RU152542U1

RU152542U1 - TENZOMETRIC DYNAMOMETER

Info

Publication number: RU152542U1
Application number: RU2014147130/28U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Иванович Лагутин
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2015-06-10

Abstract

Тензометрический динамометр, содержащий трубчатый корпус, в стенках которого образованы два кольцевых основания, две взаимно перпендикулярные пары продольных упругих балок с поперечными подрезами на внутренних поверхностях, промежуточное основание в виде двух дополнительных колец, которые соединены между собой посредством четырех крестообразно расположенных в поперечном сечении между указанными балками продольных упругих пластин и выполнены с лысками напротив соответствующих пар продольных балок, присоединенных к указанным дополнительным кольцам со стороны, противоположной соединенному с соответствующей парой балок кольцевому основанию, и тензопреобразователи, размещенные на гранях балок и упругих пластин, отличающийся тем, что в него введены дополнительные тензопреобразователи, соответственно соединённые в мостовую измерительную схему и размещённые попарно Х-образно на внешней поверхности колец промежуточного основания вдоль боковых граней присоединённых к ним продольных упругих балок.A strain gauge dynamometer containing a tubular body, in the walls of which two annular bases are formed, two mutually perpendicular pairs of longitudinal elastic beams with transverse undercuts on the inner surfaces, an intermediate base in the form of two additional rings that are interconnected by four crosswise arranged in cross section between the indicated beams of longitudinal elastic plates and are made with flats opposite the corresponding pairs of longitudinal beams attached to the specified additional stiff rings from the side opposite to the annular base connected to the corresponding pair of beams, and strain gauges placed on the faces of the beams and elastic plates, characterized in that additional strain gauges are introduced into it, respectively connected to the bridge measuring circuit and placed in pairs X-shaped on the outer surface rings of the intermediate base along the side faces of longitudinal elastic beams attached to them.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике, в частности к устройству тензометрических динамометров, и может быть использовано в различных областях техники (например, в экспериментальной аэрогидродинамике, робототехнике).The proposed technical solution relates to measuring equipment, in particular to the device of strain gauge dynamometers, and can be used in various fields of technology (for example, in experimental aerohydrodynamics, robotics).

Известен тензометрический динамометр (см. авт. свид. СССР №1397756, МПК G01L 5/16, 1986 г.), содержащий два опорных основания, последовательно соединенных через промежуточное основание двумя взаимно перпендикулярными парами параллельных между собой и симметричных относительно продольной оси упругих балок, и тензопреобразователи, размещенные на гранях промежуточного основания и напротив поперечных подрезов, выполненных на внутренней поверхности упругих балок, причем промежуточное основание размещено между обеими парами балок и соединено с ними со стороны, противоположной связанной с соответствующей парой опорному основанию.Known tensometric dynamometer (see ed. Certificate of the USSR No. 1397756, IPC G01L 5/16, 1986), containing two support bases connected in series through an intermediate base with two mutually perpendicular pairs parallel to each other and symmetrical with respect to the longitudinal axis of the elastic beams, and strain gauges placed on the faces of the intermediate base and opposite transverse undercuts made on the inner surface of the elastic beams, and the intermediate base is placed between both pairs of beams and connected to them from the side opposite the supporting base connected to the corresponding pair.

Динамометр обеспечивает измерение четырех компонент нагрузки: двух поперечных сил и двух изгибающих моментов.A dynamometer measures four load components: two lateral forces and two bending moments.

Недостатками конструкции являются сложность монтажа измерительных схем с тензопреобразователями на гранях промежуточного основания и отсутствие внутреннего продольного канала, необходимого (например, при использовании в робототехнических системах) для размещения в его полости различных коммуникаций (кабелей, трубопроводов).Design shortcomings are the difficulty of mounting measuring circuits with strain gauges on the faces of the intermediate base and the lack of an internal longitudinal channel necessary (for example, when used in robotic systems) for placing various communications (cables, pipelines) in its cavity.

