Файл: Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы..pdf

На основании известных соотношений, описывающих деформации сдвига и изгиба в балке прямоугольного сечения,

где b — ширина упругого элемента; h — его толщина; I — расстоя­ ние от точки приложения силы до точки установки тензорезисторов; Е — модуль упругости; v — коэффициент Пуассона, равный для большинства упругих элементов 0,3, можно заключить, что конструк­ тивным параметром, влияющим на деформацию сдвига упругого элемента, является только площадь его поперечного сечения, в то время как на деформацию изгиба упругого элемента кроме площади поперечного сечения оказывают влияние также его длина и высота. Последнее обстоятельство позволяет, используя упругие элементы деформации изгиба, более гибко подходить к проектированию силомоментных датчиков, которые должны обеспечивать измерение раз­ личных номинальных сил или моментов по отдельным координатам.

Датчик состоит из двух частей, каждая из которых может быть использована независимо от другой, обеспечивая измерение трех компонент вектора сил и моментов. Соединенные механически в еди­ ный блок, они образуют шестикомпонентный датчик.

Модуль, предназначенный для измерения компонент Fx , Fy и М 1У представляет собой две рамки 4 , 5, к которым крепятся четыре упру- 1 гих элемента 2 , образованные парами плоских пружин 1 и <?, ориен­ тированных вдоль оси элемента и повернутых относительно нее на угол 90° друг к другу. Набор из четырех верхних пружин 3 этого модуля выбирают в качестве рабочего, и на них располагают тензорезисторы, объединенные в мостовые схемы. Оставшиеся упругие элементы позволяют верхней рамке легко смещаться относительно нижней под действием измеряемых компонент, причем в каждом рабочем элементе возникают преимущественно изгибные деформации. Крестообразный модуль 6 датчика, предназначенный для изме­ рения компонент F2> М х и М уу не отличается от рассмотренного ранее (см. рис. 2 .10), а основные выражения для определения про­ екций вектора сил и моментов на связанную систему координат ана­ логичны уравнениям описанной выше конструкции. Особенностью данного датчика является реализация этих математических зави­ симостей на уровне мостовых измерительных схем (рис. 2 . 11, б). А именно, пары тензорезисторов, образующие плечи мостовой схемы,

элементов крестообразной пружины, ориентированных вдоль оси Y . Аналогичным образом из полумостов, наклеенных на противолежа­ щих упругих элементах, образованы измерительные мостовые схемы для выделения остальных компонент F. и М у.

При таком способе несколько увеличивается уровень перекрест­ ных связей между измеряемыми компонентами — до 3—5 %, что

42

6 Мх 6 Ъ Му О

S)

Рис. 2.11. Шестикомпонентиый датчик сил н моментов с изгибными упругими элементами: а — конструкция; б — схема выделения некоторых компонент силового вектора

вполне допустимо для систем управления сборочными манипуля­ торами, но при этом отпадает необходимость в дополнительном электронном блоке выделения компонент. В случае тщательного изготовления силомоментного датчика, соблюдения правильной технологии наклейки, при которой тензорезисторы размещаются на противолежащих упругих элементах в точках с одинаковой дефор­ мацией, удается снизить уровень перекрестных связей до 2 %. Температурная зависимость нуля датчика при таком включении тензорезисторов оказывается не сильнее, чем аналогичная завнси-

43

Фланец

Рис. 2.12. Пятнкомпонентный датчик сил и моментов

мость в устройствах с традиционным образованием тензомостов из элементов, находящихся на одном упругом элементе, поскольку размеры датчика сил и моментов малы, а отличия в температуре упругих элементов незначительны.

Примером пятикомлонентного датчика сил и моментов, разме­ щаемого в пальце захвата, может служить устройство, показанное на рис. 2.12. Датчик обеспечивает измерение трех проекций век­ тора силы и двух моментов, действующих относительно осей X и К.

Конструкция выполнена в виде двух упругих элементов 2, 3 балочного типа квадратного сечения и упругого элемента 1 прямо­ угольного сечения с прорезями. На упругих элементах датчика наклеены фольговые тензорезисторы, соединенные в мостовые схемы. Для усиления сигналов тензорезистивных мостов используются интегральные усилители, выполненные по схеме модулятор—де­ модулятор. Экспериментальный образец датчика такой конструкции обеспечивает измерение компонент сил в диапазоне 2 —100 Н и моментов в диапазоне 0 ,0 2 — 1 Н*м. Суммарная погрешность датчика не превышает 5 % в диапазоне температур +(5-f-40)°C.

Для непосредственного измерения вектора квазистатических сил и моментов могут быть использованы многокомпонентные датчики на основе пьезоэлектрических элементов, изготовленных из природного кварца.

Измерительный преобразователь трехкомпонентного пьезоэлек­ трического датчика сил и моментов представляет собой три соосных кольцевых сепаратора 3 с установленными в их гнездах кварцевыми дисками 1, 2 , генерирующими заряд, пропорциональный деформации растяжения-сжатия или сдвига (рис. 2.13). Для увеличения чув­ ствительности в малогабаритных датчиках сил и моментов сепаратор с дисками заменяют на сплошное кольцо, изготовленное из кварца соответствующего среза. Сепараторы с кварцевыми дисками объеди­ няются в единую конструкцию 4 с помощью корпусных элементов, обеспечивающих также предварительное сжатие кварцевых пластин.

Преимуществом данной конструкции является ее большая жест­ кость и высокая собственная резонансная частота, широкий динами­ ческий диапазон, низкий уровень перекрестного взаимодействия. Например, трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик мод. 9251

44

Существенным недостатком силомоментных датчиков пьезоэлек­ трического типа, основанных на измерении заряда, пропорциональ­ ного действующим силам, является возможность их применения только для определения динамических и квазистатических сил и моментов.

Представителем другой группы силомоментных средств очувствле­ ния, у которых компоненты силового вектора предварительно пре­ образуются в перемещение калиброванных пружин, а затем изме­ ряются датчиками микроперемещений, является четырехкомпонент­ ный датчик, состоящий из механического центрирующего устройства (рис. 2Л5), имеющего пять степеней подвижности, и датчиков пере­ мещения его подвижных частей. Измерение линейных и угловых перемещений центрального стержня в некоторой плоскости осуи;е- ствляется парой датчиков линейных перемещений: Искомое линей­ ное перемещение находится как сумма выходных сигналов этих датчиков, взятая в некотором масштабе, а искомое угловое переме-

45