Устройство для измерения крутящего момента и угла поворота на вращающихся валах Советский патент 1993 года по МПК G01L3/10 

Изобретение может использоваться в информационно-измерительной технике, системах управления для измерения одним устройством крутящего момента, возникающего на вращающихся валах и угла поворота этих валов одновременно в. механосборочном механизированном инструменте на любых вращающихся валах машин и механизмов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет изме- рения угла поворота и повышение чувствительности.

Таким образом конструкция выполняет две функции. Одна функция - симметричный подвод магнитных потоков с двух сторон под подвижное токспроводящее кольцо с винтовым пазом, и вторая функция - это экранирование магнитных потоков от протекания их по валу, который передает усилие.

При рассмотрении действия экрана, которым является подвижное токопроводящее кольцо, на переменный магнитный поток, удобно исходить из того, что экран для магнитного потока является магнитным барьером. При идеализации характера процессов можно принять, что через экран маг- нитный поток не проходит. Ширина винтового паза оказывается уже достаточно в 1,5 мм, Через винтовой паз магнитный поток проходит и со скоростью вращения этого винтового паза, на измерительной обмотке индуцируется ЭДС.

Так как обмотки возбуждения устройства для измерения крутящего момента и угла поворота на вращающихся валах включены по дифференциальной схеме, а упругая вставка выполнена конструктивно тоже

со

о ю ы со ел

дифференциально, то все устройство можно назвать дифференциальным. Дифференциальные устройства обладают преимуществами; линейная часть характеристики получается на большем участке, уменьшается электродинамическая сила, действующая на экран, т.к. в дифференциальных системах она является разностью сил со стороны половины магнитопровода, и половины дифференциальной упругой вставки.

Устройство для измерения крутящего момента и угла поворота на вращающихся валах представлено на фиг. 1 и состоит из неподвижного кольцевого элемента 1, служащего магнитопроводом, дискообразные крышки 2, с цилиндрическими втулками 3, втулок 4, с запрессованными в них подшипниками качения 5, средней части магнитопровода с разрезами вдоль осевой линии б, две симметрично расположенные обмотки возбуждения 7, измерительная обмотка 8, подвижное токопроводящее кольцо 9, с прорезанным винтовым пазом 10, сухаря 11, предназначенного для крепления этого подвижного токопроводящего. кольца с прорезанным винтовым пазом, упругая вставка 12, место крепления упругой вставки точечной сваркой 13 к валу 14, передающей усилие..

На фиг. 2 показана средняя часть магнитопровода с разрезами вдоль осевой линии; на фиг. 3 показано подвижное токопроводящее кольцо с прорезанным винтовым пазом; на фиг. 4 показаны дискообразные крышки с цилиндрическими втулками; на фиг. 5 показаны осциллограммы снимаемых с измерительной обмотки устройства для измерения крутящего момента и угла поворота на вращающихся валах.

Устройство работает следующим образом, При подаче переменного напряжения прямоугольной формы со скважностью 2 в обмотки возбуждения 7, включенные по дифференциальной схеме, в неподвижном кольцевом элементе 1, служащим магнитопроводом, возникают два магнитных потока Фт и Фг (фиг. 1), направленных встречно друг к другу, противоположного направления, которые подводятся по дискообразным крышкам 2, с цилиндрическими втулками 3, магнитные потоки подводятся под подвижное токопроводящее кольцо 9 с прорезанным пазом 10. Так как это подвижное токопроводящее кольцо с прорезанным винтовым пазом располагается симметрич- .но относительно геометрического центра неподвижного кольцевого момента 1, служащего магнитопроводом, то он автоматически сказывается в магнитной нейтрали, которая, в свою очередь, совпадает с геометрической нейтралью и ЭДС в измери. тельную обмотку не наводится. За счет вылучивания магнитных потоков, краевых

эффектов и не идеальной симметрией конструкции частично ЭДС наводится в измерительную обмотку, и, в частности, через винтовой паз в подвижном токопроводя- щем кольце, для удобства условно примем эту ЭДС равной нулю (в действительности

0 2 мВ, что является величиной второго порядка малости).

