Многокомпонентный датчик сил и моментов

 

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 сйловоспрйнймаюЧцеЙ частью (1) и основанием

„„Я2 „„1747961 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 1 1/22, 5/16, G 01 6 9/00 " t jО)Л

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ц., :::::, :; :;::. Ь.".4.

1 (21) 4829053/10 (22) 28.05.90 (46) 15.07.92. Бюл. ¹ 26 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт по спортивным изделиям (72) М.А.Трахимович (53) 531,781(088.8) (56) Авторское свидетельство НРБ

N 29690, кл, G 01 L 1/22, 1979.

Авторское свидетельство СССР

M 974155, кл. G 01 L 1/22, 1981. .(54) МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ ДАТЧИК

СИЛ И МОМЕНТОВ (57) Использование; область измерительной техники и может быть использовано в качестве мийиатюрного многокомпонентного динамометра для измерения сйл и моментов резания в металлообработке, а также в качестве миниатюрных внутрймодельн ых аэродийамических весов. Сущность изобретения . датчик содержит силовоспринимаюИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве миниатюрного многокомпонентного динамометра для измерения сил и моментов резания в металлообработке и в других технологйческих процессах, в качество миниатюрных внутримодельных аэро„динамических весов, для очувствления роботов, в эргономических исследованиях, в приборах и тренажерах спортивного назначения и тд.

Известен многокомпонентный датчик сил и моментов; содержащий силовоспринимающую часть, основание и соединяющие их стержни с измерительныЬ

2 щую часть(1), связанную с параллельным ей основанием (2) шестью стержнями (3-8) с тензорезисторами;при этбм стержни (3-8) выполнены с прямоугольйым сечением и одинаковыми по длйне, и скреплейы с сйловоспринимающей частью (1) и основанием (2) при помощи третьих заделок (9), а основание (2) и силовоспринимающая часть (1) представляет собой повернутые относительно друг друга на угол 60 треугольники, стержни (3 — 8) скреплены попарно в верши нах основания (2) и силовоспринимающей части (1), а углы при вершинах треугольных граней, образованных стержнями (3 — 8) в месте закрепления в силовоспринимающей части (1) составляют 108 — 120, а сами эти ф вершины находятСя в вершиййх треугольника сйловоспринимающей части (1), при этом fJ} длина каждого стержня в три и более раза йревышает длину большей стороны его сечения и в два и более раза превышает базу: Я тензорезисторов, 9 ил. мй преобразователями, которым присущи сложность и статическая неопределенность кОНструкции с йестабйльностями во времени и по температуре, Цель изобретения — упрощение. конструкции и повышенйе технологичности ее изготовления, повышение точности измерений как в статике так и в динамике, расширение динамйческогб диапазона измерений и миниатюризации. . На фиг,1 схематично изображен предлагаемый датчик; на фиг,2 — конструкция одного из стержней с тензорезисторами; на фиг.3 --- -схема включения тензорезисторов каждого стержня в мост Уинстона; на фиг.41747961 ресечении равносторонние треугольники (пунктирные линии на фиг.1). Каждый, стержень 3-8 имеет длину L и прямоугольное сечение со сторонами ахЬ, причем величина

L равна или больше утроенной большей стороне сечения(а или Ь}, На противоположных сторонах каждого стержня вдоль его оси в

20 средней части наклеены тензорезисторы 10 с базой 1, которые преобразуют деформацию растяжения — сжатия стержня в изменение своего омического сопротивления, При этом длина L любого стержня равна

25 (или) больше удвоенной величине базы 1. В . непосредственной близости от рабочих тен. зорезисторов 10 перпендикулярно осям, 30 стержней 3-8 наклеены компенсацйонные тензорезисторы 11, Если величины сторон сечений а и Ь стержней меньше базы тензорезисторов 11, то последние могут быть наклеены на силовоспринимающей части 1 (например, заштрихованные полости 12 на 35 фиг.2) или на основании 2 вблизи своих стержн.ей, Все тенэорезисторы 10 и 11 (или 10 и,12) каждого из стержней включены в мосты

