CN112504524B - 一种集成式压电扭矩测力仪 - Google Patents

一种集成式压电扭矩测力仪 Download PDF

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赵顺义
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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating

Abstract

本发明属传感测控技术领域，公开一种集成式压电扭矩测力仪，包括上输入法兰、主体单元、预紧块、下输出法兰、压电测力单元及内部集成电路板；上输入法兰滑槽处与预紧块顶部连接；上输入法兰轴径外部套有导电滑环，用于给测力仪供电；预紧块侧端留有螺栓孔，通过与主体单元连接实现给压电传感器预紧；下输出法兰一端与主体单元底部通过螺栓连接，另一端与刀具连接；下输出法兰中间设计有电路容仓，电路容仓用于按放集成电路板，集成电路包括微控制单元、供电转换单元、信号调理单元和无线射频单元；下输出法兰设有信号发送口，适用于无线信号的传输。本发明的测力仪的测试扭矩量程大，动态响应好，集成化程度高，抗干扰能力强，适应多种扭矩测量环境。

Description

一种集成式压电扭矩测力仪
技术领域
本发明属于传感测控技术领域，具体应用于具有回转特性工业设备的扭矩实时监测，涉及了压电测量、信号调理及高频无线通讯的装置及方法，具体为一种集成式压电扭矩测力仪。
背景技术
随着现代加工技术的发展，对于具有回转运动的机器，扭矩是监控机器状态的重要指标；根据机器反馈的扭矩，不仅可以监控切削刀具的受力状态，还能间接反映工件的加工质量；为提高加工精度、防止机器过载以及在切削研究中提供关键数据起着重要作用。
目前，测量扭矩的方式较多，有压电式、应变式、电容式、电感式和磁弹式等多种测量方式，其中以压电式和应变式应用较多；压电式扭矩测力仪以石英晶体作为敏感元件，由于石英晶体的固有特性，压电传感器表现为刚度大，固有频率高，测量范围广，线性及稳定性好，对动态信号测量具有不可替代的优势；但目前市场上基于压电原理的扭矩测力仪常需要配套庞大的电荷放大器等设备，且很难实现小体积测量大扭矩，对小空间的大扭矩测量和动态信号实时监测带来诸多不便；为了解决此问题，研制一种高度集成化和高精度的扭矩测力仪显得日益迫切。
发明内容
本发明提出了一种集成式压电扭矩测力仪。本发明高度实现集成化，且结构小巧实用，能有效地实现小空间环境内大量程高精度测量。
本发明的技术方案：
集成式压电扭矩测力仪，包括上输入法兰1、主体单元2、下输出法兰3、预紧块4、压电测力单元5和集成电路6；
所述的上输入法兰1整体呈回转结构，其轴径101为扭矩输入轴，其端口使用键进行动力输入并留有螺栓孔可与机床连接；轴径101为细轴，其外部可装配导电滑环，给整个测力仪供电；轴径101两侧加工有T型滑槽102，螺栓经过T型滑槽102与预紧块4上表面连接，实现扭矩传递；
所述的预紧块4呈现方体结构，上有并列3连接螺栓孔401，通过螺栓可与上输入法兰1的T型滑槽102连接，可在滑槽任意位置紧固；侧边设有预紧螺栓孔402，通过螺栓可与主体单元2连接，可实现对压电测力单元5预紧的作用；
所述的主体单元2侧部加工有预紧孔201，中部方形空腔用于安装压电测力单元5和预紧块4；扭矩测量采用“力×力臂”方式，采用一对压电测力单元5，较近排布；主体单元2下表面通过螺栓与下输出法兰3连接，实现扭矩继续向下级传递；
所述的下输出法兰3包括集成电路容仓301和信号发送口302；集成电路容仓301内部用于安放集成电路6，信号经过信号发送口302传给上位机软件；
所述的集成电路6集成有微控制单元601(内含A/D转换单元)、信号调理单元603、无线射频单元604以及供电转换单元602；信号调理单元603包括电荷转换电路6031、低通滤波电路6032、归一化电路6033和功率放大电路6034；微控制单元601负责总控和A/D转换，微控制单元601中A/D转换采用12位逐次逼近型ADC；微控制单元601通过串口与无线射频单元604通信，将信号向外传输；所有的集成电路板由供电转换单元602转变为适合电压后统一供电。
本发明的有益效果：
1)本测力仪具备大量程，测力仪中压电测力单元采用正向受力，可承受较大压力，实现大扭矩测量；
2)本测力仪具备小体积，由于压电测力单元正向可承受较大压力，且在对角处成对使用，可有效减少力臂距离，同时通过电路集成化，可使得测力仪精巧；
3)本测力仪具备高精度，预紧测力单元采用分离式预紧块，再经螺栓与上输入法兰滑槽内任意处连接，可不受测力单元体积和预紧力大小影响，消除安装加工带来的误差；
4)本测力仪具备抗干扰能力，集成式信号处理，且统一采取干扰屏蔽措施，可有效解决因传输距离及器件分散引入的噪声，有较强的抗干扰能力；
5)本测力仪具备强信号，采用高频信号传输，信号具备较强的穿透力和抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明集成式压电扭矩测力仪外观结构示意图；
