一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器，它涉及一種六維力傳感器，以解決現(xiàn)有六維力傳感器采用螺釘方式來實現(xiàn)過載保護，間隙精度和過載后整個傳感器的強度及剛度難以保證的問題。四個內(nèi)梁和四個過載保護梁沿內(nèi)環(huán)的外壁均布交錯設置，四個外梁設置在四個內(nèi)梁的外側(cè)，四個外梁與四個內(nèi)梁一一對應設置，每個過載保護梁的外側(cè)對應設置有一個外環(huán)，相鄰兩個外環(huán)之間設置有一個外梁，外梁的兩端各通過一個連接板與外環(huán)固定連接，保護銷與過載保護梁通孔為過盈配合，保護銷與外環(huán)工藝通孔為間隙配合，每個內(nèi)梁的兩側(cè)面上各粘貼有兩個電阻應變片，每個外梁上端面的兩側(cè)各粘貼有兩個電阻應變片。本發(fā)明用于工業(yè)自動化、汽車、造船、軍工或機器人上。
【專利說明】一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種六維力傳感器，具體涉及一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的發(fā)展，機器人技術越來越多的被應用于各種場合，如搬運、焊接、裝配等。機器人技術的一個核心問題是智能化，六維力傳感器因能同時感知三維空間中的全力信息，是作為空間機器人智能化特征的一個關鍵部件。六維力傳感器的核心是彈性體的設計，彈性體的結(jié)構(gòu)直接決定著整個傳感器的性能，是傳感器性能優(yōu)劣的關鍵。
[0003]六維力傳感器的過載保護直接關系到六維力傳感器的使用及安全，一直以來是備受研究的焦點問題，但迄今沒有一個較好的解決方法。如專利CN101419102A，CN101210850A等六維力傳感器并沒有過載保護功能。由中科院合肥智能所、東南大學和哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合研制的SAFMS系列六維力傳感器，采用螺釘方式來實現(xiàn)過載保護，但較難保證間隙精度和過載后整個傳感器的強度及剛度。
[0004]現(xiàn)有的六維力傳感器普遍存在靈敏度低、剛度小、維間耦合大、無過載保護等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有六維力傳感器采用螺釘方式來實現(xiàn)過載保護，間隙精度和過載后整個傳感器的強度及剛度難以保證的問題，而提供一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器。
[0006]本發(fā)明的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的:
[0007]—種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器包括內(nèi)環(huán)、四個內(nèi)梁、四個過載保護梁、四個外環(huán)、四個外梁、四個保護銷、八個連接板和三十二個電阻應變片，四個內(nèi)梁和四個過載保護梁沿內(nèi)環(huán)的外壁均布交錯設置，四個外梁設置在四個內(nèi)梁的外側(cè)，四個外梁與四個內(nèi)梁一一對應設置，且外梁與其對應的內(nèi)梁固定連接，每個過載保護梁的外側(cè)對應設置有一個外環(huán)，相鄰兩個外環(huán)之間設置有一個外梁，外梁的兩端各通過一個連接板與外環(huán)固定連接，每個外環(huán)的上下端面設有兩個外環(huán)通孔，內(nèi)環(huán)的上下端面上沿同一圓周均布設置八個內(nèi)環(huán)通孔，且每個內(nèi)環(huán)通孔位于相鄰的外環(huán)與外梁之間，每個過載保護梁的內(nèi)外端面上設有一個過載保護梁通孔，內(nèi)環(huán)上設有與過載保護梁通孔相通的內(nèi)環(huán)工藝通孔，每個外環(huán)上設有與過載保護梁通孔正對的外環(huán)工藝通孔，每個保護銷的一端分別從對應的外環(huán)工藝通孔中穿過并固定在對應的過載保護梁通孔中，保護銷與過載保護梁通孔為過盈配合，保護銷與外環(huán)工藝通孔為間隙配合，每個內(nèi)梁的兩側(cè)面上各粘貼有兩個電阻應變片，且兩側(cè)面上的電阻應變片以內(nèi)梁的中心線對稱布置，每個外梁上端面的兩側(cè)各粘貼有兩個電阻應變片，且兩側(cè)的電阻應變片以內(nèi)梁的中心線對稱布置。