Уинстона (всего в устройстве шесть мос- 40 тов — по числу стержней), выходные на- . пряжения которых Чз-Чв пропорцибнальны деформациям растяжения — сжатия соответствующих стержней. Причем рабочие тензорезисторы 10 каждого стержня включены в 45 противоположные плечи маста Уинстона, а компенсационные тензорезисторы 11 (или

12) — в смежные с первыми плечи моста

Такое известное. включение тенэорезисто50 ров 10, 11 (или. t2) обеспечивает компенсацию изгибной деформации стержней, минимизируеттемпературную и временную нестабильность всех шести мостовых схем.

Устройство работает следующим образом;... 55

Воздействующйе на силовоспринимаю- щую часть 1 векторы силы и момента (не ..показаны} приводят к соответствующей деформации части или всех шести 3-8 стержней, Как показали экспериментальные

9 — схемы вычисления компонент измеряемых векторов силы и момента Pi, Py, Px, M(z), М(у) и M(x) в показанной на фиг.1 системе координат XYZ, Датчик состоит из силовоспринимаю- 5 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 ф= 10 . - 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 пеиссл -poeaHvta, доминирующим видом деформации каждого стержня является растяжение — Сжатие, которые и воспринимают рабочие тензореэисторы 10, В результате вйходные напряжения каждого моста Чз-Чя пропорциональны нормальным силам соответствующих стержней 3-8.

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

Px, Py, Pz и трех составляющих момента М(х), М(у) и (Mz) по выходным напряжениям мостов Чз — Ve. Для решения этой известной задачи используются известные устройства, напрймер шесть сумматоров на операционнь1х усилителях с соответствующими коэффициентамй пе редачи и инверсиями (фи r.4 — фи г,9),;

Использование заделок 9 концов всех стержней, а не сферических шарниров, обеспечивает упрощение конструкции устройства и ее технологичности.. Этим же це- . лям 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 Вместе с частями силовоспринимающей части 1 и основания 2 с последующей сваркой мест соединений и т.д . Прямоугольное сечен 1е 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, минимизацйи 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 ф= 108-120 в трех плоскостях, перпендикулярных силовоспринимающей части 1 и основанию 2 в виде равносторон-, них треугольников, повернутых друг относительно друга под углом 60О. Для минимизации размеров. устройства экспериментально определены предельные соотношения; длина каждого стержня в три раза превышает размер большей стороны его сечения (а или О) и в два раза превышает базу рабочих 10 тензорезисто ров 1.

1747961

Формула изобретения

Многокомпонейтный датчик сил и моментов, содержащий силовоспринимающую часть, связанную с параллельным ей основанием шестью стержнями с тензорезисторами, о тл и ч а ю щи йс я тем, что, с целью повышения точности и уменьшения габаритов, стержни выполнены с прямоугольным сечением и одинаковыми по длине, и скреплены с силовоспринймающей частью и основанием при помощи жестких эаделок, а основание и силовоспринимающая часть представляют собой повернутые друг относительно друга на угол 60 треугольники, при этом стержни скреплены поРр парно в вершинах основания и силовоспринимающей части, и углы при вершинах треугольных граней, образованных стержнями . в месте закрепления в силовоспринимаю5 щей части составляют 108 — 120О, а сами эти вершины находятся в вершинах треугольника силовоспринимающей части, при этом треугольные грани с вершинами в си-ловоспринимающей части перпендикуляр10 ны плоскости основания и плоскости силовоспринимающей части, а длина каждого стержня а три и более раза превышает длину большей стороны его сечения и в два и более раза превышает базу тензорезисто15 ров, Ру

1747961

1747961

1747961

Составитель M.Òðàõéìîâè÷

Редактор M.Âàcèëüåâà . Техред M,Mîðãåíòàë Корректор C,×åðíè

Заказ 2496 - Тираж :: .: Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб. ; 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина; 101: .