Устройство платформенного типа для многокомпонентного измерения сил и моментов

 

Сущность изобретения: устройство содержит квадратную силовоспринимающую плиту, связанную с основанием через четыре одинаковых упругих элемента. Упругий элемент включает два стержня, один из которых расположен перпендикулярно к плоскости силовоспринимающей плиты, а другой параллельно ей. Узел соединения стержней - посадочный цилиндр соосен стержню и имеет резьбовое отверстие. Промежуточный силопередающий элемент включает прилив на силовоспри нимающей плите с упорным, посадочным отверстием и посадочный цилиндр и затяжной винтовой элемент. На каждом упругом элемента размещены шесть тензодатчиков, три из которых расположены на стержне, а три - на стержне. Стержни образуют угол 45° с координатными осями. Силовоспринимающая плита выполнена в виде тонкостенной ребристой конструкции и выполнена из металла или композитного материала. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 1 5/16

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВедОмстВО сссР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4880034/10 (22) 12.10.90 (46) 23.12.92. Бюл. М 47 (71) Московский институт инженеров железнодорожного транспорта (72) В,В.Багреев, M.À.TðýxèìîBè÷ и P.M.Мешойрер (56) Патент США М 3640130, кл, 73-133, 1972.

Ав-юрское свидетельство СССР

М 1281938, кл. G 01 1 5/ 16, 1984, (54) УСТРОЙСТВО ПЛАТФОРМЕННОГО

ТИПА „" ЧЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ И МОМЕНТОВ (57) Сущность изобретения: устройство содержит квадратную силовоспринимающую плиту, связанную с основанием через четыре одинаковых упругих элемента. Упругий

Изобретение относится к силоизмерительной технике и предназначено для многокомпонентного измерения сил и моментов.

Известно устройство платформеннога типа для многокомпонентного измерения сил и моментов, состоящее из силоаоспринимающей плиты, основания и связывающих их между собой четырех датчиков силы . — трехкомпонентных измерительных устройств в виде поджатых совместно трех пар колец, вырезанных по различным направлениям из кристаллов кварца.

Главным недостатком этого устройства является невозможность осуществления. Ы, 1783329А1

2 элемент включаетдва стержня, один из которых расположен перпендикулярно к плоскости силовоспринимающей плиты, а другой параллельно ей. Узел соединения стержней — посадочный цилиндр соосен стержню и имеет резьбовое отверстие. Промежуточный силопередающйй элемент включает прилив на силовоспринимающей плите с упорным, йосадочным"отверстием и посадочный цилиндр и затяжной винтовой элемент,. На каждом yApyroM элемента раз- мещены шесть тензодатчиков, три из которых расположены йа стержне, а три — на стержне. Стержни образуют угол 45 с координатными осями. Силовоспринимающая плита выполнена в виде тонкостенной ребристой конструкции и выполнена из металла или композитнаго материала. 4 з.п,ф-лы, 4 ил.

4 статических измерений наряду с динамическими.

4д

Известно устройство платформен ного Ы типа для многокомпонентного измерения сил и моментов, выбранное прототипом, со- © стоящее из силовоспринимающей плиты, соединенной с основанием через три упру гих элемента, состоящих из двух соединением ных под прямым углом стержней. Упругие элементы прикреплены к силовоспринимающей плите в местах соединения между собой входящих в них стержней, При этом первый стержень каждого упругого элемента перпендикулярен к поверхности силовоспринимающей плиты. Координаты в плане точек опирания силовоспринимающей пли1783329 к снижению собственных частот, особен- 55 но, для перемещений в плоскости плиты.

Также увеличиваются зависимость результатов измерений от точки приложения нагрузки и взаимовлияние измеряемых компонент. Указанные недостатки усугубты выбраны из условия максимальности низшей собственной частоты. Ориентация плоскости всех упругих элементов обеспечивает максимальную жесткость и перегрузочную способность.

Рабочей деформации стержней всех упругих элементов является растя>кение-сжатие, для измерения которого на поверхности каждого стержня вдоль осей противоположных боковых граней напротив друг друга размещены два рабочих тензодэтчйка,-последовательйо включенных в одно плечо мостовой измерительной схемы.