[0008]本發(fā)明具有以下有益效果:[0009]一、本發(fā)明在過載保護梁及外梁上均開有與保護銷配合的保護孔，且保護銷與過載保護梁通孔為過盈配合、與外環(huán)工藝通孔為間隙配合，間隙的大小可以調(diào)整，由過載要求而定，因此，本發(fā)明采用保護銷來實現(xiàn)過載保護，相比采用螺釘方式來實現(xiàn)過載保護，具有剛度大，間隙可調(diào)等優(yōu)點。
[0010]二、本發(fā)明采用在十字梁彈性體上粘貼有32片電阻應變片，32片電阻應變片共組成八組全橋，其中有兩組全橋作為冗余備份。采用全橋方式不僅可以提高靈敏度而且可以起到溫度補償?shù)男Ч?br> [0011]三、本發(fā)明X軸上的兩個內(nèi)梁和外梁相對于Y軸采用對稱結(jié)構(gòu)，Y軸上的兩個內(nèi)梁和外梁相對于X軸采用對稱結(jié)構(gòu)，這種對稱結(jié)構(gòu)消除了徑向測力對軸向測力的干擾，提高了傳感器的剛度和動態(tài)性能，減小了重復誤差，保證了傳感器的測量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器的整體主視圖；
[0013]圖2是本發(fā)明的具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器的四分之三部分結(jié)構(gòu)立體圖；
[0014]圖3是應變片R21、應變片R22、應變片R31和應變片R32組成的電橋圖；
[0015]圖4是應變片R19、應變片R20、應變片R25和應變片R26組成的電橋圖；
[0016]圖5是應變片R1、應變片R2、應變片Rll和應變片R12組成的電橋圖；
[0017]圖6是應變片R7、應變片R8、應變片R13和應變片R14組成的電橋圖；
[0018]圖7是應變片R3、應變片R4、應變片R9和應變片R14組成的電橋圖；
[0019]圖8是應變片R5、應變片R6、應變片R15和應變片R16組成的電橋圖；
[0020]圖9是應變片R17、應變片R18、應變片R27和應變片R28組成的電橋圖；
[0021]圖10是應變片R23、應變片R24、應變片R29和應變片R30組成的電橋圖。
【具體實施方式】
[0022]【具體實施方式】一:結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式包括內(nèi)環(huán)1、四個內(nèi)梁2、四個過載保護梁3、四個外環(huán)4、四個外梁5、四個保護銷7、八個連接板6和三十二個電阻應變片8，四個內(nèi)梁2和四個過載保護梁3沿內(nèi)環(huán)I的外壁均布交錯設置，四個外梁5設置在四個內(nèi)梁2的外側(cè)，四個外梁5與四個內(nèi)梁2 —一對應設置，且外梁5與其對應的內(nèi)梁2固定連接，每個過載保護梁3的外側(cè)對應設置有一個外環(huán)4，相鄰兩個外環(huán)4之間設置有一個外梁5，外梁5的兩端各通過一個連接板6與外環(huán)4固定連接，每個外環(huán)4的上下端面設有兩個外環(huán)通孔4-1，內(nèi)環(huán)I的上下端面上沿同一圓周均布設置八個內(nèi)環(huán)通孔1-1，且每個內(nèi)環(huán)通孔1-1位于相鄰的外環(huán)4與外梁5之間，每個過載保護梁3的內(nèi)外端面上設有一個過載保護梁通孔3-1，內(nèi)環(huán)I上設有與過載保護梁通孔3-1相通的內(nèi)環(huán)工藝通孔1-2，內(nèi)環(huán)工藝通孔1-2便于保護銷取出，每個外環(huán)4上設有與過載保護梁通孔3-1正對的外環(huán)工藝通孔4-2，每個保護銷7的一端分別從對應的外環(huán)工藝通孔4-2中穿過并固定在對應的過載保護梁通孔3-1中，保護銷7與過載保護梁通孔3-1為過盈配合，保護銷7與外環(huán)工藝通孔4-2為間隙配合，每個內(nèi)梁2的兩側(cè)面上各粘貼有兩個電阻應變片8，且兩側(cè)面上的電阻應變片8以內(nèi)梁2的中心線對稱布置，每個外梁5上端面的兩側(cè)各粘貼有兩個電阻應變片8，且兩側(cè)的電阻應變片8以內(nèi)梁2的中心線對稱布置。32個應變片8組成八組測量電橋(見圖3?圖10)，并實現(xiàn)將力信息轉(zhuǎn)化成電壓信號，通過標定、解耦，可以對六維力信息同時感知。每個外環(huán)4上的兩個外環(huán)通孔4-1相對于外環(huán)工藝通孔4-2的軸線對稱設置。
