Detectarea cuplului și a forței este utilă în multe aplicații, inclusiv următoarele:

1. În aplicații tactile și de fabricație robotizate - cum ar fi prinderea, măsurarea suprafeței și formarea materialului - unde exercitarea unei sarcini adecvate asupra unui obiect este scopul principal al sarcinii

2. În controlul mișcărilor fine (de exemplu, manipulare fină și micromanipulare) și în sarcini de asamblare, unde o eroare mică de mișcare poate provoca forțe mari de deteriorare sau degradare a performanței

3. În sistemele de control care nu sunt suficient de rapide atunci când este folosit doar feedback de mișcare, unde feedback-ul forței și controlul de forță feedforward pot fi utilizate pentru a îmbunătăți acuratețea și lățimea de bandă

4. În cadrul aplicațiilor de testare, monitorizare și diagnostic, unde detectarea cuplului poate detecta, prezice și identifica operarea anormală, proasta funcționare, defectarea componentelor sau uzura excesivă (de exemplu, în monitorizarea mașinilor-unelte, cum ar fi mașinile de frezat și găurire)

5. În măsurarea puterii transmise printr-un dispozitiv rotativ, unde puterea este dată de produsul cuplu-viteză unghiulară în aceeași direcție

6. În controlul sistemelor mecanice complexe neliniare, unde măsurarea forței și accelerației pot fi utilizate pentru a estima termeni neliniari, necunoscuți, iar un feedback neliniar adecvat poate liniariza sau simplifica sistemul (control cu feedback neliniar)

În majoritatea aplicațiilor, detectarea se face detectând un efect al cuplului sau cauza cuplului. De asemenea, există metode pentru măsurarea directă a cuplului. Metodele comune de detectare a cuplului includ următoarele:

1. Măsurarea deformației într-un element detector între elementul de antrenare și sarcina acționată, folosind o punte de mărci tensometrice

2. Măsurarea deplasării într-un element detector (ca în prima metodă) - fie direct, folosind un senzor de deplasare, fie indirect, prin măsurarea unei variabile, cum ar fi inductanța magnetică sau capacitatea, care variază cu deplasarea

3. Măsurarea reacției în structura sau carcasa de sprijin (prin măsurarea unei forțe) și a lungimii brațului de pârghie asociat

4. În motoarele electrice, măsurarea câmpului sau curentului de armătură care produce cuplul motorului; în actuatoare hidraulice sau pneumatice, măsurând presiunea actuatorului

5. Măsurarea cuplului direct, folosind senzori piezoelectrici, de exemplu

6. Utilizarea unei metode-echilibrare servo a momentului necunoscut cu un cuplu de feedback generat de un dispozitiv activ (să zicem un servomotor) ale cărui caracteristici de cuplu sunt cunoscute cu exactitate

7. Măsurarea accelerației unghiulare cauzată de cuplul necunoscut într-un element de inerție cunoscut

Rețineți că detectarea forței poate fi realizată prin esența acelorași tehnici.

6.7.1 Senzori de cuplu cu mărci tensometrice

Cea mai simplă metodă de detectare a cuplului este de a conecta un element de torsiune între unitatea de antrenare și sarcina în serie și de a măsura cuplul în elementul de torsiune. Dacă un arbore circular (solid sau gol) este utilizat ca element de torsiune, relația cuplu-deformație devine relativ simplă (vezi anexa A) și este dată de

T este cuplul transmis prin element
ε este deformația principală (45° de axă) la raza r a elementului
J este momentul polar al ariei secțiunii transversale a elementului
G este modulul de forfecare al materialului

De asemenea, solicitarea de forfecare τ la raza r a arborelui este dată de

Din Ecuația 6.35 rezultă că cuplul T poate fi determinat prin măsurarea deformației directe ε pe suprafața arborelui de-a lungul unei direcții principale de solicitare (de exemplu, la 45° față de axa arborelui).

Aceasta este baza detectării de cuplu folosind măsurători de deformații. Folosind ecuația generală a punții (6.30) împreună cu (6.31) din Ecuația 6.35, putem obține cuplul T de la ieșirea punții δvo:

unde Ss este factorul de marcă (sau sensibilitatea) mărcilor tensometrice. Constanta punții k depinde de numărul utilizat de mărci tensometrice active. Mărcile tensometrice sunt presupuse a fi montate pe o direcție principală. În figura 6.27 sunt prezentate trei configurații posibile. În configurațiile (a) și (b), se folosesc doar două mărci tensometrice și constanta punții k = 2. Rețineți că atât sarcinile axiale, cât și cele de încovoiere sunt compensate cu configurațiile date, deoarece rezistența din ambele mărci va fi variată cu aceeași cantitate (același semn și aceeași mărime), care se anulează până la primul ordin pentru conexiunea circuitului în punte arătat în figura 6.27. Configurația (c) are două perechi de mărci montate pe cele două suprafețe opuse ale arborelui. Constanta punții este dublată în această configurație, iar aici, din nou, senzorul se auto-compensează pentru sarcini axiale și de încovoiere până la primul ordin [O(δR)].

