RU2344385C2

RU2344385C2 - Load measuring device

Info

Publication number: RU2344385C2
Application number: RU2006138331/28A
Authority: RU
Inventors: Василий Николавеич Воробей (RU); Василий Николавеич Воробей; Антон Владимирович Поддерегин (RU); Антон Владимирович Поддерегин
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2009-01-20
Also published as: RU2006138331A

Abstract

FIELD: physics; measurement.

SUBSTANCE: present invention pertains to force-measuring technology. The load measuring device, working on three mutually perpendicular axes, and moments about these axes, comprises four elastic elements, fixed to a base at corners of a square, made in form of separate bars with a cannular cross-section, on which tensoresistors are put, a rigid force transmission plate and a base, joined by elastic elements. All tensoresistors are put on elastic elements along their formations. For each measured load, two tensoresistors are put on each elastic element. Tensoresistors are put on diametrically opposite sides of the elastic element. The centres of the tensoresistors for measuring loads, lying in the plane of the force transmission plate on all four elastic elements lie in the same plane, parallel to the plane of the force transmission plates. The centres of tensoresistors for measuring loads, perpendicular to the plane of the force transmission plate, as well, lie in the same plane, parallel to the plane of the force transmission plate.

EFFECT: increased accuracy and wider range of load measurements.

4 dwg

Description

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения усилий, действующих по трем взаимно перпендикулярным осям, и моментов относительно этих осей, в частности для измерения усилий и моментов, передаваемых на ракету при стыковке стартовых механизмов и устройств с коммуникациями.The invention relates to a force measuring technique and can be used to measure forces acting on three mutually perpendicular axes, and moments relative to these axes, in particular for measuring forces and moments transmitted to a rocket when docking launch mechanisms and devices with communications.

Известны устройства (авторское свидетельство СССР №565223, кл. G01L 1/4, 1977; и авторское свидетельство СССР №1015318, кл. G01L 1/22, 5/16, 1983), применяемые в аэродинамических испытаниях для измерения шести компонент нагрузок, содержащие блоки упругих элементов, соединенных с основанием и силопередающим элементом, и выполненные из цельного куска металла. Недостатком этих устройств является конструктивная сложность, значительные габариты при измерении больших нагрузок, невозможность размещения в центральной части устройств заправочных горловин, бортовых разъемных соединений и трубопроводов при измерении нагрузок, передаваемых на горловину ракеты.Known devices (USSR author's certificate No. 5665223, class G01L 1/4, 1977; and USSR author's certificate No. 1015318, class G01L 1/22, 5/16, 1983) used in aerodynamic tests to measure six load components containing blocks of elastic elements connected to the base and the power-transmitting element, and made of a single piece of metal. The disadvantage of these devices is the structural complexity, significant dimensions when measuring large loads, the inability to place refueling necks, on-board detachable joints and pipelines in the central part of the device when measuring the loads transferred to the rocket neck.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является силоизмерительная платформа по патенту US 4493220 А, содержащая верхнюю упругую плиту, плиту основания и четыре трубчатые датчика нагрузки, расположенные по углам прямоугольника, при этом оси датчиков нагрузки перпендикулярны верхней плите. На датчиках нагрузки размещены в определенном порядке по 14 тензорезисторов, включенных в мостовые схемы для измерения трех сил и трех моментов. В случае размещения на верхней плите мощных разъемных соединений верхняя плита становится очень жесткой, основными деформациями датчиков нагрузки становятся деформации растяжения-сжатия, действующие вдоль образующих датчиков нагрузки, что приводит к снижению достоверности показаний измерительных мостов. При приложении больших нагрузок возникает проблема с прочностью датчиков нагрузки и их центрального крепления по одному винту с каждой стороны. В связи со сложной схемой размещения тензорезисторов на датчиках нагрузки возможны неточности в угловых и линейных координатах размещения тензорезисторов, а это приводит к ошибкам в измерении нагрузок.The closest in technical essence to this invention is the force measuring platform according to patent US 4493220 A, containing the upper elastic plate, the base plate and four tubular load sensors located at the corners of the rectangle, while the axes of the load sensors are perpendicular to the upper plate. The load cells are arranged in a specific order of 14 strain gages included in the bridge circuit for measuring three forces and three moments. If powerful detachable joints are placed on the top plate, the top plate becomes very stiff, the main deformations of the load sensors are tensile-compression deformations acting along the forming load sensors, which leads to a decrease in the reliability of the readings of the measuring bridges. When large loads are applied, a problem arises with the strength of the load sensors and their central fastening, one screw on each side. Due to the complex arrangement of strain gages on load sensors, inaccuracies in the angular and linear coordinates of the placement of strain gages are possible, and this leads to errors in the measurement of loads.

