载荷测量方法和装置的制作方法

专利名称：载荷测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于载荷测量的方法和装置，并且更特别是，本 发明涉及一种在具有转动轴的机械控制装置(例如用于流体流动控制 装置的阀致动器)上进行轴向栽荷测量。栽荷测量可以用来导出扭矩 测量。
背景技术：
流体流动控制装置包括用于液体和气体的装置。用于流体流动控 制装置的阀致动器是公知的，并且可以机械操作。例如，阀致动器可 以手动驱动、通过其中轴直接或间接连接到流体操作活塞上的流体压 力操作或者通过电液压或电流体装置驱动。传统阀致动器包括电驱动 输入轴，输入轴可以相对低的扭矩、相对高的速度转动。输入轴可经 由例如蜗轮或螺旋螺紋和螺母的减速齿轮转动相对高扭矩、低速输出 轴。
希望的是确定通过输出轴产生的扭矩。例如，在阀完全闭合和座 置时，开启阀所需的扭矩可以显著较高。连续检测扭矩可指出阀是否 磨损或卡住。扭矩测量中的趋势是可以提前维护。如果扭矩超过预定 许可程度，可以设置超越关闭特征。
输入轴上轴向力的测量可用来确定由输出轴传递的扭矩。轴向载 荷乘以蜗轮节圆半径是由输出轴传递的扭矩。
用于测量转动轴的端部推力或扭矩的传统装置是公知的，并且包
括授予Desch的美国专利No. 412168描述的推力-扭矩转换器。推力-扭矩转换器包括具有可动芯体的LVDT(线性可变差动变压器)，可动芯 体与轴对准、固定并与其一起转动，并且产生与推力或扭矩相对应的 输出信号。但是，为了提供转换器在轴顺时针和逆时针转动过程中操 作，Desch的推力-扭矩转换器需要预先设置推力轴承的隔膜。Desch 的推力-扭矩转换器不能检测轴向载荷在轴上的任何不对准。
用于指示轴上的载荷的另一传统装置在授予Riester的美国专利 No. 5503045中描述。蜗轮上增加的栽荷造成蜗杆轴向移动以及安装在 蜗杆上的薄膜盘的伴随变形。盘的一侧形成周向延伸的环形凹口。盘
的中央部分通过位于盘的一侧上的轴向轴承和布置在盘的相对侧上的 套筒相对于蜗杆固定而不轴向移动。位于盘的另一侧上的应变
(strain)测量带随着蜗杆的移动而产生测量的变化。Riester的装置 不提供用于检测载荷在轴上的任何不对准。
因此，有利的是提供一种用于使用输入轴的轴向移动来测量输出 轴产生的扭矩以及检测载荷在输入轴上任何不对准的技术.

发明内容
本发明在多个代表性实施例中提供一种可用来确定载荷的载荷测 量方法和装置，该栽荷包括但不局限于转动轴上的载荷。具有转动轴 的机械控制装置(例如用于流体流动控制装置的阀致动器)包括本发 明的载荷测量装置。
按照本发明的一个实施例，机械控制装置包括构造成转动的轴、 可操作地连接到轴上并构造成在轴的轴向移动时变形的梁以及与至少 一个梁连接并构造成产生输出与轴的轴向移动成正比的信号的传感 器。梁可在大致其整个长度上具有大致一致的截面。
机械控制装置可另外包括用于将轴的轴向移动传递到梁的轴承。 轴承可包括围绕轴布置并接触梁的第一表面的第一环形轴承以及围绕 轴布置并接触梁的第二、相对表面的第二环形轴承。另外包含在机械 控制装置内的是围绕轴的环形主体，其中梁从轴承朝着环形主体延伸。 梁的一部分固定在环形主体上。壳体可固定在环形主体上，并且构造 成使得轴相对于壳体轴向运动。
机械控制装置的传感器的输出信号可识别蜗杆的任何不对准。传 感器可包括至少一个应变计。机械控制装置的梁可包括金属，并还可 包括以围绕轴的辐条形式配置的离散梁的阵列。
按照本发明的另一实施例，用于测量转动轴上的轴向载荷的载荷 传感器包括具有保持在两个轴承之间的第一端部的至少一个偏移梁， 每个轴承可操作地连接到转动轴上，以便将轴的轴向运动传递到至少 一个偏移梁(作为偏移)，以及可操作连接在至少一个偏移梁上并构造 成测量至少一个偏移梁的偏移的传感器。
