CN103592062B - 一种轴向预紧力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴向预紧力传感器，所述传感器包括调整垫片2、左端盖3、弹性敏感元件4、应变片5、右端盖6、推力球轴承7、轴向孔槽9、右螺钉10、引线孔11、封装外壳12、左螺钉13。调整垫片调整传感器在轴上的轴向位置，左、右端盖凸台支撑弹性敏感元件，弹性敏感元件因受轴向力而产生轴向应变，通过电阻应变效应及测量电路可以测出轴向力的大小。传感器右端盖6上的轴向孔槽9与右螺钉10配合，用来防止预紧过程中弹性敏感元件产生周向应变，但允许右端盖6的轴向位移和弹性敏感元件4的轴向应变，推力球轴承用来隔离施加预紧力时产生的周向扭转力，以防止其传递给弹性敏感元件4。

Description

一种轴向预紧力传感器

技术领域

本发明涉及一种轴向力传感器，该轴向力传感器适用于测量轴向压力或轴向预紧力，尤其适用于测量机械装备中，对滚珠丝杠有预拉伸要求的测力场合。

背景技术

本发明属于轴向力测量领域。目前，许多高端装备中运动部件的驱动都采用滚珠丝杠副，滚珠丝杠的轴向刚度和受热伸缩性对运动部件的动态精度有着重要影响。为了提高滚珠丝杠的轴向刚度并减小热伸长对运动部件动态精度的影响，实践中，滚珠丝杠多采用预拉伸安装方式，滚珠丝杠的预拉伸力变化范围大，从几千牛到上万牛。现有的轴向力传感器多采用压电式传感器，不能测量静态力，而其他轴向力传感器受安装方式的限制，难以安装在滚珠丝杠两端的轴承座一侧，或者受测力范围小等因素的制约，不能满足大预紧力的测量需要，所以发明一种适应性较强的轴向预紧力传感器十分必要。

在测量轴向力的传感器中，压电式测力传感器是以电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电式测力传感器虽然具有频带宽、信噪比高等优点，但是在滚珠丝杠的轴向预拉伸力测量中，一般需要测出静态的轴向力，而压电测力传感器不能测量静态力。电容式测力传感器是以电容器为原理，将被测的非电量转化成电容量的变化，进而实现非电量的转换与测量。虽然电容式传感器具有非接触测量、本身发热影响小等优点，但是在测量轴向预紧力时容易引起传感器的非线性输出，同时寄生电容的存在会降低转换效率，引起测量误差。

本发明所述的轴向力传感器属于金属应变式传感器，是电阻应变式传感器的一种，具有原理清晰、适用范围广、使用安装方便等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴向预紧力传感器，特别适用于滚珠丝杠动态特性参数测试装置中丝杠的轴向预拉伸力的测量。

本发明轴向预紧力传感器属于金属应变式传感器，工作原理是基于电阻应变效应，通过测量电路与传感器配合可以测出轴向预紧力大小。实际设计中，弹性敏感元件上粘贴4个箔式应变片，其粘贴方式是两个沿轴向，两个沿周向，沿周向粘贴的应变片其温度补偿片的作用。

实现本发明的方案为：包括调整垫片、带有凸台和螺纹孔的左端盖、弹性敏感元件、应变片、带有凸台和轴向孔槽的右端盖、推力球轴承、右端盖上的轴向孔槽、螺钉、封装外壳上的引线孔、封装外壳和螺钉。调整垫片可用来调整传感器在被测轴上的轴向位置，在实际测量中，可根据情况放置若干。带有凸台的左、右端盖用来支撑弹性敏感元件、承受轴向力，并与传感器外壳一起对弹性敏感元件及电阻应变片起密封保护作用，可以有效地阻止传感器安装处的润滑剂和外界的污物、灰尘等进入封装的弹性敏感元件处，避免应变片在工作过程中受到干扰而引起误差。推力球轴承安装在传感器的一侧，座圈与施加预紧力的螺母接触，轴圈与右端盖接触，实际测量中，轴向预紧力通过推力球轴承施加到右端盖上，推力球轴承有效地隔离了弹性敏感元件可能承受的附加周向扭转力，同时，防止了预紧螺母旋转可能引起的应变片引出线缠绕传感器问题。传感器封装外壳上设有带橡皮圈的引线孔，既便于引线的引出，又能在引线孔处起密封作用，防止外界污物进入弹性敏感元件处，在测量时减少了误差，保证了测量精度。传感器左、右端盖与封装外壳用两个螺钉连接，右端盖上加工有轴向孔槽9，在施加轴向预紧力的过程中，该轴向孔槽允许右端盖和弹性敏感元件产生轴向位移和轴向应变，同时，当右端盖有周向运动趋势时，通过螺钉10传递给封装外壳及螺钉13，进而把这种运动趋势传递给左端盖，这样左端盖和右端盖有同样的运动趋势，从而消减传递到弹性敏感元件上的周向附加应变。