Modelul unui element de torsiune pentru detectarea cuplului poate fi privit ca o selecție a momentului polar al ariei J al elementului pentru a îndeplini următoarele patru cerințe:

1. Nu se depășește limita capacității de deformare specificată de producătorul mărcii tensometrice.

2. Pentru o funcționare liniară nu se depășește o limită superioară specificată a neliniarității pentru marca tensometrică.

3. Sensibilitatea senzorului este acceptabilă față de nivelul semnalului de ieșire al amplificatorului diferențial (vezi Capitolul 4) din circuitul punte.

4. Soliditatea generală (lățimea de bandă, eroare de stare constantă, etc.) a sistemului este acceptabilă.

FIGURA 6.27 Configurații de mărci tensometrice
pentru senzorul de cuplu al arborelui circular

Formulele de guvernare pentru momentul polar al ariei J al senzorului de cuplu, pe baza celor patru criterii discutate anterior, sunt rezumate în tabelul 6.4.

TABEL 6.4 Criterii de proiectare pentru un element de detectare a cuplului cu mărci tensometrice

Exemplul 6.4

În figura 6.28 este schițată o articulație a unui braț robotic cu acționare-directă. Rețineți că rotorul motorului de antrenare este o parte integrantă a legăturii acționate, fără utilizarea angrenajelor sau a altor reductoare de viteză. De asemenea, statorul motorului este o parte integrantă a legăturii de acționare. Un tahometru măsoară viteza articulației (relativă) și un resolver măsoară rotirea articulației (relativă). Angrenajul este folosit pentru a îmbunătăți performanța resolver-ului. Neglijând încărcarea mecanică de la senzori și angrenare, dar incluzând frecarea rulmentului, schițați distribuția cuplului de-a lungul axei articulației. Sugerați o locație (sau locații) pentru măsurarea cuplului net transmis la legătura acționată folosind un senzor de cuplu cu mărci tensometrice.

FIGURA 6.28 O articulație a unui braț robotic cu acțiune directă

Soluţie

Pentru simplitate, să presupunem cupluri punctuale. Prin notarea cuplului motor cu Tm, cuplul total de inerție al rotorului și cuplul de frecare în motor prin TI și cuplurile de frecare la cei două rulmenți cu Tf1 și Tf2, distribuția cuplului poate fi schițată așa cum se arată în figura 6.29. Cuplul net transmis către legătura acționată este TL. Locațiile disponibile pentru instalarea mărcilor tensometrice includ A, B, C și D. Rețineți că TL este dat de diferența dintre cuplurile de la B și C. Deci, senzorii de cuplu cu mărci tensometrice trebuie montați la B și C și diferența citirilor trebuie luate pentru măsurarea exactă a TL. Deoarece frecarea rulmentului este mică în cele mai multe scopuri practice, un singur senzor de cuplu situat la B va oferi rezultate rezonabil de exacte. Cuplul motor Tm este, de asemenea, aproximativ egal cu cuplul transmis atunci când frecarea rulmentului și efectele de încărcare a motorului (inerție și frecare) sunt neglijabile. Acesta este motivul pentru care se utilizează curentul motorului (câmp sau armătură) pentru a măsura cuplul de articulație în unele aplicații robotizate.

FIGURA 6.29 Distribuția cuplului de-a lungul axei
unei articulații de manipulator cu acțiune directă