При вращении в опорах, которыми служат подшипники качения 5 вала 14 с ним соответственно вращается и упругая встав5 «а 12, так как она жестко связана с валом при помощи точечной сварки 13. В,центре упругой вставки через сухарь 11 закреплено подвижное токопроводящее кольцо 9 с прорезанным винтовым пазом 10, также начи0 нает вращаться. За счет магнитного потока, подведенного под подвижное токопроводящее .кольцо с прорезанным винтовым пазом, по симметричным расположенным дискообразным крышкам 2 с цилиндриче5 скими втулками 3 на измерительной обмотке наводится ЭДС пропорционально скорости вращения подвижного токопроводящего кольца 9 с прорезанным винтовым пазом 10. Осциллограмма сигналов, снима0. емых с измерительной обмотки, представлены на фиг. 5(6) и (б ). Его амплитуда Ехх будет отражать угол поворота вала и соответственно всех устройств, расположенных на этом валу.

5 Для того, чтобы все вышеперечисленные сигналы, показанные на осциллограмме, представлены на фиг. 5, более эффективно использовать для анализа и ре- , ализации их без предварительного усиле0 ния, в средней части магнитопровода 6, так же, как и в дискообразных крышках 2, прорезываются сквозные пазы шириной 0,5 мм и не менее 8 прорезей вдоль осевой линии. Благодаря тому, что средняя часть магнито5 провода с разрезами вдоль осевой линии гальванически развязана от протекания по ней вихревых токов и дискообразные крышки с прорезями в торцах также,гальванически развязаны от протекания в них

0 вихревых токов (фиг. 4), то стало возможным резко поднять чувствительность и разрешающую способность всего устройства в целом. Это, в свою очередь, позволило получить достаточную ЭДС в измеритель5 ной обмотке, амплитуды которой хватило для определения второго информативного параметра, а именно угла поворота вала. Здесь средняя часть магнитопровода с разрезами вдоль осевой линии и дискообразные крышки с прорезями в торцах перестали быть короткозамкнутыми витками (или цилиндрами), т.е, не шунтируют магнитные потоки.

Далее, под воздействием нагрузки, уп- ругая вставка 12 будет испытывать силы, которые с одной стороны; где перемычки и их направление совпадут с направлением момента сил, будут испытывать расширение, в то же самое время противоположные перемычки не совпадут с направлением мо- мента сил, в этом случае перемычки будет испытывать сжатие. Средняя часть упругой вставки 12, где закреплено через сухарь 11 подвижное то коп ро водящее кольцо 9 с прорезанным винтовым пазом 10, переместить- ся в ту или иную сторону от нейтрали, в зависимости от знака п риложен ного момента сил. В измерительной обмотке изведется ЭДС, пропорциональная крутящему моменту, приложенному к валу. Осциллограмма сигналов, снимаемых с измерительной обмотки, представлена на фиг. 5(6) Ехх;

Необходимость совмещения функций в одном устройстве, таких, как крутящий момент и угол поворота его вала,.вызвана ост- рой необходимостью, возникшей в автоматизированном механосборочном производстве.

Такие устройства в механосборочном производстве используются в гайковертах и других аналогичных устройствах, для определения усилия на собираемых изделиох в интерактивном режиме в момент их соединения, где требуется знать еще и угол пово- рота собираемого резьбового элемента. Это позволило связать определение момента затяжки резьбового соединения с усилием затяжки, которое характеризуется выражением

MKp Qtg(0+/o)где МКр - крутящий момент на валу привода;

Q - усилие на выходе сборочного уст- ройства;

угол резьбы;

р- угол трения; . dcp - средний диаметр резьбы;

ftp - коэффициент трения.

Как видно, в выражение (1) входит коэффициент трения (р arctg fTp), который изменяется в широких пределах, как в процессе выполнения резьбового соединения, так и при переходе от одного изделия к другому.

