ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДИНАМОМЕТР

Предложение относится к измерительной технике, в частности к устройству многокомпонентных тензометрических динамометров, и может быть использовано в различных областях техники (например, в экспериментальной аэрогидродинамике, робототехнике).
Известен тензометрический динамометр (см. авт. свид. СССР №1397756, МПК 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 ними со стороны, противоположной связанной с соответствующей парой опорному основанию.
Динамометр обеспечивает измерение четырех компонент нагрузки: двух поперечных сил и двух изгибающих моментов. Его недостатками являются сложность монтажа измерительных схем с тензопреобразователями на гранях промежуточного основания и отсутствие внутреннего продольного канала, необходимого (при использовании в робототехнических системах) для размещения в его полости различных коммуникаций (кабелей, трубопроводов).
Известен тензометрический динамометр (см. авт. свид. СССР №1613886, МПК G01L 5/16, G01L 1/22, 1988 г.), содержащий трубчатый корпус, в стенках которого образованы два жестких кольцевых основания, две пары крестообразно расположенных в поперечном сечении продольных жестких балок с поперечными подрезами на внутренних поверхностях, промежуточное основание в виде двух жестких колец, соединенных между собой посредством четырех крестообразно расположенных в поперечном сечении вдоль боковых граней продольных балок упругих пластин и выполненных с лысками напротив соответствующих пар продольных балок, подсоединенных к указанным кольцам со стороны, противоположной соединенному с соответствующей парой балок кольцевому основанию, и тензопреобразователи, размещенные на гранях балок и упругих пластин.
Рассмотренное техническое решение является наиболее близким аналогом заявленного предложения и выбрано в качестве прототипа.
Недостатком этого динамометра является ограниченность функциональных возможностей измерением только пяти компонент нагрузки (в ортогональной системе координат): поперечных сил Y и Z, изгибающих My и Mz и крутящего Mx моментов, в то время как во многих практических задачах экспериментальной аэрогидродинамики и робототехники необходимо измерение всех шести компонент нагрузки.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является повышение потребительских качеств динамометра.
Технический результат, который достигается предложением, заключается в возможности измерения всех шести компонент нагрузки при повышенной жесткости и компактности структуры динамометра, обеспечивающих снижение взаимного влияния измеряемых компонент нагрузки и повышение точности измерений.
Этот технический результат достигается тем, что в известном техническом решении, выбранном в качестве прототипа и содержащем трубчатый корпус, в стенках которого образованы два жестких кольцевых основания, две взаимно перпендикулярные пары продольных жестких балок с поперечными подрезами на внутренних поверхностях, промежуточное основание в виде двух жестких колец, соединенных между собой посредством четырех крестообразно расположенных в поперечном сечении вдоль боковых граней продольных балок упругих пластин и выполненных с лысками напротив соответствующих пар продольных балок, подсоединенных к указанным кольцам со стороны, противоположной соединенному с соответствующей парой балок кольцевому основанию, и тензопреобразователи, размещенные на гранях балок и упругих пластин, введены дополнительные тензопреобразователи и образованные в стенках трубчатого корпуса дополнительные жесткое кольцевое основание, две пары продольных жестких балок, размещенных вдоль основных, и соединяющие эти пары балок четыре пары поперечных дугообразных упругих пластин с размещенными между пластинами каждой пары четырьмя П-образными чувствительными элементами, снабженными продольными упругими пластинами и жесткими перемычками, при этом одна из пар дополнительных продольных балок присоединена к одному из основных кольцевых оснований, другая пара дополнительных продольных балок - к дополнительному кольцевому основанию, а дополнительные тензопреобразователи размещены на гранях продольных пластин указанных П-образных чувствительных элементов.
