CN103968983B - 输出扭矩精确测量***及其扭矩测量的方法 - Google Patents

Abstract

输出扭矩精确测量***及其扭矩测量的方法。本发明方法包括：定子外壳（12）内部安装的定子线圈（8），定子外壳与减速器（5）的外壳固定，转子（9）通过联轴器（7）与减速器输入轴（6）连接，减速器输出轴（18）与输出联轴器（1）周向固定，定子外壳和减速器的外壳分别通过后轴承（11）和前轴承（2）与底座（17）构成转动副，减速器的外壳两侧具有杠杆（13）和配重杆（4），杠杆通过球铰A（14）与拉压力传感器（15）连接，拉压力传感器通过球铰B（16）与底座连接；配重杆安装配重（3）；电动机的后端安装码盘（10）。本发明用于电动机减速器组合输出扭矩的精确测量装置。

Description

输出扭矩精确测量***及其扭矩测量的方法

技术领域：

本发明涉及一种输出扭矩精确测量***及其扭矩测量的方法。

背景技术：

目前应用于电动机减速器组合输出扭矩的测量方式主要有两种：一种是传统的机械杠杆式测量方式；另一种是采用扭矩传感器直接测量扭矩。

机械杠杆的测量是将被测扭矩通过杠杆转换为拉压力，通过拉压力传感器测量出该拉压力的量，然后通过下式计算出扭矩值大小。

上式中：—被测扭矩

—拉压力传感器测量的作用力

—测得的作用力的力臂

该测量***由转子、摇架(定子)、底座等组成，转子、定子通过轴承安装到底座上，并通过摆动轴承自由摆动。定子的外圈上装有一传力臂，通过这个传力臂制动转矩传递到拉压传感器上，而传力臂上联结件和底座上联结件，使拉压传感器处于二力杆状态。通过测量拉压传感器的大小，即可计算出测量***扭矩值大小。该种测量方式与机械杠杆和刀口的制造加工精度和二力杆定位精度有很大关系。为提高***的测量精度，就需要提高机械杠杆和刀口的制造加工精度，这样势必增加了设备的制造加工成本。

扭矩传感器按照外形可分为卧式和盘式两种形式，为获得较高的测量精度，要求该种传感器的安装精度高，由于制造成本高，扭矩传感器的售价很高，且随着测量精度的提高，价格增加很多。其中卧式传感器需要较大的轴向安装尺寸，而盘式传感器的价格要远高于相同测量精度的卧式传感器。与拉压力传感器相比，在同等测量精度的情况下，扭矩传感器的价格要远高于拉压力传感器的精度。

已有的应用拉压力传感器扭矩测量装置.测量精度高，且能抵消测量中产生的径向力，但该***中应用了柔性件，会产生松弛现象，不能测量反向扭矩，且结构较复杂。

浓密机扭矩测量装置，能根据负载的变换及时进行扭矩显示，并有效控制转耙的运转，但该装置不宜用于高精度的扭矩测量，与机械杠杆式的扭矩测量方法相比，结构复杂。

发明内容：

本发明的目的是提供一种输出扭矩精确测量***及其扭矩测量的方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种输出扭矩精确测量***，其组成包括：电动机的定子外壳内部安装的定子线圈，所述的定子外壳与减速器的外壳固定，转子通过联轴器与所述的减速器输入轴连接，所述的减速器输出轴与输出联轴器周向固定，所述的定子外壳和所述的减速器的外壳分别通过后轴承和前轴承与底座构成转动副，所述的减速器的外壳两侧具有杠杆和配重杆，所述的杠杆通过球铰A与拉压力传感器连接，所述的拉压力传感器通过球铰B与底座连接；所述的配重杆安装配重；所述的电动机的后端安装码盘。

一种利用上述输出扭矩精确测量***进行扭矩测量的方法，

第一步，所述的定子线圈通电后，所述的转子产生旋转运动并输出扭矩；

第二步，所述的转子的转动经过所述的减速器变速后，由所述的减速器输出轴输出，所述的电动机与所述的减速器绕轴线自由旋转；

第三步，所述的电动机产生的扭矩通过所述的减速器增大后，经输出联轴器输出后形成驱动源；

第四步，测得所述的球铰A和所述的球铰B的连线与所述的电动机和所述的减速器组合成回转轴向之间的距离，采集所述的拉压力传感器承受的拉力信号并换算成力后，结合所述的距离，得到所述的电动机与所述的减速器组合后的输出扭矩T为：