传感器可包括至少一个应变计，并且至少一个偏移梁包括具有大 致一致宽度和厚度的离散金属区段。至少一个偏移梁可具有固定在用 于载荷传感器的壳体上的第二端部，壳体构造成使得转动轴相对其中
相对轴向移动。
载荷传感器可另外包括包围转动轴的环形主体。至少一个偏移梁 可包括从轴朝着环形主体向外延伸并围绕轴以辐条形式配置的偏移梁 的阵列，其中每个偏移梁的笫二部分固定在环形主体上。壳体可固定 在环形主体上，轴构造成相对于壳体轴向运动。偏移梁阵列的每个偏 移梁包括可操作连接其上的传感器，每个传感器与涉及到蜗杆的任何 不对准的输出装置连通。
在另一方面，本发明包括测量传递到阀的扭矩的方法。转动轴包 括可操作地连接到转动轴上的两个轴承。该方法包括提供在第一端上 布置在两个轴承之间并连接到第二端上的固定壳体的至少一个梁，通 过轴转动蜗轮，涡轮可操作地连接到涡轮轮子上并且轴驱动阀，并且 将传递到阀的扭矩转换成转动轴的轴向运动。该方法另外包括通过由 两个轴承的轴向运动传递到梁的轴的轴向运动偏移至少一个梁，检测 至少一个梁的偏移，使用至少一个梁的偏移确定轴上的轴向栽荷，并 且使用轴上的轴向载荷以及涡轮的半径来确定传递到阀的扭矩。
在本发明的特定实施例中，提供至少一个梁包括提供具有大致一 致宽度和厚度的梁，或者作为选择包括提供围绕转动轴以辐条形式配 置的梁的阵列。检测至少一个梁的偏移可包括单独检测梁阵列的每个 梁的偏移。
结合附图，本领域普通技术人员从以下相信描述中将明白本发明 的特征、优点和可选择方法。


虽然此说明书以特别指出并清楚要求保护认为是本发明内容的权 利要求作为总结，结合附图，本发明的优点可更加容易地从本发明的
以下说明得到确定，附图中
图1A是本发明的机械控制装置和扭矩测量装置的截面图1B是图1A的机械控制装置和扭矩测量装置的透视图2是本发明的扭矩测量装置的板的一个实施例的视图3是本发明的扭矩测量装置的板的另一实施例的视图4是安装在本发明的代表性栽荷测量装置内的图3的板的透视
图5是本发明的载荷测量装置的另一实施例的透视图；以及
图6是本发明的扭矩测量装置的板的另一实施例的视图。
具体实施例方式
虽然以上描述包括许多方面，这不应该认为是限制本发明的范围， 而是只提供某些代表性实施例的说明。类似地，可以开发出本发明的 其它实施例，而不偏离本发明的精神或范围。来自于不同实施例的特 征可结合采用。本发明的范围因此只通过所附权利要求及其等同物限 定和限制，而不通过以上描述来限定和限制。由此应该包括这里披露 的落入权利要求的含义和范围内的对于本发明的所有增加、删除和调 整。
图1A表示机械控制装置10的实施例的截面图，机械控制装置包 括本发明的扭矩测量装置20。机械控制装置IO可包括阀致动器，并且 可通过例如手动、马达或流体压力来操作。机械控制装置10包括驱动 连接到蜗轮40上的蜗杆30的转子150。蜗轮40驱动并可操作地连接 到输出轴45上。在蜗杆30转动以便驱动蜗轮40时，驱动蜗轮40和 输出轴45所需的力可造成蜗杆30相对于机械控制装置10的壳体120 轴向运动。该轴向运动可以通过板60记录。板的一部分固定在壳体120 上，防止其轴向运动。板60的另一部分随着通过球轴承74、 76传递 的蜗杆的轴向移动来偏移。
板60的偏移可在其中造成显著的应变，继而使用传感器80来测 量(见图2)。传感器80可具有转换成蜗杆30上的轴向载荷的输出。 轴向栽荷在与蜗轮节圆半径相乘时是通过蜗轮40传递到输出轴45的 扭矩。根据蜗杆30转动以及输出轴45的随后转动的方向，蜗杆30的 轴向运动可在任何方向上出现。输出装置170可设置成显示例如板60 的应变、蜗杆30的轴向载荷和/或输出轴45上的扭矩的信息。