Известен тензометрический динамометр (см. авт. свид. СССР №1613886, МПК G01L 5/16, G01L 1/22, 1988 г.), содержащий трубчатый корпус, в стенках которого образованы два кольцевых основания, две взаимно перпендикулярные пары продольных упругих балок с поперечными подрезами на внутренних поверхностях, промежуточное основание в виде двух дополнительных колец, соединенных между собой посредством четырех крестообразно расположенных в поперечном сечении между указанными балками продольных упругих пластин и выполненных с лысками напротив соответствующих пар продольных балок, присоединенных к указанным дополнительным кольцам со стороны, противоположной соединенному с соответствующей парой балок кольцевому основанию, и тензопреобразователи, размещенные на гранях балок и упругих пластин.Known tensometric dynamometer (see ed. Certificate of the USSR No. 1613886, IPC G01L 5/16, G01L 1/22, 1988), containing a tubular body, in the walls of which two ring bases are formed, two mutually perpendicular pairs of longitudinal elastic beams with transverse undercuts on the inner surfaces, an intermediate base in the form of two additional rings interconnected by four crosswise arranged in cross section between the specified beams of longitudinal elastic plates and made with flats opposite the corresponding pa the longitudinal beams attached to said additional rings on the opposite side connected to the corresponding pair of beams annular base and tenzopreobrazovatel placed on the faces of the elastic beams and plates.

Рассмотренное техническое решение является наиболее близким аналогом заявленного предложения и выбрано в качестве прототипа.The considered technical solution is the closest analogue of the claimed proposal and is selected as a prototype.

Недостатком этого динамометра является ограниченность функциональных возможностей измерением только пяти компонент нагрузки: поперечных сил Υ и Z, изгибающих My и Mz и крутящего Mx моментов, в то время как во многих практических задачах экспериментальной аэрогидродинамики и робототехники необходимо измерение всех шести компонент нагрузки, для чего приходится дополнительно применять отдельный динамометр продольной силы X При этом увеличиваются габариты динамометрической системы.The disadvantage of this dynamometer is the limited functionality by measuring only five load components: lateral forces Υ and Z, bending My and Mz and torque Mx, while in many practical tasks of experimental aerohydrodynamics and robotics it is necessary to measure all six load components, for which additionally use a separate dynamometer of longitudinal force X At the same time, the dimensions of the dynamometer system increase.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение потребительских качеств динамометра.The task to which the proposed technical solution is aimed is to increase the consumer qualities of the dynamometer.

Технический результат, который обеспечивается предложением, заключается в обеспечении измерения всех шести компонент нагрузки в габаритах известного пятикомпонентного динамометра.The technical result, which is provided by the proposal, is to ensure the measurement of all six load components in dimensions of the known five-component dynamometer.

Этот технический результат достигается тем, что в тензометрическом динамометре, выбранном в качестве прототипа и содержащем трубчатый корпус, в стенках которого образованы два кольцевых основания, две взаимно перпендикулярные пары продольных упругих балок с поперечными подрезами на внутренних поверхностях, промежуточное основание в виде двух дополнительных колец, которые соединены между собой посредством четырех крестообразно расположенных в поперечном сечении между указанными балками продольных упругих пластин и выполнены с лысками напротив соответствующих пар продольных балок, присоединенных к указанным дополнительным кольцам со стороны, противоположной соединенному с соответствующей парой балок кольцевому основанию, и тензопреобразователи, размещенные на гранях балок и упругих пластин, введены дополнительные тензопреобразователи, соответственно соединенные в мостовую измерительную схему и размещенные попарно Х-образно на внешней поверхности колец промежуточного основания вдоль боковых граней присоединенных к ним продольных упругих балок.This technical result is achieved by the fact that in a tensometric dynamometer selected as a prototype and containing a tubular body, in the walls of which two annular bases are formed, two mutually perpendicular pairs of longitudinal elastic beams with transverse undercuts on the inner surfaces, an intermediate base in the form of two additional rings, which are interconnected by means of four crosswise arranged in cross section between these beams of longitudinal elastic plates and made with flats opposite the corresponding pairs of longitudinal beams connected to the indicated additional rings from the side opposite to the annular base connected to the corresponding pair of beams, and strain gauges placed on the faces of the beams and elastic plates, additional strain gauges are introduced, respectively connected to the bridge measuring circuit and placed in pairs X- figuratively on the outer surface of the rings of the intermediate base along the side faces of the longitudinal elastic beams attached to them.