Deși modul în care sunt configurate mărcile tensometrice pe un senzor de cuplu poate fi exploatat pentru a compensa efectele de sensibilitate încrucișată care rezultă din factori precum sarcinile de tracțiune și de încovoiere, este recomandabil să utilizați un element de detectare-cuplu care are în mod inerent o sensibilitate scăzută la acești factori, care provoacă eroare la măsurarea cuplului. Elementul tubular de torsiune discutat în această secțiune este convenabil în scopuri analitice, datorită simplității expresiilor asociate pentru parametrii de proiectare. Modelul său mecanic și integrarea sa într-un sistem practic sunt convenabile. Din păcate, acest element nu este optim în ceea ce privește rigiditatea atât pentru sarcini de tracțiune cât și de încovoiere. Formele alternative și aranjamentele structurale trebuie luate în considerare atunci când este necesară rigiditatea (insensibilitatea) inerentă sarcinilor transversale. Mai mult, un element tubular are aceeași deformație principală în toate locațiile de pe suprafața elementului. Acest lucru nu ne oferă o alegere în ceea ce privește locațiile de montaj ale mărcilor tensometrice pentru a maximiza sensibilitatea senzorului de cuplu. Un alt dezavantaj al elementului de torsiune tubulară de bază este faptul că, datorită suprafeței curbate, este nevoie de multă grijă în montarea mărcilor semiconductoare fragile, care ar putea fi deteriorate cu ușurință chiar și cu o ușoară îndoire. Prin urmare, ar fi de dorit un element senzor care să aibă suprafețe plate pentru a monta mărcile tensometrice.

FIGURA 6.30 Un element de îndoire pentru detectarea cuplului:
(a) Forma elementului senzor; (b) locația elementului

Un element de detectare-cuplu care are caracteristicile dezirabile menționate mai sus (adică, insensibilitate inerentă la încărcarea încrucișată, distribuția neuniformă a deformației pe suprafață și disponibilitatea suprafețelor plate pentru montarea mărcilor tensometrice) este prezentată în figura 6.30. Observați că două elemente de detectare sunt conectate radial între unitatea de antrenare și elementul antrenat. Elementele de detectare sunt supuse încovoierii pentru a transmite un cuplu între acționare și elementul acționat. Deformațiile de încovoiere sunt măsurate în locuri cu sensibilitate ridicată și sunt considerate proporționale cu cuplul transmis. O determinare analitică a constantei de calibrare nu este ușoară pentru astfel de elemente de detectare complexe, dar determinarea experimentală este simplă. În acest scop poate fi utilizată și o analiză cu elemente finite. Rețineți că senzorii de cuplu cu mărci tensometrice măsoară direcția ca și magnitudinea cuplului transmis prin ei.

6.7.2 Senzori de forță

Senzorii de forță sunt utili în numeroase aplicații. De exemplu, forțele de tăiere generate de o mașină-unealtă pot fi monitorizate pentru a detecta uzura sculelor și o defecțiune iminentă; diagnosticarea cauzelor eșecului; pentru a controla mașini-unelte, cu feedback; și pentru a evalua calitatea produsului. În testarea vehiculului, senzorii de forță sunt folosiți pentru a monitoriza forțele de impact asupra vehiculelor și manechinele de testare a accidentelor. Sarcinile de manipulare și asamblare robotizate sunt controlate prin măsurarea forțelor generate la efectorul final. Măsurarea forțelor de excitație și răspunsurile corespunzătoare sunt utilizate în modelarea experimentală (identificarea modelului) a sistemelor mecanice. Măsurarea directă a forțelor este utilă în controlul cu feedback neliniar al sistemelor mecanice.

Senzorii de forță care folosesc ca elemente mărci tensometrice sau cristale piezoelectrice (cuarț) cu microelectronică încorporată sunt comuni. De exemplu, senzorii cu peliculă subțire și folie care utilizează principiul mărcii tensometrice pentru măsurarea forțelor și presiunilor sunt disponibile comercial. În figura 6.31 este prezentată o schiță a unei celule industriale de sarcină, care folosește metoda mărcii tensometrice. Atât forțele impulsive, cât și forțele care variază lent pot fi monitorizate cu ajutorul acestui senzor. Unele tipuri de senzori de forță se bazează pe măsurarea unei deflecții cauzate de forță. Deflecțiile relativ mari (fracție de mm) ar fi necesare pentru ca această tehnică să fie posibilă. Senzorii disponibili în comerț variază de la dispozitivele sensibile, care pot detecta forțe de ordinul unei miimi de newton (1 N) până la celule de sarcină care pot suporta forțe foarte mari (de exemplu, 10.000 N). Întrucât tehnicile de detectare a cuplului pot fi extinse într-o manieră simplă pentru a detecta forțe, aici nu se întreprinde o discuție suplimentară a subiectului. Parametrii de evaluare tipici pentru câteva tipuri de senzori sunt prezentați în tabelul 6.5.

FIGURA 6.31 Un senzor de forță industrial (celulă de sarcină)

6.8 Detectarea tactilă