RU1783329C - Устройство платформенного типа дл многокомпонентного измерени сил и моментов - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : устройство содержит квадратную силовоспринимающую плиту, св занную с основанием через четыре одинаковых упругих элемента. Упругий элемент включает два стержн , один из которых расположен перпендикул рно к плоскости силовоспринимающей плиты, а другой параллельно ей. Узел соединени  стержней - посадочный цилиндр соосен стержню и имеет резьбовое отверстие. Про- межуточный силопередающий элемент включает прилив на силовоспри нимающей плите с упорным, посадочным отверстием и посадочный цилиндр и зат жной винтовой элемент. На каждом упругом элемента размещены шесть тензодатчиков, три из которых расположены на стержне, а три - на стержне. Стержни образуют угол 45° с координатными ос ми. Силовоспринимающа  плита выполнена в виде тонкостенной ребристой конструкции и выполнена из металла или композитного материала. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относитс  к силоизме- рительной технике и предназначено дл  многокомпонентного измерени  сил и моментов .

Известно устройство платформенного типа дл  многокомпонентного измерени  сил и моментов, состо щее из силовоспринимающей плиты, основани  и св зывающих их между собой четырех датчиков силы - трехкомпонентных измерительных устройств в виде поджатых совместно трех пар колец, вырезанных по различным направлени м из кристаллов кварца.

Главным недостатком этого устройства  вл етс  невозможность осуществлени 

статических измерений нар ду с динамическими .

Известно устройство платформенного типа дл  многокомпонентного измерени  сил и моментов, выбранное прототипом, состо щее из силовоспринимающей плиты, соединенной с основанием через три упругих элемента, состо щих из двух соединенных под пр мым углом стержней. Упругие элементы прикреплены к силовоспринимающей плите в местах соединени  между собой вход щих в них стержней. При этом первый стержень каждого упругого элемента перпендикул рен к поверхности силовоспринимающей плиты. Координаты в плане точек опирани  сило зтэепринимающей плиr ffl ffi5 )

ты выбраны из услови  максимальности низшей собственной частоты. Ориентаци  плоскости всех упругих элементов обеспечивает максимальную жесткость и перегрузочную способность.

Рабочей деформации стержней всех упругих элементов  вл етс  раст жение-сжатие , дл  измерени  которого на поверхности каждого стержн  вдоль осей противоположных боковых граней напротив друг друга размещены два рабочих тен- зодитчйка, последовательно включенных в одно плечо мостовой измерительной схемы .

Главный вектор и главный момент нагрузки , приложенной ксиловоспринимаю- щей плите, определ етс  из условий равновеси  по сигналам, получаемым с шести мостовых измерительных схем. Дл  этого в прототипе использованы шесть операционных усилителей (по числу мостовых схем) и шесть сумматоров с соответствующими коэффициентами передачи.

Недостатки прототипа следующие. Использованна  статистически определима  трехопорна  система имеет предел повышени  частот изгибных колебаний смловос- принимающей плиты, а также парциальных колебаний последней как твердого тела. Наличие свисающих частей приводит к зависи- мости выходного сигнала от точки приложени  нагрузки и большому взаимовли нию между измер емыми деформаци ми , а также ограничивает перегрузочную способность устройства. Решение этих задач увеличением толщины силовосприни- мающей плиты увеличивает высоту устройства и ухудшает частотные характеристики системы, т.к. приводит к увеличению массы.

Крепление упругих элементов к силовос- принимающей плите осуществлено зат жкой через выступ на силовоспринимающей плите, имеющей резьбовое отверстие, соосное первому стержню. При этом диаметр резьбовой части зат жного болта должен быть меньше стороны сечени  стержн . Усилие зат жки болта ограничено и уменьшена прочность упругого элемента в месте креплени  силовоспринимающей плиты. Слаба  зат жка приводит к микроподвижкам в резьбовом соединении, соизмеримым с измер емыми деформаци ми, и к уменьшению жесткости, а следовательно, к снижению собственных частот, особенно , дл  перемещений в плоскости плиты. Также увеличиваютс  зависимость результатов измерений от точки приложени  нагрузки и взаимовли ние измер емых компонент. Указанные недостатки усугубл ютс  значительным рассто нием между рабочей поверхностью плиты и ос ми вторых стрежней упругих элементов. Растет высота устройства и, как следствие, ухудшаетс  его встраиваемость.

