Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Методы проектирования средств измерения сил и моментов реализуемых на базе штатных деталей технологических машин

Кадыров Жаннат Нургалиевич

д.т.н., профессор Казахского университета путей сообщения

Кочетков Андрей Викторович Профессор

E-Mail: soni.81@mail.ru

Челпанов Игорь Борисович Профессор

05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические системы

Аннотация

деталь машина силоизмерительный датчик

Рассматриваются вопросы проектирования встроенных и пристроенных, многокомпонентных и многодиапазонных силоизмерительных средств. Проектирование подобных датчиков должно основываться, с одной стороны, на декомпозиции типовых структур датчиков на основные функциональные элементы, а с другой - на сопоставлении этих структур со штатными деталями, через которые передаются усилия. Многокомпонентные датчики сил и моментов могут представлять собой самостоятельные приборы. При необходимости встраивания их в механизмы обычно предпочитают их вкомпоновывать в разъемные соединения. Для этого должны быть согласованы их присоединительные размеры.

Ключевые слова: Датчики, преобразователь, тензорезистор, упругий элемент, технологическая машина.

The Abstract

Kadyrov Zhannat Nurgaliyevich

Dr.Sci.Tech., professor Kazakh university of means of communication

Kochetkov Andrey Viktorovich

Perm national research polytechnical university professor

Chelpanov Igor Borisovich

St.-Petersburg state polytechnical university / professor

Methods of design of gages of forces and deformations, technological cars realized on the basis of regular details

Questions of design of built-in and attached, multicomponent and multirange siloizmeritelny means are considered. Design of similar sensors has to be based, on one hand, on decomposition of standard structures of sensors on basic functional elements, and with another - on comparison of these structures to regular details through which efforts are transmitted. Multicomponent sensors of forces and moments can represent independent devices. In need of embedding them in mechanisms usually prefer them to build in demountable connections. Their connecting sizes have to be for this purpose coordinated.

Keywords: Sensors, converter, tensoresistor, elastic element, technological car.

Рассматриваются вопросы проектирования встроенных и пристроенных, многокомпонентных и многодиапазонных силоизмерительных средств.

В комплексах контрольно-измерительной и диагностической аппаратуры производственных, транспортных и других машин средства измерения сил и моментов занимают важное место. В наиболее напряженных узлах именно статические и динамические нагрузки определяют запасы прочности и долговечности. Традиционное направление проектирования средств измерения сил и моментов ориентировано преимущественно на создание специальных динамометрических датчиков, которые необходимо встраивать в узлы машин. При этом приходится предусматривать специальные разъемы, менять детали, а иногда и полностью изменять конструкции узлов.

В связи с этим возникает необходимость в разработке новых, альтернативных подходов к проектированию средств измерения сил и моментов. Авторы полагают, что наиболее перспективным является проектирование средств измерения сил и моментов на базе входящих в состав машины штатных деталей. При этом достаточно модернизировать только сами эти детали, сохраняющие свое основное функциональное назначение и несущие нагрузки, но приспосабливаемые к новым функциям измерения; конструкции же узлов в целом не изменяются [1, 2].

Метод решения

Проектирование подобных датчиков должно основываться, с одной стороны, на декомпозиции типовых структур датчиков на основные функциональные элементы, а с другой - на сопоставлении этих структур со штатными деталями, через которые передаются усилия. Предлагается выделять в силомоментных датчиках следующие структурнофункциональные элементы: первичный неэлектрический преобразователь (преобразующий силу в другую механическую величину, например, перемещение или деформацию), контактный наконечник, элемент локализации контакта (создающий определенность нагруженного состояния), передаточный элемент (осуществляющий передачу усилия от наконечника к упругому элементу), элемент защиты от неподлежащих измерению побочных (паразитных) силовых факторов, элемент защиты датчика от поломок при перегрузках, элемент создания предварительного натяга, элемент увеличения деформаций первичного преобразователя, элемент компенсации смещения от исходного нулевого положения. Перечисленные элементы могут быть реализованы самостоятельными, или совмещенными друг с другом или отсутствовать. По характеру взаимодействия с несущими конструкциями средств измерения сил и моментов подразделяются на встроенные (воспринимающие нагрузки полностью и составляющие неотъемлемую часть конструкции) и пристроенные (воспринимающие небольшую нагрузку).

