Устройство платформенного типа для многокомпонентного измерения сил и моментов

(51 НОЕ ПАТЕНТНСССРССР) ГОСУДАРСТ ВЕДОМСТВ (ГОСПАТЕН ЕТЕЛЬСТВ АВТОРСКО Изобретени рительной техн многокомпонен ментов.(71) Московский институт инженеров железнодорожного транспорта(54) УСТРОЙСТВО ПЛАТФОРМЕННОГОТИПА ЧЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ И МОМЕНТОВ(57) Сущность изобретения; устройство содержит квадратную силовоспринимающуюплиту, связанную с основанием через четыре одинаковых упругих элемента. Упругий тносится к силоизме и предназначено для го измерения сил й мо Известно устройство платформенного типа для многокомпонентного измерениясил и моментов, состоящее из силоаоспринимающей плиты, основания и связывающих их между собой четцрех 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 элемент включает два стержня; один из которых расположен перпенди)(улярнок 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 упругом элемента размещены 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 композитного материала. 4 з.п,ф-лы, 4 ил. статических измерений наряду с динамическими.Известно устройство платформенного типа для многокомпонентного измерения сил и моментов, выбранное прототипом, состоящее из силовоспринимающей плиты, соединенной с основанием через три упру гих элемента, состоящих из двух соединенных под прямым углом стержней. Упругие элементы прикреплень 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 планеточек опираниясиловоспринимающей пли40 45 50 ты 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 растякение-сжатие, для измерения которого на поверхности каждого стержня вдоль осей противоположных боковых граней напротив друг друга размещены два рабочих тензодатчика;"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 шестьоперационных усилителей (по числу мостовых схем) и шесть сумматоров с соответствуощими 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 первомуустержню. При этом диаметр резьбовой части затяжного болта долхен бьть меньше стороны сечения стержня, Усилие затяжки болта ограничено и уменьшена.прочность упругого элемента в месте крепления силоваспринимающей плиты, Слабая затяжка приводит к микроподвижкам в резьбовом соединении, соиэмеримым с измеряемыми деформациями, и к уменьшению жесткости, а следовательно,к снижению собственных частот, особенна, для перемещений в плоскости плиты. Также увеличиваются зависимость результатов измерений от точки приложения нагрузки и взаимовлияние измеряемых компонент. Указанные недостатки усугуб 5 10 15 20 25 30 35 ляются значительным расстоянием междурабочей поверхностью плиты и осями вторых стрежней упругих элементов. Растетвысота 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, испытываютизгиб в различных плоскостях. В результатеосуществляемые измерения имеют погрешности, связанные с нестабильностью во времени и по температуре, с взаимовлияниемизмеряемых компонент нагрузки, с зависимостью от точки приложения нагрузки.Аналоговая обработка сигнала, отсутствие коммутатора, аналого-цифрового преобразователя и процессора не позволяютповысить качество измерений за счет корректировки выходных сигналов с помощьюматрицы взаимовлияния и их фильтрациичисленньми методами без фазовых искажений.Отсутствие средств крепления силовоспринимающей плиты к упругим элементамвнутри угла пересечения стержней последних приводит к снижению жесткости крепления, а следовательно, к снижению.собственных частот устройства и увеличению гистерезиса;К сиикенигса частот собственных колебаний приводит также отсутствие пластины,абьединяющей ребра жесткости в пределахопорного треугольника,Изготовление силовоспринимающейплиты из традиционных материалов с малымотношением модуля упругости к плотности непозволяет одновременно увеличивать изгибную жесткость и уменьшать массу плитыс целью сдвига спектра собственных колебаний в область вьсоких частот для снижения погрешностей измерений,Цель изобретения - повышение точности и расширение динамического диапазона измерений, увеличение максимальнодопустимых нагрузок и уменьшение высотыустройства, повышающее его встраиваемасть. Это приводит к увеличению вазможностей устройства и расширению областипроцессов, для измерения которых оно может быть использовано с более достоверными результатами.Указанная цель достигается тем, что в.