Главный вектор и главный момент нагрузки, приложенной к силовоспринимающей плите, определяется из условий равновесия по сигналам, получаемым с шести мостовых измерительных схем. Для этого в прототипе использованы шесть операционных усилителей (по числу мостовых схем) и шесть сумматоров с соответствующими коэффициентами передачи.

Недостатки прототипа следующие. Использованная статистически определимая трехопорная система имеет предел повышения частот изгибных колебаний силовоспринимающей плиты, а также парциальных колебаний последней как твердого тела. Наличие свисающих частей приводит к зависимости выходного сигнала ат точки приложения нагрузки и большому взаимовлиянию между измеряемыми деформациями, а также ограничивает перегрузочную способность устройства. Решение этих задач увеличением толщины силаваспринимающей плиты увеличивает высоту устройства и ухудшает частотные характеристики системы, т.к. приводит к увеличению массы.

Крепление упругих элементов к силаваспринимающей плите осуществлено затяжкой через выступ на силовоспринимающей плите, имеющей резьбовое отверстие, саасное первому стержню. При этом диаметр резьбоsoA части затяжного болта дол>хен быть меньше стороны сечения стержня, Усилие затяжки болта ограничено и уменьшена .прочность упругого элемента в месте крепления силовоспринимающей плиты.

Слабая затяжка приводит к микроподвижкам в резьбовом соединении, соиэмеримым с измеряемыми деформациями, и к уменьшению жесткости, а следовательно, 5

/ ляются значительным расстоянием между рабочей поверхностью плиты и осями вторых стрежней упругих элементов. Растет высота устройства и, как следствие, ухудшается его встраиваемость.

Использование и измерение в качестве рабочих только деформаций растяжения-сжатия приводят к погрешностям, связанным с тем, что фактически стержни, кроме растяжения-сжатия, испытывают изгиб в различных плоскостях. В результате осуществляемые измерения имеют погрешности, связанные с нестабильностью во вре-, мени и по температуре, с взаимовлиянием измеряемых компонент нагрузки, с зависимостью от точки приложения нагрузки.

Аналоговая обработка сигнала, отсутствие коммутатора, аналого-цифрового преобразователя и процессора не позволяют повысить качество измерений за счет корректировки выходных сигналов с помощью матрицы взаимовлияния и их фильтрации численными методами без фазовых искажений.

Отсутствие средств крепления силовоспринимэющей плиты к упругим элементам внутри угла пересечения стержней последних приводит к снижению жесткости крепления, а следовательно, к сни>кениюсобственных частот устройства и увеличению гистерезиса;

К сни>кению частот собственных колебаний приводит также отсутствие пластины, обьединяющей ребра жесткости в пределах опорного треугольника.

Изготовление силовоспринимающей плиты из традиционных материалов с малым отношением модуля упругости к плотности не позволяет одновременно увеличивать изгибную жесткость и уменьшать массу плиты с целью сдвига спектра собственных колебаний в область высоких частот для снижения погрешностей измерений, Цель изобретения — повышение точности и расширение динамического диапазона измерений, увеличение максимально допустимых нагрузок и уменьшение высоты устройства, повышающее его встраиваемасть. Это приводит к увеличению возможностей устройства и расширению области процессов, для измерения которых оно может быть использовано с более достоверными результатами.

Указанная цель достигается тем, что в. устройство платформенного типа для многокомпанентного измерения сил и моментов, содержащее силовоспринимающую плиту, прикрепленную жестко к основанию через три упругих элемента в виде плоских рэм, состоящих из двух соединенных между

1783329 собой под прямым углом в местах крепления к плите стержней с размещейными на них тензодатчиками, причем первые из стержней каждого уп ругого элемента расположены перпендикулярно к плите, а вторые — параллельно ей, введены четвертый уйругий элемент, четыре промежуточйых силопередающих элемента по числу упругих элементов; коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и процессор. Силовоспринимающая плита выполнена квадратной со стороной L и прикреплена к упругим элементам в углах квадрата со сторонами (0,5-0,6)L, параллельны.ми сторонам силовоспринимающей плиты, Плоскость каждого упругого элемента перпендйкулярна к пересекающей еедиагонали силовоспринимающей плиты. Промежуточные силопередающие элементы выполнены в виде соединенных между собой осевым затяжным винтовым элементом прилива на силовоспринимающей плите с упорным посадочным отверстием и пасадочного цилиндра с осевым резьбовым отверстием, соединяющего между собой начала обоих стержней соответствующего уп ругого элемента.