Существо предложения заключается в использовании весьма ограниченного пространства внешней поверхности колец промежуточного основания динамометра между местами присоединения к ним продольных упругих балок и упругих пластин для Х-образного (под 45° каждый тензопреобразователь относительно боковых граней соответствующих продольных балок и под 90° относительно друг друга в каждой паре) размещения пар дополнительно введенных тензопреобразователей и создании соответствующей суммирующей измерительной схемы для выделения сигнала, пропорционального величине продольной силы при компенсации воздействия остальных компонент нагрузки.The essence of the proposal is to use a very limited space of the outer surface of the rings of the intermediate base of the dynamometer between the points of attachment of longitudinal elastic beams and elastic plates for the X-shaped ones (at 45 ° each strain gauge relative to the side faces of the corresponding longitudinal beams and at 90 ° relative to each other in each pair) placing pairs of additionally introduced strain gauges and creating an appropriate summing measuring circuit to isolate the signal, prop rational value of the longitudinal force while compensating for the effects of the remaining components of the load.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого динамометра; на фиг. 2 - вид справа на фиг. 1; на фиг. 3 - вид сверху на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 6-11 - электрические схемы соединения тензопреобразователей.In FIG. 1 shows a General view of the proposed dynamometer; in FIG. 2 is a right view in FIG. one; in FIG. 3 is a plan view of FIG. one; in FIG. 4 is a section AA in FIG. 2; in FIG. 5 is a section BB of FIG. 2; in FIG. 6-11 - electrical connection diagrams of strain gauges.

Динамометр содержит трубчатый корпус, в стенках которого образованы два кольцевых основания 1 и 2, пара продольных, разнесенных в вертикальной плоскости упругих балок 3 с тензопреобразователями R1-R4 для измерения поперечной нормальной силы Y, пара продольных, разнесенных в горизонтальной плоскости упругих балок 4 с тензопреобразователями R5-R8 для измерения поперечной боковой силы Ζ и четыре продольные упругие пластины 5, крестообразно расположенные в поперечном сечении вдоль боковых граней упругих балок, с тензопреобразователями R17-R24 для измерения крутящего момента Мх. На внутренних поверхностях упругих балок 3 и 4 напротив тензопреобразователей R1-R4 и R5-R8 выполнены поперечные цилиндрические подрезы 6, служащие для повышения чувствительности и избирательности динамометра к поперечным силам. На боковых гранях упругих балок 3 размещены тензопреобразователи R9-R12 для измерения изгибающего момента, действующего в горизонтальной плоскости My, а на боковых гранях упругих балок 4 - тензопреобразователи R13-R16 для измерения изгибающего момента, действующего в вертикальной плоскости Mz.The dynamometer contains a tubular body, in the walls of which two annular bases 1 and 2 are formed, a pair of longitudinal, spaced apart in the vertical plane of elastic beams 3 with strain gauges R1-R4 to measure the transverse normal force Y, a pair of longitudinal, spaced apart in the horizontal plane of elastic beams 4 with strain gauges R5-R8 for measuring the lateral lateral force Ζ and four longitudinal elastic plates 5, located crosswise in cross section along the side faces of the elastic beams, with strain gauges R17-R24 for and measuring torque MX. On the inner surfaces of the elastic beams 3 and 4 opposite the strain gauges R1-R4 and R5-R8, transverse cylindrical undercuts 6 are made, which serve to increase the sensitivity and selectivity of the dynamometer to transverse forces. On the lateral faces of the elastic beams 3, strain gauges R9-R12 are placed for measuring the bending moment acting in the horizontal plane My, and on the lateral faces of the elastic beams 4 there are strain gauges R13-R16 for measuring the bending moment acting in the vertical plane Mz.

