ШЕСТИКОМПОНЕНТНЫЙ ДАТЧИК СИЛ И МОМЕНТОВ

Настоящая полезная модель относится к устройствам, позволяющим измерять момент и усилие между двумя твердыми телами, к примеру, в шарнирах изделий робототехники, машиностроения и т.п., в декартовой системе координат. Полезная модель найдет применение в робототехнике, системах управления манипуляторами с обратной связью по усилию, моменту или копирующих манипуляторах, «тактильных» устройствах, с целью предоставления оператору данных об усилиях и моментах при удаленной работе с предметами, непосредственный доступ к которым исключается условиями среды, при автоматическом выполнении сборочно-монтажных операций.
Известен ряд конструкций шестикомпонентных датчиков (патент 4156835 США, НКИ 318-561. «Servo-controlled mobility device» D.E.Whitney, J.L.Nevins., 1974 г), где крестообразный упругий элемент, как наиболее распространенная конструкция гибкого упругого элемента, модифицирован так, чтобы возможно было производить измерение изгибающих и боковых сил. Например, внешние части балок могут оканчиваться шаровыми опорами, свободно скользящими в радиальном направлении во втулках, составляющих часть внешнего фланца. Деформации измеряют тензорезисторы, укрепленные на четырех сторонах каждой упругой балки. Вместо скользящих опор могут быть применены подшипники качения. (Кулаков Ф.М., Смирнов Е.Н. «Методы управления роботами с с использованием информации об усилиях реакций». Робототехнические системы, под редакцией Ф.М. Кулакова. Ленинград, 1984 г, стр.36÷60; авторское свидетельство 1216680, СССР, МКИ G01L 1/22,5/16. «Силомоментный датчик». В.Г.Запускалов, А.К.Легкобыт, Р.Н.Чернышев (СССР),1986 г, бюллетень №14).
Недостатком таких датчиков является гистерезис, вызванный сухим трением в шаровых опорах и подшипниках, люфт в упругом элементе, низкая чувствительность и точность.
Известны технические решения (патент 4448083 США, НКИ 73-862.04 «Device for measuring components of force and moment in plural directions» J.Hayashi, 1983 г; патент США, НКИ 73-862.04. «Device for measuring forces and torques in different directions» L.Schmieder, 1987 г.), где внешние концы балок крестообразного упругого элемента закреплены при помощи податливых элементов, например, пластин. Применение такого элемента, податливого в радиальном и двух вращательных направлениях, позволяет избежать гистерезиса и повысить точность датчика, при этом закрепление практически эквивалентно скользящей опоре. Недостатком такого датчика является пониженная жесткость конструкции, взаимовлияние сил и моментов по координатам друг на друга, а также при превышении напряжений, вызванных силами и моментами, предела упругости, происходит пластическая деформация балок, и выход датчика из строя, что снижает его надежность.
За прототип выбран датчик крутящего момента, патент на полезную модель №108139, представляющий из себя фланец дискообразной формы, содержащий внешний фланец с выступами на внутренней стороне фланца, к которому приложен момент внешней нагрузки, внутренний фланец, закрепляемый на выходном валу двигателя или редуктора, четыре радиальные элемента (спицы), соединяющие внутренний и внешний фланцы для обеспечения их концентричности, которые представляют собой основные упругие элементы, с закрепленными на них восемью тензорезисторами в местах выемки сквозных пазов на основных упругих элементах. Тензорезисторы ориентированы по направлению вращения выходного вала, при этом, пара тензорезисторов закреплена на каждой из двух сторон спицы. Вспомогательный упругий элемент сформирован на основном упругом элементе в виде сквозных пазов. Распорки установлены между внутренними выступами внешнего обода и спицами. К лицевой стороне фланца крепится печатная плата со схемой измерения крутящего момента.
Недостатком данного датчика является невозможность измерения сил и моментов, действующих между соединяемыми узлами в трех прямоугольных координатах.
Задачами полезной модели являются создание шестикомпонентного датчика сил и моментов, действующих между двумя твердыми телами в декартовой системе координат с низким взаимовлиянием деформаций по разным координатам друг на друга (обеспечение избирательности измерительных каналов датчика), увеличение чувствительности и точности измерения сил и моментов, повышение надежности датчика.
Выполнение задач достигается тем, что в отличие от известного технического решения, шестикомпонентный датчик сил и моментов, выполненный в виде двух концентрических фланцев, внешнего и внутреннего, соединенных упругим элементом, регистрирует под воздействием нагрузки в декартовой системе координат деформации упругого элемента, выполненного в виде четырех групп балок, расположенных по окружности датчика с шагом 90°, по две Г-образные балки в каждой группе. Г-образная форма балок сформирована собственно упругой балкой равномерного сечения, расположенной радиально, и податливой пластиной равномерного сечения, расположенной тангенциально и соединяющей внешний конец упругой балки с внешним фланцем датчика, при этом упругие балки имеют податливость в радиальном и двух вращательных направлениях по отношению к внешнему фланцу, а сечения упругих балок и податливых пластин выполнены такими, при которых прикладываемая сила или момент нагрузки в пределах рабочего диапазона будут деформировать эти элементы без образования остаточной деформации. В конструкции датчика предусмотрен предохранительный фланец, защищающий от критической деформации, при выходе сил и моментов нагрузки за пределы рабочего диапазона датчика. На балках методом приклеивания закреплены двенадцать тензорезисторов в местах наибольшей чувствительности и наименьшего взаимовлияния сил и моментов по разным декартовым координатам.
Технический результат - уменьшение гистерезиса, взаимовлияния деформаций по разным координатам, повышение чувствительности и точности датчика, повышение надежности конструкции датчика.