传感器的具体工作过程：传感器左、右端盖内径与被测轴配合安装，端盖凸台支撑弹性敏感元件，弹性敏感元件上贴有电阻应变片，调整垫片用来调整传感器在被测轴上的轴向位置。被测过程中，螺母施加预紧力时先与推力球轴承的座圈接触，座圈与螺母一起旋转，同时把螺母的轴向预紧力传递给推力球轴承的轴圈，进而传递给传感器右端盖与弹性敏感元件。传感器与丝杠支撑座14接触，当螺母施加预紧力时，传感器整体往支撑座方向移动，由于反作用力，传感器左右端盖将施加的轴向预紧力传递到弹性敏感元件上，此时，贴在弹性敏感元件表面上的应变片随同弹性敏感元件一起发生应变，应变片所接引线通过封装外壳上的引线孔把应变片电阻值的变化引出，这种电阻变化经过后续测量电路的转换即可测出轴向力的大小。

在设计传感器时，弹性敏感元件壁厚和材料的选择对传感器的性能至关重要。实际应用中，滚珠丝杠动态特性参数测试装置中，所测轴向预紧力较大，而且变化范围大，这对传感器的性能提出较高要求。在设计弹性敏感元件时，不仅要考虑所设计内径尺寸的大小，还要考虑到轴向所受力的大小和范围，选定材料后，要根据材料的相关性能计算出所要设计的外径尺寸。

本发明轴向预紧力传感器与现有的轴向预紧力传感器相比，有益效果是：（1）传感器特别适用于滚珠丝杠中的轴向预紧力测量，具有特别的针对性；（2）传感器原理清晰、使用安装方便；（3）传感器测量的轴向预紧力范围广，且测量精度高；（4）传感器由于具备带有橡皮圈引线孔的封装外壳，不仅引线引出方便，而且橡皮圈还能起到密封作用；（5）轴向孔槽9既允许右端盖和弹性敏感元件产生轴向位移和轴向应变，又能消减传递到弹性敏感元件上的周向附加应变；（6）传感器带有推力球轴承，有效地隔离了弹性敏感元件可能承受的附加周向扭转力，同时，防止了预紧螺母旋转可能引起的应变片引出线缠绕传感器问题。

附图说明

图1是本发明轴向预紧力传感器的总体结构图。

图2是本发明轴向预紧力传感器的调整垫片结构图。

图3是本发明轴向预紧力传感器的左端盖结构图。

图4是本发明轴向预紧力传感器的右端盖结构图。

图5是本发明轴向预紧力传感器的弹性敏感元件结构图。

图6是本发明轴向预紧力传感器的推力球轴承结构图。

图7是本发明轴向预紧力传感器的封装外壳结构图。

图8是本发明设计的弹性敏感元件示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种轴向预紧力传感器，其特征在于：包括调整垫片2、带有凸台和螺纹孔的左端盖3、弹性敏感元件4、应变片5、带有凸台和轴向孔槽的右端盖6、推力球轴承7、右端盖上的轴向孔槽9、螺钉10、封装外壳上的引线孔11、封装外壳12和螺钉13。

传感器根据被测轴1的尺寸设计出左端盖3和右端盖6的内径及端盖上凸台尺寸，弹性敏感元件4内径尺寸是根据左、右端盖凸台的尺寸设计，根据弹性敏感元件4材料的屈服强度设计出弹性敏感元件的外径尺寸，调整垫片2根据被测轴的尺寸设计，可以调整传感器在轴上的轴向位置。推力球轴承7的尺寸根据被测轴来选择，引线孔11在封装外壳12圆周上中心位置，引出应变片5上的导线。

当被测轴1受到螺母轴向预紧力时，首先推力球轴承7的轴圈受到力的作用，通过推力球轴承中间钢球把轴圈的力传递给传感器右端盖6，右端盖把轴向预紧力传递给传感器弹性敏感元件4，弹性敏感元件4受到轴向预紧力而产生应变，贴在弹性敏感元件4的应变片5随着一起应变，这种应变引起应变片电阻值变化，通过后续测量电路，再经过传感器的标定可以测出轴向预紧力的大小。