图1A所示的蜗杆30在通过实例可包括球轴承的轴承70、 74和76 上的套筒90内转动。透视图在图1B中表示。驱动蜗轮40继而驱动输 出轴45，将轴向栽荷施加在蜗杆30上。轴向载荷迫使蜗杆30轴向移 动。蜗杆30可在如箭头1和2所示的两个相反的轴向方向上移动，并 且板60可朝着两个不同的位置偏移。在转动过程中，蜗杆30可移动 到左侧，如箭头1所示。轴向载荷可经由转子150传递到板60上。连 接元件140将蜗杆30固定在转子150上。连接元件140可包括例如螺 栓或螺钉。蜗杆30在连接元件140上拉动。连接元件140造成转子150
和蜗杆30—起轴向移动，并且转子150压靠轴承76。轴承76在板60 上推动，造成板朝着第一柔曲位置偏移。轴承76的内團76a与蜗杆30 平齐并与其一起转动。轴承76的外圏76b在板60上接触并推动。板 60不转动，这是由于板60的外周边通过连接元件130固定在壳体120 上。传感器80可确定板60上的应变，以便确定蜗杆30上的轴向载荷。
作为选择，蜗杆可在相反方向上转动，在相反方向上转动输出轴 45。蜗杆因此在箭头2的方向上被轴向加载到右侧。蜗杆30移动到右 侧，并且蜗杆30的肩部100可压靠轴承70。肩部IOO在具有较小直径 的蜗杆30的部分和具有较大直径的蜗杆30的部分的结合部处包括蜗 杆30的径向表面。轴承70压靠套筒90，造成与蜗杆30和套筒90的 轴向移动匹配。套筒90和轴承74因此经受与蜗杆30大致相同的轴向 移动，迫使轴承74贴靠板60，并且造成板朝着第二柔曲位置偏移。轴 承74的内圏74a与蜗杆30平齐并与其一起转动。轴承74的外圈74b 接触套筒90和板60，将轴向载荷传递其上。根据蜗杆30的螺旋的方 向以及与阀致动器连通的阀的构造，板60的第一柔曲位置可与经由机 械控制装置IO施加在阀(未示出)的闭合力相对应，并且第二柔曲位 置可与施加在阀上的开启力相对应，或者反过来。
套筒90如所示不与蜗杆30 —起转动。但是，应该理解到结合蜗 杆30转动的套筒也在本发明的范围内。另外，在本发明的范围内的是 包括在转子150和轴承76之间围绕蜗杆30的第二套筒。因此，在箭 头1的方向上受到施加的载荷时，套筒(不是转子)可将轴向栽荷从 蜗杆30传递到板60。
轴向轴承可定位在转子150和操作机械控制装置10的转子之间， 机械控制装置例如是马达，使得转子相对于操作装置轴向运动。因此， 操作装置上的任何外侧轴向力还可通过轴向轴承吸收，并且不影响轴 向载荷的测量。
图2表示按照本发明特定实施例的板60a。板60a是大致平的，包 括环形主体62a和四个离散的向内伸出0梁65a的阵列。每个梁65a 可具有矩形截面，相对于每个相邻梁65a以直角布置。环形主体 和向内伸出梁65a可以是连续的，由例如金属盘的单件材料形成。例 如，板60a可以通过冲压、锻压或激光切割来形成。作为选择，梁65a 可例如通过粘合剂或连接元件连接在环形主体65a上。梁65a可由与
环形主体62a相同的材料形成，或者可以由不同材料形成。通过实例， 用于环形主体62a和梁65a的适当材料包括例如铜、铝、钢、不锈钢 的金属或聚合物。向内伸出梁65a可以被拆卸和更换。
向内伸出梁65a提供用于蜗杆30 (图2未示出)延伸穿过其中的 通道110。向内伸出梁65a可以辐条形成配置在环形主体62a的中央开 口内。但是，梁65a不需要在环形主体62a的中央开口的中心处结合。 而是，该中心可包括开放的通道110。梁65a的远离环形主体62a的端 部在通过轴承74、 76传递的蜗杆30的轴向移动的栽荷下自由移动， (见图1A )。每个梁65a可沿着梁65a的长度具有大致一致的厚度t和 宽度w。