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений нагрузок.The aim of the invention is to increase accuracy and expand the range of load measurements.

Указанная цель достигается тем, что все тензорезисторы размещены на упругих элементах вдоль их образующих, причем для каждой измеряемой нагрузки на каждом упругом элементе размещено по два тензорезистора, тензорезисторы размещены на диаметрально противоположных сторонах упругого элемента, центры тензорезисторов на всех четырех упругих элементах лежат в одной плоскости, параллельной плоскости силопередающей плитыThis goal is achieved by the fact that all the strain gages are placed on the elastic elements along their generators, and for each measured load on each elastic element two strain gages are placed, the strain gages are placed on the diametrically opposite sides of the elastic element, the centers of the strain gages on all four elastic elements lie in the same plane parallel to the plane of the power transfer plate

На фиг.1 и 2 показано устройство для измерения нагрузок.1 and 2 show a device for measuring loads.

На фиг.3 - схема расположения тензорезисторов на упругих элементах, направление осей координат и положительное направление нагрузок.Figure 3 - arrangement of strain gauges on the elastic elements, the direction of the coordinate axes and the positive direction of the loads.

На фиг.4 - схема соединения тензорезисторов в измерительные мосты.Figure 4 - connection diagram of the strain gauges in the measuring bridges.

Устройство для измерения нагрузок содержит основание 1 (фиг.1, 2), к которому прикреплены четыре упругих элемента 2, выполненные в виде отдельных брусьев трубчатого поперечного сечения, ко второму концу каждого упругого элемента жестко прикреплена силопередающая плита 3. Для крепления к основанию 1 и силопередающей плите 3 упругие элементы 2 имеют на своих концах жесткие фланцы. Центры упругих элементов расположены по углам квадрата, а продольная ось перпендикулярна плоскости силопередающей плиты. Для устранения сдвига упругих элементов 2 по отношению к силопередающей плите 3 и основанию 1 они дополнительно к болтам 4 установлены на центрирующих штифтах 5.The load measuring device comprises a base 1 (FIGS. 1, 2), to which four elastic elements 2 are attached, made in the form of separate bars of tubular cross section, a power transmitting plate 3 is rigidly attached to the second end of each elastic element. For fastening to the base 1 and the force-transmitting plate 3, the elastic elements 2 have rigid flanges at their ends. The centers of the elastic elements are located at the corners of the square, and the longitudinal axis is perpendicular to the plane of the power transmitting plate. To eliminate the shift of the elastic elements 2 with respect to the power transmitting plate 3 and the base 1, they are additionally mounted on the centering pins 5 in addition to the bolts 4.

Перед измерением нагрузок на силопередающей плите закрепляется заправочная горловина или бортовое разъемное соединение, при этом жесткость силопередающей плиты значительно увеличивается, основными деформациями упругих элементов становятся деформации растяжения-сжатия, действующие вдоль образующих упругих элементов, поэтому все тензорезисторы размещаются на упругих элементах вдоль их образующих в местах, наиболее чувствительных к данному виду нагрузки. Разметка мест размещения тензорезисторов проводится тщательно, к примеру, на координатном станке. В связи с небольшой длиной упругих элементов, для обеспечения точности размещения тензорезисторов на упругих элементах, повышения их чувствительности к измеряемым нагрузкам, размещения контактных выводов, тензорезисторы размещены на упругих элементах, в частности, на двух уровнях:Before measuring the loads, a filler neck or an onboard detachable connection is fixed on the force-transmitting plate, while the rigidity of the force-transmitting plate is significantly increased, the main deformations of the elastic elements are tensile-compression deformations acting along the generatrices of the elastic elements, so all strain gages are placed on the elastic elements along their generatrices in places most sensitive to this type of load. The marking of the locations of strain gages is carried out carefully, for example, on a coordinate machine. Due to the short length of the elastic elements, to ensure the accuracy of the placement of strain gages on elastic elements, to increase their sensitivity to measured loads, to place contact leads, strain gages are placed on elastic elements, in particular, on two levels:

- уровень у основания (сечение А-А) для определения нагрузок, лежащих в плоскости силопередающей плиты (Р_х, Р_y, M_z);- the level at the base (section A-A) to determine the loads lying in the plane of the power-transmitting plate (P _x , P _y , M _z );

- уровень у силопередающей плиты (сечение Б-Б) для определения нагрузок, перпендикулярных плоскости силопередающей плиты (Р_z, М_x, M_y).- the level of the power-transmitting plate (section BB) to determine the loads perpendicular to the plane of the power-transmitting plate (P _z , M _x , M _y ).