Проведено систематичное рассмотрение типовых деталей машин на предмет использования их в качестве основы для силомоментных датчиков. Наиболее перспективными в этом отношении являются соединительные, в частности крепежные детали: винты, болты, гайки, шпильки, а также втулки, стаканы, кронштейны. В качестве основного способа преобразования удлинений или механических напряжений в электрические сигналы рассматривается тензорезисторное преобразование. Повышение коэффициента преобразования может быть связано с ослаблением сечений и некоторым снижением жесткости.

Проведен подробный анализ обычных приемов, показано, каким образом при минимальных изменениях формы деталей (выполняются выточки, вырезы, пазы, уточнения, разрезы) могут быть значительно увеличены коэффициенты преобразования и уменьшены коэффициенты влияния паразитных факторов. В качестве примера могут быть указаны пружинные шайбы с наклеенными на них тензорезисторами. Эти шайбы являются упругими элементами датчиков, измеряющих осевое усилие. Также может быть использована втулка, средняя часть которой в исходном варианте была цилиндрической, теперь выполняется бочкообразной с продольными разрезами, так что продольные полосы, на которые наклеены тензорезисторы, работают на изгиб, как криволинейные стержни (брусья).

Предложены схемы и выполнены образцы встроенных датчиков на базе крепежных деталей, элементов преобразовательных передач (винт-гайка), деталей типовых (токарные патроны). В одних случаях измеряются деформации от растяжения и сжатия, а в других - от сгиба.

В случае необходимости элементы в виде сплошных плит, цилиндров, оболочек заменяются стержневыми конструкциями. Если для встроенных датчиков необходимо сохранять достаточно высокую жесткость, то значительное ослабление сечений следует производить только в зонах расположения тензорезисторов. Допустимо расположение тензорезисторов в зонах концентраторов напряжений (если эти концентраторы - искусственные, то, конечно должны быть обеспечены необходимые запасы прочности).

Из датчиков пристроенного типа проработаны конструкции типа винтов, контактирующих своими наконечниками с поверхностями деталей. Упругие элементы обычно выполняются в виде тонкостенных колец, тензорезисторы наклеиваются симметрично на внутренней поверхности; наружная поверхность выполняется сферической и полируется.

Введение в конструкции машин встроенных датчиков приводит к снижению жесткости, местному увеличению механических напряжений и снижению собственных частот упругих колебаний. Перед установкой встроенных датчиков необходимо выполнять соответствующие проверочные расчеты. Установка же пристроенных датчиков наоборот, приводит к некоторому ужесточению конструкции. Однако при этом могут заметно нарушатся расчетные режимы нагружения, в частности, возрастать асимметрия распределения сил. Для оценивания этого эффекта также необходимы проверочные расчеты.

Из метрологических характеристик средств измерения сил и моментов основными являются коэффициент преобразования по отношению к измеряемой составляющей силы и коэффициенты влияния по отношению к паразитным составляющим сил и моментов, не подлежащим измерению (основным влияющим факторам. Указанные коэффициенты определяются как произведения коэффициентов преобразования измеряемой величины в последовательно включенных преобразователях. Коэффициенты преобразования от сил или моментов до деформации тензорезистора рассчитываются на основе использования математической модели упругого элемента, представляемого как стержень, пластина или оболочка. Авторами собраны необходимые расчетные формулы.