Использование и измерение в качестве рабочих только деформаций раст жени -сжати  привод т к погрешност м, св занным с тем, что фактически стержни,

кроме раст жени -сжати , испытывают изгиб в различных плоскост х. В результате осуществл емые измерени  имеют погрешности , св занные с нестабильностью во времени и по температуре, с взаимовли нием

измер емых компонент нагрузки, с зависимостью от точки приложени  нагрузки.

Аналогова  обработка сигнала, отсутствие коммутатора, аналого-цифрового преобразовател  и процессора не позвол ют

повысить качество измерений за счет корректировки выходных сигналов с помощью матрицы взаимовли ни  и их фильтрации численными методами без фазовых искажений .

Отсутствие средств креплени  силовоспринимающей плиты к упругим элементам внутри угла пересечени  стержней последних приводит к снижению жесткости креплени , а следовательно, к снижению

собственных частот устройства и увеличению гистерезиса.

К снижению частот собственных колебаний приводит также отсутствие пластины, объедин ющей ребра жесткости в пределах

опорного треугольника.

Изготовление силовоспринимающей плиты из традиционных материалов с малым отношением модул  упругости к плотности не позвол ет одновременно увеличивать изгибную жесткость и умен ьшать массу плиты с целью сдвига спектра собственных колебаний в область высоких частот дл  снижени  погрешностей измерений.

Цель изобретени  - повышение точности и расширение динамического диапазона измерений, увеличение максимально допустимых нагрузок и уменьшение высоты устройства, повышающее его встраиваемость . Это приводит к увеличению возможностей устройства и расширению области процессов, дл  измерени  которых оно может быть использовано с более достоверными результатами.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в

устройство платформенного типа дл  многокомпонентного измерени  сил и моментов , содержащее силовоспринимающую плиту, прикрепленную жестко к основанию через три упругих элемента в виде плоских

рам, состо щих из двух соединенных между

собой под пр мым углом в местах креплени  к плите стержней с размещенными на них тензодатчиками, причем первые из стержней каждого упругого элемента расположены перпендикул рно к плите, а вторые - параллельно ей, введены четвертый упругий элемент, четыре промежуточных сило- передающих элемента по числу упругих элементов; коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и процессор. Сило- воспринимающа  плита выполнена квадратной со стороной L и прикреплена к упругим элементам в углах квадрата со сторонами (0,5-0,6)L, параллельными сторонам силовоспринимающей плиты . Плоскость каждого упругого элемента перпендикул рна к пересекающей ее диагонали силовоспринимающей плиты. Промежуточные силопередающие элементы выполнены в виде соединенных между собой осевым зат жным винтовым элементом прилива на силовоспринимающей плите с упорным посадочным отверстием и посадочного цилиндра с осевым резьбовым отверстием , соедин ющего между собой начала обоих стержней соответствующего упругого элемента.

Посадочный цилиндр соосен первому стержню, при этом рассто ние Ј между рабочей поверхностью силовоспринимающей плиты и плоскостью расположени  осей вторых стержней всех упругих элементов и рассто ние k между точкой пересечени  осей стержней каждого упругого элемента и концам его первого стержн  удовлетвор ют условию

k

+ Ј

0,64

0,81

В стенке каждого прилива выполнена сквозна  прорезь, в которой размещен второй стержень соответствующего упругого элемента.

