SU1016713A1 - Six-coordinate load pickup - Google Patents

Abstract

ШЕСТИКООРДИНАТНЫЙ ДАТЧИи НАГРУЗКИ содержащий наружное и внутреннее силовые звень , упругую систему в виде крестЬвины, стержни котсь рой жестко закреплены одним концом на внутреннем силовом эвене, а другим в упругой направл ющей, 5становленной на наружном силовом звене, и измерители перемещений внутреннего силового звена относительно наружного, о т л и чающийс  тем, что, с целью по- вышени  надежности работы датчика путем исключени  мехащческих контактов, каждый измеритель перемещени  выполнен в виде втулки из магнитом гкого ма териала, жестко св занной с внутренним силовым звеном и коаксиально охватывающей стержень упругой системы, и статора закрепленного I на наружном силовом звене и имекшего две взаимно- перпендикул рные пары диаметрально расположенных катушек индуктивности, симметричных относительно втулки, причем магнитопрово ды катущек индуктивности офащены своим зазором в сторону втулки. СО Six axis Dutch LOADS comprising external and internal power units, an elastic system in the form krestviny, rods kots swarm rigidly secured at one end to the inner force Evens and the other in the elastic guide, 5stanovlennoy on the outer power member, and meters displacement inner power member relative to the outer, This is due to the fact that, in order to increase the reliability of the sensor operation by eliminating mechanical contacts, each displacement meter is made in the form of a sleeve made of magnetically soft A rigidly connected with the internal power link and coaxially covering the rod of the elastic system, and a stator fixed I on the external power link and having two mutually perpendicular pairs of diametrically inductors coil symmetrical with respect to the sleeve, and the magnetic conductors of the inductors of the inductance are separated by their gap in side of the sleeve. WITH

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  измерени  сил и крут щих моментов, в частности дл  измерени  составл ю- . щих вектора силы и крут щего момента в системе координат шестикоординатного датчика нагрузки, и может быть исполйзовано при создании систем управлени  очувствленных дистанционных манипул торов , адаптивных промышленных роботов и т.д. .The invention relates to devices for measuring forces and torques, in particular for measuring components. force and torque vectors in the coordinate system of the six-coordinate load cell, and can be used to create control systems for sensible distance manipulators, adaptive industrial robots, etc. .

Известен шестикоординатный датчик нагрузки, содержащий нар, жное и внутреннее силовые звень , упругую систему в виде крестовины, стержни которой жестко закреплены одним концом во внутреннем силовом звене, и измерители перемещений внутреннего силового звена .относительно наруж-ного LlJ .A six-axis load sensor is known, which contains a load, inner and inner power link, an elastic system in the form of a cross, the rods of which are rigidly fixed at one end in the inner power link, and displacement meters of the inner power link with respect to the outer LlJ.

Недостатками такого датчика  вл ютс сложность конструтщии, больша  зона гистерезиса выходной статическЪй характеристики и низка  надежность.The disadvantages of such a sensor are the complexity of the design, the large hysteresis zone of the output static characteristic and low reliability.

Наиболее близок предлагаемому по технической сущности шестикоординатный датчик нагрузки, содержащий наружное и внутреннее силовые звань , упругую систему в виде крестовины, стержни которой жестко закреплены одним концом во внутреннем силовом звене, а другим - в упругой направл ющей на наружном силовом звене, и измерители перемещений внутреннего силового звена относительно наружного. Упруга  система этого датчика нагрузки имеет три упругих стержн , расположенные в плоскости в виде крестовины под углом 120 друг к другу и2 Closest to the proposed technical object is a six-coordinate load sensor containing external and internal power link, an elastic system in the form of a cross, the rods of which are rigidly fixed at one end in the internal power link, and the other in an elastic guide on the external power link, and displacement meters of the internal power link relative to the outer. The elastic system of this load sensor has three elastic rods located in the plane in the form of a cross with an angle of 120 to each other and 2

