Силоизмерительное устройство

(56) Заявка Фкл,001 1/Заявкакл,6 01 3 5/ ственное Бюл. г 4 кое на "Изме шевиС 88,8) РГ йг 22, 198 ФРГ М 00, 198 чно-произитель"С. 3 верев ютоста 939842 го иэия вели ль оси 911479,второго ны тенично одпервого й и четтона по включеч моста. оль оси налу, тельГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(57) Изобретение относится к приборостроению и позволяет повысить точность измерения сил, действующих на вращающийся вал устройства с тремя радиально-упорными подшипниками качения. На нарууной обойме подшипника размещены четыре пары тензореэисторов В 1 и В 2, Вз и В 4, В 5 и В 6, В 7 и Вв. Каждая пара тензорезисторов обьеИзобретение отчосится к силоизмерительной технике и может найти широкоеприменение при измерении действующихна вращающийся вал радиальных и осевыхсоставляющих сил по величине реакций,возникающих в опорных подшипниках качения вала,В частном случае изобретение можетбыть использовано при измерении и контроле усилий резания металлообрабатывающих станков для технического итехнологического контроля эа процессамиобработки деталей на станках, работающихв безлюдном режиме в системах ЧПУ илидругих аналогичных системах,динены в полумост, а диаметральн воположные полумосты объединен вый /В 1, В, Вэ и В 4/ и второй /В 5, В измерительные мосты Уитстона с ным включением тензорезисторов с плеч, Величину силы Ех опреде сигналу с первого измерительного величину силы Еу - по сигналу вто мерительного моста. Для определен чины силы. действующей, вдо подшипников на наружных обоймах и третьего подшипников, установле эорезисторы, размещенные аналог ному из измерительных мостов подшипника, и объединены в трети вертый измерительные мосты Уитс одному на каждой обойме с прямым нием тензореэисторов смежных пле Величина силы, действующей вд подшипников, определяется по с снимаемому с третьего выхода изм ной схемы. 9 ил. Известно силоизмерительное устройство, выполненное на основе тензометрических измерительных колец. Недостатком устройства является сложность конструкции и ограниченность его применения.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения сил, действующих на вращающийся вал, использующее подшипники качения, на обойме которых закрейлены тензорезисторы,Недостатком этих устройств является высокая температурная погрешность измерений в связи с возникновением "кажущейся" деформации при измененияхтемпературы, а также невозможность исключения взаимовлияния измерительных схем при использовании радиально-упорных подшипников качения.Цель изобретения - повышение точности измерения сил, действующих на вращающийся вал,На фиг,1 представлена структурная блок-схема тензорезисторного устройства; на фиг,2 - 4 - схемы взаимной ориентации измерительных осей тензорезисторных мостов подшипников для измерения трех компонент усилия нагрузки на вал; на фиг.5 - схема размещения тензорезисторов на подшипнике для измерения вертикальной и горизонтальной составляющих измеряемого усилия; на фиг.6-7 - схемы электрических соединений тензорезисторов на подшипнике для измерения горизонтальной и вертикальной составляющих измеряемого усилия; на фиг.8 - 9 - схемы электрических соединений тензорезисторов измерительных мостов подшипников для измерения У, Л - составляющих усилия нагрузки на вал, изображенных на фиг.2,Силоизмерительное устройство содержит тензорезисторные преобразователи (датчики) 1 и электронный модуль 2, предназначенный для предварительной обработки информации (фиг.1).Электронный модуль содержит четыре измерительных канала, выполненных в виде последовательно соединенных фильтров 3 высоких частот, усилителей 4 переменного тока, выпрямителей 5 и фильтров 6 низких частот, два нормирующих элемента 7, 8 и три элемента вычитания 9, 10 и 11,Выход первого измерительного канала является первым выходом устройства - "Выход Х", выход второго измерительного канала является вторым выходом устройства - "Выход У" и соединен через соответствующие нормирующие элементы 7 и 8 с первыми входами первого и второго элементов вычитания 9 и 10, выход третьего измерительного канала соединен с вторым входом первого элемента вычитания 9, выход которого соединен с первым входом третьего элемента вычитания 11, выход четвертого измерительного канала соединен с вторым входом второго элемента вычитания 10, выход которого подключен к второму входу третьего элемента вычитания 11, выход которого является третьим выходом устройства - "Выход Е".Тензорезисторный преобразователь включает в себя три радиально-упорных подшипника качения 12, 13, 14, на наружных обоймах которых установлены тензорезисторы В 1 - В 16 (фиг,2 - 4),Оптическое изображение напряженийнагруженного подшипника, полученное методом фотоупругости, позволяет установитьс помощью изохроматических линий карти 5 ну распределения напряжений и деформации на наружной обойме подшипника.Нагрузка на наружную обойму подшипникапередается через контакт тел качения иобоймы, Над местом контакта в обойме об 10 разуются зоны продольной деформации, которые при вращении подшипникавращаются вместе с телами качения.Измерение величины этих деформацийпроизводится тензорезисторами В 1,15 В 1,,.В 16, выходной сигнал которых представляет собой переменное напряжение самплитудой, пропорциональной величинедеформаций вращающихся зон, которые всвою очередь пропорциональны усилию,20 действующему на подшипник, Выходнойсигнал измерительной схемы тензорезисторов подается в измерительный канал,Выход измерительного канала затемподается на регистрирующий прибор (на 25 пример ЧПУ или другую иную систему обработки сигнала).Для повышения чувствительности устройства, а также удобства размещения тен 30 зорезисторных измерительных схем внаружной обойме подшипника прошлифовывается продольная круговая канавка, геометрические размеры и "место которойопределяются типом опорных подшипни 35 ков и другими конструктивными особенностями опорного узла вала,Для повышения чувствительности измерительных тензорезисторных схем, а такжедля исключения температурной прогрешно 40 сти измерений тензорезисторы обьединеныв мосты Уйтстона 12, 13, 14, 15.