Соотношение между сторонам а и Ь, где а Ь, пр моугольного сечени  каждого стержн  и длинами первого и второго стержней И и 2 каждого упругого элемента выбрано из услови 

YE

4,86 Р

max

.2),

где Ртах - заданна  максимальна  продольна  сила дл  стержн ,

Е - модуль упругости материала.

На каждом стержне каждого упругого элемента размещены по три рабочих тензо- датчика, два по оси одной его грани, а третий по оси противоположной грани напротив одного из них. Рабочие тензодатчики одного стерх н  лежёт в плоскости, параллельной плоскости упругого элемента, а рабочие тензодатчики другого стержн  лежат в плоскости, перпендикул рной к пло- скости упругого элемента.

Каждый тензодатчик включен в измерительную схему, выход которой через коммутатор и аналого-цифровой преобразователь подключен к процессору.

0 В разделенных сквозной прорезью стенках каждого прилива силовоспринимающей плиты выполнены соосно два отверсти  с размещенным в них винтовым ст жным элементом. Ось указанных отвер5 стий проходит внутри угла пересечени  первого и второго стержней, соответствующего данному приливу упругого элемента.

Силовоспринимающа  плита выполнена в виде пластины с параллельно -перпен0 дикул рными относительно ее сторон ребрами жесткости и с четырьм  отрезками диагональных ребер жесткости между точками креплени  силовоспринимающей плиты к упругим элементам и близлежащими ее

5 углами. Высота ребер жесткости посто нна  в пределах образованного указанными точками креплени  квадрата и переменна с уменьшением к сторонам силовоспринимающей плиты вне его, а вершины ребер в

0 пределах указанного квадрата жестко св заны между собой другой пластиной.

Силовоспринимающа  плита выполнена из металла или композитного материала с отношением модул  упругости к плотности

5 в пределах (0,26-0,90)х10 , м.

На фиг.1 предоставлена схема механической части устройства в глобальной системе координат OXYZ; на фиг.2 - упругий элемент, соединенный с фрагментами сило0 воспринимающей плиты и основани ; на фиг.З - схема упругого элемента с тензодатчиками и обозначени ми проекций сил и моментов в локальной системе координат . Oxyz, а также с реакци ми в точках крепле5 ни  его стержней к основанию; на фиг.4 схема расположени  и ориентаци  ребер

жесткости силовоспринимающей плиты с

замыкающей их пластиной (вид снизу).

Изобретение выполн етс  следующим

0 образом.

Силовоспринимающа  плита 1 св зана с основанием 2 через четыре одинаковых упругих элемента 3. Упругий элемент- цельна  конструкци , включающа  перпендику5 л рный к плоскости силовоспринимающей плити первый стержень 4 и параллельный ей второй стержень 5. Узел соединени  стержней - посадочный цилиндр 6, соосный первому стержню 4 и имеющий резьбовое отверстие 7.

Промежуточный силопередающий элемент включает прилив на силовоспринима- ющей плите 8 с упорным посадочным отверстием 9 и посадочный цилиндр 6, а также зат жной винтовой элемент 10. Жесткость посадки обеспечиваетс  зат жкой винтового элемента 10 через силовосприни- мающую 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 ст нуты винтовым элементом 12 через соос- ные отверсти  13, Ось указанных отверстий проходит внутри угла, образованного первым 4 и вторым 5 стержн ми. Это позвол ет обеспечить необходимую жесткость при измерени х в плоскости силовоспринимаю- щей плиты, как следствие, повысить точность и расширить диапазон измерени  сил и моментов и одновременно повысить встраиваемость устройства за счет уменьшени  его высоты.

Измер ема  нагрузка приложена на рассто нии от плоскости вторых стержней 5 всех упругих элементов 3. Максимальные жесткость и частота собственных колебаний достигаютс  при следующем соотношении, св зывающем указанное рассто ние с рассто нием от оси второго стержн  5 до заделки первого стержн  4.