图2是本发明测力仪上输入法兰的结构示意图；
图3是本发明测力仪主体单元容器内部的装配图；
图4是本发明测力仪预紧块的结构示意图；
图5是本发明测力仪下输出法兰的结构示意图；
图6是本发明测力仪集成电路的框图；
图7是本发明信号调理单元电路图；
图8是本发明微控制单元与无线射频单元连接框图。
图中：1上输入法兰；2主体单元；3下输出法兰；4预紧块；5压电测力单元；6集成电路；101轴径；102T型滑槽；201预紧孔；301集成电路容仓；302信号发送口；401连接螺栓孔；402预紧螺栓孔；601微控制单元；602供电转换单元；603信号调理单元；604无线射频单元。
具体实施方式
为保证本发明技术方案及优势能更加清楚明白，以下结合具体实施并参照附图，对本发明做进一步说明。
图1为本发明集成式压电扭矩测力仪外观结构示意图，图2是本发明测力仪上输入法兰的结构示意图，图3是本发明测力仪主体单元容器内部的装配图，图4是本发明测力仪预紧块的结构示意图，图5是本发明测力仪下输出法兰的结构示意图，图6是本发明测力仪集成电路的框图，图7是本发明信号调理单元电路图，图8是本发明微控制单元与无线射频单元连接框图。本设计主要由以下结构系统组成：上输入法兰1，主体单元2，下输出法兰3，预紧块4，,压电测力单元5，集成电路6其中：
所述的上输入法兰1整体呈回转型结构，如图2所示，所述的上输入法兰1输入扭矩处设计有轴径101，其采用键进行扭矩输入，其端面与机床进行连接；轴径101外部安装导电滑环对集成电路6进行供电；在轴径101两侧的两排T型滑槽102上确定预紧块4安装位置，螺栓经过T型滑槽102将上输入法兰1和预紧快4固结在一起；
所述的主体单元2内部容放预紧块4和压电测力单元5，如图3所示，螺栓从预紧孔201穿过，连接到预紧块4上的预紧螺栓孔401，实现预紧；同时将主体单元2、预紧块4和压电测力单元5固结为一体，从上输入法兰1传入的扭矩可直接经过预紧块4作用在压电测力单元5上，实现电荷的输出。
所述的预紧块3如图4所示，包括上连接螺栓孔401和侧部的预紧螺栓孔402，其用以实现压电测力单元5预紧和扭矩传输的功能；
所述的下输出法兰3如图5所示，一端通过螺栓与主体单元2进行连接，另一端与刀具相连接；下输出法兰3的集成电路容仓301盛放集成电路6；通过其侧边开有的信号发送口302发送WIFI信号；
所述的集成电路6框图如图6所示，包括微控制单元601、供电转换单元602、信号调理单元603和无线射频单元604；集成电路6由±15V供电，由供电转换单元602将±15V的电压转换为±8V和+5V，统一为其他电路模块供电；传感器产生的电荷信号，首先进入信号调理单元603，经电荷转换、滤波及放大后进入微控制单元601，经过微控制单元601内部的ADC转换，将模拟信号转变为数字信号；微控制单元601将处理后的数字信号发送给无线射频单元604，射频信号采用WIFI传输方式；
所述的集成电路6中的信号调理单元603具体电路图如图7所示，左侧框图是压电传感器等效电路图，其产生电荷信号进入信号调理单元603；信号调理单元603由四部分电路组成，分别为：电荷转换电路6031、低通滤波电路6032、归一化电路6033以及输出放大电路6034；电荷转换电路6031中电阻R1起到限流作用；滑动电阻R4、电容C1、P沟道MOS管T1和T2以及运放U1构成了RC积分电路，其中调节滑动电阻R4可获得不同的输出电压，差分P沟道MOS管T1和T2可有效增大输入阻抗，减少共模干扰；所述的电荷转换电路6031中含有过载保护结构，当输入电压过高，二极管D1将开启，同时会打开NPN型三极管，使得电流无害的进入电源，若无过载，PNP三极管T1和NPN三极管T2处于截止状态，会将电位钳制在0V附近；二极管D5和D6可有效防止供电错误对运放造成的伤害；所述的电荷转换电路6031可由微控制单元601控制自动复位，当产生电荷量超过微控制单元601设定的阈值时，微控制单元601可控制GPIO1输出高电平，使得NPN三极管T3导通，使得电荷转换电路6031自动复位，实现智能控制；经电荷转换电路6031产生的电压信号会由低通滤波电路6032将高频噪声滤除，归一化电路6033可调节放大倍数，最后经过输出放大电路6034提高输出电流，便于后面单元对信号的处理；信号调理单元603旨于将微弱的电荷信号转变为可操作的电压信号；
所述的集成电路6中的微控制单元601(内含A/D转换单元)和无线射频单元604的连接图如图8所示，信号调理单元603所输出的电压在0～10V，直接进入ADC则会损坏芯片，采用分压电阻，将电压缩小在0～5V之间；将比例缩小的电压经12位ADC转换后在微控制单元中进行反运算，通过无线射频单元604传输；微控制单元601和无线射频单元604采用串口通信方式，由微控制单元601为无线射频单元604供电，且地共接，微控制单元601的发送与接收端口与无线射频单元604发送与接收端口交叉连接，实现信息交互。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，所应理解的是，但并非以上述实施限定本发明，任何熟悉本技术领域的技术人员应知在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案做出的若干改变及替换，都应属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种集成式压电扭矩测力仪，其特征在于，该集成式压电扭矩测力仪包括上输入法兰(1)、主体单元(2)、下输出法兰(3)、预紧块(4)、压电测力单元(5)和集成电路(6)；