Это выражение (1) представляет собой зависимость момента на ключе от силы затяжки резьбового соединения. В него в яв5 10 1520, 25

30 35 40

45

50

55

ном виде не входит коэффициент трения. Кроме того отпадает необходимость вычисления опорной поверхности торцов поверхностей резьбовых элементов. Из всех геометрических размеров необходимо знать лишь шаг резьбы

если -&- (р, тогда Мкр tg p; при fTp(Јt)

М

Q

где р - угол, на который закручивается собираемое изделие;

- погрешность, возникающая при измерении угла поворота.

После того, как усилие затяжки превысило некоторую величину, соответствующая обжатию стыка, зависимость момента и усилия затяжки от угла поворота (f) в упругой зоне имеют место линейный характер. На линейном участке производная dM/dQ Const. Значит на таких устройствах, как механизированный инструмент, необходимо измерять, кроме момента М, еще и угол поворота ,р; Для того, чтобы не использовать в механосборочном инструменте еще и датчик измерения угла поворота, в предлагаемом устройстве для измерения крутящего момента, одновременно совместим еще функцию измерения угла поворота вала привода, при помощи которого передается усилие на собираемое резьбовое соединение.

Кроме вышесказанного, у. устройства для одновременного измерения крутящего момента на вращающемся валу и угла поворота появилась еще возможность использовать подвижный токопроводящий виток, прорезав в нем винтовой паз, получить еще функцию преобразования, а именно измерять угол поворота вала одновременно с измерением крутящего момента. На фиг. 5 показана осциллограмма напряжений, где: Un напряжение питания прямоугольной формы со скважностью 2(а) и (а1); ЕХх - напряжение на измерительной обмотке в режиме холостого хода, без нагрузки; ЕСр - усредненное значение выходной ЭДС. В дальнейшем на фиг, 5 индексы без штрихов относятся к напряжениям снимаемым для крутящего момента, а со штрихами к измерению угла поворота вала.

Рассмотрим работу синхронного коммутирующего устройства, управляемого с помощью микропроцессора. Работа коммутирующего, устройства в статическом режиме показана на осциллограмме. Использование синхронного коммутирующего устройства с прямоугольной формой

напряжения несущей, обеспечивает подавление синфазных помех и квадратурной составляющей сигнала на выходе. Синхронное коммутирующее устройство выполняется на МОП-ключах. На фиг. 5(в) и (г), а также (в) и (г ), форма управляющего напряжения hi , ha , а также hi и ha, разнесены во времени, которые управляются импульсами, поступающими от микропроцессора. Заряд конденсаторов RC-цепочки показан на фиг. 5 (Vci), (Vca) до установив- шегося значения. На фиг. 5(е) и (е ), напряжение на выходе коммутирующих ключей. Моменты времени ti; ta; ta; t4 и т.д. синхронизированы с моментами перехода через ноль управляющего напряжения, где: Щ со. Здесь: СУн - частота управляющего напряжения, со - частота несущего напряжения. Номиналы конденсаторов выбираются из условия: 1/(ft)jCCp) « R. При этом составляющие напряжения с частотой щ выделяются на резисторе R и на выходе коммутирующего устройства Увых формируется напряжение, близкое к прямоугольному напряжению с амплитудой ЕСр. Длительность фронтов выходного напряжения определяется только быстродействием коммутирующего устройства, Структурно коммутирующее устройство представляется как идеальный демодулятор звена постоянного тока с передаточной функцией вида:

W(P)(P)+1.

Подбором постоянной времени г mRC достигается требуемый вид АЧХ по огибающей Lhebix и Ui вых, фиг. 5(д) и (д ), где: m - коэффициент пропорциональности; Р -оператор Лапласа Р j W(P) - передаточная функция демодулятора. После демодулятора напряжение Е« снимается с конденсатора и будет равно:

Aj

IJftlt;

Bjl

.

для открытого ключа коммутирующего устройства hi и закрытого h2 в следующий

полупериод времени, Aj и Bj ljwt - составляющие после заряда конденсатора коммутирующего устройства.