Большинство датчиков, измеряющих силы или моменты взаимодействия деталей машин, являются однокомпонентными, т.е. измеряемой величиной является только одна составляющая вектора силы или момента. Кроме того, принимаются специальные меры для того, чтобы характеристики преобразования были возможно более близкими к линейным, это позволяет упрощать дальнейшее преобразование и регистрацию измерительной информации. Между тем, при диагностике и исследовательских испытаниях важнейшим является фактор неопределенности, когда отсутствует достоверная информация о направлениях действия сил и о диапазонах их возможных значений.

Датчики приходится использовать в различных режимах, когда измеряемые силы значительно изменяются по величине. Наконец, датчики могут выполнять в системе несколько функций (например, использоваться для автоматической адаптации и для автоматической остановки в аварийных ситуациях). Вследствие этих соображений приходится искать пути расширения возможностей датчиков.

Некоторые результаты

Рассмотрим сначала вопросы построения однокомпонентных, но многодиапазонных или нелинейных датчиков. Исходные соображения по поводу выбора характеристик таких датчиков следующие. Типичны ситуации, в которых требуется измерять и малые и большие значения измеряемых величин с соизмеримыми относительными погрешностями. Для линейных средств измерений вблизи нижней границы диапазона измерений относительные погрешности измерений возрастают. Один из возможных выходов заключается в построении многодиапазонных приборов с автоматическим переходом с диапазона на диапазон (для которой относительная погрешность постоянна).

Особенность разработанного авторами многодиапазонного датчика сил является то, что в одном датчике размещается несколько упругих элементов с тензорезисторами, соединенных друг с другом последовательно и воспринимающих одну и ту же силу. При этом жесткости и коэффициенты преобразования для этих упругих элементов значительно различаются (в несколько раз или на порядок). При приложении малой силы наибольшие деформации претерпевает первый, наиболее податливый упругий элемент, дают выходной сигнал датчика. При этом выходные сигналы от тензорезисторов на других упругих элементах малы. При достижении силой первой порогового уровня первый упругий элемент выходит на упор, и этим предотвращается его поломка при дальнейшем увеличении силы. После этого действующим становится второй упругий элемент, и измерение производится на втором диапазоне. Аналогично после достижения второго предельного значения в действие вступает третий упругий элемент. Результирующая характеристика такого преобразователя является пилообразной. Авторами разработаны рекомендации по выбору границ диапазонов и параметров упругих элементов. Испытания изготовленного макета показали, что подобный многодиапазонный датчик может хорошо работать в условиях нагрузок, не меняющих направления.

Формирование нелинейных характеристик на одном упругом элементе может осуществляться за счет использования различных приемов: выбора криволинейных элементов таким образом, чтобы их деформации были достаточно большими, использования дополнительных упоров, введения элементов с дополнительным натягом. Можно также задавать такую геометрию упругого элемента, при которой он ложится на гладкую поверхность. Формирование нелинейной характеристики с широкой зоной нечувствительности возможно при использовании упругих элементов, теряющих устойчивость при превышении силой предельного значения. Подробно проработано каждое из перечисленных направлений, сформулированы рекомендации для формирования типовых нелинейных характеристик (гладких, кусочно-линейных, с зонами нечувствительности, «мягких» и «жестких»). Разработанные способы выбора параметров основаны частично на полученных аналитических решениях, но в большей части на численных решениях задач статики криволинейных стержней при больших прогибах и переменных граничных условиях. Многокомпонентные датчики осуществляют одновременное изменение нескольких составляющих (компонент) векторов силы и (или) момента. Обычно (но необязательно) определяются компоненты этих векторов в единой ортогональной системе координат, тогда число измеряемых величин может быть увеличено до шести. Однако встречаются ситуации, когда целесообразно измерять составляющие сил по нескольким заданным направлениям без перепроектирования, тогда число измеряемых компонент может быть значительно больше. В этих случаях в измерениях реализуется избыточность, которая может быть использована для повышения надежности измерений.