Концы продольных упругих пластин 5 соединены дополнительными поперечными кольцами 7 и 8, образуя структуру промежуточного основания динамометра типа «беличье колесо». Кольца 7 и 8 выполнены с лысками 9 и 10 для соответствующего размещения балок 3 и 4. Концы пары продольных упругих балок 3 соединены с кольцевым основанием 1 и с дополнительным поперечным кольцом 8, расположенным около основания 2, соответственно концы пары продольных упругих балок 4 соединены с кольцевым основанием 2 и с дополнительным поперечным кольцом 7, расположенным около основания 1. На внешней поверхности обеих колец 7 и 8 вдоль боковых граней присоединенных к ним продольных упругих балок 3 и 4 размещены попарно Х-образно, симметрично относительно продольной оси тензопреобразователи R25-R40 (под 45° каждый тензопреобразователь относительно продольной оси и под 90° относительно друг друга в каждой паре). Указанные на фиг. 2 и 3 нечетные номера тензопреобразователей - относятся к тензопреобразователям каждой пары, ориентированным справа-налево сверху-вниз, а четные - к тензопреобразователям, ориентированным справа-налево снизу-вверх.The ends of the longitudinal elastic plates 5 are connected by additional transverse rings 7 and 8, forming the structure of the intermediate base of the squirrel-wheel dynamometer. Rings 7 and 8 are made with flats 9 and 10 for the corresponding placement of beams 3 and 4. The ends of the pair of longitudinal elastic beams 3 are connected with the annular base 1 and with an additional transverse ring 8 located near the base 2, respectively, the ends of the pair of longitudinal elastic beams 4 are connected with an annular base 2 and with an additional transverse ring 7 located near the base 1. On the outer surface of both rings 7 and 8 along the side faces of the longitudinal elastic beams 3 and 4 attached to them are arranged in pairs X-shaped, symmetrically relative along the longitudinal axis, strain gauges R25-R40 (at 45 ° each strain gauge is relative to the longitudinal axis and at 90 ° relative to each other in each pair). Referring to FIG. 2 and 3 odd numbers of strain gauges - refer to the strain gauges of each pair, oriented from right to left from top to bottom, and even numbers - to strain gauges oriented from right to left from bottom to top.

Тензопреобразователи R1-R4, R5-R8, R9-R12, R13-R16, R17-R24, R25-R40 соединены в мостовые измерительные схемы в соответствии с фиг. 6-11.The strain gauges R1-R4, R5-R8, R9-R12, R13-R16, R17-R24, R25-R40 are connected to the bridge measuring circuits in accordance with FIG. 6-11.

Работа динамометра осуществляется следующим образом.The dynamometer is as follows.

Действие силы Υ вызывает плоскопараллельное смещение кольцевого основания 2 и дополнительных колец 7 и 8 в вертикальной плоскости относительно кольцевого основания 1 (фиг. 2). Это приводит к изгибу балок 3 преимущественно в местах подрезов 6 и соответствующему сжатию-растяжению тензопреобразователей R1-R4, а в измерительной диагонали моста (фиг. 6) появляется электрический сигнал, пропорциональный силе Υ. Подрезы 6 обеспечивают независимость показаний этого компонента динамометра от точки приложения силы и способствуют повышенной жесткости корпуса динамометра за счет локализации деформации продольных балок.The action of force Υ causes a plane-parallel displacement of the annular base 2 and the additional rings 7 and 8 in a vertical plane relative to the annular base 1 (Fig. 2). This leads to the bending of the beams 3 mainly in the places of undercuts 6 and the corresponding compression-extension of the strain gauges R1-R4, and an electric signal proportional to the force появляется appears in the measuring diagonal of the bridge (Fig. 6). Undercuts 6 ensure that the readings of this component of the dynamometer are independent of the point of application of force and contribute to the increased rigidity of the dynamometer body due to localization of the deformation of the longitudinal beams.