На выходе коммутирующего устройства с различными временами выборки образуется информации о крутящем моменте на вращающихся валах и времени выборки, характеризующих угол поворота вала.

Микропроцессорная обработка для одновременного измерения крутящего момента на вращающихся валах и углах поворота работает следующим образом.

51. При подаче в обмотке возбуждения переменного напряжения прямоугольной формы со скважностью 2 на измерительной обмотке при прикладываемой нагрузке к валу образуется сигнал, форма которого

10 показана на фиг. 56 и 56. Здесь информативным параметром служит амплитуда усредненного значения Еср при условии, что переход выборки будет не менее Т/4, а информативным параметром будет являться

15 амплитуда этой выборки. При измерении крутящего момента разрезы вдоль средней- части магнитопровода с разрезами вдоль осевой линии (фиг. 2) не влияют на чувствительность, и наоборот, пересечение по20 движного токопроводящего кольца и его прореза (фиг.З) дают всплеск амплитуды в момент переходного процесса. Длительность этого импульса значительно (на порядок) отличается от длительности выборки

25 информативного сигнала, характеризующего зависимость момента от времени. Напряжение при частоте следования импульсов 1500 Гц со1 скважностью 2 и времени выборки информативного параметра крутяще30 го момента составляет 725/г S т , Т2, фиг. 5. Где: TI и ri - для положительного, т-г и тг - для отрицательного полупериодов. Время выборки, характеризующее измерения оборотов порядка 25 (л S т, га , фиг. 5, Так как

35 информативностью о крутящем моменте достаточно 375/л s , то запас по времени для обработки этого сигнала достаточно 725 /и s за вычетом 375 и, соответственно, 25 fi s . .Оставшихся 350/i sj вполне достаточно.

40 Амплитуда выборки зависит от крутящего момента прямо пропорционально, возникающего под воздействием нагрузки на валу. Таким- образом, мы имеем информацию о крутящем моменте, возникающем на вра45 щающихся валах.

2. При вращении вала совмещенного устройства для одновременного измерения крутящего момента и угла поворота- вала, после опроса микропроцессором коммути50 рующего устройства с периодом Т/4 в момент перехода информативного сигнала через прорезь образуется выброс импульса. Длительность импульса отличается на порядок от основного периода выборки. Этот

55 выброс и его амплитуда несут информацию об угле поворота вала внутри магнитопровода. Это происходит следующим образом. При вращении упругой вставки и соответственно подвижного тиокопроводящего кольца с прорезанным винтовым пазом вращается вместе с ней, т.к. оно жестко связано с упругой вставкой. А так как подвижное токо- проводящее кольцо с прорезанным винтовым пазом и толщиной прорезей соизмеримых с толщиной пропила средней части магнитопровода с разрезами вдоль осевой линии и перекрывающего прорезанный винтовой паз, то в этот момент за счет выпучивания магнитного потока и его экра- нирования, в момент прохождения прорези подвижного токопроводящего кольца, образуется на общем импульсе, который соответствует одному обороту подвижного токопроводящего кольца с прорезанным винтовым пазом а, значит, и вращения вала. Ширины прорезей и их расположение на подвижном токопроводящем кольце не вли- яют на информацию, полученную от измерения крутящего момента на вращающемся валу. Амплитуда этого выброса будет характеризовать количество оборотов, совершаемое валом за единицу времени 1/п, что с углом поворота вала и моментом сил на этом валу связана с выражением

(рп (у±1/п).

где рп - угол поворота вала и подвижного токопроводящего кольца, одетого на него; - шаг пазов, при шаге, равном единице, можно отобразить в виде заполнения информационного сигнала импульсами, тогда выражение (3) будет иметь вид:

р-(р±1/п),. (4)

что имеет определенный смысл, где р- модуль сопряжений. Величина рр/п определяет дискретность модуля сопряжения, т.е. шаг пропилов средней части магнитопровода, разделенной на п частей, Амплитуда выходного сигнала связана с оборотами вращающегося вала следующим образом: чем чаще будет проходить прорезь на не- подвижном кольцевом элементе, служащим магнитопроводом под прорезью токопроводящего кольца, тем меньше будет амплитуда выброса.