Известны конструкции ряда шести-, пяти- и трехкомпонентных средств измерения сил и моментов. Некоторые из них используются для силомоментного очувствления адаптивных промышленных роботов, предназначенных для выполнения сборочных операций. Однако известные схемные и технические решения многокомпонентных датчиков реализуют лишь немногие из возможных вариантов.

Авторами предложена общая классификация многокомпонентных датчиков, построенных способом соединения одно- и двухкомпонентных, имеющих упругие элементы с наклеенными тензорезисторами. Крайними являются варианты параллельного соединения однокомпонентных датчиков с упругими элементами, работающими на растяжение-сжатие, и последовательного соединения однокомпонентных датчиков с упругими элементами, работающими на изгиб. Существует большое число комбинированных вариантов, в которых имеются и параллельные и последовательные соединения одно- и двухкомпонентных датчиков.

Сопоставительный анализ различных схем основывается на рассмотрении матричного уравнения измерений, это уравнение связывает вектор обобщенной силы, подлежащий измерению, и вектор выходных сигналов. Погрешность определения искомых величин - компонент вектора обобщенной силы - зависит от матрицы преобразования. При числе выходных сигналов, больше шести, используется метод наименьших квадратов, повышение надежности может быть достигнуто на основе метода избыточных переменных. Выполнены конструктивные проработки многокомпонентных датчиков, выполненных по оригинальным схемам.

Датчики сил и моментов могут представлять собой самостоятельные приборы. При необходимости встраивания их в механизмы обычно предпочитают вкомпоновывать их в неподвижные разъемные соединения (например, вставлять их в разбираемые фланцевые соединения). Однако при исследовательских испытаниях нередко оказывается возможным использовать в качестве упругих элементов датчиков сил элементы несущей конструкции. Например, изгибающие и крутящие моменты часто измеряются по сигналам тензорезисторов, наклеиваемых на тонкостенные элементы. Подобное пристраивание датчиков вместо встраивания позволяет оставлять неизменной основную конструкцию, но при этом необходима тонкая усилительная аппаратура.

Самостоятельные датчики сил и (или) моментов выполняются однокомпонентными (измеряющими только одну составляющую силы или момента по своей измерительной оси) или многокомпонентными измеряющими несколько до шести составляющих). Многокомпонентные датчики могут изготавливаться как единые, но могут быть составными и представлять собой последовательное соединение однокомпонентных датчиков.

Однокомпонентные датчики сил выпускаются промышленностью и широко используются. Многокомпонентные датчики сил и моментов разработаны и описаны [например, 3], но они мало распространены.

Принцип действия большинства датчиков сил и моментов один и тот же: сила и момент деформируют специальные упругие элементы, их деформации или упругие перемещения измеряются измерительными преобразователями (тензорезисторными, емкостными, индуктивными). При измерениях в машиностроении часто требуется, чтобы датчик сил имел очень высокую жесткость, а упругие перемещения были весьма малыми. Однако применительно к промышленным роботам подобные требования часто не выдвигаются, поскольку сам механизм манипулятора имеет не очень высокую жесткость.

Поэтому в датчиках сил могут допускаться значительно большие перемещения, и используемые преобразователи перемещений могут иметь не очень высокую чувствительность. Требования к точности измерения сил и моментов обычно не высоки (допускаются погрешности порядка 5 %). Измеряемые силы и моменты часто изменяются достаточно медленно, однако иногда требуется измерение ударных сил (например, при быстром схлопывании рабочих элементов схвата при захватывании ударные силы могут быть велики, и при исследовательских испытаниях их необходимо измерять). При измерении максимумов пиков усилий частотный диапазон датчика должен быть достаточно широким.

