CN104568269A - 平面并联三维力传感器 - Google Patents

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一种平面并联三维力传感器，其主要包括固定环，测力环，六个测力分支及盖板。固定环外环面上均布有三组对称的三角切口槽，且两切口槽底延长面的夹角是120°，每组三角切口槽底均设有中心线与其垂直的阶梯形通孔，阶梯通孔另一端开口位于固定环内环面的三角切口槽上，内环面上设有与外环面对应的三组近似呈等腰梯形切口槽，固定环内环面内设有环形测力环，其外环面设有与固定环内环三组三角切口槽对应的三个梯形凸台，在该梯形凸台两个侧面各设一个柱形槽孔，上述每个固定环阶梯通孔及与其对应的测力环柱形槽孔内均设有测力分支，并且一组两个测力分支对称分布，上述固定环端面设有盖板。本发明结构简单，装配调试方便，维间耦合小，测量精度高；能在线同时测量轴承的径向力和摩擦转矩。

Description

平面并联三维力传感器
技术领域
本发明涉及一种多维力传感器。
背景技术
轴承是旋转机器中的重要零件，在各机械部门中应用最为广泛。因它具有一系列显著的优点，例如：摩擦系数小，运动精度高，对润滑剂的粘度不敏感，在低速下也能承受载荷。有些轴承还能同时承受径向和轴向力，但是，轴承也是机器中最易损坏的零件之一。据统计，旋转机械的故障有30％是由轴承引起的。所以对轴承的故障监测和诊断一直是近年来国内外发展机械故障诊断技术的重点。当前轴承检测技术多以提取其振动信号为主，对于一些大型关键轴承如何能够尽早发现其异常，若能够在早期受力不均衡阶段就检测发现到异常，对于大型设备的维护意义重大。此外，在轴承出厂时，轴承运转性能也需要测量检测，但是目前对轴承的径向力和摩擦转矩的检测是分别独立进行的，缺乏一种既能检测被测试轴承的径向力和摩擦转矩的一体式检测装置。如专利CN200820217058.1公开了一类轴类零件的测力装置，但是它只适用于轴类零件径向力的测量，不能同时测量轴承摩擦转矩。CN201210080297.8公开了一种滚动轴承摩擦力矩测量装置，在检测过程中还考虑了外界因素的影响，测量精度高，但是不能同时测量轴承的径向冲击载荷。CN201210117654.3公布了一种三维力传感器，该传感器本体是立方体形的，可以测量空间三维力包括X,Y,Z三个方向的力，并且采用钢球连接，维间耦合小，但是无法测量转矩。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能在线同时测量轴承的径向力和摩擦转矩的平面并联三维力传感器。
本发明的技术方案如下：
本发明主要包括固定环，测力环，三组测力分支及盖板。其中，圆环形固定环外环面上均布有三组对称的三角切口槽，且两切口槽底延长面的夹角是120°，每组三角切口槽与它们所夹的外环面近似呈等腰梯形，每组三角切口槽底即梯形的两个腰均设有中心线与其垂直且孔径由外向内缩小的阶梯形通孔，并且每组两个阶梯通孔中心线的延长线交点不过测力环的圆心。上述阶梯通孔另一端开口位于固定环内环面的三角切口槽上。该内环面上设有与外环面对应的三组近似呈等腰梯形切口槽，且作为梯形的两个腰与外环面上的等腰梯形的两个腰平行。在固定环内环面内设有环形测力环，其外环面设有与固定环内环三组三角切口槽对应的三个梯形凸台，且每个梯形凸台两侧面夹角为120°，在该梯形凸台两个侧面各设一个柱形槽孔，该柱形槽孔与固定环阶梯通孔同中心线。在上述每个固定环阶梯通孔及与其对应的测力环柱形槽孔内均设有测力分支，并且一组两个测力分支对称分布。该测力分支主要包括：垫板，钢珠，单维力传感器，连接头和预紧螺栓。圆柱形垫板一侧设有球窝，其与相邻的钢珠对应，钢珠又与连接头A一侧的球窝对应，该连接头A与单维力传感器一端螺纹连接，该单维力传感器另一端与连接头B螺纹连接，连接头B表面设有六角形凹槽，其与预紧螺栓的六角形柱相配合组成测力分支。该测力分支的垫板置于测力环柱形槽孔内，与其相邻的钢珠大部分也位于测力环柱形槽孔内，最好钢珠外面设有内径与钢珠对应外径与柱形槽孔内径对应的钢珠保护圈。通过连接头A与钢珠相邻的单维力传感器位于固定环的阶梯形通孔内，并通过连接头B与卡在通孔阶梯上的预紧螺栓连接。上述固定环一个端面设有与其连为一体的环形端板，其内径大于测力环外径，其外径大于固定环外径的部分设有连接用的通孔；上述固定环另一个端面设有将其与测力环覆盖的盖板，该盖板外径等于固定环外径，内径比测力环内径大10mm，该盖板通过设在其上的通孔及固定环上的螺孔由紧固件连接。上述测力分支数目可随着量程增大而增加。
测力分支与测力环和固定环的安装顺序是先将六个装有两个连接头的单维力传感器分别装入固定环的阶梯孔内，拧紧预紧螺栓使预先装在测力环柱形槽孔内钢球与连接头A的球窝配合，并且施加一定的预紧力。当对轴承进行检测时，将该传感器通过固定环上的端板固定在轴承座上，再将被测轴承置于测力环内。测试时轴承受到径向力和轴向转矩，单维力传感器测量相应的单分支力。由于分支力方向不过圆心，所以可以通过力的平衡方程解算出测力环所受的力与转矩。测力环受力与轴承所受的径向力与轴向转矩相同。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明的传感器结构简单，成本低，装配调试方便，易于实现平面内二维力与一维转矩的测量；
2、测力分支内采用钢球连接，滚动摩擦小，实现了机械解耦，降低了摩擦带来的维间耦合，耦合小，从而提高了传感器测量精度；
3、由于分支采用柱式传感器测力，且有三组均匀分布的分支构成，整体刚度大。
4、本发明能够在线监测轴承的运行状态，可及时发现故障，避免引起大的设备损失，同时对轴承出厂检测也具有现实意义与应用价值。
附图说明
图1为本发明使用状态立体示意简图；
图2为本发明立体示意简图；
图3为本发明去掉盖板主视示意简图；
图4为本发明局剖示意简图；
图5为本发明测力分支主视示意简图；
图6为本发明盖板立体示意简图。
具体实施方式
在图1所示的平面并联三维力传感器使用状态立体示意简图中，本发明的传感器1通过固定环上的端板由紧固件4固定在轴承座2上，被测轴承3置于测力环内。在图2、图3和图4所示的平面并联三维力传感器的示意简图中，圆环形固定环6外环面上均布有三组对称的三角切口槽10，且两切口槽底延长面的夹角是120°，每组三角切口槽与它们所夹的外环面近似呈等腰梯形，每组三角切口槽底即梯形的两个腰均设有中心线与其垂直且孔径由外向内缩小的阶梯形通孔，并且每组两个阶梯通孔中心线的延长线交点不过测力环的圆心。上述阶梯通孔另一端开口位于固定环内环面的三角切口槽上。该内环面上设有与外环面对应的三组近似呈等腰梯形切口槽11，且作为梯形的两个腰与外环面上的等腰梯形的两个腰平行。在固定环内环面内设有环形测力环8，其外环面设有与固定环内环三组三角切口槽对应的三个梯形凸台12，且每个梯形凸台两侧面夹角为120°，在该梯形凸台两个侧面各设一个柱形槽孔，该柱形槽孔与固定环阶梯通孔同中心线。在上述每个固定环阶梯通孔及与其对应的测力环柱形槽孔内均设有测力分支9，并且一组两个测力分支对称分布。在图5所示的本发明测力分支主视示意简图中，圆柱形垫板13一侧设有球窝，其与相邻的钢珠17对应，钢珠又与连接头A14一侧的球窝对应，该连接头A与单维力传感器15一端螺纹连接，该单维力传感器另一端与连接头B16螺纹连接，连接头B表面设有六角形凹槽，其与预紧螺栓7的六角形柱相配合组成测力分支。又在图4中，该测力分支的垫板置于测力环柱形槽孔内，与其相邻的钢珠大部分也位于测力环柱形槽孔内，钢珠外面设有内径与钢珠对应外径与柱形槽孔内径对应的钢珠保护圈18。通过连接头A与钢珠相邻的单维力传感器位于固定环的阶梯形通孔内，并通过连接头B与卡在通孔阶梯上的预紧螺栓连接。上述固定环一个端面设有与其连为一体的环形端板，其内径大于测力环外径，其外径大于固定环外径的部分设有连接用的通孔；上述固定环另一个端面设有将其与测力环覆盖的盖板5，如图6所示，该盖板外径大于固定环外径，内径比测力环内径大10mm，该盖板通过设在其上的通孔及固定环上的螺孔由紧固件连接。

