ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДИНАМОМЕТР

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике, в частности к устройству 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 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.
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).
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 кольцевых основания, две взаимно перпендикулярные пары продольных упругих балок с поперечными подрезами на внутренних поверхностях, промежуточное основание в виде двух дополнительных колец, соединенных между собой посредством четырех крестообразно расположенных в поперечном сечении между указанными балками продольных упругих пластин и выполненных с лысками напротив соответствующих пар продольных балок, присоединенных к указанным дополнительным 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: поперечных сил Υ 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, для чего приходится дополнительно применять отдельный динамометр продольной силы X При этом увеличиваются габариты динамометрической системы.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение потребительских качеств динамометра.
Технический результат, который обеспечивается предложением, заключается в обеспечении измерения всех шести компонент нагрузки в габаритах известного пятикомпонентного динамометра.
Этот технический результат достигается тем, что в тензометрическом динамометре, выбранном в качестве прототипа и содержащем трубчатый корпус, в стенках которого образованы два кольцевых основания, две взаимно перпендикулярные пары продольных упругих балок с поперечными подрезами на внутренних поверхностях, промежуточное основание в виде двух дополнительных колец, которые соединены между собой посредством четырех крестообразно расположенных в поперечном сечении между указанными балками продольных упругих пластин и выполнены с лысками напротив соответствующих пар продольных балок, присоединенных к указанным дополнительным кольцам со стороны, противоположной соединенному с соответствующей парой балок кольцевому основанию, и тензопреобразователи, размещенные на гранях балок и упругих пластин, введены дополнительные тензопреобразователи, соответственно соединенные в мостовую измерительную схему и размещенные попарно Х-образно на внешней поверхности колец промежуточного основания вдоль боковых граней присоединенных к ним продольных упругих балок.
Существо предложения заключается в использовании весьма ограниченного пространства внешней поверхности колец промежуточного основания динамометра между местами присоединения к ним продольных упругих балок и упругих пластин для Х-образного (под 45° каждый тензопреобразователь относительно боковых граней соответствующих продольных балок и под 90° относительно друг друга в каждой паре) размещения пар дополнительно введенных тензопреобразователей и создании соответствующей суммирующей измерительной схемы для выделения сигнала, пропорционального величине продольной силы при компенсации воздействия остальных компонент нагрузки.
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. 6-11 - электрические схемы соединения тензопреобразователей.
Динамометр содержит трубчатый корпус, в стенках которого образованы два кольцевых основания 1 и 2, пара продольных, разнесенных в вертикальной плоскости упругих балок 3 с тензопреобразователями R1-R4 для измерения поперечной нормальной силы Y, пара продольных, разнесенных в горизонтальной плоскости упругих балок 4 с тензопреобразователями R5-R8 для измерения поперечной боковой силы Ζ и четыре продольные упругие пластины 5, крестообразно расположенные в поперечном сечении вдоль боковых граней упругих балок, с тензопреобразователями R17-R24 для измерения крутящего момента Мх. 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, действующего в горизонтальной плоскости My, а на боковых гранях упругих балок 4 - тензопреобразователи R13-R16 для измерения изгибающего момента, действующего в вертикальной плоскости Mz.
Концы продольных упругих пластин 5 соединены дополнительными 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 кольцевым основанием 1 и с дополнительным поперечным кольцом 8, расположенным около основания 2, соответственно концы пары продольных упругих балок 4 соединены с кольцевым основанием 2 и с дополнительным поперечным кольцом 7, расположенным около основания 1. На внешней поверхности обеих колец 7 и 8 вдоль боковых граней присоединенных к ним продольных упругих балок 3 и 4 размещены попарно Х-образно, симметрично относительно продольной оси тензопреобразователи R25-R40 (под 45° каждый тензопреобразователь относительно продольной оси и под 90° относительно друг друга в каждой паре). Указанные на фиг. 2 и 3 нечетные номера тензопреобразователей - относятся к тензопреобразователям каждой пары, ориентированным справа-налево сверху-вниз, а четные - к тензопреобразователям, ориентированным справа-налево снизу-вверх.
Тензопреобразователи R1-R4, R5-R8, R9-R12, R13-R16, R17-R24, R25-R40 соединены в мостовые измерительные схемы в соответствии с фиг. 6-11.
Работа динамометра осуществляется следующим образом.
Действие силы Υ вызывает плоскопараллельное смещение кольцевого основания 2 и дополнительных колец 7 и 8 в вертикальной плоскости относительно кольцевого основания 1 (фиг. 2). Это приводит к изгибу балок 3 преимущественно в местах подрезов 6 и соответствующему сжатию-растяжению тензопреобразователей R1-R4, а в измерительной диагонали моста (фиг. 6) появляется электрический сигнал, пропорциональный силе Υ. Подрезы 6 обеспечивают независимость показаний этого компонента динамометра от точки приложения силы и способствуют повышенной жесткости корпуса динамометра за счет локализации деформации продольных балок.
Сила Ζ вызывает плоскопараллельное смещение кольцевого основания 2 и дополнительных колец 7, 8 в горизонтальной плоскости относительно кольцевого основания 1 (фиг. 3), изгиб упругих балок 4 преимущественно в местах подрезов 6, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R5-R8 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг. 7), пропорционального силе Ζ.
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 момента My.
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 момента Mz.
Момент Мх вызывает плоскопараллельный поворот дополнительных поперечных колец 7, 8 одно относительно другого, косой S-образный изгиб упругих пластин 5, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R17-R24 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали моста (фиг. 10), пропорционального величине момента Мх. Симметрия конструкции обеспечивает слабую зависимость показаний этого компонента динамометра от действия изгибающих моментов и поперечных сил.
1
2
1
2
Сила X вызывает преимущественно сдвиговые локальные напряжения на коротких участках поперечных колец 7, 8 между местами присоединения к ним продольных упругих балок 3, 4 и упругих пластин 5, соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R25-R40 и появление электрического сигнала в измерительной диагонали мостов Χ и Х (фиг. 11), пропорционального величине силы X. Получение суммарного сигнала измерительного элемента компонента X=Χ+Х с помощью тензопреобразователей R25-R40, размещенных симметрично относительно продольной оси динамометра на поверхности обеих поперечных колец и включенных в измерительную схему в соответствии с фиг. 11, обеспечивает необходимый уровень сигнала и его независимость от действия других компонент нагрузки.