Наличие упругой направл ющей в известном датчике нагрузки в виде листовой пр моугольной пружины снижает зону гистерезиса выходной статической характеристики датчика нагрузки за счет устранени  трени  скольжени  в подвижном соединении. Дл  обеспечени  необ- ходимой величины перемещени  при заданной , нагрузке требуютс  большие габариты упругой направл ющей, что усложн ет конструкцию датчика нагрузки. Перемещени  внутреннего силового звена относительно наружного измер ютс  шестью линей1-1ьшш дифференциальными измерител ми перемещений, каждьтй из которых имеет подпр жиненный измерительный штырь, который посто ннонаходитс  в мханическом контакте с измерительной поверхностью внутреннего силового звена. Наличие механического контакта измерительного штыр  измерител  перемешени  снижает надежность датчика нагрузки, особенно при работе его в среде гидравлической жидкости. Измерение шести координат , характеризуюших относительное линейное перемещение и угловой поворот внутреннего силового звена, с помощью шести отдельньи измерителей перемешени усложн ет конструкцию внутреннего и наружного силовых звеньев.The presence of an elastic guide in a known load sensor in the form of a sheet square spring reduces the hysteresis zone of the output static characteristic of the load sensor by eliminating sliding friction in the movable joint. In order to provide the necessary amount of movement at a given load, the large dimensions of the elastic guide are required, which complicates the design of the load sensor. The displacements of the inner power link with respect to the outer one are measured by six linear displacement meters, each measuring one, each of which has a sprung measuring pin, which is constantly in mechanical contact with the measuring surface of the internal power link. The presence of a mechanical contact measuring pin mixing meter reduces the reliability of the load sensor, especially when working in the environment of hydraulic fluid. Measuring the six coordinates, which characterize the relative linear displacement and the angular rotation of the inner power link, with the help of six separate mixing gauges, complicates the design of the inner and outer power links.

Цель изобретени  - повышение надежности шестикоординатного датчика нагрузки путем исключени  механических контактов .The purpose of the invention is to increase the reliability of a six-axis load cell by eliminating mechanical contacts.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в щертикоординатном датчике нагрузки , содержащем наружное и внутренее силовые звень , упругую систему в виде крестов1 ны,-стержни которой жестко закреплены одним концом на внутреннем силовом звене, а другим - в упругой направл ющей, установленной на наружном силовом звене, и измерители перемещений внутреннего силового звена огнрсительно наружного, каждый измеритель перемещени  вьшолнен в виде втуптки из магнитом гкого материала, жестко св занной с внутренним силовым звеном и коаксиально охватыв.аюшей стержень упругой системы, и статора, закрепленного на наружном силовом звене и имеющего две взаимно перпендикул рные пары диаметрально расположенных катушек индуктивности , симметричных относительно втулки, причем магнитоприводы катушек индуктивности обращены своим зазором в сторону втулки.The goal is achieved by the fact that in a coordinate coordinate load cell containing an external and internal power link, an elastic system in the form of crosses, the rods of which are rigidly fixed at one end on the internal power link, and the other in an elastic link installed on the external force link , and the displacement meters of the internal power link are fire externally, each displacement gauge is made in the form of a pair of magnetically soft material rigidly connected to the inner strength link and coaxially covered yv.ayushey rod elastic system, and the stator mounted on the outer power member and having two mutually perpendicular pairs of diametrically opposite coils which are symmetrical relative to the sleeve, wherein magnitoprivody inductors facing its clearance in the direction of the sleeve.

На фиг. 1 показан шестикоординатный датчикнагрузки,общий вид; нафиг.2 - сечение А-Анафиг. 1; на фиг. 3 - принципиальна  схема двухкоординатного измерител  перемещений.FIG. 1 shows a six-axis load sensor, general view; nafig.2 - section A-Anafig. one; in fig. 3 is a schematic diagram of a two-coordinate displacement meter.