Сила Ζ вызывает плоскопараллельное смещение кольцевого основания 2 и дополнительных колец 7, 8 в горизонтальной плоскости относительно кольцевого основания 1 (фиг. 3), изгиб упругих балок 4 преимущественно в местах подрезов 6, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R5-R8 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг. 7), пропорционального силе Ζ.The force Ζ causes a plane-parallel displacement of the annular base 2 and additional rings 7, 8 in a horizontal plane relative to the annular base 1 (Fig. 3), the bending of the elastic beams 4 mainly in the places of undercuts 6, the corresponding compression-tension strain transducers R5-R8 and the appearance of an electrical signal in measuring diagonal of the bridge (Fig. 7), proportional to the force Ζ.

Момент My, действующий в горизонтальной плоскости, вызывает изгиб упругих балок 3, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R9-R12 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг. 8), пропорционального величине момента My.The moment My, acting in the horizontal plane, causes bending of the elastic beams 3, the corresponding compression-tension strain transducers R9-R12 and the appearance of an electric signal in the measuring diagonal of the bridge (Fig. 8), proportional to the value of the moment My.

Момент Mz, действующий в вертикальной плоскости, вызывает изгиб упругих балок 4, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R13-R16 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг. 9), пропорционального величине момента Mz.The moment Mz, acting in the vertical plane, causes the elastic beams 4 to bend, corresponding compression-tension of the strain gauges R13-R16 and the appearance of an electric signal in the measuring diagonal of the bridge (Fig. 9), proportional to the moment Mz.

Момент Мх вызывает плоскопараллельный поворот дополнительных поперечных колец 7, 8 одно относительно другого, косой S-образный изгиб упругих пластин 5, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R17-R24 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг. 10), пропорционального величине момента Мх. Симметрия конструкции обеспечивает слабую зависимость показаний этого компонента динамометра от действия изгибающих моментов и поперечных сил.The moment Mx causes a plane-parallel rotation of the additional transverse rings 7, 8 relative to one another, an oblique S-shaped bend of the elastic plates 5, the corresponding compression-tension strain transducers R17-R24 and the appearance of an electrical signal in the measuring diagonal of the bridge (Fig. 10), proportional to the value of the moment Mx . The symmetry of the design provides a weak dependence of the readings of this component of the dynamometer on the action of bending moments and transverse forces.

Сила X вызывает преимущественно сдвиговые локальные напряжения на коротких участках поперечных колец 7, 8 между местами присоединения к ним продольных упругих балок 3, 4 и упругих пластин 5, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R25-R40 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали мостов Χ₁ и Х₂ (фиг. 11), пропорционального величине силы X. Получение суммарного сигнала измерительного элемента компонента X=Χ₁+Х₂ с помощью тензопреобразователей R25-R40, размещенных симметрично относительно продольной оси динамометра на поверхности обеих поперечных колец и включенных в измерительную схему в соответствии с фиг. 11, обеспечивает необходимый уровень сигнала и его независимость от действия других компонент нагрузки.The force X causes mainly local shear stresses on short sections of the transverse rings 7, 8 between the points of attachment of longitudinal elastic beams 3, 4 and elastic plates 5, the corresponding compression-tension strain transducers R25-R40 and the appearance of an electrical signal in the measuring diagonal of bridges Χ ₁ and X ₂ (Fig. 11), proportional to the force X. Obtaining the total signal of the measuring element of the component X = Χ ₁ + X ₂ using strain gauges R25-R40, placed symmetrically relative to the longitudinal axis of the dynamo on the surface of both transverse rings and included in the measuring circuit in accordance with FIG. 11, provides the necessary signal level and its independence from the action of other load components.

Claims

A strain gauge dynamometer containing a tubular body, in the walls of which two annular bases are formed, two mutually perpendicular pairs of longitudinal elastic beams with transverse undercuts on the inner surfaces, an intermediate base in the form of two additional rings that are interconnected by four crosswise arranged in cross section between the indicated beams of longitudinal elastic plates and are made with flats opposite the corresponding pairs of longitudinal beams attached to the specified additional stiff rings from the side opposite to the annular base connected to the corresponding pair of beams, and strain gauges placed on the faces of the beams and elastic plates, characterized in that additional strain gauges are introduced into it, respectively connected to the bridge measuring circuit and placed in pairs X-shaped on the outer surface rings of the intermediate base along the side faces of longitudinal elastic beams attached to them.