Для каждой измеряемой нагрузки, на каждом упругом элементе размещено по два тензорезистора на диаметрально противоположных сторонах упругого элемента, что позволяет увеличить чувствительность измерительных мостов, так как сигналы с этих тензорезисторов складываются, и исключить взаимное влияние нагрузок электрическим путем. Так как деформации упругого элемента по его длине разные, то центры тензорезисторов для каждой нагрузки на всех четырех упругих элементах лежат в одной плоскости, параллельной плоскости силопередающей плиты. Тензорезисторы включены в плечи шести измерительных мостов так, что каждый чувствителен только к одной из нагрузок. Порядок включения тензорезисторов в измерительные мосты приведен на схемах соединения тензорезисторов в измерительные мосты на фиг.4. При измерении усилия P_Z для получения сбалансированного полного моста дополнительно включаются два тензорезистора Т_K1 и Т_K2, которые размещаются на недеформируемой части устройства для измерения нагрузок и находятся при такой же температуре, как и остальные тензорезисторы этого измерительного моста, в частности это может быть жесткий фланец упругого элемента.For each measured load, on each elastic element, two strain gages are placed on the diametrically opposite sides of the elastic element, which allows to increase the sensitivity of the measuring bridges, since the signals from these strain gages add up and exclude the mutual influence of the loads electrically. Since the deformations of the elastic element along its length are different, the centers of the strain gauges for each load on all four elastic elements lie in one plane parallel to the plane of the power transmitting plate. Strain gages are included in the arms of six measuring bridges so that each is sensitive to only one of the loads. The order of inclusion of the strain gages in the measuring bridges is shown in the connection diagrams of the strain gages in the measuring bridges in figure 4. When measuring the force P _Z to obtain a balanced full bridge, two strain gages T _K1 and T _K2 are additionally included, which are placed on the non-deformable part of the load measuring device and are at the same temperature as the other strain gages of this measuring bridge, in particular it can be hard flange of the elastic element.

Исходя из размеров заправочных горловин, бортовых разъемных соединений и величин ожидаемых нагрузок определяют размер стороны квадрата, по углам которого расположены центры упругих элементов, а также размеры самих упругих элементов.Based on the size of the filling necks, on-board detachable joints and the expected loads, the size of the side of the square is determined, at the corners of which the centers of the elastic elements are located, as well as the dimensions of the elastic elements themselves.

Таким образом, рациональное сочетание размеров упругих элементов, жесткое соединение всех узлов предлагаемого устройства, исключающее возникновение люфтов, определенная последовательность соединения тензорезисторов, размещенных на упругих элементах, в шесть измерительных мостов, обеспечивает одновременное измерение трех сил и трех моментов относительно трех взаимно перпендикулярных осей координат. При этом исключено взаимное влияние нагрузок друг на друга и, как показал опыт эксплуатации, обеспечивается высокая чувствительность устройства в широком диапазоне измеряемых нагрузок.Thus, a rational combination of sizes of elastic elements, a rigid connection of all nodes of the proposed device, eliminating the occurrence of backlash, a certain sequence of connecting strain gages placed on elastic elements in six measuring bridges, provides simultaneous measurement of three forces and three moments relative to three mutually perpendicular coordinate axes. At the same time, mutual influence of the loads on each other is excluded and, as the operating experience has shown, high sensitivity of the device is ensured in a wide range of measured loads.

Claims

A device for measuring loads acting on three mutually perpendicular axes, and moments relative to these axes, containing four elastic elements fixed to the base at the corners of the square, made in the form of separate bars of a tubular cross section with strain gages placed on them, a rigid force-transmitting plate and a base connected with elastic elements, characterized in that all strain gages are placed on the elastic elements along their generators, and for each measured load on each elastic element two strain gages are placed, strain gages are placed on the diametrically opposite sides of the elastic element, the centers of the strain gages to determine the loads lying in the plane of the force-transmitting plate on all four elastic elements lie in the same plane parallel to the plane of the power-transmitting plate, the centers of the strain gages to determine the loads perpendicular to the plane power transfer plate, also lie in one plane parallel to the plane of the power transfer plate.