Сущность предложения заключается в том, что введение дополнительных тензопреобразователей, жестких и упругих продольных и поперечных элементов и их указанная взаимосвязь обеспечивает возможность измерения с повышенной точностью шести компонент нагрузки в условиях внешнего пространственного силового воздействия на динамометр, создающего продольное X, поперечное Y и Z, изгибающее My и Mz и крутящее Mx нагружения динамометра. Это достигается за счет обеспечения замкнутой симметричной компоновки структуры корпуса динамометра: двух жестких периферийных опорных частей, состоящих из кольцевых оснований (одного из основных и дополнительное) с установленными на них навстречу друг другу парами продольных основных и дополнительных жестких балок, жесткой средней части, включающей присоединенные с двух сторон ко второму основному кольцевому основанию вторую пару продольных основных и дополнительных балок и соединяющих эти три части упругих элементов, имеющих замкнутую симметричную структуру, обеспечивающую в местах размещения тензопреобразователей необходимую для измерений податливость в требуемых направлении и жесткость в других направлениях: промежуточное основание с двумя жесткими кольцами и четырьмя продольными упругими пластинами, а также систему взаимосвязанных поперечных дугообразных упругих пластин и П-образных чувствительных элементов.
На фиг. 1 показан общий вид корпуса динамометра (в варианте шестикомпонентных аэродинамических тензовесов) без тензопреобразователей; на фиг. 2 - вид динамометра сбоку; на фиг. 3 - вид динамометра сверху; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 6-11 - электрические схемы соединения тензопреобразователей.
Динамометр содержит толстостенный трубчатый корпус, в стенках которого образованы все жесткие и упругие элементы динамометра: три жестких кольцевых основания 1 (силовводящий элемент для размещения испытываемого объекта), 2 (среднее основание) и 3 (силовыводящий элемент в виде хвостовика с коническим узлом сопряжения с переходным элементом и резьбой для фиксации), пара продольных, разнесенных в вертикальной плоскости балок 4, пара продольных, разнесенных в горизонтальной плоскости балок 5, четыре продольные упругие пластины 6, крестообразно расположенные в поперечном сечении вдоль боковых граней балок и связанные по концам посредством жестких поперечных колец 7 и 8. Продольные пластины 6 и кольца 7, 8 образуют структуру промежуточного основания динамометра типа «беличье колесо». На внутренних поверхностях балок 4 и 5 выполнены поперечные локальные цилиндрические подрезы 9, служащие для повышения чувствительности и избирательности динамометра к поперечным силам. Кольца 7 и 8 выполнены с лысками 10 и 11 для соответствующего размещения балок 4 и 5. Концы пары балок 4 соединены с кольцевым основанием 1 и с кольцом 8, расположенным около основания 2, соответственно концы пары балок 5 соединены с кольцевым основанием 2 и поперечным кольцом 7, расположенным около основания 1. На кольцевом основании 3 установлена пара жестких продольных балок 12, а к кольцевому основанию 2 с внешней стороны прикреплена пара продольных жестких балок 13. Пары балок 12 и 13 размещены вдоль пар балок 4 и 5 и соединены между собой посредством четырех пар поперечных дугообразных упругих пластин 14 и четырех, установленных между этими дугообразными пластинами П-образных чувствительных элементов с продольными упругими пластинами 15 и жесткими перемычками 16.
На гранях продольных пластин 15 П-образных чувствительных элементов установлены тензопреобразователи R1-R8, соединенные в мостовую измерительную схему в соответствии с фиг.6 для выделения продольной силы X. На продольных упругих пластинах 6 установлены тензопреобразователи R9-R12, соединенные в мостовую измерительную схему в соответствии с фиг. 9 для выделения крутящего момента Mx. На внешних поверхностях упругих балок 4 напротив поперечных цилиндрических подрезов 9 размещены тензопреобразователи R13-R16, соединенные в мостовую схему (фиг. 7) для измерения поперечной нормальной силы Y, а на боковых гранях этих балок установлены тензопреобразователи R21-R24, соединенные в мостовую схему (фиг. 10) для измерения изгибающего момента в горизонтальной плоскости My. На внешних поверхностях упругих балок 5 напротив поперечных цилиндрических подрезов 9 размещены тензопреобразователи R17-R20, соединенные в мостовую схему (фиг. 8) для измерения поперечной боковой силы Z, а на боковых гранях этих балок установлены тензопреобразователи R25-R29, соединенные в мостовую схему (фиг. 11) для измерения изгибающего момента в вертикальной плоскости Mz. На силовыводящем элементе закреплен кабель 17 для подключения измерительных мостов к усилительно-регистрирующей аппаратуре.
