知識分享 | 力/扭矩傳感器的負載分析

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力/扭矩傳感器的負載分析

選擇合適的力/扭矩傳感器其實很簡單:你只需要知道測量什么量,大致的測量范圍是什么?

當你找到了這兩個問題的答案后,還有幾個方面需要考慮,包括:傳感器的負載限制,可允許的負荷,需要特殊考慮的方面,以及如何做出合理的評估。


技術參數表規范及其關系

當查看多分量力/扭矩傳感器技術參數表時,如HBK MCS10,您會發現有最大允許載荷、力矩或要遵守標準的詳細信息(見圖1和圖2)。數據可能因制造商或類型而異。然而,在尋找最適合的多分量傳感器時,標準始終起著決定性的作用。

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圖1 MCS10 額定載荷技術參數

仔細查看這些參數時,您會發現一些需要解釋的相關術語:
  • 額定力/額定扭矩

  • 極限載荷/極限扭矩

  • 破壞載荷/扭矩

  • 負載率總和 (LRS)

  • 在多軸載荷下滿足的標準

    1)額定量程

    2)疲勞強度

        - 在脈動負載下

        - 在交變負載下

  • 靜態載荷

理解各個術語之間如何關聯的最好的方法是考慮哪些負載可以發生,以及如何對它們進行分類。在應用中,除此處所示的機械載荷外,還應考慮其他載荷,例如由溫度或其他環境影響而產生的載荷。然而,在大多數情況下,這是沒有必要的,或者在有疑問的情況下,可以快速識別判斷。 無論我們談論的是單軸還是多軸、靜態還是動態、脈動還是交變負載,都應該采用一些測試標準來確保傳感器的安全運行。
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圖2 MCS10極限載荷參數


單軸&多軸負載

單軸載荷是指傳感器在坐標系的一個方向承受載荷。 如果增加了其它方向的載荷,無論是力還是力矩,這都被稱為多軸載荷。 最多可同時發生六個載荷: 三個力Fx、Fy、Fz和三個力矩Mx、My、Mz。

通常,外部施加的載荷會對傳感器的測量體產生機械應力。在多軸載荷的情況下,需要將它們組合起來,以便將它們與試驗標準進行比較。這里,這是通過計算負載率總和(LRS)來實現的:
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該公式包括所有現有荷載、最大允許載荷和四個修正系數。這些也可以在MCS10數據表中找到(見圖2)。


靜態與動態、脈動與交變負載

靜態負載意味著傳感器承受的負載不會隨時間變化,也就是說,它是恒定的。 另一方面,動態載荷意味著載荷隨時間而變化,也就是說,它不是恒定的。 在許多應用中,靜載荷涉及施加和移除載荷的過程。 在達到靜載荷之前,載荷會動態增加,當載荷被移除時,載荷會再次動態減少。 通常,這些應用程序可以被認為是純靜態的,如有疑問的話,也可以將負載的施加和移除視為單獨的動態負載情況。

動態載荷可進一步分為脈動載荷和交變載荷。這里的決定性因素是,在脈動負載下,負載方向不會發生逆轉。這意味著,施加在傳感器上的壓向力或拉力,或是某個方向上的扭力,只有有時更強,有時較弱。另一方面,交變加載意味著拉力和壓力或順時針和逆時針扭矩交替變化。荷載的符號反轉也說明了這一點。
圖4顯示了這三種情況下施加荷載隨時間變化的示例。交變負載的測試標準是最嚴格的,因為它們對傳感器施加了更大的負載。
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圖4 靜態、脈動和交變負載


額定量程,極限負載,破壞負載

區分這三個參數并不特別困難, 然而必須確保傳感器的安全使用。 在額定量程內,傳感器的技術指標都在保證范圍內。 對于超過額定量程且范圍達到極限負載的負載,無法再保證其滿足技術規格。 但是,此范圍內的負載仍然是允許的,如果不經常發生,則不會損壞傳感器。 當進一步將載荷增加到極限載荷和斷裂載荷之間時,測量體變形會達到永久損壞的程度,傳感器無法再用于進一步測量。 超過破壞載荷極限的載荷將導致傳感器斷裂。 需要注意的是,這些荷載范圍僅適用于單軸和靜荷載情況。
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圖5 靜態負載量程


特殊方面和可能的遺漏

個可能微不足道但偶爾被忽略的方面是,傳感器必須承受所有六個方向的負載,即使它們未被測量。 例如,如果使用三維力傳感器(Fx、Fy、Fz),其也必須要能夠承受同時產生的力矩,即使它們未被測量。 這些力矩包括直接作用的扭矩,以及施力點到坐標原點杠桿產生的力矩, 后者導致了另一個特殊性: 對于MCS10,坐標原點的位置位于測量體的中心。 如果力Fx1 直接施加在測量物體表面,則會產生杠桿臂 lh (傳感器高度的一半)和力矩My。 例如,如果力被加載到距離傳感器更遠的位置,則桿臂為 lh + l 上力 Fx2 將會產生更大的力矩My。 因此,應始終盡可能靠近傳感器施加力,如果操縱桿較長,則應仔細觀察。
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圖6 力導入點和產生的力矩


實際應用

了解完不同類型的載荷、極限和標準后,下面就是如何估計應用中傳感器的載荷的問題。 以下過程已被證明是可行的:

選擇額定量程
在大多數情況下,如果測量的方向是已知的,最大量程即為負載絕對值。

確定發生的所有荷載
每個載荷方向的最大載荷可從應用中出現的最大載荷以及幾何布置(扭矩=力x桿臂)中得出。需要注意的是這些不僅作為一個絕對值,還包括符號。這項任務通常很耗時,尤其是對于復雜的設置和相互作用的力。然而,它是可靠評估的基礎,因此是必要的。 除最大荷載外,其他荷載也可能相關。 尤其是當涉及不同類型的負載時。 例如,如果最大負載為靜態負載,但較小的負載為交變和動態負載,則必須對這兩種情況進行調查分析。

荷載工況的定義
通常,并非所有荷載都同時發生。可能存在兩個力和一個力矩的常規情況,以及使用不同力開始和停止加載的狀況。為了能夠單獨考慮這些情況,將它們細分為獨立的負載情況并單獨研究每個負載是有意義的。建議為此創建表格。

考慮每個荷載工況
本頁上的交互式指南有助于找到正確的極限值或正確的標準,以便在此步驟中檢查各個荷載工況。對于不同的荷載情況,需要將實際荷載與極限值進行比較并進行評估,或者將該情況下計算的LRS與相應的標準進行比較并進行評估。為了避免每次手動計算LRS,可以 下載 Microsoft? Excel? 模板。這使您能夠自動執行此步驟。

全面評估
完成上述步驟后,您將獲得一個表格,理想情況下,該表格僅包含各個荷載工況的正向結果。在這個表格中,不僅要注意OK(正常)或not OK(不正常),還要注意確切的結果。這樣就很容易看出是否選擇了不正確量程的傳感器,或者所有結果是否一致。


結論

選擇和評估多分量傳感器并非易事。如果你遵循這個循序漸進的過程,準備一個流程圖,這個問題可以很容易地處理,得到一個可靠的結果。



官網:

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