所述的上输入法兰(1)呈现回转结构，轴径(101)端面的螺栓孔用于与机床连接，内部开有键槽用于扭矩输入；轴径(101)外套设导电滑环；轴径(101)两侧开设有T型滑槽(102)；
所述的主体单元(2)，其中部为方形容腔，用于盛放一对预紧块(4)和一对压电测力单元(5)；在主体单元(2)的对角处开有预紧孔(201)，通过螺栓将预紧块(4)、压电测力单元(5)和主体单元(2)固结在一起；
所述的下输出法兰(3)，包括集成电路容仓(301)和信号发送口(302)，集成电路容仓(301)用于安装集成电路(6)，信号通过信号发送口(302)传输；下输出法兰(3)与主体单元(2)通过螺栓连接；
所述的预紧块(4)为方形结构，顶部有连接螺栓孔(401)与上输入法兰(1)的T型滑槽(102)任意处连接，侧部有预紧螺栓孔(402)经过压电测力单元(5)与主体单元(2)连接，整体不受预紧力影响测量精度；
所述的集成电路(6)包括微控制单元(601)、供电转换单元(602)、信号调理单元(603)和无线射频单元(604)，四部分集成；其中：
微控制单元(601)内置A/D转换模块，外部设计有R9、R10和R11构成的三电阻分压电路，微控制单元(601)可实现反运算，将还原的电压信号通过串口与无线射频单元(604)通信；微控制单元(601)内设置阈值，通过ADC采集数据进行比较，若出现过载可控制GPIO1输出高电平，实现NPN三极管T3开启，信号调理单元(603)将自动复位；
信号调理单元(603)中电荷转换电路(6031)包括由二极管D1、D2、D3和D4以及三极管T1和T2构成的电路保护结构，可实现电位钳制，过载自动复位的智能控制；由滑动电阻R4、电容C1、P沟道MOS管T1、P沟道MOS管T2以及运放U1构成的RC积分电路，其中调节滑动电阻R4可获得不同的输出电压，P沟道MOS管T1和P沟道MOS管T2可有效增大输入阻抗，减少共模干扰；电荷转换电路(6031)、低通滤波电路(6032)、归一化电路(6033)以及输出放大电路(6034)实现集成化，将电荷信号转换、滤波及放大；
无线射频单元(604)采用WIFI传输方式实现高频传输，受微控制单元(601)统一控制。
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Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4384493A (en) * 1980-02-18 1983-05-24 Gruenbaum Heinrich Torque measuring device
JP2003207402A (ja) * 2002-01-09 2003-07-25 Nsk Ltd ねじりトルクの検出方法およびその検出装置並びにそれを用いた車両用転がり軸受装置
CN101561016A (zh) * 2009-05-27 2009-10-21 武汉正通传动技术有限公司 用于扭矩限制的结构
CN101650243A (zh) * 2009-07-16 2010-02-17 大连理工大学 一种压电式深小孔钻削测力装置
DE102008041771A1 (de) * 2008-09-02 2010-03-04 Tecsis Gmbh Messvorrichtung mit verstimmbarem Widerstand
CN102353482A (zh) * 2011-07-07 2012-02-15 北京航空航天大学 一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器
CN104019936A (zh) * 2014-05-09 2014-09-03 上海自动化仪表股份有限公司 智能电动执行机构力矩传感器部件质量检测装置
CN104897325A (zh) * 2015-06-08 2015-09-09 广东衡准测控自动化有限公司 一种法兰盘式扭矩传感器
CN105973512A (zh) * 2016-06-22 2016-09-28 大连理工大学 一种自发电无线传输压电式扭矩测力仪
CN109269705A (zh) * 2018-10-26 2019-01-25 大连理工大学 一种无线传输压电式四分量测力仪装置
CN109813476A (zh) * 2019-01-23 2019-05-28 广西大学 一种基于结构解耦的新型电容式力矩传感器