Из краткого перечисления задач следует, что, например, по отношению к механизму манипулятора промышленного робота измерения сил и моментов могут быть внешними и внутренними, именно этим признаком в существенной мере определяется выбор способов измерений, датчиков и способов их установки. При внешних измерениях, когда требуется измерять силы взаимодействия рабочего органа с внешними объектами, датчики сил и моментов могут быть самостоятельными и пристраиваться к рабочему органу или предметам, с ним взаимодействующими. При внутренних измерениях, когда измеряются силы и моменты в соединениях ли сечениях звеньев, датчики должны быть встроенными, включенными в виде вставок в звенья манипулятора, что приводит к определенным трудностям. Но если встроенные датчики сил и (или) моментов уже имеются (в частности, когда они представляют собой датчики силомоментного очувствления, входящие в систему управления), они могут быть использованы для внешних измерений, особенно, если они установлены близко к органу.

Датчики сил и моментов могут представлять собой самостоятельные приборы. При необходимости встраивания их в механизмы обычно предпочитают вкомпоновывать их в неподвижные разъемные соединения (например, вставлять их в разбираемые фланцевые соединения). Однако при исследовательских испытаниях нередко оказывается возможным использовать в качестве упругих элементов датчиков сил элементы несущей конструкции. Например, изгибающие и крутящие моменты часто измеряются по сигналам тензорезисторов, наклеиваемых на тонкостенные элементы. Подобное пристраивание датчиков вместо встраивания позволяет оставлять неизменной основную конструкцию, но при этом необходима тонкая усилительная аппаратура.

Многокомпонентные средства измерения сил и моментов используются не обязательно в компактном исполнении, их можно компоновать по элементам, пристраивая к испытуемому объекту по одному однокомпонентные датчики, каждый из которых измеряет только перемещение по своей оси. Подобного рода многокомпонентные силоизмерительные устройства, встроенные или пристроенные датчики сил и моментов, могут быть штатными, и тогда их выходные сигналы используются в системах автоматического управления.

Встроенные датчики силомоментного очувствления используются в захватных устройствах некоторых специализированных промышленных роботов.

При измерении составляющих сил и моментов могут ставиться различные цели.

Во-первых, могут представлять интерес силы взаимодействия рабочего органа технологического робота с предметом производства. Так, при операциях сборки и шлифования поверхностей правильность выполнения контролируется по силам взаимодействия соответственно подвижной детали или шлифовального круга с неподвижно установленной деталью или заготовкой. Измерение сил взаимодействия часто необходимо не только при испытаниях и наладке, но и в режиме нормальной работы (тогда сигналы датчиков используются в системах контроля и управления).

Во-вторых, необходимо измерение составляющих сил и моментов в подвижных соединениях звеньев механизма манипулятора и в сечениях наиболее напряженных элементов. Это делается обычно при исследовательских испытаниях, в частности, для анализа запасов прочности конструкции.

В-третьих, может оказаться необходимым измерение усилий захватного устройства, а также предельно допустимых сил, при которых захватное устройство еще может удерживать переносимый объект. В некоторых случаях именно эти значения сил определяют грузоподъемность промышленного робота.

Заключение

Многокомпонентные датчики сил и моментов могут представлять собой самостоятельные приборы. При необходимости встраивания их в механизмы обычно предпочитают их вкомпоновывать в разъемные соединения. Для этого должны быть согласованы их присоединительные размеры.

Литература

1. Колпашников С.Н. Стандартизация промышленных роботов /

С.Н. Колпашников, А.В. Тимофеев, И.Б. Челпанов - М. : Изд. Стандартов, 1990.

2. Кочетков А.В. Динамика промышленных роботов / И.Б. Челпанов,

Б.М. Бржозовский, А.В. Кочетков. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1999. -132 с.

3. Челпанов И.Б. Методы и средства создания нагружения и измерения параметров нагружения при испытаниях / И.Б. Челпанов, А.В. Кочетков // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2012. № 12.

Рецензент: Овчинников Игорь Георгиевич, профессор, доктор технических наук, заместитель руководителя Поволжского отделения Российской академии транспорта.

Размещено на Allbest.ru