(1)；

式中：

的作用线位于球铰A和所述的球铰B的连心线上；

为所述的配重对所述的减速器的回转轴线产生的力矩；

为机构中各运动副产生的扭矩之和；

、和的实际值通过标定***确定；

第五步，所述的标定***是在扭矩测量***装配好后，将所述的输出联轴器替换成具有圆弧的标定板，标准砝码2通过标准砝码1挂装在所述的标定板上，则所挂装不同标准砝码重量与所述的拉压力传感器所承受的拉力关系为：

式中：为只挂装砝码1时所述的拉压力传感器所承受的拉力；

为同时挂装准砝码1和通过标准砝码2时拉压力传感器所承受的拉力；

为圆弧的半径，圆弧的中心位于减速器的回转轴线；

为标准砝码的重力，其值为砝码的质量与重力加速度的乘积；

通过式2和3，可得：

第六步，由式4可知，的精度与所述的标定板上所述的圆弧的制造精度、装配精度及所述的拉压力传感器的测量精度有关，而与同该尺寸相关的其他零部件的加工及装配精度无关，测量出的实际值后，可将该参数写入测力软件；

联立式1和式2可得电动机减速器组合后的输出扭矩T的计算公式为：

最后，标定完毕后将式5写入测量软件，软件硬件连接结构相结合形成输出扭矩的精确测量***。

所述的扭矩测量的方法，所述的标定板为对称结构，所述的圆弧的圆心位于所述的标定板的对称中心，所述的对称中心位于所述的电动机与所述的减速器组合的回转中心线上。

所述的扭矩测量的方法，所述的标准砝码1和所述的标准砝码2的总重心通过的垂线与所述的标定板上的圆弧相切，所述的标准砝码1和所述的标准砝码2挂装的位置在所述的电动机回转轴线上且相对于所述的拉压力传感器的另一侧。

有益效果：

本发明将具有电动机的定子外壳和其内部安装的定子线圈的电动机与减速器组合，再通过调心轴承与底座之间实现回转副，拉压传感器与底座和杠杆采用球铰连接，具有安装精度要求低，安装简单方便且不影响测量结果精准的优点；再利用整个硬件结构结合软件的功能，对组成杠杆的零件和装配精度要求不高，测量精度取决于拉压力传感器的精度；结构简单，整体造价低；拉压力传感器可测量拉压力和压力，该***可适应正反两方向的扭矩测量；具有测量***通用性高。

附图说明：

附图1：扭矩测量***机构简图。

附图2：标定的机构简图。

附图3：加工和装配精度低时标定的机构简图。

附图4：拉簧预紧结构简图。

附图5：压簧预紧结构简图。

附图6：电动机减速器组合悬臂的结构简图。

图中1.输出联轴器；2.前轴承；3.配重；4.配重杆；5.减速器；6.减速器输入轴；7.联轴器；8.定子线圈；9.转子；10.码盘；11.后轴承；12.定子外壳；13.杠杆；14.球铰A；15.拉压力传感器；16.球铰B；17.底座；18.减速器输出轴；19.标定板；20.圆弧；21.标准砝码1；22.标准砝码2；23.轴承1；24.轴承2；25.拉簧；26.压簧。

具体实施方式：

实施例1：

一种输出扭矩精确测量***，其组成包括：电动机的定子外壳（12）内部安装的定子线圈（8），所述的定子外壳与减速器（5）的外壳固定，转子（9）通过联轴器（7）与所述的减速器输入轴（6）连接，所述的减速器输出轴（18）与输出联轴器（1）周向固定，当定子线圈（8）通电时，转子（9）产生旋转运动并输出扭矩，转子的转动经过减速器（5）的变速后，由所述的减速器输出轴（18）输出，所述的定子外壳（12）和所述的减速器（5）的外壳分别通过后轴承（调心轴承）（11）和前轴承（调心轴承）（2）与底座（17）构成转动副，实现电动机与减速器（5）的组合能够绕轴线自由旋转；所述的减速器的外壳两侧具有杠杆（13）和配重杆（4），所述的杠杆通过球铰A（14）与拉压力传感器（15）连接，所述的拉压力传感器通过球铰B（16）与底座（17）连接，该结构能够阻碍电动机与减速器（5）的组合自由转动；所述的配重杆安装配重（3），所述的配重（3）对所述的拉压力传感器（15）施加预紧力，以消除零件之间的装配间隙；电动机产生的扭矩通过减速器（5）增大后，经由输出联轴器（1）输出，作为其他功能执行机构的驱动源；所述的电动机的后端安装码盘（10），通过码盘（10）可以测量转子相对于定子的实时转速。