В предлагаемом устройстве для измерения ортогональных радиальных составляющих сил используется первый подшипник45 12 опоры вала, а для измерения осевых усилий по двум противоположным направлениям используются второй 14 и третий 14подшипники опорного узла вала.На первом подшипнике размещены два50 измерительных тензорезисторных мостаУитстона В 1 В 2, Вз В 4 и Вз Вв, Вт, Вя(фиг.6 -7),Тензорезисторы размещены на внешней обойме подшипника попарно рядом,55 при этом расстояние между тензорезисторами в каждой паре не превышает длинумежду точками пересечения нормалей, проведенных через точки контакта двух ближайших тел качения с внешней обоймой60 подшипника, и соединены в полумосты,сдвинутые по обойме один относительно30 резисторов позволяет исключить йлияниеосевой силы при измерении радиальных составляющих усилий эа счет известных осо 20 Схема расположения и соединения тен-.40 45 55 другого на 900, образуя, таким образом, две пары диаметрально противоположных полумостов,Противоположнь е полумосты объединены в измерительные мосты Уитстона, причем тенэореэисторы смежных плеч мостов включены встречно, т.е. в каждый момент времейи. при вращении подшипника тензорезисторй смежных плеч моста находятся в абсолютно одинаковом положении относительно вращающихся тел качения(фиг.7-8),Приведенная схема соединений тензобенностей моста Уитстона с встречнымсоединением тензорезисторов его смежныхплеч. Другим принципиальным отличием тензорезисторных мостов от известных ранее является ориентация тензореэисторных полумостов на внешней обойме подшипника вдоль измерительных осей действия ортогональных радиальных составляющих сил. Таким образом исключается взаимовлияние радиальных составляющих сил на их измерительные схемы и в то же время обеспечивается измерение сил. действующих вдоль измерительных осей, как в одном. так и в противоположном направлении.При действии силы вдоль оси Гх работают тензорезисторы полумоста В 1, В 2, при действии силы противоположного направления работают тензорезисторы Вз, В 4. Аналогично работают тензорезисторы измерительного моста В 5. В 6, В 7, Вв при измерении другой радиальной составляющей; действующей вдоль оси Р. зореэисторов на внешних обоймах второго и третьего подшипника для измерения осевой составляющей силы приведена на фиг.8-9, На каждой обойме расположено по одному измерительному тенэорезисторному мосту, причем тензореэисторы такжеразмещены. попарно аналогично тензорезисторам одного из мостов Уитстона первогоподшипника. Однако, соединение тензорезисторов в мостовую схему отличается тем, что включение тензореэисторов смежных плеч моста прямое, т.е. при вращении подшипника тензореэисторы смежных плеч моста подвергаются различной по знаку дефоРмации Таким образом, при действии осевых нагрузок измерительный мост выдает сигнал прямо пропорционально действующей силе Одновременно при действии радиальной нагрузки в направлении расположения по 30 35 лумостов тензорезисторов они вырабатывают сигнал, пропорциональный радиальной силе.Поэтому на выходе измерительных мостов второго и третьего подшипника имеется в общем случае сложный сигнал, вызванный действием и радиальной, и осевой составляющими сил,Для того, чтобы получить сигнал только от действия осевых сил, необходимо провести операции вычитания сигналов, т.е. из суммарного сигнала второго и третьего подшипника надо вычесть сигнал от измерительного моста первого подшипника, при этом сигнал от измерительного моста первого подшипника необходимо пронормировать, т,е. привести его величину к той, что воспринимается на втором и третьем подшипниках, Операция нормирования осуществляются элементами 7 и 8 измерительных каналов устройства.Формула изобретения Силоизмерительное устройство, содержащее три радиально-упорных подшипника качения, на наружных обоймах которых установлены тензореэисторы попарно рядом и сдвинутые один относительно другого на 900, четыре измерительных канала, два нормирующих элемента и три элемента вычитания, при этом тензорезисторы подключены к измерительным каналам, выполненным в виде последовательно соединенных фильтров высоких частот, усилителей переменного тока, выпрямителей и фильтров низких частот, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения сил, действующих на вращающийся вал, расстояние между тензорезисторами.в каждой паре не превышает длины между точками пересечения нормалей, проведенных через точки контакта двух ближайших тел качения с внешней обоймой подшипника, причем каждая пара тенэорезисторов, расположенная на наружной обойме первого подшипника, соединена в полумосты, диаметрально противоположные полумосты объединены в первый и второй измерительные мосты Уитстона с встречным включением тензорезисторов смежных плеч, а на наружных обоймах второго и третьего подшипников тензорезисторы соединены аналогично одному из измерительных мостов Уитстона первого подшипника и объединены в третий и четвертый измерительные мосты Уитстона по одному на каждой обойме с прямым включением тензорезисторов смежных плеч моста, выходы всех измерительных мостов подключены к измерительным каналам, причем выход первого измерительного канала. является1728684 17 первым выходом устройства, выход второго измерительного канала - вторым выходом устройства, который соединен через соответствующие нормирующие элементы с первыми входами первого и второго элементов вычитания, выход третьего измерительного канала соединен со вторым входом первого элемента вычитания, выход которого соединен с первым входом третьего элемента вычитания. выход четвертого измерительного канала соединен со вторым входом второго элемента вычитания, 5 выход которого подключен ко второму входу третьего элемента вычитания, выход которого является третьим выходом устройства,1728684 г.У аксимишинец дактор Н, Козлов орректор из Заказ 1400 ВНИИПИ Г Составитель А, Бебише ехред М.Моргентал Тираж Подписноественного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 твенно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1