Многокомпонентный датчик сил и моментов

) 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ЕТЕНИ АНИЕ ИЗОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ ОПИС 2 Изобретение относится к измеритель- мй преобразователями, которым присущиой технике и может быть использовано в сложность и статичесОяйеоЪределенностьачестве миниатюрного многокомпонент- кбнструкции с йестабйльностями во времеого динамометра для измерения сил и мо- ни и по температуре,ентов-резания в металлообработке и вЦель изобретения - упрощение. констругих технологйческих процессах, в каче-" рукции и повышенйе технологичности еетве миниатюрных внутримодельных аэро-изготовления, повышение точности измеинамических весов, для очувствления, рений как в с атилле так и в динамике,оботов, в эргономических исследованиях, расширение динамйческогб диапазона избприборах и тренажерах спортивного на- . мерений и миниатюризации.ачения и тд. На фиг,1 схематично изображен предИзвестен многокомпонентный дат- лагаемый датчик; на фиг,2 - конструкцияк сил и моментов; содержащий сило- одного из стержней стензорезисторами; наоспринимающуючасть, основание и фиг.3 - схема включения тензорезисторовоединяющие их стержни с измерительны- каждого стержня в мост Уинстона; на фиг.4 н кевин с 4 знчив с 1(21) 4829053/10 . щую часть (1), связанную с параллельным ей (22) 28.05.90 . основанием (2) шестью стержнями (3-8) с (46) 15.07.92. Бюл. М 26тензорезисторами;при этбм стержни (3-8) (71)Всесоюзный научно-исследовательский выполнены с прямоугольным сечением и и конструкторско-технологический институтодинаковыми подлйне, и скреплены с Сйлопо спортивным изделиям воспринимающей частью (1) и основанием (72) М.А,Трахимович . : (2) при помощи третьих заделок (9), а осно- (53) 531,781(088,8): вание (2) и силовоспринимающая часть (1) (56) Авторское свидетельство НРБ представляет собой повернутые относи- М 29690, кл, 6 01 Е 1/22, 1979 Тельно друг друга на угол 60 треугольники,Авторское свидетельство СССР стержни (3 - 8) скреплены попарно в вершийв 974155, кл. 6 01 С 1/22, 1981 нах основания (2) и силовоспринимающей .(54) МНОГОКОМПОНЕНТНЬВЙ ДАТЧИК части(1), а углы при вершинах треугольных СИЛ И МОМЕНТОВ граней, образованных стержнями(3 - 8) в ме- (57) Использование; область измерительнойсте закрепления в силовоспринимающей техники й может быть использовано в каче- части (1) составляют 108 - 1200, а сами эти ". ф стве мийиатюрного многокомпонентного вершины находятСяввершийахтреугольнидинамометра для измерения сйл и момен-ка сйловоспринимающей части (1), при этом (Д тов резания в металлообработке, а также в длина каждого стержня в три и более раза качестве миниатюрных внутрймодельныхпревышает длину большей стороны его сеаэродийамических весов. Сущность изобре- чения и в два и более раза превышает базу тения. датчик содержит силовоспринимаю- тензорезисторов, 9 ил.20 25 30 40 50 зом ней, Как показали экспериментальные ба 9 - схемы вычисления компонент измеряемых векторов силы и момента Р Ру, Рх, М М(у) и М(х) в показанной на фиг,1 системе координат ХУ 2,Датчик состоит из силовоспринимаю 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 иобразуютв их пересечении равносторонние треугольники 15 (пунктирные линии на фиг.1), Каждый, стержень 3-8 имеет длину (. и прямоугольное сечение со сторонами ахЬ, причем величинаравна или больше утроенной большей стороне сечения(а или Ь), На противоположных сторонах каждого стержня вдоль его оси в средней части наклеены тенэорезисторы 10 с базой 1, которые преобразуют деформацию растяжения - сжатия стержня в изменение своего омического сопротивления,При этом длинами любого стержня равна(или) больше удвоенной величине"базы 1. В . непосредственной близости от рабочих тен. зорезисторов 10 перпендикулярно осям,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 силовбспринимающей части 1(например, заштрихованные полости 12 на 35 фиг.2) или на основании 2 вблизи своихстержн.ей,Все тенэореэисторы 10 и 11 (или 10 и,12)каждого из стержней включены в мосты Уинстона (всего в устройстве шесть мостов - по числу стержней), выходные напряжения которых Чз-Ча пропорцибнальны деформациям растяжения - сжатия соответствующих стержней. Причем рабочие тензорезисторы 10 каждого стержня включены в противоположные плечи маста Уинстона, а компенсационные тензорезисторы 11 (йли 12) - в смежные с первыми плечи моста, Такое известное, включение тенэорезисторов 10, 11 (или 12) обеспечивает компенсацию изгибной деформации стержней, минимизируеттемпературную и временную нестабильность всех шести мостовых схем. Устройство работает следующим обраВоздействующие йа силовосйринимающую часть 1 векторы силы и момента (не .,показаны) приводят к соответствующей деФормации части или всех шести 3-8 стержиссл адования, доминирующим видом деформации каждого стержня является растяжение - Сжатие, которые и воспринимают рабочие тензореэисторы 10, В результате вйходные напряжения каждого моста Чз-Ча 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 ХУ с помощью определения трех проекций силы Рх, Ру, Рг и трех составляющих момента М(х), М(у) и (Мг) по выходным напряжениям мостов Чз-Ча. Для решения этой известной задачи используются известные устройства, напрймер шесть сумматоров на операционнь 1 х усилителях с соответствующими коэффициентамй передачи и инверсиями (фи г,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 мокнут 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 сечение 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 попарногообъединения 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 60 О, 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 превышаетзу рабочих 10 тензорезисторов 1.Формула изобретенияМногокомпонейтный датчик сил и моментов, содержащий силовоспринимающую часть, связанную с параллельным ей основанием шестью стержнями с тензорезисторами, отл и чаю 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 силовоспринимаю щей части составляют 108 - 120 О, а сами этивершины находятся в вершинах треугольника силовоспринимающей части, при этом треугольные грани с вершинами в силовоспринимающей части перпендикуляр ны плоскости основания и плоскостисиловоспринимающей части, а длина каждого стержня в три и более раза превышает длину большей стороны его сечения и в два и более раза превышает базу тензорезисто ров,Рувич Корректор С,Чер ниТираж : .:, Подписноеударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб.; 4/5 Заказ 2496 ВНИИПИ зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина; 10: .