ДАТЧИК КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

Полезная модель относится к датчикам для измерения крутящего момента на выходном валу двигателя или редуктора в шарнирах изделий робототехники, машиностроения и т.п.
2
Известен бесконтактный датчик крутящего момента механизма управления направлением движения транспортного средства (патент KR. №WO2009157666 (А), который установлен между входным и выходным концами вала механизма управления колесами транспорта, и определяет крутящий момент, возникающий при управлении колесами. Датчик содержит: блок магнитного поля, соединенный с входным концом вала, содержащий множество упорядочение, поочередно уложенных магнитов по окружности, цилиндрический магнитный экран, соединенный с выходным концом вала и содержащий множество отверстий, расположенных напротив соответствующих магнитов, детектор магнитного поля, расположенный на выходном конце вала по окружности на расстоянии от магнитного экрана и детектирующий магнитное поле, проходящее через отверстия экрана, магнитными сенсорами, расположенными по периферии магнитного детектора и определяющими вариации смещения магнитного поля относительно магнитного экрана.
Недостатком настоящего датчика является сложность его изготовления и настройки, габаритные размеры, а также подверженность влиянию внешним электромагнитным полям.
За прототип выбран датчик крутящего момента (патент №US 20100005907 А1), представляющий из себя фланец, содержащий внешний обод, к которому приложен момент внешней нагрузки, внутренний обод, закрепляемый на выходном валу двигателя или редуктора, достаточное число радиальных элементов (спиц), соединяющих внутренний и внешний обода для обеспечения их концентричности, которые представляют собой основные упругие элементы с закрепленными на них тензорезисторами, ориентированными по направлению вращения выходного вала, при этом пара тензорезисторов закреплена на каждой из двух сторон спицы, начальные сопротивления пары соответствующих тензорезисторов практически одинаковы и демонстрируют одинаковое поведение, вспомогательный упругий элемент, сформированный на конце основного упругого элемента со стороны внешнего обода, при приложении крутящего момента также деформирующийся, гася воздействие компоненты смещения, не относящейся к смещению участка основного упругого элемента относительно выходного вала, систему управления приводным двигателем, осуществляющей измерение крутящего момента, основываясь на выходных сигналах от тензорезистивных датчиков.
Недостатком настоящего датчика является конструктивная невозможность регулировки диапазона измерения моментов датчика.
Задачей является разработка интеллектуального датчика, конструктивно и функционально законченного устройства для измерения крутящего момента в шарнирах электромеханических модулей робототехнических систем для управления приводом шарнира с использованием обратной связи по моменту.
Предложен датчик крутящего момента, представляющий из себя фланец алюминиевого сплава дискообразной формы, содержащий внешний обод с выступами на внутренней стороне обода, к которому приложен момент внешней нагрузки, внутренний обод, закрепляемый на выходном валу двигателя или редуктора, четыре радиальные элементы (спицы), соединяющие внутренний и внешний обода для обеспечения их концентричности, которые представляют собой основные упругие элементы с закрепленными на них тензорезисторами, общее число которых равно восьми, ориентированными по направлению вращения выходного вала, при этом пара тензорезисторов закреплена на каждой из двух сторон спицы, начальные сопротивления пары соответствующих тензорезисторов практически одинаковы и демонстрируют одинаковое поведение, вспомогательный упругий элемент, сформированный на основном упругом элементе в виде пазов, при приложении крутящего момента также деформирующийся, гася воздействие компоненты смещения, не относящейся к смещению участка основного упругого элемента относительно выходного вала, распорки, установленные между внутренними выступами внешнего фланца и спицами. К лицевой стороне фланца крепится печатная плата со схемой измерения крутящего момента, с четырьмя идентичными каналами обработки сигналов от тензорезисторов. Схема состоит из четырех тензорезистивных мостов, воспринимающих упругую деформацию спиц датчика, четырех усилителей сигналов мостов, четырехканального аналогового коммутатора, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера с интегрированным интерфейсом и системы питания.
На фиг.1а и 1б изображен датчик крутящего момента (фиг.1а - вид спереди, фиг.1б - вид сбоку в поперечном разрезе), структурная схема датчика крутящего момента показана на фиг.2.