На фиг.1 представлен шестикомпонентный датчик сил и моментов, на фиг.2 представлена конструкция и способ крепления предохранительного фланца датчика, на фиг.3 представлен разрез А-А по фиг.2, на фиг.4 показана схема размещения тензорезисторов на упругих балках датчика и схема подключения тензорезитивных мостов, обеспечивающая избирательность (чувствительность к отдельным компонентам силы и момента) измерительных каналов датчика.
Шестикомпонентный датчик сил и моментов состоит из внешнего фланца 1, имеющего элементы 6 крепления датчика в изделии, внутреннего фланца 2 с элементами крепления предохранительного фланца 9; четыре группы балок, с шагом 90°, по две Г-образные балки в группе, при этом каждая Г-образная балка состоит из собственно упругой балки 3 расположенной радиально, и податливой пластины 4, расположенной тангенциально и соединяющей внешний конец упругой балки 3 с внешним фланцем 1, при этом податливость пластины обеспечивается наличием тангенциального паза 5. На упругих балках жестко закреплены двенадцать тензорезисторов 8 в местах наибольшей чувствительности к каждой из трех координат силы и трех координат момента и наименьшего взаимовлияния сил и моментов по остальным декартовым координатам. Датчик содержит предохранительный фланец 9, жестко закрепленный на внутреннем фланце 2 таким образом, что опорные ножки 10 предохранительного фланца входят в прорези датчика между группами упругих балок.
Датчик работает следующим образом. При воздействии сил и моментов нагрузки на внешний фланец упругие элементы датчика деформируются, при этом деформация упругих элементов регистрируется закрепленными на них двенадцатью тензорезисторами. Электрические аналоговые сигналы, снимаемые с двенадцати тензорезисторов, поступают в схему измерения вычислителя внешнего вектора сил нагрузки и момента сил нагрузки. При этом тензорезисторы объединены попарно в отдельные измерительные каналы, обладающие избирательностью. Тензорезисторы R1 и R2 измеряют силу, действующую по оси Х связанной с датчиком системы координат, тензорезисторы R3 и R4 измеряют силу, действующую по оси Y, тензорезисторы R5 и R6 измеряют силу, действующую по оси Z, тензорезисторы R7 и R8 измеряют момент силы относительно оси X, тензорезисторы R9 и R10 измеряют момент силы относительно оси Y, тензорезисторы R11 и R12 измеряют момент силы относительно оси Z.
Задача измерения сил и моментов в декартовой системе координат, действующих между двумя твердыми телами под воздействием сил и моментов внешней нагрузки, решается установкой двенадцати измерительных элементов, тензорезисторов на упругие элементы датчика в местах наибольшей чувствительности к внешнему воздействию.
Задача обеспечения конструкцией датчика избирательности измерительных каналов решается совокупностью конструктивных и схемотехнических мер. Конструктивной мерой является размещение тензодатчиков на упругих балках таким образом, чтобы при воздействии определенной компоненты вектора силы или момента пара тензорезисторов, предназначенная для измерения данной компоненты, регистрировала бы относительные деформации, равные по величине, однако противоположных знаков. При воздействии же любой другой компоненты вектора силы или момента данная пара тензорезисторов будет регистрировать относительные деформации одинаковой величины и одного знака, либо же деформации будут иметь противоположный знак, но при этом будут пренебрежимо малы по сравнению с деформациями, вызванными воздействием «основной» для данной пары тензорезисторов компоненты вектора силы или момента.
Схемотехнической мерой является подключение пары тензорезисторов, образующих отдельный измерительный канал, по полумостовой схеме, причем тензорезисторы располагаются в соседних плечах полумоста. При таком соединении измерительная схема обладает свойством нечувствительности к любому внешнему воздействию, вызывающему в тензорезисторах относительные деформации, равные по величине и одного знака.
Задача увеличения чувствительности к воздействию внешней нагрузки и решается применением радиальных и поперечных сквозных пазов, превращающих классическую структуру из четырех радиальных Т-образных упругих балок в структуру из четырех групп балок, с шагом 90°, по две Г-образные балки в каждой. Данная структура, при одинаковой с классической структурой жесткости к изгибающему моменту, имеет существенно большую податливость при воздействии сил, направленных по осям связанной с датчиком прямоугольной системы координат, таким образом повышается чувствительность и точность измерения сил по соответствующим координатам. Применение упругих элементов, податливых в радиальном и двух вращательных направлениях, позволяет избежать гистерезиса за счет отсутствия пар трения в конструкции датчика, что также повышает его точность.
Задача повышения надежности конструкционной части датчика решается установкой предохранительного фланца 9, защищающего упругие элементы от пластической деформации, при выходе сил и моментов внешней нагрузки за пределы рабочего диапазона. Выступы 11 внешнего фланца 1 датчика, входящие в пазы опорных ножек 10 предохранительного фланца 9, блокируют относительное перемещение внешнего 1 и внутреннего 2 фланцев датчика при воздействии сил по осям Х и Y, а также при приложении момента силы относительно оси Z. При превышении силы по оси Z и моментов сил относительно осей Х и Y во взаимное соприкосновение входят поверхности 15 и 14 предохранительного фланца 9 и внешнего фланца 1 соответственно. Дополнительно, поскольку датчик размещается между двумя звеньями, крепящимися к поверхностям 12 и 13 внешнего фланца 1 и предохранительного фланца 9 соответственно, при превышении моментов сил относительно осей Х и Y поверхность звена, установленного на предохранительном фланце 9, входит в соприкосновение с внешним фланцем датчика 1, вызывая стопорение внутреннего фланца 2 относительно внешнего фланца 1, препятствующее дальнейшей деформации упругих элементов датчика.