Claims (3)

1.一种平面并联三维力传感器，其特征在于：固定环外环面上均布有三组对称的三角切口槽，且两切口槽底延长面的夹角是120°，每组三角切口槽与它们所夹的外环面近似呈等腰梯形，每组三角切口槽底均设有中心线与其垂直且孔径由外向内缩小的阶梯形通孔，并且每组两个阶梯通孔中心线的延长线交点不过内环的圆心，上述阶梯通孔另一端开口位于固定环内环面的三角切口槽上，内环面上设有与外环面对应的三组近似呈等腰梯形切口槽，且作为梯形的两个腰与外环面上的等腰梯形的两个腰平行，固定环内环面内设有环形测力环，其外环面设有与固定环内环三组三角切口槽对应的三个梯形凸台，且每个梯形凸台两侧面夹角为120°，在该梯形凸台两个侧面各设一个柱形槽孔，该柱形槽孔与固定环阶梯通孔同中心线，上述每个固定环阶梯通孔及与其对应的测力环柱形槽孔内均设有测力分支，并且一组两个测力分支对称分布，该测力分支的垫板置于测力环柱形槽孔内，与其相邻的钢珠大部分也位于测力环柱形槽孔内，通过连接头A与钢珠相邻的单维力传感器位于固定环的阶梯形通孔内，并通过连接头B与卡在通孔阶梯上的预紧螺栓连接，固定环一个端面设有与其连为一体的环形端板，其内径大于测力环外径，其外径大于固定环外径的部分设有连接用的通孔；上述固定环另一个端面设有将其与测力环覆盖的盖板，该盖板外径等于固定环外径，内径比测力环内径大10mm，该盖板通过设在其上的通孔及固定环上的螺孔由紧固件连接。
2.根据权利要求1所述的平面并联三维力传感器，其特征在于：测力分支圆柱形垫板一侧设有球窝，其与相邻的钢珠对应，钢珠又与连接头A一侧的球窝对应，该连接头A与单维力传感器一端螺纹连接，该单维力传感器另一端与连接头B螺纹连接，连接头B表面设有六角形凹槽，其与预紧螺栓的六角形柱相配合组成测力分支。
3.根据权利要求2所述的平面并联三维力传感器，其特征在于：钢珠外面设有内径与钢珠对应外径与柱形槽孔内径对应的钢珠保护圈。
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