На каждом упругом элементе размещены шесть тензодатчиков: три тензодагчика 14,15,16 на первом стержне и три тензодат- чика 17, 18, 19 на втором стержне. Это позвол ет определить проекции главного вектора Fx, Fy, Fz и главного момента Мх, My, Mz в местной системе координат. По этим проекци м дл  всех четырех упругих элементов из услови  равновеси  силовоспринимающей плиты определ ютс  главные вектор . Ру, PZ и момент . my, тг измер емой нагрузки, вне зависимости от степени деформировани  силовоспринима- щей 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 вычисл ет главные вектор , Ру, PZ и момент , rny, mz измер емой нагрузки, осуществл ет фильтрацию гармоник колебаний механической системы без фазовых искажений и корректировку измерений по предварительно записанной в пам ть матрице корректировки. Такое использование

процессора повышает точность и расшир ет диапазон измерений.

Квадратна  в плане силовоспринимаю- ща  плита 1 со стороной L опираетс  на

четыре упругих элемента 3 в углах квадрата со стороной 2п. Стороны последнего параллельны сторонам силовоспринимающей плиты, и центры указанного квадрата и силовоспринимающей плиты совпадают.

Величины L и п удовлетвор ют следующему соотношению

2n:L(0,5-0,6),

выбранному из услови  максимума низшей частоты изгибных колебаний силовоспринимающей плиты. Интервальность соотношени  обусловлена тем, что вблизи экстремума функци  частоты измен етс  незначительно.

Указанное расположение точек опирани  силовоспринимающей плиты позвол ет при назначенной высоте последней обеспечить наилучшее распределение жесткости силовоспринимающей плиты в направлении оси OZ и уменьшить логрешности , вызванные зависимостью результатов от точки приложени  измер емой нагрузки и взаимовли нием ее компонент, расширить диапазон измерений за счет повышени  низших частот изгибных колебаний . При этом достигаетс  также лучша  встраиваемость, так как максимальные частоты достигаютс  при меньшей высоте силовоспринимающей плиты по сравнению с другими вариантами расположени  точек

опирани .

Вторые стержни 5 упругих элементов образуют угол 45° с координатными ос ми, что обеспечивает необходимую жесткость на кручение вокруг оси OZ.

Силовоспринимающа  плита выполнена в виде тонкостенной ребристой конструкции , При этом тонка  пластина 20 служит рабочей поверхностью и подкреплена параллельно-перпендикул рной по отношеник к сторонам силовоспринимающей плиты системой ребер жесткости. Четыре ребра 21 соедин ют точки опирани  силовоспринимающей плиты. Параллельные им ребра 22 служат заполнением. Диагональные ребра 23 соедин ют вершины силовос- принимйющей плиты с точками ее опирани  на упругие элементы. Высота ребер в пределах квадрата, образованного указанными точками, посто нна и они объединены пластиной 24, параллельной поверхности силовоспринимающей плиты. Высота всех ребер жесткости вне пластины 24 уменьшаетс  к периферии силовоспринимающей плиты. .Это обеспечивает максимальную жесткость

и необходимое распределение массы сило- воспринимающей плиты.

Силовоспринимающа  плита изготовлена из металла или композитного материала с отношением модул  упругости к плотности в пределах (0,26-0,90)х107 м. что позвол ет обеспечить высокую жесткость и одновременно уменьшить массу устройства .

Описанные решени  привод т к увели- чению точности измерений в статике и динамике , расширению диапазона измерений и улучшению встраиваемости устройства.

Устройство работает следующим образом . Внешн   нагрузка распредел етс  по- средством силовоспринимающей плиты между четырьм  упругими элементами. Ше- стикомпонентный вектор нагрузки, прило- женной к отдельному упругому эле менту, , определ етс  процессором по результатам тензометрировани  по формуле

. где ei - вектор измеренных деформаций;

К - матрица передачи упругого элемента , определ ема  экспериментальным или расчетным путем.