实施例2：

根据实施例求1所述的输出扭矩精确测量***，如图4所示，与实施例1的不同之处在于，通过拉簧（25）的预拉压力实现对所述的拉压力传感器（15）构成的两个球铰装配间隙的消除；所述的拉簧（25）通过所述的配重杆（4）与所述的减速器（5）的外壳固定，所述的配重杆（4）与所述的杠杆（13）分别位于所述的减速器（5）的两侧，所述的拉压力传感器（15）装配好后，所述的拉簧（25）被拉伸长，所产生拉力的大小应使所述的球铰A（14）和所述的球铰B（16）的在拉伸方向的装配间隙消除。

实施例3

根据实施例求1或2所述的输出扭矩精确测量***，如图5所示，与实施例1或2的不同之处在于，通过压簧（26）的预压力实现对所述的拉压力传感器（15）构成的两个球铰装配间隙的消除；所述的压簧（26）与所述的拉压力传感器（15）位于同一侧，装配后被压缩且两端分别与所述的杠杆（13）和所述的底座（17）固定，所述的压簧（26）对所述的杠杆（13）产生一个预推力，该力的大小应使所述的球铰A（14）和所述的球铰B（16）的在拉伸方向的装配间隙消除。

实施例4

根据实施例求1或2所述的输出扭矩精确测量***，如图6所示，与实施例1的不同之处在于，如图1所示实施例1中所述的电动机和所述的减速器组合后与底座之间采用简支梁的结构方式，即电机减速器组合位于后轴承（11）和前轴承（2）之间，而实施例4中电动机与减速器组合与底座之间的装配采用悬臂梁的结构方式，即如图6所示轴承1（23）和轴承2（24）位于电机减速器组合的同一侧，该种结构方式使所述的轴承1（23）和所述的轴承2（24）相距较近，可以通过一个零件与减速器外壳构成两个同轴转动副（23）和（24），具有工件精度高的优点，测量值准确。

实施例5：

一种利用上述输出扭矩精确测量***进行扭矩测量的方法，

第一步，所述的定子线圈（8）通电后，所述的转子（9）产生旋转运动并输出扭矩；

第二步，所述的转子的转动经过所述的减速器（5）变速后，由所述的减速器输出轴（18）输出，所述的电动机与所述的减速器（5）绕轴线自由旋转；

第三步，所述的电动机产生的扭矩通过所述的减速器（5）增大后，经输出联轴器（1）输出后形成驱动源；

第四步，测得所述的球铰A（14）和所述的球铰B（16）的连线与所述的电动机和所述的减速器组合成回转轴向之间的距离，采集所述的拉压力传感器（15）承受的拉力信号并换算成力后，结合所述的距离，得到所述的电动机与所述的减速器组合后的输出扭矩T为：

式中：

的作用线位于球铰A（14）和所述的球铰B（16）的连心线上；

为所述的配重（3）对所述的减速器（5）的回转轴线产生的力矩；

为机构中各运动副产生的扭矩之和；

、的实际值不能通过理论计算获得，因加工和装配存在误差，和的实际值与理论值也存在误差，为降低测量误差，上述三个参数应通过标定***确定；

第五步，所述的标定***是在扭矩测量***装配好后，将所述的输出联轴器（1）替换成具有圆弧（20）的标定板（19），标准砝码2（22）通过标准砝码1（21）挂装在所述的标定板（19）上，则所挂装不同标准砝码重量与所述的拉压力传感器（15）所承受的拉力关系为：

式中：为只挂装砝码1时所述的拉压力传感器所承受的拉力；

为同时挂装准砝码1和通过标准砝码2时拉压力传感器所承受的拉力；

为圆弧的半径，圆弧的中心位于减速器（5）的回转轴线；

为标准砝码的重力，其值为砝码的质量与重力加速度的乘积；

通过式2和3，可得：

第六步，由式4可知，的精度与所述的标定板（19）上所述的圆弧（20）的制造精度、装配精度及所述的拉压力传感器（15）的测量精度有关，而与同该尺寸相关的其他零部件的加工及装配精度无关，测量出的实际值后，可将该参数写入测力软件；

联立式1和式2可得电动机减速器组合后的输出扭矩T的计算公式为：

（5）；

由该式可知，该***测量所得扭矩的精度仅与标定板圆弧的制造精度及装配精度及拉压力传感器的测量精度有关，即使出现如图3所示的加工和装配误差很大的情况也不会影响该***的测量精度，当出现沿电动机与减速器组合轴向的装配误差时，因拉压力传感器的两端采用的是三自由度的球铰，故该误差不会对拉压力传感器的测量结果产生影响，且标定后的值也不会受该误差的影响；

