一種軸向預(yù)緊力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種軸向預(yù)緊力傳感器，所述傳感器包括調(diào)整墊片2、左端蓋3、彈性敏感元件4、應(yīng)變片5、右端蓋6、推力球軸承7、軸向孔槽9、右螺釘10、引線孔11、封裝外殼12、左螺釘13。調(diào)整墊片調(diào)整傳感器在軸上的軸向位置，左、右端蓋凸臺支撐彈性敏感元件，彈性敏感元件因受軸向力而產(chǎn)生軸向應(yīng)變，通過電阻應(yīng)變效應(yīng)及測量電路可以測出軸向力的大小。傳感器右端蓋6上的軸向孔槽9與右螺釘10配合，用來防止預(yù)緊過程中彈性敏感元件產(chǎn)生周向應(yīng)變，但允許右端蓋6的軸向位移和彈性敏感元件4的軸向應(yīng)變，推力球軸承用來隔離施加預(yù)緊力時產(chǎn)生的周向扭轉(zhuǎn)力，以防止其傳遞給彈性敏感元件4。
【專利說明】一種軸向預(yù)緊力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種軸向力傳感器，該軸向力傳感器適用于測量軸向壓力或軸向預(yù)緊力，尤其適用于測量機(jī)械裝備中，對滾珠絲杠有預(yù)拉伸要求的測力場合。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明屬于軸向力測量領(lǐng)域。目前，許多高端裝備中運(yùn)動部件的驅(qū)動都采用滾珠絲杠副，滾珠絲杠的軸向剛度和受熱伸縮性對運(yùn)動部件的動態(tài)精度有著重要影響。為了提高滾珠絲杠的軸向剛度并減小熱伸長對運(yùn)動部件動態(tài)精度的影響，實(shí)踐中，滾珠絲杠多采用預(yù)拉伸安裝方式，滾珠絲杠的預(yù)拉伸力變化范圍大，從幾千牛到上萬?！，F(xiàn)有的軸向力傳感器多采用壓電式傳感器，不能測量靜態(tài)力，而其他軸向力傳感器受安裝方式的限制，難以安裝在滾珠絲杠兩端的軸承座一側(cè)，或者受測力范圍小等因素的制約，不能滿足大預(yù)緊力的測量需要，所以發(fā)明一種適應(yīng)性較強(qiáng)的軸向預(yù)緊力傳感器十分必要。
[0003]在測量軸向力的傳感器中，壓電式測力傳感器是以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測的目的。壓電式測力傳感器雖然具有頻帶寬、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，但是在滾珠絲杠的軸向預(yù)拉伸力測量中，一般需要測出靜態(tài)的軸向力，而壓電測力傳感器不能測量靜態(tài)力。電容式測力傳感器是以電容器為原理，將被測的非電量轉(zhuǎn)化成電容量的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)換與測量。雖然電容式傳感器具有非接觸測量、本身發(fā)熱影響小等優(yōu)點(diǎn)，但是在測量軸向預(yù)緊力時容易引起傳感器的非線性輸出，同時寄生電容的存在會降低轉(zhuǎn)換效率，引起測量誤差。
[0004]本發(fā)明所述的軸向力傳感器屬于金屬應(yīng)變式傳感器，是電阻應(yīng)變式傳感器的一種，具有原理清晰、適用范圍廣、使用安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種軸向預(yù)緊力傳感器，特別適用于滾珠絲杠動態(tài)特性參數(shù)測試裝置中絲杠的軸向預(yù)拉伸力的測量。
[0006]本發(fā)明軸向預(yù)緊力傳感器屬于金屬應(yīng)變式傳感器，工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，通過測量電路與傳感器配合可以測出軸向預(yù)緊力大小。實(shí)際設(shè)計(jì)中，彈性敏感元件上粘貼4個箔式應(yīng)變片，其粘貼方式是兩個沿軸向，兩個沿周向，沿周向粘貼的應(yīng)變片其溫度補(bǔ)償片的作用。
