طراحی، ساخت و واسنجی استاتیکی یک حسگر نیرو-گشتاور شش درجة آزادی جهت اندازه‌گیری نیروها و گشتاور‌های وارد بر ادوات خاک‌ورزی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد

2 دانشیار گروه مکانیک ماشین‌های کشاورزی، دانشکده فناوری کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه محقق اردبیلی

چکیده

در تحقیق حاضر طراحی، ساخت و واسنجی یک حس‌کنندۀ نیرو-گشتاور شش درجۀ آزادی برای اندازه‌گیری نیروهای وارد بر ادوات خاک‌ورزی در سه جهت عمود برهم تا محدودۀ حداکثر 5 کیلو‌نیوتن در جهت اندازه­گیری مقاومت کششی (Y) و حداکثر 5/2 کیلو‌نیوتن در راستای عمود بر جهت حرکت (Z) و در راستای عمود بر سطح زمین (X) و همچنین گشتاورهای ایجاد شده حول محورهای مختصات تا محدودة حداکثر 5 کیلونیوتن ‌متر حول محور Z و 5/2 کیلو‌نیوتن‌ متر حول محور Y و X، مورد بررسی قرار گرفت.  برای طراحی سازه از نرم‌افزار Solid Works استفاده شد. تحلیل و توزیع کرنش با استفاده از نرم‌افزار مذکور برای مشخص کردن نقاط گرهی و به منظور کاهش اثر متقابل نیروها و گشتاورها انجام گرفت. عنصر ارتجاعی حسگر از جنس فولاد 1045 (AISI 1045 Steel) از نوع سردکاری شده به طریقه ماشین­کاری ساخته شد.  کرنش‌سنج‌های مقاومت الکتریکی در نقاط گرهی روی حسگر نصب شدند تا بتوان به ‌طور مستقل کرنش‌های مماسی روی سطح حسگر را اندازه‌گیری کرد.  برای جمع‌آوری داده­ها از یک دیتالاگر قابل برنامه‌نویسی مدل DT800 و یک رایانه ‌استفاده شد. آزمون‌های واسنجی استاتیکی حسگر با استفاده از یک سیستم واسنجی اجرا شد که می‌توانست نیروها و ممان‌ها را در جهات مختلف اعمال کند.  نتایج آزمون‌ها نشان می­دهد که منحنی‌های واسنجی خطی هستند و اثر متقابل نیروها و گشتاورها بسیار ناچیز است.  همچنین حسگر ساخته شده دقت، حساسیت، قدرت تفکیک و قابلیت تکرار مطلوب را دارد.

کلیدواژه‌ها


Abbaspour-Gilandeh, Y. and Khanramaki, M. 2013. Design, construction and calibration of a triaxial dynamometer for measuring forces and moments applied on tillage implements in field conditions.  
J. Metro. Soc. India Sci. 28(2):119-127.

Abbaspour-Gilandeh, Y. and  Haghighat-Shishvan, S. 2011. Extended Octagonal Ring Transducers for Measurement of Tractor-Implement Forces. Instruments and Experimental Techniques. Sci.
54(1): 137-141.

Al-janobi, A. 2000. A data-acquistion system to monitor performance of fully mounted implements.
J. Agric. Eng. Res. 75, 167-175.

Anon. 1982. Operation & Technical Manual of 6–Axis Force Sensor. Model FS6-120A, Astek Engineering, Inc.

Figliola, R. S. and Beasley, D. E. 2010. Theory and Design for Mechanical Measurements. John Wiley & Sons, Inc, USA.

Flatau, C. R. 1976. Force sensing in robots and manipulators. Proceeding of the 2nd International CISM-IFToMM Symposium on the Theory and Practice of Robots and Manipulators. Sep. 14-17. Warsaw. 294-306.

Godwin, R. J., Reynolds, A. J., O Dogherty, M. J. and Al-Ghazal, A. A. 1993. A triaxial dynamometer for force and management measurement on tillage implements. J. Agric. Eng. Res. 55, 189-205.

Goo Kang, Ch. 2005. Performance improvement of a 6-axis force torque sensor via novel electronics and cross-shaped double-hole structure. Int. J. Control. Autom. Sys. Sci. 3(3): 469-476.

Kepner, R. A., Bainer, R. and Barger, E. L. 1982. Principles of Farm Machinery. 3rd Ed. The AVI Publishing Company. UK.

Lotfi, D., Hemmat, A. and Akhavan Sarraf, M. R. 2007. Development and evaluation of a three-point hitch dynamometer and a fifth wheel for mounted implement draft and tractor speed measurements. J. Sci. Technol. Agric. Natural Resour. 11 (1): 147-162. (in Farsi)

Macnab, J. E., Robert, B. W. and Dean, E. B. 1977. Modeling wheel traction energy requirements and tractive performance. J. Trans. ASAE. Sci. 20(2): 602-609.

Meyer, C. 2000. Multi-axis Load cell. U. S. Patent. Sci. 6, 038-933.

Nakamura, Y., Yoshikawa, T. and Futamata, I. 1987. Design and signal processing of six-axis force sensors. Proceeding of the 4th International Symposium of Robotic Research. 75-81.

Park, J. J. and Kim, G. S. 2005. Development of the 6-axis force/moment sensor for an intelligent robot’s gripper. Sensors Actuators. Sci. 118, 127-134.

Sheng, A. L. and Hung, L. T. 2002. A novel six-component force sensor of good measurement isotropy and sensitivities.Sensors Actuators. Sci. 100, 223-230.

Sommer, N. 2011. Design and integration of a multi- axis force/moment sensor for mobile quadruped platform. Semester Project Report. EPFL Biorobotics laboratory.

Spletzer, J. 1998. Load cell. U.S. Patent. Sci. 5, 850-044.

Stewart, D. 1965. A platform with six degrees of freedom. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part 1. Sci. 180(15): 371-386.

Uchiyama, M. and Hakomori, K. 1985. A few considerations on structure design of force sensors. Proceedings of the 3rd Annual Conference of the Robotics Society of Japan. 17-19.

Watson, P. C. and Drake, H. 1975. Pedestal and wrist force sensors for automatic assembly. Proceedings of the 5th International Symposium Industrial Robots. 501-511.