图2表示(通过阴影)在环形主体62a和板60a的每个梁65a的 偏移下的应变。深色阴影部分表示在最大应变下的部分，并且较浅阴 影区域表示在较小应变下的部分。板60a表示成具有穿过环形主体62a 的四个开口 50，使得板60a固定在机械控制装置10的壳体120上(见 图1A)。例如螺栓、销或螺钉的连接元件130可用来固定板60a。板60a 可通过连接元件之外的方法固定，例如通过铜焊或焊接。
在使用过程中，马达可转动蜗杆30，蜗杆转动输出轴45。造成输 出轴45转动的力造成蜗杆30的轴向运动。蜗杆30上的套筒90同样 轴向运动，将轴承74推靠阵列的每个梁65a。每个梁65a柔曲，其中 梁65a接触轴承的部分通过轴的轴向运动移动。因此，每个梁65a偏 移或柔曲，造成其中的应变。每个梁65a内的应变可使用传感器80来 测量。每个梁65a可包括传感器80，或者作为选择，只有一个梁65a 可包括传感器80。
包括位于梁阵列的多个梁65a上的传感器80可以单独测量多个梁 65a的每个梁的应力和/或应变。梁65a的阵列的每个梁65a是离散的， 并且阵列可围绕蜗杆30。每个梁65a可在围绕蜗杆30周边的分开位置 处经受蜗杆30的轴向移动。因此，如果蜗杆30弯曲，或者假设轴向 载荷的任何其它不对准，每个梁65a的传感器80可检测不同的测量， 比较测量值进一步可以确定轴向载荷在蜗杆30上的任何不对准。传感 器可以构造成消除任何不对准，并且提供与结合任何不对准的读数相 对应的信号。作为选择，可以提供分开信号，以便对不对准报警。
图3表示按照本发明的板60b的另一实施例。板60b包括具有四
个离散的向内伸出梁65b的大致平面的环形主体62b。每个梁65b可具 有大致矩形的截面，并且可相对于相邻梁65b以直角布置。环形主体 62b和向内伸出梁65b的结合部处的拐角66b被斜切。斜切可在拐角 66b处减小板60b上的应力。向内伸出梁提供用于蜗杆30 (图3未示 出)延伸穿过其中的通道110。板60b通过阴影表示环形主体62b和每 个梁65b偏移下的应变。深色阴影部分表示在最大应变下的部分，并 且浅色阴影部分表示在较小应变下的部分。板60b表示成具有四个开 口 50，使得板60b固定在机械控制装置10的壳体120上(见图1A)。 例如螺栓或螺钉的连接元件130可用来固定板60b。
图4是安装在本发明的载荷测量装置20b内的图3的板的透视图。 转子150从板60b的中心伸出。蜗杆30的一部分被包围在转子150内 并且通过连接元件140固定其上。轴承76围绕蜗杆30。转子的远端邻 靠轴承，在箭头1的方向上将任何轴向栽荷传递其上(见图1A )。轴承 的外圈76b接触远离环形主体65b的第一部分上的每个梁65b的表面。 每个梁65b可包括固定在环形主体62b上的第二部分，由于环形主体 62b固定在壳体120上，该部分不进行移动。梁65b的第一部分和轴承 76—起移动，而梁65b的第二部分固定在固定环形主体62b上。因此， 梁65b偏移或柔曲，使得梁在应变之下。应变可通过例如应变计的传 感器80测量。
图5是按照本发明特定实施例的载荷测量装置20c的透视图。板 60c包括布置成以隔开形式布置的三个离散梁65c的阵列，每个梁65c 从蜗30向外延伸。虽然当前实施例表示成具有三个梁65c，应该理解 到可以使用任何数量的梁65c。每个离散梁可通过连接元件160固定在 壳体120上。每个梁65c可具有安装其上的传感器80，或者作为选择， 只有一个或两个梁65c可包括传感器80。传感器80可包括布置在梁 65c上的多个位置上的多个传感器。在一个实施例中，传感器80可位 于最大应变区域内。梁65c不接触蜗杆30，但是，任何施加在蜗杆30 上的轴向栽荷可经由轴承74传递到梁65c上。梁65c不完全包围蜗杆 30,而是每个梁65c隔开。