Посадочный цилиндр соосен первому стержню, при этом расстояние (между рабочей поверхностью силовоспринимающей плиты и плоскостью расположейия осей вторых стержней всех упругих элементов и расстояние k между точкой пересечения осей стержней ка;кдого упругого элемента и концам его первого стержня удовлетворяют условию

0,64 0,81.

20

25 чиками и обозначениями проекций сил и моментов в локальной системе координат

0ху, а также с реакциями в точках крепле45 ния его стержней к основанию; на фиг.4— схема расположения и ориентация ребер

В стенке каждого прилива выполнена сквозная прорезь, в которой размещен второй стержень соответствующего упругого

-элемента, Соотношение между сторонам а и Ь, где а b, прямоугольного сечения. каждого стержня и длинами первого и второго стержней I> и Iz каждого упругого элемента выбрано из условия

II < (i=1,2), 4,86 Pmax где Pmax — заданная максимальная продольная сила для стержня, Š— модуль упругости материала.

На каждом стержне каждого упругого элемента размещены по три рабочих тензодатчика, два по оси одной его грани. а третий по оси противоположной грани напротив одного из них, Рабочие тензодат-. чики одного стержня лежат в плоскости, параллельной плоскости упругого элемента, а рабочие тензодатчики другого стержня лежат в плоскости, перпендикулярной к плоскости упругого элемента, Каждый тензодатчик включен в измерительную схему, выход которой через коммутатор и аналого-цифровой преобразователь подключен к процессору.

В разделенных сквозной прорезью стенках каждого прилива силовоспринимающей плиты выполнены соосно два отверстия с размещенным в них винтовым стяжнйм элементом. Ось указанных отвер15 стий проходит внутри угла пересечения первого и второго стержней, соответствующего данному приливу упругого элемента

Силовоспринимающая плита выполнена в виде пластинй с параллельно-перйендикулярными относительно ее сторон ребрами жесткости и с четырьмя отрезками диагональных ребер жесткостй между точками крепления силовоспринимающей плиты к упругим элементам и близлежащими ее углами. Высота ребер жесткости постоянная в пределах образованного указанными точками крепления квадрата и переменна с уменьшением к сторонам силовоспринимающей плиты вне его, а вершины ребер в

30 пределах указанного квадрата жестко связаны между собой другой пластиной.

Силовоспринимающая плита выполнена из металла или композитного материала с отношением модуля упругости к плотности

35 в пределах (0,26-0 90)x10, м.

На фиг.1 предоставлена схема механической части устройства в глобальной системе координат OXYZ; на фиг,2 — упругий элеМент, соединенный с фрагментами силовоспринимающей плиты и основания, на фиг.3 — схема упругого элемента с тензодатжесткости силовоспринимающей плиты с замыкающей их пластиной (вид снизу), : Изобоетение, выполняется следующим образом.

Силовоспринимающая плита 1 связана с основанием 2 через четыре одинаковых упругих элемента 3. Упругий элемент — цельная конструкция, включающая перпендикулярный к плоскости силовоспринимающей плиты первый стеожень 4 и параллельный ей второй стержень 5. Узел соединения стержней — посадочный цллиндр 6, соосный первому стержню 4 и имеющий резьбовое отверстие 7.

1783329

15

50

Промежуточный силопередающий элемент включает прилив на силовоспринимающей плите 8 с упорным посадочным отверстием 9 и посадочный цилиндр 6, а также затяжной винтовой элемент 10, Жесткость посадки обеспечивается затяжкой винтового элемента 10 через силовоспринимающую плиту 1 в резьбовое отверстие 7 посадочного цилиндра 6..

Качество посадки улучшено сквозной прорезью 11 в стенке прилива 8, в которой размещен второй стержень 5.

Разделенные прорезью стенки прилива стянуты винтовым элементом 12 через соосные отверстия 13, Ось указанных отверстий проходит внутри угла, образованного первым 4 и вторым 5 стержнями. Это позволяет обеспечить необходимую жесткость при измерениях в плоскости силовоспринимающей плиты, как следствие, повысить точность и расширить диапазон измерения сил и моментов и одновременно повысить встраиваемость устройства за счет уменьшения его высоты;

Измеряемая йагрузка приложена на расстоянии от плоскости вторых стержней 5 всех упругих элементов 3. Максимальнйе жесткость и частота собственных колебаний достигаются при следующем соотношении, связывающем указанное расстояние с рас- 3 стоянием от оси второго стержня 5 до заделки первого стержня 4.