устройство платформенного типа для многокампанентного измерения сил и моментов, содержащее силовоспринимающуюплиту, прикрепленную жестко к основаниючерез три упругих элемента в виде плоскихрам, состоящих из двух соединенных междусобой под прямым углом в местах крепления к плите стержней с размещейными на них тензодатчиками, причем первые из стержней каждого уп ругого элементарасположены перпендикулярно к плите, а вторые - параллельно ей, введены четвертый уйругий элемент, четыре промежуточйых силопередаащих элемента по числу упругих элементов; коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и процессор. Сило 10 воспринимающая плита выполнена квадратной со стороной Е и прикреплена к упругим элементам в углах квадрата со сторонами (0,5-0,6)Е, параллельны; ми сторонам силовоспринимающей плиты, Плоскость каждого упругого элемента упорным посадочным отверстием и посадочного цилиндра с осевым резьбовым отверстием, соединяющего между собой 25 начала обоих стержней соответствующегоуп ругого элемента. Посадочный цилиндр соосен первомустержню, при этом расстояниемежду ра 30 бочей поверхностью силовоспринимающей плиты и плоскостью расположейия осей вторых стержней всех упругих элементов и расстояние 1 между точкой пересечения осей стержней ка;кдого упругого элемента и концам его первого стержня удовлетворяютусловию0,640,81. В стенке каждого прилива выполнена сквозная прорезь, в которой размещен второй стержень соответствующего упругого. элемента, Соотношение между сторонам э и Ь, где 45 а 5 Ь, прямоугольного сечения. каждого стержня и длинами первого и второго стержней 1 и 2 каждого упругого элемента вьбрэно иэ условия 0=1,2), (4,86Рвахгде Р - заданная максимальная прная сила для стержня,Е - модуль упругости материала,На каждом стержне каждого упэлемента размещены по три рабочихдатчика, два по оси одной его грани,тий по оси противоположнойнапротив одного из них, Рабочие тен одольругого ензоа трерани одат-. перпендикулярна к пересекающей еедиагонали силовоспринимающей плиты. Промежуточные силопередающие элементы выполнены в виде соединенныхмежду со бой осевым затяжным винтовым элементом : прилива на силовоспринимающей плите с чики одного стержня лежат в плоскости, параллельной плоскости упругого элемента, арабочие тензодатчики другого стержня лежат в плоскости, перпендикулярной к плоскости упругого элемента,Каждый тензодатчик включен в измерительную схему, выход которой через коммутатор и аналого-цифровой преобразовательподключен к процессору.В разделенных сквозной прорезьюстенках каждого прилива силовоспринимающей плиты выполнены соосно два отверстия с размещенным в них винтовымстяжнйм элементом. Ось указанных отверстий проходит внутри угла пересечения первого и второго стержней, соответствующегоданному приливу уйругого элемента.Силовоспринимающая плита выполнена в виде пластины с параллельно-перйендикулярными относительно ее сторонребрами жесткости и с четырьмя отрезкамидиагональных ребер жесткостй между точками крепления силовоспринимающей плиты к упругим элементам и близлежащими ееуглами. Высота ребер жесткости постоянная в пределах образованногоуказаннымиточками крепления квадрата и переменна суменьшением к сторонам силовоспринимающей плиты вне его, а вершины ребер впределах указанного квадрата жестко связаны между собой другой пластиной.Силовоспринимающая плита выполнена из металла или композитного материалас отношением модуля упругости к плотностив пределах (0,26 - ОЯО)х 10, м.На фиг.1 предоставлена схема механической части устройства в глобэльной системе координат ОХОТЕ; на фиг,2 - упругийэлеМент, соединенный с фрагментами силовоспринимающей плиты и основания; нафиг.3 - схема упругого элемента с тензодат чиками и обозначениями проекций сил имоментов в локальной системе координатОху;, а также с реакциями в точках крепления его стержней к основанию; на фиг,4 -схема расположения и ориентация ребержесткости силовоспринимающей плиты сзамыкающей их пластиной (вид снизу),: Изобоетение, выполняется следующимобразом.Силовоспринимающая плита 1 связанас основанием 2 через четыре одинаковыхупругих элемента 3. Упругий элемент - цельная конструкция, включающая перпендикулярный к плоскости силовоспринимающейплиты первый стеожень 4 и параллельныйей второй стержень 5, Узел соединениястержней - посадочный цллиндр 6, соосныйпервому стержню 4 и имеющий резьбовоеотверстие 7.Промежуточный силопередающий элемент включает прилив на силовоспринимаюшей 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. Максимальные жесткость и частота собственных колебаний достигаются при следующем соотношении, связывающем указанное расстояние с расстоянием 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 Рх, Ру Гг и главного момента Мх, Му, М в местной системе координат. По этим проекциям для всех четырех упругих элементов из условия равновесия силовоспринимающей плиты определяются главные вектор РРх, Ру, РД и момент пасох, гпу, гп 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-цифровой преобразователь и далее на процессор, Последний вычисляет главные вектор РРх, Ру, РД и момент пфпх, п 1 у, гпД измеряемой нагрузки, осуществляет фильтрацию гармоник колебаний механической системц без фазовых искажений и корректировку измерений по предварительно записанной в память матрице корректировки, Такое использование: ребра 22 служат заполнением. Диагональ 50 ные ребра 23 соединяют вершины силовос 55 35 40 процессора повышает точность и расширяет диапазон измерений.