梁65c不需要固定在环形主体上，例如图3、 4、和5所示的梁65a 和65b。梁65c可各自包括细长主体，具有大致一致的截面。每个梁 65c的第一部分可以在通过轴承74传递的轴向载荷下和蜗杆30—起轴
向移动。每个梁65c的位于纵向离开第一部分的相对端处的第二部分 可通过连接元件160固定在壳体120上。蜗杆30可在轴向载荷下相对 于壳体120轴向移动。每个梁65c的第一部分可通过蜗杆30相对于壳 体120移动。每个梁65c的第二部分可固定在壳体上，并且防止移动。 因此，每个梁65c可偏移，其中造成应变。应变可通过传感器80测量。 板60可包括任何数量的梁65。例如图4所示的板60b包括四个梁 65b的阵列，并且图5所示的板60c包括三个梁65c的阵列。另外，只 具有单个梁的板也在本发明的范围内。
测量机械控制装置的内部部件的直接反作用力(例如蜗杆30上的 轴向栽荷)是确定机械控制装置传递到输出轴的扭矩的准确方法。这 种测量独立于齿轮效率、齿轮速度、马达扭矩以及马达施加的线功率。 本发明的载荷测量装置20、 20b、 20c的梁65a、 65b、 65c可形成为使 得通过蜗杆30上的轴向载荷产生的偏移形成足够的应变，以便通过传 感器80获得电信号，但是不足以造成梁65a、 65b、 65c的永久应变或 偏移。通过蜗杆30驱动的蜗轮40可以是壳体式，或者可以集成在蜗 杆30上。
图6表示按照本发明特定实施例的板60d。板60d是环形的，具有 用于蜗杆30 (图6未示出)延伸穿过其中的通道110d。环形板60d可 以是连续的，由例如金属盘的单件材料形成。例如，板60d可以通过 冲压、锻压或者激光切割来形成。通过实例，用于板60d的适当材料 包括例如铜、铝、钢、不锈钢的金属或聚合物。板60d可包括穿过其 中的开口 50，使得板60d固定在机械控制装置10的壳体U0(见图1A) 上。传感器80可靠近开口 80定位在板60d上的最大应变区域内。
虽然以上描述包括许多详细说明，不应该限制本发明的范围，而 是只提供某些代表性实施例。类似地，可以设想本发明的其它实施例， 而不偏离本发明的精神和范围。本发明的范围因此只通过所附权利要
求及其法律上的等同物明确和限定，而不通过以上描述来明确和限定。 本发明包括这里披露的落入权利要求的含义和范围内的对于本发明的 所有增加、删除和调整。
权利要求
1. 一种机械控制装置，包括轴，构造进行转动；至少一个梁，可操作地连接到轴上，并构造成在轴的轴向移动下变形；以及传感器，与至少一个梁连接，并构造成形成与轴的轴向移动成正比的输出信号。
2. 如权利要求1所述的机械控制装置，其特征在于，至少一个梁 在至少一个梁的整个长度上具有大致一致的截面。
3. 如权利要求1所述的机械控制装置，其特征在于，还包括轴承， 以便将轴的轴向移动传递到至少一个梁。
4. 如权利要求3所述的机械控制装置，其特征在于，轴承包括围 绕轴布置并接触至少一个梁的第一表面的环形轴承，以及围绕轴布置 并接触至少一个梁的第二、相对表面的另一环形轴承。
5. 如权利要求1所述的机械控制装置，其特征在于，还包括 环形主体，围绕轴，至少一个轴从轴朝着环形主体向外延伸，并且至少一个梁的一部分固定在环形主体上；以壳体，固定在环形主体上，壳体构造成使得轴相对于壳体轴向运动。
6. 如权利要求1所述的机械控制装置，其特征在于，输出信号与 蜗杆的任何不对准相关。
7. 如权利要求7所述的机械控制装置，其特征在于，传感器包括 至少一个应变计。
8. 如权利要求1所述的机械控制装置，其特征在于，至少一个梁 包括金属。
9. 如权利要求1所述的机械控制装置，其特征在于，至少一个梁 包括围绕轴以辐条形式配置的离散梁的阵列。