最后，标定完毕后将式5写入测量软件，软件硬件连接结构相结合形成输出扭矩的精确测量***。当运输过程中发生碰撞或者测量环境变化较大时，的实际值有可能发生改变，则可通过上述过程重新标定值，然后将将相应参数写入测量软件代替原参数，以修正对输出转矩的测量精度。

实施例6：

根据实施例求5所述的扭矩测量的方法，所述的标定板为对称结构，所述的圆弧的圆心位于所述的标定板的对称中心，所述的对称中心位于所述的电动机与所述的减速器组合的回转中心线上。

实施例7：

根据实施例5或6所述的扭矩测量的方法，所述的标准砝码1和所述的标准砝码2的总重心通过的垂线与所述的标定板上的圆弧（20）相切，所述的标准砝码1和所述的标准砝码2挂装的位置在所述的电动机回转轴线上且相对于所述的拉压力传感器的另一侧。

Claims (3)

1.一种输出扭矩精确测量***，其组成包括：电动机的定子外壳（12）内部安装的定子线圈（8），其特征是：所述的定子外壳与减速器（5）的外壳固定，转子（9）通过联轴器（7）与减速器输入轴（6）连接，所述的减速器输出轴（18）与输出联轴器（1）周向固定，所述的定子外壳和所述的减速器的外壳分别通过后轴承（11）和前轴承（2）与底座（17）构成转动副，所述的减速器的外壳两侧具有杠杆（13）和配重杆（4），所述的杠杆通过球铰A（14）与拉压力传感器（15）连接，所述的拉压力传感器通过球铰B（16）与底座连接；所述的配重杆安装配重（3）；所述的电动机的后端安装码盘（10）；

所述的输出扭矩精确测量***进行扭矩测量的方法，

第一步，所述的定子线圈通电后，所述的转子产生旋转运动并输出扭矩；

第二步，所述的转子的转动经过所述的减速器变速后，由所述的减速器输出轴输出，所述的电动机与所述的减速器绕轴线自由旋转；

第三步，所述的电动机产生的扭矩通过所述的减速器增大后，经输出联轴器输出后形成驱动源；

第四步，测得所述的球铰A和所述的球铰B的连线与所述的电动机和所述的减速器组合成回转轴向之间的距离，采集所述的拉压力传感器承受的拉力信号并换算成力后，结合所述的距离，得到所述的电动机与所述的减速器组合后的输出扭矩T为：

(1)；

式中：

F的作用线位于球铰A 和所述的球铰B 的连心线上；

T₁为所述的配重对所述的减速器的回转轴线产生的力矩；

T_Q为机构中各运动副产生的扭矩之和；

T₁、T_Q和 L₁ 的实际值通过标定***确定；

第五步，所述的标定***是在扭矩测量***装配好后，将所述的输出联轴器替换成具有圆弧（20）的标定板（19），标准砝码2（22）通过标准砝码1（21）挂装在所述的标定板上，则所挂装不同标准砝码重量与所述的拉压力传感器所承受的拉力关系为：

(2)；

(3)；

式中：F₁ 为只挂装标准 砝码1 时所述的拉压力传感器所承受的拉力；

F₂ 为同时挂装标 准砝码1 和标准砝码2 时拉压力传感器所承受的拉力；

R 为圆弧的半径，圆弧的中心位于减速器的回转轴线；

G₁ 为标准砝码的重力，其值为砝码的质量与重力加速度的乘积；

通过式2 和3，可得：

(4)；

第六步，由式4 可知，L₁ 的精度与所述的标定板上所述的圆弧的制造精度、装配精度及所述的拉压力传感器的测量精度有关，而与同L₁相关的其他零部件的加工及装配精度无关，测量出的实际值后，可将L₁写入测力软件；

联立式1 和式2 可得电动机减速器组合后的输出扭矩T 的计算公式为：

（5）；

最后，标定完毕后将式5 写入测量软件，软件硬件连接结构相结合形成输出扭矩的精确测量***。

2.根据权利要求1 所述的输出扭矩精确测量***，其特征是：所述的标定板为对称结构，所述的圆弧的圆心位于所述的标定板的对称中心，所述的对称中心位于所述的电动机与所述的减速器组合的回转中心线上。

3.根据权利要求1 或2 所述的输出扭矩精确测量***，其特征是：所述的标准砝码1和所述的标准砝码2 的总重心通过的垂线与所述的标定板上的圆弧相切，所述的标准砝码1 和所述的标准砝码2 挂装的位置在所述的电动机回转轴线上且相对于所述的拉压力传感器的另一侧。