Далее процессор в глобальной системе координат вычисл ет компоненты внешней нагрузки по уравнени м равновеси  силовоспринимающей плиты.

Claims (4)

1. Устройство платформенного типа дл  многокомпонентного измерени  сил и моментов , содержащее силовоспринимаю- щую плиту, прикрепленную жестко к основанию через три упругих элемента в виде плоских рам, состо щих из двух соединенных между собой под пр мым углом в местах креплени  к плите стержней с размещенными на них тензодатчиками, причем первые из стержней каждого упругого элемента расположены перпендикул рно плите , а вторые - параллельно ей, о т л и ч а ю- щ е е с   тем, что, с целью повышени  точности , расширени  диапазона измерений и уменьшени  высоты устройства, в него введены четвертый упругий элемент, четыре промежуточных силопередающих элемента по числу упругих элементов, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и про- цессор, при этом Силовоспринимающа  плита выполнена квадратной со стороной L и прикреплена к упругим элементам в углах квадрата со стороной 0,5-0,6L, параллельными сторонам силовоспринимающей пли- ты, плоскость каждого упругого элемента перпендикул рна пересекающей ее диагонали силовоспринимающей плиты, промежуточные силопередающие элементы выполнены в виде соединенных между собой осевым зат жным винтовым элементом прилива на силовоспринимающей плите с упорным посадочным отверстием и посадочного цилиндра с осевым резьбовым отверстием , соедин ющего между собой начала обоих выполненных с пр моугольным сечением стержней соответствующего упругого элемента и соосного первому стержню , при этом рассто ние Ј между рабочей поверхностью силовоспринимающей плиты и плоскостью расположени  осей вторых стержней всех упругих элементов и рассто ние k между точкой пересечени  осей стержней Каждого упругого элемента и концом его первого стержн  удовлетвор ют условию

k k +

0,64

0.81,

в стенке прилива выполнена сквозна  прорезь , в которой размещен второй стержень, соотношение между сторонами а и о, где а,пр моугольного сечени  каждого стержн  и длинами его первого и второго стержней И и г выбрано из услови 

VE

4,86 Р

max

(,2),

где Ртах-заданна  максимальна  продольна  сила дл  стержн ;

Е - модуль упругости материала, на каждом стержне каждого упругого элемента размещены по три рабочих тензодатчика, два по оси одной его грани, а третий по оси противоположной грани напротив одного из них, причем рабочие тензодатчики одного стержн  каждого упругого элемента лежат в плоскости, параллельной плоскости упругого элемента, а рабочие тензодатчики другого стержн  упругого элемента лежат в плоскости, перпендикул рной плоскости упругого элемента, и каждый тензодатчик включен в измерительную схему, выход которой через коммутатор и аналого-цифровой преобразователь подключен к процессору,

2.Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что в разделенных сквозной прорезью стенках каждого прилива силовоспринимающей плиты выполнены соосно два отверсти  с размещенным в них винтовьчл ст жным элементом, оси которых проход т внутри угла пересечени  первого и второго стержней соответствующего данному приливу упругого элемента,

3.Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с  тем, что Силовоспринимающа  плита выполнена в виде пластины с параллельно- перпендикул рными относительно ее

сторон ребрами жесткости и с четырьм  отрезками диагональных ребер жесткости между точками креплени  силовослринима- ющей плиты к упругим элементам и близлежащими ее углами, при этом высота ребер жесткости посто нна в пределах образованного указанными точками креплени  квадрата и переменна с уменьшением к сторонам силовоспринимающей плиты вне

его, а вершины ребер в пределах указанного квадрата жестко св заны между собой другой пластиной.

4. Устройство по пп.1 и 3. о т л и ч а га- ид е е с   тем, что силовоспринимающа  плита выполнена из металла или композитного материала с отношением модул  упругости к плотности в пределах (0,26-0,90)х хЮ7, м.

7 6

1ЧХ1

Фиг. 2.

ю з

фае. f

five. 3