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4384493A (en) * 1980-02-18 1983-05-24 Gruenbaum Heinrich Torque measuring device
JP2003207402A (ja) * 2002-01-09 2003-07-25 Nsk Ltd ねじりトルクの検出方法およびその検出装置並びにそれを用いた車両用転がり軸受装置
DE102008041771A1 (de) * 2008-09-02 2010-03-04 Tecsis Gmbh Messvorrichtung mit verstimmbarem Widerstand
CN101561016A (zh) * 2009-05-27 2009-10-21 武汉正通传动技术有限公司 用于扭矩限制的结构
CN101650243A (zh) * 2009-07-16 2010-02-17 大连理工大学 一种压电式深小孔钻削测力装置
CN102353482A (zh) * 2011-07-07 2012-02-15 北京航空航天大学 一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器
CN104019936A (zh) * 2014-05-09 2014-09-03 上海自动化仪表股份有限公司 智能电动执行机构力矩传感器部件质量检测装置
CN104897325A (zh) * 2015-06-08 2015-09-09 广东衡准测控自动化有限公司 一种法兰盘式扭矩传感器
CN105973512A (zh) * 2016-06-22 2016-09-28 大连理工大学 一种自发电无线传输压电式扭矩测力仪
CN109269705A (zh) * 2018-10-26 2019-01-25 大连理工大学 一种无线传输压电式四分量测力仪装置
CN109813476A (zh) * 2019-01-23 2019-05-28 广西大学 一种基于结构解耦的新型电容式力矩传感器

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A NON-CONTACT PIEZOELECTRIC TORQUE SENSOR;Jeremy M.Hammond;《1998 IEEE INTERNATIONAL FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM》;19981231;全文 *
Piezoelectric Sensor of Control Surface Hinge Moment;Zongjin REN 等;《Sensors & Transducers》;20130531;全文 *
一种压电式大扭矩测力仪设计与实验研究;任宗金 等;《压电与声光》;20171231;第39卷(第6期);全文 *
并联式轴用压电六维力/力矩传感器;贾振元;《机械工程学报》;20100630;第46卷(第11期);全文 *
预紧式Ｓｔｅｗａｒｔ结构六维力／力矩传感器;赵磊 等;《光学精密工程》;20111231;第19卷(第12期);全文 *

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