【6分力計2018】Roverbal式穴形状の解析＜メガネ型が良い＞

Roverbal式ロードセルがFzなどせん断力センシングに最適なことが分かったので、６分力計へ組み込むための設計パラメータを解析してます。今回は、穴形状がどのようなメカニズムになっているか解析しました。
●やり方
FUSION 360 静的解析を使って、応力計算して、各種穴形状で比較します。材質はＡＢＳにして、荷重も少なめのFz0.5Nと
50Nmm(0.5Nを100mm離した位置で荷重した場合）

①形状別シミュレーション比較

上記の形状でのＦｚ荷重とFz+My荷重の応力からブリッジ計算すると

結果１：黄色のメガネ形状穴がモーメントをキャンセルしてRoverbal性を実現できている
結果２：穴の肉厚が厚くなるほどモーメントの影響が大きくなってRoverbalから離れていく
結果３：ＢＵＬＫでは、ゼロに近い出力しかでないためノイズ程度で大きな誤差がでてしまう。
結果４：t=1でもメガネとストレートでは、ゲインはストレートが大きいがたわみも大きく、モーメント誤差が大きくなっている

②穴の応力分布
点プローブを設置して値を目視でよみこむ作業をします。
Fusion360の解析はプロ仕様ではないので、一括してデータをcsvに出力してＥＸＣＥＬで処理ができませんので時間と手間がかかってしまいます。

■応力分布からRoverbal穴の解析
中華ロードセルのメガネ穴サイズで、無垢棒ＢＵＬＫと片持ち梁の応力分布を裏表でグラフにしました。

①ＢＵＬＫの直線傾きと±１０ｍｍ位置で接する曲線となっている
②穴の影響は、±１０ｍｍ範囲で正負に大きく変化するＳ字カーブとなって表れる
③S字の特徴は、R1R4側が大きく拡大されて、R2,R3側は、正負が逆転する特性がある。

③なぜRoverbalに穴が必要なのか推論した
上記実験結果でもわかるようにＢＵＬＫの値がゼロに近くゲインがでない点、ゲインが大きいが、誤差が大きい場合もあるので
穴は、試行錯誤的に決めてきたのではないかと推定する。
結論：Roverbalの穴は、Fz分力のゲインを上げるために必要で
メガネ形状は、剛性を維持しながらモーメントをキャンセルする性能を確保するために必要な形状である。理論というよりは
試行錯誤的に現物に合わせて作り込む穴なのではないかと推定する。