Шестикоординатный датчик нагрузки состоит из наружного силового звена 1,  вл ющегос  корпусом датчика., внутреннего силового звена 2, упругой силовой системы в виде крестовины, стержни 3 которой жестко закреплены одним концом во внутреннем силовом звене 2, а другим - в упругих направл ющих 4, и трех двухкоординатных индуктивных дифференциальных измерителей перемеще ни , каждый из которых содержит жестко св занную с внутренним- силовым 2 втулку 5 из магнитом гкого материала , внутри которой коаксиально установлен стержень 3 упругой системы, и статор 6, имеющий две взаимно перпендикул рные пары диаметрально расположенных катушек 7, 8 и 9, 10 индуктивности на магнитопроводах 11, 12 и 13, 14 обращенных своим зазором 15 Б сторону втулки 5. Магнигопроводы 11-14 выполнены в виде П- или Ог образного тсердечника с зазором. Лини  зазора может быть как параллельной центральной оси статора, так и под углом к ней. Кольцевые выступы 16 в наружном силовом звене 1 служат упорами-ограничител ми , которые при перегрузках датчика ограничивают упругие перемещени  стерэкней 3 прт срп|эикосноваши со втулками 5. Зазор между втулками 5 и кольцевыми выступами 16 выбираетс  в пред лах упругих деформаций стержней 3. Каждый из трех двухкоординатных диф . ференциальньк индуктивных измерителей перемещени  измер ет вектор перемещени , пропорциональный упругой деформации стержней 3 в плоскости измерени , пропорционально приложенной нагрузке в этой же плоскости. Плоскость измерени  соответствует плоскости расположени  двух пар катушек 7,8 и 9,1О индуктивности . Упругие направл ющие 4 выполнены в форме круглой плоской пружины с прорез ми в виде дуг 17, расход щихс  от центра спирали. Така  форма упругой ааправл юшей 4 обеспечивает большой ход стержн  в направлении, перпендикул рном ее плоскости (малую жесткость), и отсут ствие перемещений в плоскости упругой направл к пей (большую жесткость). Благ дар  этому свойству использованной упругой направл ющей стержни 3 упругой системы разгружены от продольных нагрузок и работают только на изгиб, обеспечива  .необходимое перемещение внутреннего сииово о звена 2 относительно наружного силового звена 1, что позвол ет получить , высокий уровень выходных сигналов двухкоординатных деференциальных индук|тивных измерителей перемещени . Предлагаемый датчик работает следую щим образом. В исходном состо нии, когда нагрузка не приложена ко внутреннему силовому звену 2 относительно наружного 1, стерж ни 3 упругой системы наход тс  в свобод ном состо нии. Расположение втулок 5 от носительно статоров 6 коаксиальное, поэтому сопротивление магнитной цепи и, соответственно, индуктивность каждой из четырех катушек 7-10 одинаковы. Магнитна  цепь каждой катушки замыкаетс  через зазоро15 в магнитолроводе и через зазоры, образованные магнитопроводом со втулкой. При прилЪжении нагрузки к внутрен|нему силовому звену 2 происходит yripyа  деформаци  стержней, поэтому cooiv етствукшие втулки 5 перемешаютс  относительно соответствующих статоров , при этом измен етс  длина зазора агнитопровод-втулка, что приводит к дифференциальному изменению индуктивности диаметрально расположенных катушек . Ос ми чувствительности каждого двухкоординатного измерител  п емеще«  вл ютс  направлени , совпадакщие с ос ми диаметрально расположенных кат5шек 7 - Ю. К перемещени м втулки 5 вдоль и вокруг своей оси двухкоординатный измеритель перемещений нечувствителен ввиду симметрии втулки 5. При смещении втулки 5 в любом направлении в плоскости, проход щей через оси чувствительности , выходные сигналы измерител  перемеще шй пропорциональны составл ющим вектора перемещени  по ос м чувс твительности. Формирование сигналов, пропорштональных пepeмeщeшl м производитс  известными способами с помощью мостовых схем. Диаметрально расположенные кагушки 7-10 образуют , два полумоста, которые включе11ы в мостовые схемы с источником питани  переменного тока. Формирование составл кштих вектора усили  н крут щего момента из сигналов, пропорциональных перемешени м внутреннего силового звена 2 относительно наружного и измеренных измерител ми перемещений, вьшолн етс  известным способом. образом, предлагаемый шестикоординатный датчик усилий обеспечивает измерение трех поступательных и трех поворотных перемещений внутреннего силового звена относительно наружного, которые соответствуют усили м и крут щим моментам, приложенным к внутреннему силовому звену. Упрощение конструкции шестикоордннатнрго датчика нагрузки обеспечено применением двухкоординатных диф(1)еренциальных измерителей перемещений предлагаемой конструкции и вьшолнением упругих направл ющих в форме круглой плоской пружины с прорез ми в виде дуг, расход щихс  от центра по спирали. Кроме того, коаксиальное располо.жение элементов упругой и измеритальной систем обеспечивает технологичность констр}1шии что упрощает изготовление и регушфовку шесуикоординатного датчика нагрузки. Повышение надежности обеспечтгваетс  применением средств изNiepemiH перемещений без механических контактов.The six-axis load cell consists of an external power link 1, which is the sensor body, an internal power link 2, an elastic power system in the form of a cross, the rods 3 of which are rigidly fixed at one end in the internal power link 2, and the other in elastic guides 4, and three two-coordinate inductive displacement displacement meters, each of which contains a sleeve 5 of magnetically soft material rigidly connected to the internal-force 2, inside of which a rod 3 of elastic systems is coaxially mounted , and the stator 6, having two mutually perpendicular pairs of diametrically located coils 7, 8 and 9, 10 of inductance on the magnetic cores 11, 12 and 13, 14 facing their own gap 15 B side of the sleeve 5. Magnigowires 11-14 are made in the form of П or The og-shaped tsedernichka with a gap. The gap line can be both parallel to the central axis of the stator, and at an angle to it. The annular protrusions 16 in the outer power unit 1 serve as limit stops, which, in case of sensor overloads, limit the elastic displacements of the 3-prt srcrc eicons with sleeves 5. The gap between the sleeves 5 and the annular projections 16 is selected in the elastic deformations of the rods 3. Each of three biaxial diff. Efficiently inductive displacement meters measure the displacement vector, which is proportional to the elastic deformation of the rods 3 in the measurement plane, and is proportional to the applied load in the same plane. The measurement plane corresponds to the location of two pairs of 7.8 and 9.1 O coils. The elastic guides 4 are made in the form of a round flat spring with slots in the form of arcs 17, diverging from the center of the helix. Such a form of elastic aravravl 4 provides a large rod stroke in the direction perpendicular to its plane (low rigidity), and the absence of displacements in the plane of the elastic direction to the tube (greater rigidity). Thanks to this property of the used elastic guide rods 3, the elastic system is unloaded from longitudinal loads and only bends to provide the necessary movement of the internal siovoo link 2 relative to the external power level 1, which allows to obtain a high level of output signals of two-axis differential inductive | tive displacement meters. The proposed sensor works as follows. In the initial state, when the load is not applied to the inner force link 2 relative to the outer 1, the rod 3 of the elastic system is in a free state. The arrangement of the sleeves 5 relative to the stators 6 is coaxial, therefore the resistance of the magnetic circuit and, accordingly, the inductance of each of the four coils 7-10 are the same. The magnetic circuit of each coil is closed through the gap in the magnetic circuit and through the gaps formed by the magnetic circuit with the sleeve. When a load is applied to the internal force link 2, yripy deformations of the rods occur, therefore cooiv th e sleeves 5 are mixed with respect to the corresponding stators, and the length of the gap is changed, which leads to a differential change in inductance of diametrically located coils. The axes of sensitivity of each two-coordinate gauge gauge are directions coinciding with the axes of diametrically located 7-Y wheels. By moving the sleeve 5 along and around its axis, the X-coordinate displacement gauge is insensitive due to the symmetry of the sleeve 5. When the sleeve 5 moves in any direction in the plane passing through the sensitivity axes, the output signals of the displacement meter are proportional to the components of the displacement vector on the sensitivity axes. The generation of signals that are proportional to tonal spaces is performed by known methods using bridge circuits. Diametrically located plugs 7-10 form two half bridges that are included in bridge circuits with an AC power source. The formation of the component of the force vector of torque and of the signals, proportional to the mixing of the internal power level 2 relative to the external and measured by displacement meters, is performed in a known manner. Thus, the proposed six-coordinate force sensor provides for the measurement of three translational and three rotary movements of the internal force level relative to the external force, which correspond to the forces and torsional moments applied to the internal force element. Simplification of the six-horn load sensor design is provided by using two-dimensional differential (1) displacement meters of the proposed design and the implementation of elastic guides in the form of a circular flat spring with slots in the form of arcs emanating from the center in a spiral. In addition, the coaxial location of the elements of the elastic and measuring systems ensures the manufacturability of the constructions} which facilitates the manufacture and re-cushioning of the shesico-coordinate load cell. Increased reliability is ensured by the use of tools from NiepemiH movements without mechanical contacts.