本发明轴向预紧力传感器的设计及测量，具体步骤如下：

步骤1：根据被测轴1的尺寸大小设计出左端盖3和右端盖6内径及凸台尺寸；

步骤2：根据左端盖3与右端盖6凸台尺寸设计弹性敏感元件4的内径，根据内径及所承受的轴向预紧力的大小设计出弹性敏感元件4的外径。本设计传感器选择弹性敏感元件4的具体过程以一种工程实例来说明，假设所受轴向预紧力最大F_max=24000N，根据被测轴1的直径选定传感器左端盖3、右端盖6尺寸，弹性敏感元件4是根据左端盖3、右端盖6凸台选定内径为46mm，根据机械手册选定某种铝合金作为弹性敏感元件4，其中，此铝合金的弹性模量为E=70GPa，所能承受的最大应力极限为σ=80MPa。设计的弹性敏感元件如图8：

设所选外径为D，接触面积为：

$S=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-{46}^2)---\left(1\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\max }=\frac{F_{\max }}{S}<80\mathrm{MPa}---\left(2\right)$

由式（1）和（2）可以得到D>79.9mm；

所以在设计弹性敏感元件4外径尺寸时要大于等于79.9mm才能满足强度要求；

步骤3：选择4个合适的应变片5，两个沿轴向粘贴，另外两个沿周向粘贴，周向粘贴的两个应变片主要用来消除温度误差；

步骤4：根据被测轴1的尺寸选定推力球轴承7的型号；

步骤5：根据左端盖3、右端盖6及推力球轴承7的尺寸设计带有引线孔11的传感器外壳12；

步骤6：根据左端盖3、右端盖6和封装外壳12的螺纹孔，选择合适的螺钉10和螺钉13；

步骤7：把所设计的左端盖3、右端盖6、推力球轴承7、弹性敏感元件4、应变片5、螺钉10和螺钉13进行装配，形成一个完整的轴向预紧力传感器；

步骤8：对轴向预紧力传感器进行标定。本传感器标定过程及结果用一个工程实例来说明，标定过程为：标定机械装置→轴向预紧力传感器→传感器桥路接线→电阻应变仪→数据采集卡→PC机→LabVIEW。用标定的两个传感器来说明，分别标定的两个传感器数据及标定方程如表1所示：

表1传感器标定数据及标定方程

传感器标号	1#	2#
			标定方程	y=-0.01526+0.12910x	y=+0.02623+0.15848x
线性度(%)	1.68051	2.03017
			总不确定度	2.1107E-2	2.1289E-2
迟滞(%Fs)	0.1951	0.3845
			剩余标准差	1.6218E-2	2.8363E-2
重复性(%Fs)	1.2620	0.5127
			相关系数	9.9926E-1	9.9847E-1

步骤9：根据步骤8标定的数据及结果对传感器进行检验，检验结果如表2所示：

表2传感器检验

根据表2中检验结果可以得到传感器1和2的误差，通过比较1号传感器误差较少，在实际测量时应该选择1号传感器；

步骤10：传感器标定后，把标定的传感器灵敏度系数输入PC机LabVIEW程序界面上，对传感器施加轴向预紧力可以直接测量出其大小。

Claims (3)

1.一种轴向预紧力传感器，其特征在于：包括调整垫片[2]、左端盖[3]、弹性敏感元件[4]、应变片[5]、右端盖[6]、推力球轴承[7]、右螺钉[10]、封装外壳[12]和左螺钉[13]，轴向预紧力通过左端盖[3]和右端盖[6]施加到弹性敏感元件[4]上，弹性敏感元件[4]因受轴向力而产生轴向应变，通过电阻应变效应及测量电路测出轴向力的大小；

右端盖[6]上加工有轴向孔槽[9]，在施加轴向预紧力的过程中，该轴向孔槽[9]允许右端盖[6]和弹性敏感元件[4]分别产生轴向位移和轴向应变，又能使左端盖[3]和右端盖[6]具有同样的运动趋势，以防止轴向力传递到弹性敏感元件[4]上。

2.如权利要求1所述的轴向预紧力传感器，其特征在于：轴向预紧力通过推力球轴承[7]施加到右端盖[6]上，推力球轴承起隔离轴向扭转力传递给弹性敏感元件[4]的作用。

3.如权利要求1所述的轴向预紧力传感器，其特征在于：传感器封装外壳[12]上设有带橡皮圈的引线孔[11]，既方便于引线的引出，又能在引线孔处起密封作用，防止外界污物进入弹性敏感元件[4]处。