На каждом упругом элементе размещены шесть тензодатчиков: три тензодатчика

14, 15, 16 на первом стержне и три тензодатчика 17, 18, 19 на втором стержне, Это позволяет определить проекции главного вектора Fx Fy, Fz и главного момента Mx. My, Mz в местной системе координат. По этим проекциям для всех четырех упругих элементов из условия равновесия силовоспринимающей плиты определяются главные вектор Р(Р,. Py Pzj и момент m(mx, my, mzj измеряемой нагрузки, вне зависимости от степени деформирования силовоспринимащей плиты, что повышает точность проводимых измерений.

Все тензодатчики всех упругих элементов включены в свои измерительные схемы, сигналы с которых через коммутатор поступают на аналого-цифоовой преобразователь и далее на процессор. Последний вычисляет главные вектор Р(Рх, Py, Pz) и момент m(mx, my mz) измеряемой нагрузки, осуществляет фильтрацию гармоник колебаний механической системы без фазовых искажений и корректировку измерений по предварительно записанной в память матрице корректировки, Такое использование процессора повышает точность и расширяет диапазон измерений.

Квадратная в плане силовоспринимающая плита 1 со стороной L опирается на четыре упругих элемента 3 в углах квадрата со стороной 2п. Стороны последнего параллельны сторонам силовоспринимающей плиты, и центры указанного квадрата и силовоспринимающей плиты совпадают.

Величины L и и удовлетворяют следующему соотношению

2п:L=(0,5 — 0,6), выбранйому из условия максимума низшей частоты изгибных колебаний силовоспринимающей плиты. Интервальность соотношения обусловлена тем, что вблизи экстремума фун кция частоты изменяется незначительно.

Указанное расположение точек опирания силовоспринимающей плиты позволяет при назначенной высота последней обеспечить наилучшее распределение жесткости силовоспринимающей плиты в направлении оси OZ и уменьшить погрешности, вызванные зависимостью результатов от точки приложения измеряемой нагрузки и взаимовлиянием ее компонент, расширить диапазон измерений за счет повышения низших частот изгибных колебаний. При "этом достигается также лучшая встраиваемость, так как максимальные частоты достигаются при меньшей высоте силовоспринимающей плиты по сравнению с другими вариантами расположения точек опирания.

Вторые стержни 5 упругих элементов образуют угол 45 с координатными осями, что обеспечивает: необходимую жесткость на кручение вокруг оси 0Z.

Силовоспринимающая плита выполнена в виде тонкостенной ребристой конструкции, При этом тонкая пластина 20 служит рабочей поверхностью и подкреплена параллельно-перпендикулярной по отношению к сторонам силовоспринимающей плиты системой ребер жесткости. Четыре ребра 21 соединяют точки опирания силовоспринимающей плиты. Параллельные им ребра 22 служат заполнением. Диагональные ребра 23 соединяют вершины силовоспринимающей плиты с точками ее опирания на упругие элементы, Высота ребер в пределах квадрата, образованного указанными точками, постоянна и они обьединены пластиной 24, параллельной поверхности силовоспринимающей плиты. Высота всех ребер жесткос-и вне пластины 24 уменьшается к периферии силовоспринимающей плиты.

Это обеспечивает максимальную жесткость

1783329

10 и необходимое распределение массы силовоспринимающей плиты.

Силовоспринимающая плита изготовлена из металла или композитного материала с отношением модуля упругости к плотности в пределах (0,26 — 0,90)х10 м. что позволяет обеспечить высокую жесткость и одновременно уменьшить массу устройства.

Описанные решения приводят к увеличению точности измерений в статике и динамике, расширению диапазона измерений и улучшению встраиваемасти устройства.

Устройство работает следующим образом. Внешняя нагрузка распределяется посредством силовоспринимающей плиты между четырьмя упругими элементами. Шестикомпонентный вектор нагрузки, приложенной к отдельному упругому элементу, рь определяется процессором по результатам тензометрирования по формуле р =Кеь где e — вектор измеренных деформаций;

К вЂ” матрица передачи упругого элемента, определяемая экспериментальным или расчетным путем.

