ТЕНЗОДАТЧИК

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к тензодатчику, используемому в узле экструдера 3D-принтера для измерения усилия, прикладываемого к подшипниковому узлу, установленному в отверстии в центральной области корпуса тензодатчика, и на котором вращается поворотная ось двойного экструдера 3D-принтера.
Из уровня техники известны следующие технические решения.
Известен тензодатчик (патент RU 201365 U1, дата публикации 11.12.2020), содержащий корпус, закрепленный на основании датчика, выполненного в виде пластины, при этом корпус датчика выполнен съемным, а основание выполнено в форме плоской пластины, средняя часть которого имеет дугообразную форму и выступы для фиксации корпуса, причем на плоских краях пластины выполнены отверстия для крепления датчика, а к дугообразной поверхности основания прикреплен тензорезистивный мост.
Наиболее близким аналогом патентуемого решения является тензодатчик, представляющий собой балку, один конец которой является неподвижным, а на другом конце балки находится точка приложения измеряемой нагрузки. Также в балке выполнены два эллиптических отверстия, образующие с нижней и верхней частью балки тонкостенные деформационные участки (патент JPS 5539043, дата публикации 18.03.1980).
Недостаток известных конструкций для использования их в узле экструдера 3D- принтера состоит в том, что точка крепления тензодатчика и точка приложения силы разделяются измерительным мостом, который физически расположен между ними. Тем самым размер датчика по длине состоит из нескольких величин: размер для крепления самого датчика + размер измерительного моста + размер крепления источника усилий.
Техническая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, состоит в необходимости создания тензодатчика компактных размеров без свободного пространства на внешней поверхности основания корпуса для точки приложения измеряемого усилия.
Поставленная задача решается расположением точки приложения измеряемой нагрузки, а именно - в центре балки внутри сквозного отверстия, а также формой отверстий, образующих тонкостенные деформационные участки.
Технический результат патентуемого устройства заключается в создании конструкции тензодатчика компактнее предшествующих вариантов, что позволяет сэкономить полезное пространство внутри устройства, где применяется данный тензодатчик, или уменьшить его размеры. Например, применение данного тензодатчика в двойном экструдере 3D-принтера позволило уменьшить ширину экструдера, тем самым увеличив рабочее поле принтера по оси X.
Заявленный технический результат достигается за счет конструкции тензодатчика, содержащего корпус в форме параллелепипеда, в центральной части которого выполнено круглое первое отверстие, внутренняя поверхность которого предназначена для приложения измеряемого усилия, вокруг круглого первого отверстия выполнено второе отверстие, проходящее вдоль трех сторон корпуса и имеющее расширения в четырех углах, при этом на двух внешних противоположных боковых поверхностях закреплены по два тензорезистора, соединенных в мост, соединенный на входе с источником питания и с усилителем на выходе.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.
Фиг. 1 - общий вид тензодатчика.
Фиг. 2 - вид тензодатчика спереди.
Фиг. 3 - принциальная схема тензодатчика.
Фиг. 4 - сравнение предшествующего уровня техники с предлагаемой конструкцией.
Тензодатчик содержит корпус 1 в форме параллелепипеда. В центральной части корпуса выполнено круглое крепёжное отверстие 2 для приложения измеряемого усилия, вокруг круглого крепёжного отверстия 2 выполнено второе П-образное отверстие 3, проходящее вдоль трех сторон корпуса и имеющее расширения 4 в четырех углах, расположенных вблизи мест креплений тензорезисторов, что образует тонкостенные деформационные участки для работы измерительного узла.
На двух внешних противоположных боковых поверхностях закреплены по два тензорезистора. Тензорезисторы 5 и 6 расположены на одной стороне и тензорезисторы 7 и 8 - на противоположной стороне, при этом указанные тензорезисторы соединены в мост (по схеме моста Уитстона), соединенный на входе с источником питания и с усилителем на выходе, который последовательно связан с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
оп
м
оп
Устройство работает следующим образом. На мост подаётся опорное напряжение U(10В). Когда на корпус тензодатчика не действуют ни какие силы, сопротивление датчиков равно их начальному сопротивлению (R). В таком случае тензодатчик уравновешен, и напряжение на выходе моста будет равно нулю. Если на тензодатчик действует сила, то их сопротивление меняется на величину (δ), причём тензорезисторы на мосте размещены так, что при действии силы два резистора увеличивают своё сопротивление (R*(1+δ)), а два других уменьшают (R*(1-δ)). В этом случае на выходе моста напряжение будет равно: U = U*δ, где δ - коэффициент тензочувствительности выражается в мВ/В. Например 2 мВ/В означает, что при действии номинальной силы при уровне напорного напряжения 10В, на выходе моста будет 20 мВ. Затем это напряжение усиливается при помощи усилителя.
В процессе работы тензодатчика сопротивления меняются следующим образом: сила F воздействует на датчик, тем самым деформируя тензорезисторы. Сопротивление тензирезисторов 5 и 8 уменьшается, в результате сжатия, а сопротивление тензорезисторов 6 и 7 - увеличивается в результате растяжения. Таким образом происходит изменение напряжения на мосту Уитстона, которое в последствии усиливается и измеряется.
Как видно на фиг. 4, точка крепления тензодатчика и точка приложения силы в известных конструкциях разделяются измерительным мостом, который физически расположен между ними. Тем самым размер датчика по длине состоит из нескольких величин: размер для крепления самого датчика + размер измерительного моста + размер крепления источника усилий.
В то же время в предлагаемом устройстве точка приложения силы расположена внутри самого моста.
Пример использования.
Данный тензодатчик установлен на поворотной оси двойного экструдера 3D-принтера для выполнения процедуры автоматической калибровки печатаемой платформы. В процессе авто калибровки принтер замеряет фактическое расстояние от сопла до начала печатаемой поверхности путём касания соплом об печатную платформу.
В круглом отверстии 2 расположен подшипниковой узел, на котором вращается поворотная ось двойного экструдера 3D-принтера. При касании поверхности стола печатающим соплом возникает усилие, направленное вертикально вверх которое передаётся на поворотную ось, которая в свою очередь передаёт усилие на круглое крепёжное отверстие 2 (тока приложения силы). Таким образом, при возникновении усилия на сопле тензодатчик незначительно деформируется, по рассмотренной выше схеме, меняя сопротивление тензорезисторов. На выходе моста возникает напряжение, которое усиливается, обрабатывается и сравнивается с пороговым значением при помощи специальной платы для обработки сигнала. Как только пороговое значение будет превышено, на управляющую плату 3D-принтера будет передан сигнал, означающий, что сопло коснулось поверхности стола.
Такое расположение точки приложения измеряемого усилия позволяет сократить размер устройства по длине почти на 30-40 процентов.
Предлагаемая конструкция тензодатчика компактнее предшествующих вариантов, что позволяет сэкономить полезное пространство внутри устройства, или уменьшить его размеры. Таким образом, применение данного тензодатчика в экструдере 3D-принтера ISL-Dual позволило уменьшить ширину экструдера, тем самым увеличив рабочее поле принтера по оси X.