Поставленная цель тем самым достиг- нута. Функциональные возможности таких устройств, в которых совмещаются две функции, в данном случае крутящий момент и угол поворота вала, очевидна. Прорезь подвижного токопроводящего кольца, пересе- кая среднюю часть магнитопровода с разрезами вдоль осевой линии, не мешает иметь информативный параметр о крутящем моменте менее достоверным. Эти раз510 15 2025

30

35

4045 5055резы значительно уменьшают утечки аихре- вых токов внутри средней части магнитопровода, что увеличивает разрешающую способность всего устройства, а также увеличивает его чувствительность из-за уменьшения нагрева неподвижного кольцевого элемента, служащего магнитопроводом, вихревыми токами. Соответственно увеличивается надежность всего устройства в целом.

Устройство для измерения крутящего момента и угла поворота на вращающихся валах, отличающегося от известного тем, что в нем используется средняя часть магнитопровода с разрезами вдоль осевой линии, тем самым осуществлена гальваническая развязка, дискообразные крышки с цилиндрическими их втулками и также гальванически развязаны, концы которых подведены под подвижное токопро- водящее кольцо с прорезанным винтовым пазом, что наделает эту конструкцию новыми функциональными свойствами, такими, как возможность измерять угол поворота вала. Средняя часть магнитопровода получается разрезанной как бы на множество частей, сохраняя перемычки для механической связи с корпусом неподвижного кольцевого элемента, служащего магнитопроводом, Для вихревых токов образуется большое сопротивление в средней части магнитопровода, тем самым увеличивается коэффициент потокосцепления между обмотками возбуждения и измерительной обмоткой, и, соответственно, увеличивается разрешающая способность всего устройства в целом.

Использование микропроцессора позволило по-новому организовать съем информации для анализа и обработки выходного сигнала с устройства, Это дало возможность использовать вышеприведенные выражения (1), (3), (4) для вычисления с их помощью усилия и угла затяжки собираемых изделий. Накопление за ряд измерений значения величин измерений можно сравнивать между собой и усреднять по любому закону результаты измерений, что позволило значительно повысить точность измерений как крутящего момента, возникающего на валу, так и угла поворота этого вала.

Формула изобретения

Устройство для измерения крутящего момента и угла поворота на вращающихся валах, содержащее упругую вставку, размещенную на валу, магнитопровод в виде неподвижного кольцевого элемента, имеющего форму полого цилиндра, подвижное токопроводящее кольцо, обмотку возбуждения и измерительную обмотку, отличаю- щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет измерения угла поворота и повышения чувствительности, в него с двух сторон неподвижного кольцевого элемента введены дискообразные крышки с цилиндрическими втулками, размещенными симметрично с двух сторон вала между по

движным тэкопроводящим кольцом и упругой вставкой и снабженными соосными прорезями в торцах, а средняя часть подвижного кольцевого элемента выполнена в виде размещенного внутри него полого цилиндра, снабженного прорезями вдоль осевой линии и охватывающего упругую вставку, при этом в подвижном токопрово- дящем кольце выполнен винтовой паз.

ВидР

Использование: в информационно-измерительной технике, системах управления для измерения одним устройством крутящего момента и угла поворота на любых Йра- щающихся валах машин и механизмов. Сущность: устройство содержит упругую вставку, размещенную на валу, магнитопро- вод в виде неподвижного кольцевого элемента, имеющего форму полого цилиндра, подвижное токопроводящее кольцо, обмотку возбуждения, измерительную обмотку, дискообразные крышки с цилиндрическими втулками, размещенными симметрично с двух сторон вала между подвижным токо- проводящим кольцом и упругой вставкой и снабженными соосными прорезями в торцах,, а средняя часть подвижного кольцевого элемента выполнена в виде размещенного внутри него полого цилиндра, снабженного прорезями вдоль осевой линии и охватывающего упругую вставку, при этом в подвижном токопроводящем кольце выполнен винтовой паз. 5 ил.