Далее процессор в глобальной системе координат вычисляет компоненты внешней нагрузки по уравнениям равновесия силовоспринимающей плиты, Формула изобретения

1, Устройство платформенного типа для многокомпонентного измерения сил и моментов, содержащее силовоспринимающую плиту, прикрепленную жестко к основанию через три упругих элемента в виде плоских рам, состоящих из двух соединенных между собой под прямым углом в местах крепления к плите стержней с размещенными на них тензодатчиками, причем первые из стержней каждого упругого элемента расположены перпендикулярно плите, а вторые — параллельно ей, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности, расширения диапазона измерений и уменьшения высоты устройства, в него введены четвертый упругий элемент, четыре проме>куточных силопередающих элемента по числу упругих элементов, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и про. цессор, при этом силовоспринимающая плита выполнена квадратной со стороной1 и прикреплена к упругим элементам в углах квадрата со стороной 0,5-0.6L, параллельными сторонам силовоспринимающей ллиты, плоскость каждого упругого элемента перпендикулярна пересекающей ее диаго.нали силовоспринимающей плиты, проме>кутачные силопередающие элементы выполнены в виде соединенных между собой осевым затяжным винто;;ым элементом прилива на силовоспринимающей плите с упорным посадочным отверстием и посадочного цилиндра с осевым резьбовым отверстием, соединяющего между собой начала обоих выполненных с прямоугольным сечением стержней соответствующего упругого элемента и соосного первому стержню, при этом расстояние ф между рабочей поверхностью силовоспринимающей плиты и плоскостью расположения осей вторых стержней всех упругих элементов и расстояние к между точкой пересечения осей стержней каждого упругого элемента и концом его первого стержня удовлетворяют услоwe

0,64 (<081, k

К+

5 10

20 в стенке прилива выполнена сквозная прорезь, в которой размещен второй стержень, соотношение между сторонами а и Ь, где а<=Ь,прямоугольного сечения каждого стержня и длинами его первого и второго стер25 жней 11 и 12 выбрано из условия полнена в виде пластины с паралпельноперпендикулярными относительно ее

4,86 Рвах где Pmax — заданная максимальная продольная сила для стержня;

Š— модуль упругости материала, на каждом стержне каждого упругого элемента размещены по три рабочих тензодатчика, 35 два по оси одной его грани, а третий по оси противоположной грани напротив одного из них. причем рабочие тензодатчики одного стержня каждого упругого элемента лежат в плоскости, параллельной плоскости упругого элемента, а рабочие тензодатчики другого стержня упругого элеменга лежат в плоскости, перпендикулярной плоскости упругога элемента; и каждый тензодатчик включен в измерительную схему, выход ко45 торой через коммутатор и аналого-цифровой преобразователь подключен к процессору.

2. Устройства по п.1, атп и ч а ю щ е ес я тем, что в разделенных сквозной про50 резью стенках каждого прилива силовоспринимающей плиты выполнвны соосно два отверстия с размещенным в них винтовьм стяжным элементом, оси которых проходят внутри угла пересечения первого и второго

55 стержней соответствующего данному приливу упругого элемента.

3, Устройство по п.1, о т и и ч а ю щ е ес я тем, чта силовоспринимающая плита вы1783329

Фиг. 1.

Фиг. г. сторон ребрами жесткости и с четырьмя отрезками диагональных ребер жесткости между точками крепления силовоспринимающей плиты к упругим элементам и близлежащими ее углами, при этом высота ребер жесткости постоянна в пределах образован ного указанными точками крепления квадрата и переменна с уменьШенйем к сторонам силовоспринимающей плиты вне его, а вершины ребер в пределах указанного квадрата жестко связаны между собой другой пластиной.

4. Устройство по пп.1 и 3. о т л и ч а ю5 щ е е с я тем, что силовоспринимающая плита выполнена из металла или композитйого материала. с отношением модуля упругости к плотности в пределах (0,26-0;90)х х107, м. т

1783329

Составитель Р. Мешойрер

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M. Максимишинец

Редактор

Заказ 4507

ВИИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открьпиям при

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101