Claims (1)

. ШЕСТИКООРДИНАТНЫЙ ДАТ- . ЧИП НАГРУЗКИ, содержащий наружное и внутреннее силовые звенья, упругую . систему в виде крестовины, стержни кото' рой жестко закреплены одним конном на внутреннем силовом звене, а другим в упругой направляющей, установленной на наружном силовом звене, и измерители перемещений внутреннего силового звена относительно наружного, о т л и чающийся тем, что, с целью по- « вышения надежности работы датчика путем исключения механических контактов, ' каждый измеритель перемещения выполнен в виде втулки из магнитомягкого материала, жестко связанной с внутренним силовым звеном и коаксиально охватывающей стержень упругой системы, и статора, закрепленного ί на наружном силовом эвене и имеющего две взаимно- перпендикулярные пары диаметрально расположенных ~ катушек индуктивности, симметричных от- g носительно втулки, причем магнитопроводы катушек индуктивности обращены своим зазором в сторону втулки.. HEX DATE -. LOAD CHIP, containing external and internal power links, elastic. a system in the form of a cross, the rods of which are rigidly fixed with one horse on the internal power link, and the other in an elastic guide mounted on the external power link, and measuring instruments for the movement of the internal power link relative to the external link, such that to “improve the reliability of the sensor by eliminating mechanical contacts,” each displacement meter is made in the form of a sleeve of soft magnetic material, rigidly connected to the internal power link and coaxially covering the rod elastically system, and a stator fixed on the outer ί force Evens and having two mutually perpendicular pairs of diametrically opposite coils ~, g The relative symmetrical in relative sleeve, the magnetic circuits of inductors its gap turned towards the bushing.