应变式扭矩传感器的设计研究.pdf

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1、第1O期机械设计与制造2011年10月MachineryDesign&Manufacture13文章编号：1001—3997(2O11)10—0013-03应变式扭矩传感器的设计研究术殷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)StudyondesignprincipleofstraintorquesensorYINBao—lin，YUYing，LONGZe—ruing，GUOShi—qing(DepartmentofMechanicalEngineering，JiamusiUniversity，Jiamusi154007，China

2、)【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，以扭转变形最小为目标函数，进行了弹性元件几何尺寸的优化设计，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】Sincethe

3、torquesensorisappliedwideitisnecessarytostudyit．Afteranalyzingthetheoryoftypicalelasticelements，theenforcingmethodfor5r榭ofstraintorquesensorarepresented，inwhichstrain，torsionaldeformationandnaturalfrequencyoftorsionalvibrationisanalyzedintheoryandrelativemechanicalmodelsareestablis

4、hedrespectively．Takingtheminimumvolumeoftorsiondeformationasthegoalfunction，theoptimaldesignforthegeometricdimensionoftheelasticelementisconductedaswellastheperformancedifferenceamongdifferentforD'Kgoftoquesenso~．Finally，astraintorquesensorisdesigned，andtheFEAsimulationofthesensori

5、scompleted，whichresultrectifiesthemechanicalmodeloftorquesensor．Thusthecomputationproblemsindesigningstraintorquesensoraresolved．Keyworas：Torquesensor；Forcesensingelements；Mechanicalmodel；Optimaldesign；Finiteele-ment中图分类号：TH12，TP212文献标识码：A1引言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成。另一方面，很多实际应用

6、，例如关节型机器人的关节扭矩测随着科学技术的发展，尤其是在机器人、汽车工业、机械加量、攻丝过程中切削扭矩的检测等，常常只需要测量扭矩，故研制工等领域，越来越多地要求测量动态非电量或在运动过程中测量出灵敏度高、刚度大以及动特陛好的扭矩传感器十分必要。在针非电量，而传感器处于被测对象与测试系统的接口位置，故对其对应变式扭矩传感器给出5种弹性元件的实现形式，在力学分析性能的要求越来越高_l-2]。应变式传感器由在弹性元件上粘贴电阻的基础上，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测比较不同实现形式的优劣

7、。量。传感器的基本要求主要包括：(1)具有足够的灵敏度；(2)具有足够的刚度；(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，是设计传感器的关键核1(c)所示，剪切梁式可看作是由悬臂梁式或双固定端梁式的不同心问题。文献提出了一种Mahess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

8、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