ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДИНАМОМЕТР
STRAIN-GAUGE DYNAMOMETER

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройству многокомпонентных тензометрических динамометров, и может быть использовано в различных областях техники (например, в робототехнике, экспериментальной гидро- и аэродинамике).
Известен тензометрический динамометр (см. авт. свид. СССР №1397756, кл. G01L 5/16, 1986 г.), содержащий два жестких 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 ним со стороны, противоположной связанному с соответствующей парой опорному основанию.
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) и механизмов.
Известен тензометрический динамометр (см. авт. свид. СССР №1613886, кл. G01L 5/16, G01L 1/22, 1988 г.), содержащий симметричные относительно продольной оси два жестких кольцевых основания, две взаимно перпендикулярные пары продольных упругих балок с поперечными подрезами на внутренних поверхностях, промежуточное основание в виде двух дополнительных жестких колец, которые соединены между собой посредством четырех продольных упругих пластин, крестообразно расположенных в поперечном сечении вдоль боковых граней упругих балок, и выполнены с лысками напротив соответствующих пар балок, связанных с дополнительными кольцами со стороны, противоположной соединенному с соответствующей парой балок кольцевому основанию, и тензопреобразователи, размещенные на гранях балок и упругих пластин.
Динамометр обеспечивает измерение пяти компонент нагрузки, удобен для монтажа измерительных схем с тензопреобразователями и имеет внутренний продольный канал.
Рассмотренное последним техническое решение является наиболее близким аналогом к заявленному предложению и выбрано в качестве прототипа.
Недостатком конструкции этого динамометра при заданных внешних габаритных размерах является ограничение размера его внутреннего канала шириной дополнительных жестких колец промежуточного основания в месте расположения лысок, обеспечивающей необходимую жесткость и точность работы динамометра. Это снижает потребительские качества динамометра.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение потребительских качеств динамометра.
Технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в обеспечении максимально возможного проходного сечения внутреннего канала, используемого для размещения коммуникаций, при сохранении необходимой жесткости конструкции и внешних габаритных размеров динамометра.
Этот технический результат достигается тем, что в известном техническом решении, выбранном в качестве прототипа и содержащем симметричные относительно продольной оси два жестких кольцевых основания, две взаимно перпендикулярные пары продольных упругих балок с поперечными подрезами на внутренних поверхностях, промежуточное основание в виде двух дополнительных жестких колец, которые соединены между собой посредством четырех продольных упругих пластин, крестообразно расположенных в поперечном сечении вдоль боковых граней упругих балок, и выполнены с лысками напротив соответствующих пар балок, связанных с кольцами промежуточного основания со стороны, противоположной соединенному с соответствующей парой балок кольцевому основанию, и тензопреобразователи, размещенные на гранях балок и упругих пластин, жесткие кольца промежуточного основания размещены напротив поперечных подрезов противолежащих продольных упругих балок, а на поверхности лысок указанных колец промежуточного основания выполнены поперечные выступы с профилем поверхности по форме подрезов соответствующих продольных упругих балок, отделенные от поверхности указанных подрезов зазором, величина которого выполнена превышающей величину деформации продольных упругих балок и пластин при максимальной измеряемой нагрузке.
Сущность изобретения заключается в том, что выполнение дополнительных поперечных колец промежуточного основания с выступами, входящими в поперечные подрезы продольных упругих балок, обеспечивает возможность реализации замкнутой жесткой компоновки промежуточного основания и продольных упругих элементов динамометра при максимально возможном проходном сечении внутреннего канала в кольцах опорных и промежуточного оснований (отверстие внутреннего канала может быть выполнено почти до касания внутренней поверхности продольных упругих балок, при этом лыски колец промежуточного основания прорезаются отверстием канала и без поперечных выступов, расположенных в пространстве внутри поперечных подрезов противолежащих продольных упругих балок, кольца промежуточного основания распадаются на полукольца, нарушая целостность и жесткость конструкции). Это позволяет улучшить потребительские качества динамометра за счет расширения возможности размещения в полости его внутреннего канала различных коммуникаций и механизмов при сохранении необходимой жесткости конструкции без изменения ее габаритов. При этом работоспособность динамометра с таким большим каналом обеспечивается выполнением величины зазора между поверхностями подрезов упругих балок и выступов, превышающей величину деформации продольных упругих балок и упругих пластин при максимальной измеряемой нагрузке.