[0023]【具體實施方式】二:結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式的外環(huán)工藝通孔4-2的內(nèi)徑D的確定:在有限元分析軟件中分別計算出Fx、Fz, Mx和Mz的額定載荷下，保護銷7相對于外環(huán)工藝通孔4-2沿徑向方向的最大位移分別為S1、S2、S3和S4，取其中最小的位移設S0=min {S1、S2、S3、S4}，并設六維力傳感器在該最小位移工況下的過載倍數(shù)為X，則保護銷7的外徑DO與最小位移SO的X倍的和為外環(huán)工藝通孔4-2的內(nèi)徑D，即D=D0+x*S0。Fx為沿X軸的切向力、Fz為沿Z軸的軸向力、Mx為繞X軸的彎矩、Mz為繞Z軸的扭矩。保護銷7的外圓柱面與外環(huán)工藝通孔4-2的內(nèi)圓柱面之間形成環(huán)狀間隙，對于不同的工況，間隙的變化量也不同，使傳感器既有工作余量，又可以避免由于過載而造成損壞。其它組成及連接關系與【具體實施方式】一相同。
[0024]【具體實施方式】三:結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式的每個相對應的內(nèi)環(huán)工藝通孔1-2、過載保護梁通孔3-1及外環(huán)工藝通孔4-2的軸線為同一條線。其它組成及連接關系與【具體實施方式】一或二相同。
[0025]【具體實施方式】四:結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式的內(nèi)環(huán)工藝通孔1-2的直徑小于過載保護梁通孔3-1的直徑，過載保護梁通孔3-1的直徑小于外環(huán)工藝通孔4-2的直徑。以便保護銷與過載保護梁通孔3-1形成間隙，進而起到過載保護作用。其它組成及連接關系與【具體實施方式】三相同。
[0026]【具體實施方式】五:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式的外梁5上的十六個電阻應變片8的粘貼位置:設外梁5上的電阻應變片8分別為應變片R1、應變片R2、應變片R3、應變片R4、應變片R5、應變片R6、應變片R7、應變片R8、應變片R9、應變片R10、應變片R11、應變片R12、應變片R13、應變片R14、應變片R15和應變片R16，上方的外梁5上由左至右依次粘貼有應變片RU應變片R2、應變片R3和應變片R4，下方的外梁5上由右至左依次粘貼有應變片R9、應變片R10、應變片Rll和應變片R12，左側(cè)的外梁5上由下至上依次粘貼有應變片R13、應變片R14、應變片R15和應變片R16，右側(cè)的外梁5上由上至下依次粘貼有應變片R5、應變片R6、應變片R7和應變片R8。應變片Rl?R16的初始電阻值相等。其它組成及連接關系與【具體實施方式】四相同。
[0027]【具體實施方式】六:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式是由應變片R3、R4、R9、RlO組成一個惠斯通全橋，見圖7，用于測量X方向彎矩，由應變片R5、R6、R15、R16組成一個惠斯通全橋，見圖8，用于測量Y方向彎矩；由應變片R1、R2、R11、R12組成一個惠斯通全橋，見圖5，由應變片R7、R8、R13、R14組成另一個惠斯通全橋，見圖6，應變片Rl、R2、R11、R12組成的惠斯通全橋和應變片R7、R8、R13、R14組成的惠斯通全橋均用于測量Z方向軸向力的電橋。其它組成及連接關系與【具體實施方式】五相同。
[0028]【具體實施方式】七:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式的內(nèi)梁2上的十六個電阻應變片8的粘貼位置:設內(nèi)梁2上的電阻應變片8分別為應變片R17、應變片R18、應變片R19、應變片R20、應變片R21、應變片R22、應變片R23、應變片R24、應變片R25、應變片R26、應變片R27、應變片R28、應變片R29、應變片R30、應變片R31和應變片R32，上方的內(nèi)梁2左側(cè)由上至下依次粘貼有應變片R31和應變片R32，上方的內(nèi)梁2右側(cè)由上至下依次粘貼有應變片R29和應變片R30，下方的內(nèi)梁2左側(cè)由上至下依次粘貼有應變片R21和應變片R22，下方的內(nèi)梁2右側(cè)由上至下依次粘貼有應變片R23和應變片R24，左側(cè)的內(nèi)梁2上方由左至右依次粘貼有應變片R17和應變片R18，左側(cè)的內(nèi)梁2下方由左至右依次粘貼有應變片R19和應變片R20，右側(cè)的內(nèi)梁2上方由左至右依次粘貼有應變片R27和應變片R28，右側(cè)的內(nèi)梁2下方由左至右依次粘貼有應變片R25和應變片R26。應變片R17?R32的初始電阻值相等。其它組成及連接關系與【具體實施方式】六相同。
