., чему соответствует изменение значения частоты f колебаний упругого элемента 3 на некоторую величину Af, Одновременносупругим элементом 3 на тот же угол поворачивается (деформируется)

муфта 11, см. фиг. 5, 6.

При наличии переменной составляющей m крутящего момента (см. фиг. 2) упругий элемент 3, а, следовательно, и муфта 11, колеблются относительно некоторого номинального положения с угловой скоростью о(см. фиг. 6). При этом П-образные элементы муфты 11, выполненные из ферромагнитного материала, перемещаются в сечении

МЭГ НИТНОГО ПОТОКИ Ф МПГНИЮП 18 (СМ, фИГ.

Колебания муфты 1.1 относительно муф- ты|12, вызываемые наличием переменной составляющей измеряемого крутящего мо- мейта, обеспечиваются шарнирным узлом 13, который может быть выполнен, например, в виде подшипника скольжения.

Общее количество П-образных элементов; муфт 11 и 12 может быть произвольным, однако обязательно каждому магнитопро- воДу муфты 12 должен соответствовать П- обЬазный элемент муфты 11. Целесообразно количество П-образных эле- в каждой муфте выбрать четным, чтобы количество датчиков скорости было равно количеству электромагнитов, так это пофоляет каждому датчику скорости поста- вит|ь в соответствие электромагнит, что обеспечивает, во-первых, простоту балансировки, и. во-вторых, обеспечивает воз- мо ность дальнейшего развития устройства, например, путем подключения каждой, обмотки электромагнита к соответствующему датчику виброскорости через соответствующий усилитель.

Применение постоянных магнитов в по- люсных наконечниках магнитопроводов по- выц)ает технологичность конструкции и упрощает ее, однако не является обязательным : возможно построение датчиков виброскорости на основе электромагнитов,

однако при этом требуется дополнительное оборудование.

Как следует из приведенного описания работы устройства, при его функционировании осуществляют измерение крутящего момента при наличии переменной составляющей, причем измерение осуществляют посредством механического чувствительного элемента (т.е. посредством чувствительного элемента 3). В процессе измерения переменную Составляющую крутящего момента компенсируют дополнительно, деформируя чувствительный элемент 3 в плоскости его чувствительности (т.е., в плоскости вращения валов 1 и 2 и муфт 11 и 12) путем поворота муфты 11 посредством электромагнитов, размещенных на муфте 12. При этом направление и значение перемещения муфты 11, а, следовательно, и де формация элемента 3, вызванные действием электромагнитов, соответственно инверсно и пропорционально направлению и значению перемещения и деформации муфты 11 и элемента 3, вызванным переменной составляющей крутящего момента,

Формула изобретения

кронштейн, на котором размещены подключенные к электронному блоку возбудитель и приемник колебаний упругого чувствительного элемента, отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения погрешности усреднения, вы- зыёэемрй-переменной составляющей измеряемого крутящего момента, в него введены второй усилитель, выполненная из немагнитного материала в виде набора П-образ- ных элементов вторая муфта, установленная соосно первой муфтой, охватывающая ее и жестко связанная с ведущим валом, шарнирный узел, связывающий вторую муфту и ведомый вал с возможностью обеспечения взаимного поворота относительно их общей оси, магнитопроводы, каждый из которых выполнен в виде двух

0

5

полюсных наконечников, обращенных к соответствующему П-образному элементу первой муфты, и охватывающий соответствующий П-образный элемент второй муфты, и обмотки, размещенные на каждом магнитол роводе и подключенные к второму усилителю, причем П-образные элементы первой муфты выполнены из ферромагнитного материала.

Составитель Д.Зайцев Техред М.Моргентал

Корректор М.Самборская

Редактор Н.Федорова

Заказ 3135Тираж Подписное

ЙНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Корректор М.Самборская