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.6-10 - электрические схемы соединения тензопреобразователей.
Динамометр содержит симметричные относительно продольной оси два жестких кольцевых основания 1 и 2, пару продольных, разнесенных в вертикальной плоскости упругих балок 3 с тензопреобразователями R1-R4 для измерения нормальной поперечной силы Y, пару продольных, разнесенных в горизонтальной плоскости упругих балок 4 с тензопреобразователями R5-R8 для измерения боковой поперечной силы Z и четыре продольные упругие пластины 5, крестообразно расположенные в поперечном сечении вдоль боковых граней упругих балок, с тензопреобразователями R17-R24 для измерения крутящего момента Мк. 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 в горизонтальной плоскости My, а на боковых гранях упругих балок 4 - тензопреобразователи R13-R16 для измерения изгибающего момента в вертикальной плоскости Mz. Тензопреобразователи R1-R4, R5-R8, R9-R12, R13-R16, R17-R24 соединены в мостовые измерительные схемы в соответствии с фиг.6-10. Концы продольных упругих пластин 5 соединены дополнительными жесткими 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 жестким кольцевым основанием 1 и с дополнительным жестким поперечным кольцом 8, расположенным около основания 2, соответственно концы пары продольных упругих балок 4 соединены с жестким кольцевым основанием 2 и с дополнительным жестким поперечным кольцом 7, расположенным около основания 1.
Кольца 7 и 8 промежуточного основания размещены напротив поперечных подрезов 6 соответствующих противолежащих продольных упругих балок 3 и 4, а на поверхности лысок 9 и 10 указанных колец промежуточного основания выполнены поперечные жесткие выступы 11 с профилем поверхности по форме подрезов 6 соответствующих продольных упругих балок 3 и 4, отделенные от поверхности указанных подрезов зазором 12. Величина зазора выполнена превышающей величину деформации продольных упругих балок и пластин при максимальной измеряемой нагрузке.
Таким образом, корпус динамометра имеет осесимметричную трубчатую конструкцию с жесткими 1, 2, 7, 8, 11 и упругими 3, 4, 5 элементами, при этом диаметр внутреннего канала ограничен практически только расстоянием между парами балок 3 и 4 (фиг.3 и 4). Силовая схема динамометра представляет собой последовательное соединение кольцевого основания 1 с кольцевым основанием 2 через пару балок 3, промежуточное основание с жесткими 7, 8, 11 и упругими 5 элементами и пару балок 4, при этом упругие элементы соответственно ориентированы по отношению к компонентам измеряемой нагрузки. Размещение упругих пластин 5 в пространстве между парами упругих балок 3 и 4 обеспечивает компактность и жесткость конструкции динамометра и его хорошие метрологические качества.
Работа динамометра осуществляется следующим образом.
Внешняя нагрузка прикладывается к кольцевому основанию 2. Компоненты внешней нагрузки создают поперечное (Y и Z), изгибающее (My и Mz) и крутящее (Мк) нагружения динамометра. При этом поперечная сила Y вызывает плоскопараллельное смещение кольцевого основания 2 и дополнительных жестких колец 7 и 8 в вертикальной плоскости относительно кольцевого основания 1 (фиг.2). Это приводит к изгибу балок 3 и соответствующему сжатию-растяжению тензопреобразователей R1-R4, а в измерительной диагонали моста (фиг.6) появляется электрический сигнал, пропорциональный поперечной силе Y. Подрезы 6 обеспечивают независимость показаний этого компонента динамометра от точки приложения силы.
Аналогично поперечная сила Z вызывает плоскопараллельное смещение кольцевого основания 2 и дополнительных жестких колец 7 и 8 в горизонтальной плоскости относительно кольцевого основания 1 (фиг.3), изгиб упругих балок 4, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R5-R8 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг.7), пропорционального поперечной силе Z.
Изгибающий 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 изгибающего момента My.
Аналогично изгибающий 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 изгибающего момента Mz.
Крутящий момент Мк вызывает плоскопараллельный поворот дополнительных жестких поперечных колец 7 и 8 одно относительно другого, косой изгиб упругих пластин 5, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R17-R24 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг.10), пропорционального величине крутящего момента Мк. Симметрия конструкции обеспечивает слабую зависимость показаний этого компонента динамометра от действия изгибающих моментов и поперечных сил.