Датчик содержит внешний обод 1, внутренний обод 2, закрепляемый на выходном валу двигателя или редуктора, четыре радиальные элемента (спицы) 3, соединяющие внешний и внутренний обода и играющие роль основного упругого элемента. При воздействии момента нагрузки на внешний обод, спицы датчика упруго деформируются, воздействуя тем самым на закрепленные на них тензорезисторы 4, которые изменяют, вследствие этого, свое сопротивление, при этом, начальные сопротивления пары соответствующих тензорезисторов практически одинаковы и демонстрируют одинаковое поведение. Вспомогательный упругий элемент, сформированный на основном упругом элементе в виде пазов 1 на фиг.3, при приложении крутящего момента также деформируется, гася воздействие компоненты смещения, не относящейся к смещению участка основного упругого элемента относительно выходного вала от крутящего момента, тем самым, повышая точность измеряемого момента. Распорки 1 на фиг.4, установленные между внутренними выступами внешнего фланца и спицами служат для увеличения максимального момента, приложенного к датчику. Электрические аналоговые сигналы, снимаемые с тензорезисторов, поступают на печатную плату 5 (выводы тензорезисторов припаиваются к плате), расположенную на лицевой стороне фланца, на соответствующие тензорезистивные мосты (МОСТ1, МОСТ2, МОСТ3, МОСТ4). Применена схема тензорезистивного моста, имеющая линейный выходной сигнал, с двумя активными тензорезисторами, включенными последовательно. Два других прецизионных резистора полумоста являются постоянными и обеспечивают нулевой дифференциальный потенциал на выходе при разгруженном датчике. Выходное напряжение моста подается на программируемые прецизионные усилители (ПУ1, ПУ2, ПУ3, ПУ4), для усиления и формирования дифференциального сигнала, необходимого для корректной работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП), при этом усиливается дифференциальный сигнал и подавляется синфазный. Усиленный сигнал подается на аналоговый коммутатор (коммутатор), затем на аналого-цифровой преобразователь, где преобразуется в цифровую форму, затем микроконтроллером (К) считывается, вычисляется величина крутящего момента и передается по встроенному CAN интерфейсу. Устройство питается от малошумящего прецизионного источника напряжения (система питания), замкнутого глубокой обратной связью по току. Потребляемая мощность не превышает 1,0 Вт.
Регистрируя изменение сопротивления тензорезисторов с помощью схемы измерения, расположенной на плате, можно вычислить момент нагрузки, приложенный к датчику.
С помощью компьютерного моделирования был определен диапазон моментов, при которых датчик момента не будет выходить из зоны упругой деформации.
На фиг.3 представлена конфигурация фланца датчика диаметром 140 мм, со спицами толщиной 6 мм, шириной 10 мм, длиной 33 мм, пазами 1 (6х9 мм) в спицах 2, с максимальным моментом на датчике равным 150 Нм, больше которого происходит пластическая деформация спиц.
На фиг.4 представлен фланец датчика с распорками 1. Распорки, установленные между выступами 2 внешнего обода фланца и спицами 3, служат для регулировки максимального момента датчика.
Представленный датчик крутящего момента позволяет создать типоразмерный ряд датчиков, характеризующийся различными габаритными размерами, диапазоном и точностью измеряемых моментов. Повышенная точность измерения момента нагрузки возможна благодаря наличию пазов на спицах, играющих роль вспомогательных упругих элементов, убирающих влияние биений, подавляющих паразитные деформации, действующие не в направлении приложения крутящего момента к основному упругому элементу. Роль регулировки максимально допустимого момента на датчике играют распорки, установленные между выступами внешнего обода и спицами. Датчик относится к классу интеллектуальных датчиков, поскольку в своем составе содержит электрическую схему с микроконтроллером, который выполняет функции по обработке информации: вычисляет крутящий момент, контролирует предельный крутящий момент, пересылает и принимает информацию по встроенному, быстродействующему CAN интерфейсу. Наличие CAN интерфейса позволяет создавать распределенную систему управления датчиками и сбора информации о моментах.