[0007]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方案為:包括調(diào)整墊片、帶有凸臺和螺紋孔的左端蓋、彈性敏感元件、應(yīng)變片、帶有凸臺和軸向孔槽的右端蓋、推力球軸承、右端蓋上的軸向孔槽、螺釘、封裝外殼上的引線孔、封裝外殼和螺釘。調(diào)整墊片可用來調(diào)整傳感器在被測軸上的軸向位置，在實(shí)際測量中，可根據(jù)情況放置若干。帶有凸臺的左、右端蓋用來支撐彈性敏感元件、承受軸向力，并與傳感器外殼一起對彈性敏感元件及電阻應(yīng)變片起密封保護(hù)作用，可以有效地阻止傳感器安裝處的潤滑劑和外界的污物、灰塵等進(jìn)入封裝的彈性敏感元件處，避免應(yīng)變片在工作過程中受到干擾而引起誤差。推力球軸承安裝在傳感器的一側(cè)，座圈與施加預(yù)緊力的螺母接觸，軸圈與右端蓋接觸，實(shí)際測量中，軸向預(yù)緊力通過推力球軸承施加到右端蓋上，推力球軸承有效地隔離了彈性敏感元件可能承受的附加周向扭轉(zhuǎn)力，同時，防止了預(yù)緊螺母旋轉(zhuǎn)可能引起的應(yīng)變片引出線纏繞傳感器問題。傳感器封裝外殼上設(shè)有帶橡皮圈的引線孔，既便于引線的引出，又能在引線孔處起密封作用，防止外界污物進(jìn)入彈性敏感元件處，在測量時減少了誤差，保證了測量精度。傳感器左、右端蓋與封裝外殼用兩個螺釘連接，右端蓋上加工有軸向孔槽9，在施加軸向預(yù)緊力的過程中，該軸向孔槽允許右端蓋和彈性敏感元件產(chǎn)生軸向位移和軸向應(yīng)變，同時，當(dāng)右端蓋有周向運(yùn)動趨勢時，通過螺釘10傳遞給封裝外殼及螺釘13，進(jìn)而把這種運(yùn)動趨勢傳遞給左端蓋，這樣左端蓋和右端蓋有同樣的運(yùn)動趨勢，從而消減傳遞到彈性敏感元件上的周向附加應(yīng)變。
[0008]傳感器的具體工作過程:傳感器左、右端蓋內(nèi)徑與被測軸配合安裝，端蓋凸臺支撐彈性敏感元件，彈性敏感元件上貼有電阻應(yīng)變片，調(diào)整墊片用來調(diào)整傳感器在被測軸上的軸向位置。被測過程中，螺母施加預(yù)緊力時先與推力球軸承的座圈接觸，座圈與螺母一起旋轉(zhuǎn)，同時把螺母的軸向預(yù)緊力傳遞給推力球軸承的軸圈，進(jìn)而傳遞給傳感器右端蓋與彈性敏感元件。傳感器與絲杠支撐座14接觸，當(dāng)螺母施加預(yù)緊力時，傳感器整體往支撐座方向移動，由于反作用力，傳感器左右端蓋將施加的軸向預(yù)緊力傳遞到彈性敏感元件上，此時，貼在彈性敏感元件表面上的應(yīng)變片隨同彈性敏感元件一起發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)變片所接引線通過封裝外殼上的引線孔把應(yīng)變片電阻值的變化引出，這種電阻變化經(jīng)過后續(xù)測量電路的轉(zhuǎn)換即可測出軸向力的大小。
[0009]在設(shè)計(jì)傳感器時，彈性敏感元件壁厚和材料的選擇對傳感器的性能至關(guān)重要。實(shí)際應(yīng)用中，滾珠絲杠動態(tài)特性參數(shù)測試裝置中，所測軸向預(yù)緊力較大，而且變化范圍大，這對傳感器的性能提出較高要求。在設(shè)計(jì)彈性敏感元件時，不僅要考慮所設(shè)計(jì)內(nèi)徑尺寸的大小，還要考慮到軸向所受力的大小和范圍，選定材料后，要根據(jù)材料的相關(guān)性能計(jì)算出所要設(shè)計(jì)的外徑尺寸。
[0010]本發(fā)明軸向預(yù)緊力傳感器與現(xiàn)有的軸向預(yù)緊力傳感器相比，有益效果是:(1)傳感器特別適用于滾珠絲杠中的軸向預(yù)緊力測量，具有特別的針對性；(2)傳感器原理清晰、使用安裝方便；(3)傳感器測量的軸向預(yù)緊力范圍廣，且測量精度高；(4)傳感器由于具備帶有橡皮圈引線孔的封裝外殼，不僅引線引出方便，而且橡皮圈還能起到密封作用；(5)軸向孔槽9既允許右端蓋和彈性敏感元件產(chǎn)生軸向位移和軸向應(yīng)變，又能消減傳遞到彈性敏感元件上的周向附加應(yīng)變；(6)傳感器帶有推力球軸承，有效地隔離了彈性敏感元件可能承受的附加周向扭轉(zhuǎn)力，同時，防止了預(yù)緊螺母旋轉(zhuǎn)可能引起的應(yīng)變片引出線纏繞傳感器問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明軸向預(yù)緊力傳感器的總體結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2是本發(fā)明軸向預(yù)緊力傳感器的調(diào)整墊片結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖3是本發(fā)明軸向預(yù)緊力傳感器的左端蓋結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖4是本發(fā)明軸向預(yù)緊力傳感器的右端蓋結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖5是本發(fā)明軸向預(yù)緊力傳感器的彈性敏感元件結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖6是本發(fā)明軸向預(yù)緊力傳感器的推力球軸承結(jié)構(gòu)圖。[0017]圖7是本發(fā)明軸向預(yù)緊力傳感器的封裝外殼結(jié)構(gòu)圖。
