طراحي، ساخت و واسنجي استاتيكي يك حسگر نيرو-گشتاور شش درجه آزادي جهت اندازه‌گيري نيروها و گشتاور‌هاي وارد بر ادوات خاك ورزي

Design, Construction and Calibration of 6 DOF Force Torque Sensor for Measurement of Force and Moment of Tillage Implements

در تحقيق حاضر طراحي، ساخت و واسنجي يك حس‌كننده نيرو-گشتاور شش درجه آزادي براي اندازه‌گيري نيروهاي وارد بر ادوات خاك‌ورزي در سه جهت عمود برهم تا محدوده حداكثر 5 كيلو‌نيوتن در جهت اندازه گيري مقاومت كششي (Y) و حداكثر 5/2 كيلو‌نيوتن در راستاي عمود بر جهت حركت (Z) و در راستاي عمود بر سطح زمين (X) و همچنين گشتاورهاي ايجاد شده حول محورهاي مختصات تا محدوده حداكثر 5 كيلونيوتن ‌متر حول محور Z و 5/2 كيلو‌نيوتن‌ متر حول محور Y و X، مورد بررسي قرار گرفت. براي طراحي سازه از نرم‌افزار Solid Works استفاده شد. تحليل و توزيع كرنش با استفاده از نرم‌افزار مذكور براي مشخص كردن نقاط گرهي و به منظور كاهش اثر متقابل نيروها و گشتاورها انجام گرفت. عنصر ارتجاعي حسگر از جنس فولاد 1045 (AISI 1045 Steel) از نوع سردكاري شده به طريقه ماشين كاري ساخته شد. كرنش‌سنج‌هاي مقاومت الكتريكي در نقاط گرهي روي حسگر نصب شدند تا بتوان به ‌طور مستقل كرنش‌هاي مماسي روي سطح حسگر را اندازه‌گيري كرد. براي جمع‌آوري داده ها از يك ديتالاگر قابل برنامه‌نويسي مدل DT800 و يك رايانه ‌استفاده شد. آزمون‌هاي واسنجي استاتيكي حسگر با استفاده از يك سيستم واسنجي اجرا شد كه مي‌توانست نيروها و ممان‌ها را در جهات مختلف اعمال كند. نتايج آزمون‌ها نشان مي دهد كه منحني‌هاي واسنجي خطي هستند و اثر متقابل نيروها و گشتاورها بسيار ناچيز است. همچنين حسگر ساخته شده دقت، حساسيت، قدرت تفكيك و قابليت تكرار مطلوب را دارد.

The presents study designed, constructed, and statically calibrated a 6DOF force torque sensor to measure forces and moments acting on a tillage implement. The instrument could measure the three orthogonal forces acting on the implement and the three moments acting around the orthogonal axes up to a maximum force of 5 kN and a maximum moment of 5 kNm. For mechanical design of the 6DOF force torque sensor, the finite element method and Solid Works software were used. The sensing element was constructed from AISI 1045 cold-drawn steel by machining. Strain distributions were analyzed to find the optimal strain node positions in the sensor to minimize cross-sensitivity between horizontal and vertical force measurement. The forces and moments acting on the sensor were measured using strain gauge bridges. A data logger (model DT800; DataTaker) was used for logging and saving data. Calibration of the measurement system was conducted by a calibration system designed for static calibration of a 6DOF force torque sensor. The calibration results showed that the sensor had appropriate precision, sensitivity, and good repeatability for measuring forces and moments. The results showed a high degree of linearity between bridge output voltage and applied force. The interaction of the applied forces and moments was not significant.