Представленная конструкция динамометра имеет замкнутую симметричную структуру с жесткими периферийными силовводящим и силовыводяшим элементами 1, 4 и 3, 12, жестким средним силопередаюшим элементом 2, 5, 13 и соединяющими эти части упругими элементами с замкнутой симметричной структурой, обеспечивающей в местах размещения тензопреобразователей необходимую для измерений податливость в требуемых направлених и жесткость в других направлениях: промежуточное основание в виде «беличьего колеса» (податливого к кручению, жесткого к действию других нагрузок и имеющего повышенную устойчивость из-за работы на растяжение при сжимающей динамометр продольной нагрузке) с двумя жесткими 7, 8 и четырьмя упругими элементами 6, а также систему взаимосвязанных поперечных упругих пластин 15 и П-образных чувствительных элементов (податливых относительно продольной нагрузки и жестких относительно других компонент нагрузки). При этом локальные цилиндрические подрезы 9 продольных балок 4 и 5, обеспечивая чувствительность измерительных элементов к перерезывающим силам Y и Z, сохраняют достаточно высокую жесткость всей структуры в целом на сжатие, изгиб и кручение и способствуют достижению хороших метрологических качеств динамометра.
Работа динамометра осуществляется следующим образом.
Внешняя пространственная нагрузка прикладывается к кольцевому основанию 1 и создает компоненты продольного X, поперечного Y и Z, изгибающего My и Mx и крутящего Mx нагружений динамометра.
Продольная сила X вызывает продольное смещение пар балок 13 относительно балок 12 и основания 3, изгиб дугообразных упругих пластин 14 и продольных упругих пластин 15 П-образных чувствительных элементов, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R1-R8 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг. 6), пропорционального величине силы X. Симметричная система упругих элементов обеспечивает снижение влияния остальных компонент нагрузки.
Поперечная сила Y вызывает плоскопараллельное смещение в вертикальной плоскости кольцевого основания 1 относительно дополнительного жесткого кольца 8, изгиб балок 4 преимущественно в местах подрезов 9 и соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R13-R16. В измерительной диагонали моста (фиг. 7) появляется электрический сигнал, пропорциональный силе Y. Симметричность конструкции, размещение тензопреобразователей по нейтральной оси балок над подрезами 9 и мостовая схема их соединения обеспечивают слабую зависимость показаний этого компонента динамометра от точки приложения силы и воздействия других компонент нагрузки. Поперечная боковая сила Z вызывает плоскопараллельное смещение кольцевого основания 1 и дополнительных жестких колец 7 и 8 в горизонтальной плоскости относительно среднего кольцевого основания 2 изгиб упругих балок 5 преимущественно в местах подрезов 9, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R17-R20 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг. 8), пропорционального силе Z.
Крутящий момент Mx вызывает плоскопараллельный поворот дополнительных жестких поперечных колец 8 и 7 относительно друг друга, косой изгиб упругих пластин 5, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R9-R12 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг. 9), пропорционального величине момента Mx. Жесткость конструкции к действию изгибающих моментов, поперечных и продольной сил обеспечивают хорошую избирательность этого компонента динамометра.
Изгибающий момент My, действующий в горизонтальной плоскости, вызывает изгиб упругих балок 4, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R21-R24 и появление и сигнала в измерительной диагонали моста (фиг. 10), пропорционального величине момента My. Соответственно, изгибающий момент Mz, действующий в вертикальной плоскости, вызывает изгиб упругих балок 5, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R24-R28 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг. 11), пропорционального величине момента Mz.