[0029]【具體實施方式】八:結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式是由應變片R21、R22、R31、R32組成一個惠斯通全橋，見圖3，用于測量X方向切向力；由應變片R19、R20、R25、R26組成一個惠斯通全橋，見圖4，用于測量Y方向切向力；由應變片R17、R18、R27、R28組成一個惠斯通全橋，見圖9，由應變片R23、R24、R29、R30組成另一個惠斯通全橋，見圖10，應變片R17、R18、R27、R28組成的惠斯通全橋和應變片R23、R24、R29、R30組成的惠斯通全橋均用于測量Z方向扭矩的電橋。其它組成及連接關系與【具體實施方式】七相同。
[0030]【具體實施方式】九:結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的內(nèi)環(huán)1、四個內(nèi)梁2、四個過載保護梁3、四個外環(huán)4、四個外梁5和八個連接板6制成一體。其它組成及連接關系與【具體實施方式】八相同。
[0031]【具體實施方式】十:結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的內(nèi)環(huán)1、內(nèi)梁2、過載保護梁3、外環(huán)4、外梁5和連接板6的材質(zhì)均為硬鋁合金或不銹鋼。其它組成及連接關系與【具體實施方式】九相同。
【權利要求】
1.一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器，其特征在于:所述具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器包括內(nèi)環(huán)(I)、四個內(nèi)梁(2)、四個過載保護梁(3)、四個外環(huán)(4)、四個外梁(5)、四個保護銷(7)、八個連接板(6)和三十二個電阻應變片(8)，四個內(nèi)梁(2)和四個過載保護梁(3)沿內(nèi)環(huán)(I)的外壁均布交錯設置，四個外梁(5)設置在四個內(nèi)梁(2)的外側(cè)，四個外梁(5)與四個內(nèi)梁(2)——對應設置，且外梁(5)與其對應的內(nèi)梁(2)固定連接，每個過載保護梁(3)的外側(cè)對應設置有一個外環(huán)(4)，相鄰兩個外環(huán)(4)之間設置有一個外梁(5)，外梁(5)的兩端各通過一個連接板(6)與外環(huán)(4)固定連接，每個外環(huán)(4)的上下端面設有兩個外環(huán)通孔(4-1)，內(nèi)環(huán)(I)的上下端面上沿同一圓周均布設置八個內(nèi)環(huán)通孔(1-1)，且每個內(nèi)環(huán)通孔(1-1)位于相鄰的外環(huán)(4)與外梁(5)之間，每個過載保護梁(3 )的內(nèi)外端面上設有一個過載保護梁通孔(3-1)，內(nèi)環(huán)(I)上設有與過載保護梁通孔(3-1)相通的內(nèi)環(huán)工藝通孔(1-2)，每個外環(huán)(4)上設有與過載保護梁通孔(3-1)正對的外環(huán)工藝通孔(4-2 )，每個保護銷(7 )的一端分別從對應的外環(huán)工藝通孔(4-2 )中穿過并固定在對應的過載保護梁通孔(3-1)中，保護銷(7)與過載保護梁通孔(3-1)為過盈配合，保護銷(7 )與外環(huán)工藝通孔(4-2 )為間隙配合，每個內(nèi)梁(2 )的兩側(cè)面上各粘貼有兩個電阻應變片(8)，且兩側(cè)面上的電阻應變片(8)以內(nèi)梁(2)的中心線對稱布置，每個外梁(5)上端面的兩側(cè)各粘貼有兩個電阻應變片(8)，且兩側(cè)的電阻應變片(8)以內(nèi)梁(2)的中心線對稱布置。
2.根據(jù)權利要求1所述一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器，其特征在于:外環(huán)工藝通孔(4-2)的內(nèi)徑D的確定:在有限元分析軟件中分別計算出Fx、Fz、Mx和Mz的額定載荷下，保護銷(7)相對于外環(huán)工藝通孔(4-2)沿徑向方向的最大位移分別為S1、S2、S3和S4，取其中最小的位移設SO=min {S1、S2、S3、S4}，并設六維力傳感器在該最小位移工況下的過載倍數(shù)為X，則保護銷(7)的外徑DO與最小位移SO的X倍的和為外環(huán)工藝通孔(4-2)的內(nèi)徑 D，即 D =D0+x*S0。
3.根據(jù)權利要求1或2所述一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器，其特征在于:每個相對應的內(nèi)環(huán)工藝通孔(1-2)、過載保護梁通孔(3-1)及外環(huán)工藝通孔(4-2)的軸線為同一條線。