Квадратная в плане силовоспринимающая плита 1 со сторонойопирается на четыре упругих элемента 3 в углах квадрата со стороной 2 п. Стороны последнего параллельны сторонам силовоспринимающей плиты, и центры указанного квадрата и силовоспринимающей плиты совпадают Величины . и и удовлетворяют следующему соотношению2 п:1 л(0,5 - 0,6),выбранйому из условия максимума низшей частоты изгибных колебаний силовоспринимающей плиты. Интервальность соотношения обусловлена тем, что вблизи экстремума функция частоты изменяется незначительно.Указанное расположение точек опирания силовоспринимающей плиты позволяет при назначенной высоте последней обеспечить наилучшее распределение жесткости силовоспринимающей плиты в направлении оси ОЕ 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 02,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 оебер жесткости, Четыре ребра 21 соединяют точки опирания силовоспринимающей плиты. Параллельные им принимающей 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 жесткости вне пластины 24 уменьшается к периферии силовоспринимающей плиты. Это обеспечивает максимальную жесткостьи необходимое распределение массы сила- воспринимающей плиты.Силовоспринимающая плита изготовлена из металла или композитного материала с отношением модуля упругости к плотности в пределах (0,26 - 0,90)х 10 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 образам. 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 формулер=Кеьгде е - вектор измеренных деформаций;К - матрица передачи упругого элемента, определяемая экспериментальным или расчетнь 1 м путем.Далее процессор в глобальной системе координат вычисляет компоненты внешней нагрузки по уравнениям равновесия силовоспринимающей плиты,Формула изобретения 1, Устройство платформеннаго типа для мнагокомпанентнаго 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 тензадатчиками, 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 промекуточных силопередающих элемента по числу упругих элементов, коммутатор, аналога-цифровой преобразователь и про цессор, при этом силовоспринимающая плита выполнена квадратной со Стороной 1 и прикреплена к упругим элементам в углах квадрата со стороной 0,5-0,6 Ь, параллельными сторонам силовоспринимающей ллиты, плоскость каждого упругого элемента перпендикулярна пересекающей ее диагонали сиповаспринимающей плиты, промекутачные силопередающие элементы выполнены в виде соединенных между со бай осевым затяжным винта;ым элементом прилива на сиповоспринимающей плите с упорным посадочным отверстием и посадочного цилиндра с осевым резьбавым отверстием, соединяющего между собой начала обоих выполненных с прямоугольным сечением стержней соответствующего упругого элемента и соосного первому стержню, при этом расстояниемежду 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 ега первого стержня удовлетворяют условию0,64 (0,81,1 с1+ 5 10 15 20 в стенке прилива выполнена сквозная прарезь, в которой размещен второй стержень, соотношение между сторонами а и Ь, где а=Ь,прямоугольного сечения каждого стержня и длинами его первогои второго стер 25 жней (1 и 2 выбрано из условий палнена в виде пластины с паралпельноперпендикулярными относительно ее 4,86Рвахгде Рвах - заданная максимальная продольная сила для стержня;Е - модуль упругости материала, на каждом стержне каждого упругого элементаразмещены по три рабочих тензодатчика,35 два по аси одной его грани, а третий по осипротивоположной грани напротив одногоиз них. причем рабочие тензадатчики одного стержня каждого упругого элемента лежат в плоскости, параллельной плоскости40 упругого элемента, а рабочие тензодатчикидругого стержня упругого элеменга лежат вплоскости, перпендикулярной плоскостиупругога элемента; и каждый тензадатчиквключен в измерительную схему, выход ка 45 торой через коммутатор и аналого-цифровой преобразователь подключен кпроцессору.2. Устройства по п.1, отп и ч а ю щ е ес я тем, что в разделенных сквозной про 50 резью стенках каждого прилива силовоспринимающей плиты выполнены соосно дваотверстия с размещенным в них винтовь:мстяжным элементом, оси которых проходятвнутри угла пересечения первогои второго55 стержней соответствующего данному приливу упругага элемента,3, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что сиповоспринимающая плита вы1783329 Фиг б 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 образованного 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 ю щ е е с я тем, что силовоспринимэющэяплитавыполнена из металла или композитйого материала с отношением модуля упругости к плотности в пределах 0,26-0,90)х х 107, м.т1783329 рерКоррекгор М МаксимиРедактор Заказ 4ВИ Составитель Р, МешойТехред М.Моргентал 7 Тираж ПодписноеПИ Государственного комитета по изобретениям и открцтиям рямп иГКИТС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4 й оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101