应变式扭矩传感器的设计研究.pdf

第10期
机械设计与制造
2011年10月
Machinery Design Manufacture
13
文章编号:1001-3997(201110-0013-03
应变式扭矩传感器的设计研究“
般宝麟于影龙泽明郭士清
(佳木斯大学机械工程学院,佳木斯154007)
Study on design principle of strain torque sensor
YIN Bao-lin, YU Ying, LONG Ze-ming, GUO Shi-qing
Department of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)
摘要】扭矩传感器应用广泛,对其研究十分必要。针对典型弹性元件理论分析的基础上,提出了子
5种应变式扭矩传感器的实现形式,并对其应变、变形及扭振固有频率进行了理论研究,分别建立了对
应的力学模型。依据所建立的力学模型,以扭转変形最小为目标函数,进行了弹性元件几何尺す的优必」
设计,并分析了不同形式的扭矩传感器性能差异。最后,设计了一种应变式扭矩传感器,并对其进行了
有限元仿真,仿真结果很好地验证了所建立的力学模型。故所建立的力学模型可以较好地解决应变式
扭矩传感器的设计计算问题。
关键词:扭矩传感器;弹性元件;力学模型;优化设计;有限元
Abstract) Since the torque sensor is applied widely, it is necessary to study it A fier analyzing the
E theory oftypical elastic elements, the enforcing method or 5 forms of strain torgue sensor are presented, in
which strain os nad deformation and natual frequency f torsional vibration is analyzed in theory and i
f relative mechanical models are established respectively Taking the minimum volume of torsion deformation
i as the goal function, the optimal design for the geometric dimension of the elastic element is conducted as
t well as the performance diference among different forms of toq ue sensors. Finally, a strain torque sensor is
i designed, and the FE A simulation of the sensor is completed, which result rectifies the mechanical model of
t torque sensor. Thus the computation problems in designing strain torque sensor are solved
Key words: Torque sensor; Force sensing elements; Mechanical model; Optimal design: Finite ele- 2
ment
中图分类号:TH12,TP212文献标识码:A
传感器的发展趋势之一就是由现有成熟的低维力传感器组合而
随着科学技术的发展,尤其是在机器人、汽车工业、机械加成。另一方面,很多实际应用,例如关节型机器人的关节扭矩测
工等领域,越来越多地要求测量动态非电量或在运动过程中测量量、攻丝过程中切削招矩的检测等,常常只需要测量扭矩,故研制
非电量,而传感器处于被测对象与测试系统的接口位置,放对其出灵敏度高、刚度大以及动特性好的扭矩传感器十分必要。在针
性能的要求越来越高,应变式传感器由在弹性元件上粘贴电对应变式扭矩传感器给出5种弹性元件的实现形式,在力学分析
应变敏感元件构成,广泛应用于力、力矩、压力及加速度等参数測的基础上,设计计算这5种扭矩传感器弹性元件的几何尺寸,并
量。传感器的基本要求主要包括:
比较不同实现形式的优劣。
(1)具有足够的灵敏度:(2)具有足够的度:(3)动特性要2基本弹性元件的工作原理
好,即具有较高的自振频率;(4)结构简单,加工容易,维护简便。2.1基本弹性元件的应变与变形
而弹性元件的结构形式决定了传感器的性能优劣,同时也影响传
应变式传感器中,3种基本弹性元件形式,如图1所示。如图
感器的加工工艺性以及贴片的难易程度,是设计传感器的关鍵核1(c)所示,剪切梁式可看作是由悬懵梁式或双固定端梁式的不同
心问题。文献堤出了一种Mlts立体结构的力传感器,具有干贴片位置转化而来的。
扰小、刚度高的优点,但结构较为复杂,加工不便。文献明中在力
悬臂梁式弹性元件在力F作用下产生的应变。与变形y可
学分析的基础上,对弹性元件的几何尺寸及贴片位置进行了优化由式(1)、式(2)给出:
研究。
8=6F(L-A)/(Ebh
多维力传感器的结构较复杂,且各输出通道之间存相互耦
=AFL /(Ebh
(2
合,严重制约其测量精度的提高和综合性能的改善。而单维式中:E一材料的弹性模量;x一应变考察点,由加工工艺及应变片
力或低维力传感器的结构简单,测量精度可达0.01%。故多维力
的尺寸决定。
大来稿日期:20012-14基金项目:黑龙江省自然基金项目(E200佳木斯大学科学技术研究重点项日(1200019