4.根據(jù)權利要求3所述一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器，其特征在于:內(nèi)環(huán)工藝通孔(1-2)的直徑小于過載保護梁通孔(3-1)的直徑，過載保護梁通孔(3-1)的直徑小于外環(huán)工藝通孔(4-2)的直徑。
5.根據(jù)權利要求1、2或4所述具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器，其特征在于:所述外梁(5)上的十六個電阻應變片(8)的粘貼位置:設外梁(5)上的電阻應變片(8)分別為應變片RU應變片R2、應變片R3、應變片R4、應變片R5、應變片R6、應變片R7、應變片R8、應變片R9、應變片R10、應變片R11、應變片R12、應變片R13、應變片R14、應變片R15和應變片R16，上方的外梁5上由左至右依次粘貼有應變片R1、應變片R2、應變片R3和應變片R4，下方的外梁5上由右至左依次粘貼有應變片R9、應變片R10、應變片Rll和應變片R12，左側(cè)的外梁5上由下至上依次粘貼有應變片R13、應變片R14、應變片R15和應變片R16，右側(cè)的外梁5上由上至下依次粘貼有應變片R5、應變片R6、應變片R7和應變片R8。
6.根據(jù)權利要求5所述一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器，其特征在于:由應變片R3、R4、R9、RlO組成一個惠斯通全橋，由應變片R5、R6、R15、R16組成一個惠斯通全橋，由應變片Rl、R2、R11、Rl2組成一個惠斯通全橋，由應變片R7、R8、R13、R14組成另一個惠斯通全橋。
7.根據(jù)權利要求6所述一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器，其特征在于:所述內(nèi)梁(2)上的十六個電阻應變片(8)的粘貼位置:設內(nèi)梁(2)上的電阻應變片(8)分別為應變片R17、應變片R18、應變片R19、應變片R20、應變片R21、應變片R22、應變片R23、應變片R24、應變片R25、應變片R26、應變片R27、應變片R28、應變片R29、應變片R30、應變片R31和應變片R32，上方的內(nèi)梁(2)左側(cè)由上至下依次粘貼有應變片R31和應變片R32，上方的內(nèi)梁(2)右側(cè)由上至下依次粘貼有應變片R29和應變片R30，下方的內(nèi)梁(2)左側(cè)由上至下依次粘貼有應變片R21和應變片R22，下方的內(nèi)梁(2)右側(cè)由上至下依次粘貼有應變片R23和應變片R24，左側(cè)的內(nèi)梁(2)上方由左至右依次粘貼有應變片R17和應變片R18，左側(cè)的內(nèi)梁(2)下方由左至右依次粘貼有應變片R19和應變片R20，右側(cè)的內(nèi)梁(2)上方由左至右依次粘貼有應變片R27和應變片R28，右側(cè)的內(nèi)梁(2)下方由左至右依次粘貼有應變片R25和應變片R26。
8.根據(jù)權利要求6所述一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器，其特征在于:由應變片R21、R22、R31、R32組成一個惠斯通全橋，由應變片R19、R20、R25、R26組成一個惠斯通全橋，由應變片R17、R18、R27、R28組成一個惠斯通全橋，由應變片R23、R24、R29、R30組成另一個惠斯通全橋。
9.根據(jù)權利要求8所述一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器，其特征在于:所述內(nèi)環(huán)(1)、四個內(nèi)梁(2)、四個過載保護梁(3)、四個外環(huán)(4)、四個外梁(5)和八個連接板(6)制成一體。
10.根據(jù)權利要求9所述一種具有過載保護功能的十字梁式六維力傳感器，其特征在于:所述內(nèi)環(huán)(I)、內(nèi)梁(2)、過載保護梁(3)、外環(huán)(4)、外梁(5)和連接板(6)的材質(zhì)均為硬鋁合金或不銹鋼。
【文檔編號】G01L1/22GK103528726SQ201310533608
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權日:2013年11月1日
【發(fā)明者】劉伊威, 孫永軍, 劉宏, 鄒添, 倪風雷, 胡志勇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學