圖8是本發(fā)明設(shè)計(jì)的彈性敏感元件示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0019]一種軸向預(yù)緊力傳感器，其特征在于:包括調(diào)整墊片2、帶有凸臺和螺紋孔的左端蓋3、彈性敏感元件4、應(yīng)變片5、帶有凸臺和軸向孔槽的右端蓋6、推力球軸承7、右端蓋上的軸向孔槽9、螺釘10、封裝外殼上的引線孔11、封裝外殼12和螺釘13。
[0020]傳感器根據(jù)被測軸I的尺寸設(shè)計(jì)出左端蓋3和右端蓋6的內(nèi)徑及端蓋上凸臺尺寸，彈性敏感元件4內(nèi)徑尺寸是根據(jù)左、右端蓋凸臺的尺寸設(shè)計(jì)，根據(jù)彈性敏感元件4材料的屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)出彈性敏感元件的外徑尺寸，調(diào)整墊片2根據(jù)被測軸的尺寸設(shè)計(jì)，可以調(diào)整傳感器在軸上的軸向位置。推力球軸承7的尺寸根據(jù)被測軸來選擇，引線孔11在封裝外殼12圓周上中心位置，引出應(yīng)變片5上的導(dǎo)線。
[0021 ] 當(dāng)被測軸I受到螺母軸向預(yù)緊力時，首先推力球軸承7的軸圈受到力的作用，通過推力球軸承中間鋼球把軸圈的 力傳遞給傳感器右端蓋6，右端蓋把軸向預(yù)緊力傳遞給傳感器彈性敏感元件4，彈性敏感元件4受到軸向預(yù)緊力而產(chǎn)生應(yīng)變，貼在彈性敏感元件4的應(yīng)變片5隨著一起應(yīng)變，這種應(yīng)變引起應(yīng)變片電阻值變化，通過后續(xù)測量電路，再經(jīng)過傳感器的標(biāo)定可以測出軸向預(yù)緊力的大小。
[0022]本發(fā)明軸向預(yù)緊力傳感器的設(shè)計(jì)及測量，具體步驟如下:
步驟1:根據(jù)被測軸I的尺寸大小設(shè)計(jì)出左端蓋3和右端蓋6內(nèi)徑及凸臺尺寸；
步驟2:根據(jù)左端蓋3與右端蓋6凸臺尺寸設(shè)計(jì)彈性敏感元件4的內(nèi)徑，根據(jù)內(nèi)徑及所承受的軸向預(yù)緊力的大小設(shè)計(jì)出彈性敏感元件4的外徑。本設(shè)計(jì)傳感器選擇彈性敏感元件4的具體過程以一種工程實(shí)例來說明，假設(shè)所受軸向預(yù)緊力最大匕?=24000化根據(jù)被測軸I的直徑選定傳感器左端蓋3、右端蓋6尺寸，彈性敏感元件4是根據(jù)左端蓋3、右端蓋6凸臺選定內(nèi)徑為46_，根據(jù)機(jī)械手冊選定某種鋁合金作為彈性敏感元件4，其中，此鋁合金的彈性模量為E=70GPa,所能承受的最大應(yīng)力極限為σ =80MPa。設(shè)計(jì)的彈性敏感元件如圖8:設(shè)所選外徑為D,接觸面積為:
【權(quán)利要求】
1.一種軸向預(yù)緊力傳感器，其特征在于:包括調(diào)整墊片[2]、左端蓋[3]、彈性敏感元件[4]、應(yīng)變片[5]、右端蓋[6]、推力球軸承[7]、右螺釘[10]、封裝外殼[12]和左螺釘[13]，軸向預(yù)緊力通過左端蓋[3]和右端蓋[6]施加到彈性敏感元件[4]上，彈性敏感元件[4]因受軸向力而產(chǎn)生軸向應(yīng)變，通過電阻應(yīng)變效應(yīng)及測量電路測出軸向力的大小。
2.如權(quán)利要求1所述的軸向預(yù)緊力傳感器，其特征在于:右端蓋[6]上加工有軸向孔槽[9]，在施加軸向預(yù)緊力的過程中，該軸向孔槽[9]允許右端蓋[6]和彈性敏感元件[4]分別產(chǎn)生軸向位移和軸向應(yīng)變，又能使左端蓋[3]和右端蓋[6]具有同樣的運(yùn)動趨勢，以防止周向力傳遞到彈性敏感元件[4]上。
3.如權(quán)利要求1所述的軸向預(yù)緊力傳感器，其特征在于:軸向預(yù)緊力通過推力球軸承[7]施加到右端蓋[6]上，推力球軸承起隔離周向扭轉(zhuǎn)力傳遞給彈性敏感元件[4]的作用。
4.如權(quán)利要求1所述的軸向預(yù)緊力傳感器，其特征在于:傳感器封裝外殼[12]上設(shè)有帶橡皮圈的引線孔[11]，既方便于引線的引出，又能在引線孔處起密封作用，防止外界污物進(jìn)入彈性敏感元件[4]處。
【文檔編號】G01L1/22GK103592062SQ201310477095
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】何博俠, 楊洪鋒, 朱蘊(yùn)璞, 薛蓉, 張毅, 裴永召, 董香龍 申請人:南京理工大學(xué)