10. —种用于测量转动轴上的轴向栽荷的载荷传感器，包括 至少一个偏移梁，具有保持在两个轴承之间的第一端部，每个轴承可操作地连接在转动轴上，以便将轴的轴向运动转变成至少一个偏 移梁的偏移；以及传感器，可操作地连接在至少一个梁上，并且构造成测量至少一个偏移梁的偏移。
11. 如权利要求io所述的载荷传感器，其特征在于，传感器包括 至少一个应变计。
12. 如权利要求IO所述的载荷传感器，其特征在于，至少一个偏 移梁包括具有大致一致的宽度和厚度的离散区段。
13. 如权利要求IO所述的栽荷传感器，其特征在于，至少一个偏 移梁包括金属。
14. 如权利要求IO所述的载荷传感器，其特征在于，至少一个偏 移梁包括固定在用于载荷传感器的壳体上的第二端部，壳体构造成使 得转动轴相对其中相对轴向移动。
15. 如权利要求IO所述的载荷传感器，其特征在于，还包括环形主体，围绕转动轴，至少一个偏移梁包括从轴朝着环形主体向外延伸并围绕轴以辐条形式配置的偏移梁的阵列，其中每个偏移梁 的第二端部固定在环形主体上；以及壳体，固定在环形主体上，轴构造成相对于壳体轴向运动。
16. 如权利要求15所述的栽荷传感器，其特征在于，偏移梁的阵 列的每个偏移梁包括可操作地连接其上的传感器，每个传感器与输出 装置连通。
17. —种测量传递到阀的扭矩的方法，包括 提供转动轴，转动轴具有可操作地连接其上的两个轴承； 提供在第一端上布置在两个轴承之间并在第二端连接到固定壳体上的至少一个梁；通过轴转动蜗轮，蜗轮可操作地连接到蜗轮轮子上，并且轴驱动阀；将传递到阀的扭矩转变成转动轴的轴向运动； 检测由于两个轴承的轴向移动和轴的轴向运动造成的至少一个梁 的偏移；使用至少一个梁的偏移，确定轴上的轴向载荷；以及 使用轴上的轴向载荷以及蜗轮的半径确定传递到阀的扭矩。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，提供至少一个梁包 括提供具有大致一致宽度和厚度的梁。
19. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，提供至少一个梁包括提供围绕转动轴以辐条形式配置的梁的阵列。
20. 如权利要求19所述的方式，其特征在于，检测至少一个梁的 偏移包括单独检测梁的阵列的每个梁的偏移。
21. —种机械控制装置，包括 轴，构造成进行转动；环形板，可操作地连接到轴上，并构造成在轴的轴向移动下变形； 传感器，连接到环形板上，并构造成产生与轴的轴向移动成正比 的输出信号。
22. 如权利要求21所述的机械控制装置，其特征在于，还包括 穿过环形板的中央通道；以及 穿过环形板的至少一个周向定位的开口。
23. 如权利要求22所述的机械控制装置，其特征在于，传感器在 中央通道和至少一个周向定位开口之间径向定位在环形板上。
全文摘要
用于在具有转动轴(30)的机械控制装置(10)上的轴向载荷测量的装置可用来得出扭矩测量值。机械控制装置(10)可包括用于流体流动控制装置的阀致动器。载荷测量装置可包括可操作地连接到转动轴上并构造成在轴的轴向移动下变形的梁(65a)。传感器(80)可连接在至少一个梁(65a)上，并构造成产生与轴的轴向移动成正比的输出信号。梁可在第一端处保持在转动轴的两个轴承(74)，并且在第二端处固定在机械控制装置的壳体(120)上。梁(65a)的第一端可和转动轴一起轴向移动。梁(65a)包括具有一致宽度和厚度的离散区段。
文档编号G01N3/20GK101395460SQ200680053672
公开日2009年3月25日 申请日期2006年3月3日 优先权日2006年3月3日
发明者B·A·弗罗伊里, D·J·莫里斯, W·C·霍斯 申请人:芙罗服务管理公司