CN103616116B - 机械解耦重载并联六维测力平台 - Google Patents

Abstract

一种机械解耦重载并联六维测力平台，其包括加载板、测力板、上盖板、底框和12条以上解耦测力支链，上盖板盖在底框上端，形成一个箱体，加载板的下板固定在测力板平面正中，其上板伸出上盖板上的开口，测力板和上盖板以及底框通过解耦测力支链相连接，解耦测力支链分布在测力板的六个面上，分别固定在测力板上、下面和四个侧面上，解耦测力支链中的压头A的一端固定在测力板上，拉压力传感器的一端分别固定在底框和上盖板上，该拉压力传感器的另一端与压头B的一端固定，上述压头A和压头B的另一端均为凹面，钢球镶嵌在两个凹面之间。本发明结构简单、通过钢球实现机械解耦，维间耦合小，测量精度高，特别适用于重载大吨位测量。

Description

机械解耦重载并联六维测力平台

技术领域

本发明涉及六维力传感器领域，特别是一种解耦重载并联六维测力平台。

背景技术

六维力传感器能够测量空间三维力和力矩的大小，在测力信息要求丰富、测力精度要求高的场合如零力示教、轮廓跟踪、双手协调、精密柔性装配、多指灵巧手、机器人力反馈等领域有着广泛的应用前景。近年来，随着航空航天领域的快速发展，能在大加载面上测量大吨位力和力矩的重载六维测力装置已成为目前急需高科技产品之一。这种测力装置通常称为大测力板重载六维测力平台，在推力矢量测试、试飞实验和风洞实验、空间对接等航空航天领域有着重要的应用。世界各发达国家都非常重视这种重载测力平台的研制工作，是涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之一。

六维力传感器研制的关键是力敏感元件的结构设计，为此人们已提出了一些实现方案，例如，中国专利ZL93224329.0公开了一种具有十字梁结构的六维力传感器，采用一体化结构，具有刚度高、结构紧凑等优点。ZL200810025591.2公开了一种正交串联线弹性体式六维力传感器结构，具有结构简单易于微型化等优点，但以上两种传感器结构均具有一定程度的维间耦合。中国专利ZL99102421.4公开了一种并联解耦结构六维力与力矩传感器，分布在第一平台三个侧面上且相互垂直的六个弹性体分别通过弹性铰链与第一平台和第二平台相连接，力敏感元件是一次加工成型的非组装件，其具有刚度高、结构紧凑等优点，但受到弹性铰链的结构及强度限制，该一体化传感器结构难以实现大量程多维力测量的要求。上述六维力传感器结构较适用于小量程六维力传感器结构，但将其应用于大量程多维力测量，会带来严重的维间耦合等问题，无法满足重载、高精度、大测力板多维测力的需求。

中国专利CN101149299公开的一种可以测量大吨位力或力矩的六维力传感器，其利用三维力石英晶片组整体组装来实现六维大力测量，但同样存在着维间耦合严重测量精度不高的问题。专利ZL99102526.1，ZL200710061531.1，ZL200710061521.8分别公开了以预紧式并联结构为弹性体的六维力传感器，其采用球窝锥头式球面副代替传统球铰，并通过中间支路或预紧平台进行整体预紧。该六维力传感器结构消除了球面副的间隙，降低了各球面副的摩擦力矩，具有便于预紧等优点，但测量载荷量程受到所加预紧力的限制，因此难以应用于大吨位六维力传感器结构上。专利ZL200910075789.6公开的一种过约束大量程并联六维测力平台，采用多测力支链构成空间过约束并联结构，从而实现大量程六维力测量，由于测力支链内采用传统球铰结构，由此带来的滑动摩擦，导致维间耦合大，影响并限制了测量精度的提高。因此到目前为止，高精度大吨位重载多维力测量的力敏元件仍是急待解决的关键问题之一。

实现重载多维测力多采用并联结构，但目前常见测力支链内多采用普通球铰结构，由于滑动摩擦的存在，造成测力平台维间耦合大、测量准确度不高，而限制了测力平台的精度及其准确度的提高。同时，由于测力平台存在维间耦合大，测力平台加工制造后，需对其进行整体标定，由于当前还没有通用的多维力加载标定系统，还需后续研制与其配套的专用多维力加载与标定系统，并完成加载标定工作，标定工作量大、周期长、费用高。因此，由于传统并联结构滑动摩擦引起的维间耦合，导致这类重载多维测力平台精度及准确度不高，同时也给其标定工作带来诸多困难。在重载高精并联多维测力平台方面还没有成熟的方案，满足不了当前对重载高精多维测力的需求，迫切需要一种解耦性好，维间耦合低，而且加载标定便捷的重载高精并联多维测力平台结构方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现机械解耦、维间耦合小，测量精度及准确度高，标定便捷，易于实现大测力板六维力测量的机械解耦重载并联六维测力平台。

本发明的技术方案如下：

本发明主要由加载板、测力板、上盖板、底框和12条以上解耦测力支链组成。其中底框为框架结构，上盖板盖在底框上端，形成一个箱体，上盖板上设有长方形开口，加载板为工字型结构，其下板固定在测力板的平面正中，其上板伸出上盖板，与上盖板有大于5mm的间距，测力板和上盖板以及底框通过解耦测力支链相连接，测力支链分布在测力板的六个面上，分别固定在测力板上、下面和四个侧面上，设在同一面上测力支链的中心线相互平行，设在相邻面上的测力支链中心线相互垂直。所述解耦测力支链由压头A、钢球、拉压力传感器和压头B组成，其中压头A的一端固定在测力板上，拉压力传感器的一端分别固定在底框和上盖板上，该拉压力传感器的另一端与压头B的一端固定，上述压头A和压头B的的另一端均为凹面，钢球镶嵌在两个凹面之间。

分布在测力板六个面上测力支链的数量都可根据被测方向载荷的增大而相应增多，从而提高测力平台的刚度，增大量程范围。同时通过对多测力分支冗余测量信息的观测，提高测量精度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、测力支链内采用钢球连接，变以往滑动摩擦为滚动摩擦，实现了机械解耦，降低了摩擦对维间耦合进而对测力平台测量精度及精确度造成的影响；

2、结构简单，装配调试方便，易于实现大测力板六维力测量；

3、标定便捷，由于维间耦合小，可通过对支链内单维力传感器的标定实现总体标定，从而克服了现有研制多维力传感器领域存在的还需研发与其配套的多维力加载标定台并进行整体标定工作等问题；

4、可通过增加测力支链的数量增大平台刚度和提高测力量程，特别适用于重载大吨位测量场合。

附图说明

图1为本发明的外观立体示意简图；

图2为本发明测力支链分布示意简图；

图3为本发明内部结构示意简图；

图4为本发明解耦测力支链示结构意简图；

具体实施方式

在图1和3所示的一种机械解耦重载并联六维测力平台示意图中，底框3为框架结构，上盖板2盖在底框上端，形成一个箱体，上盖板上设有长方形开口，加载板1为工字型结构，其下板穿过上盖板的开口固定在测力板的平面正中，其上板伸出上盖板，与上盖板有大于5mm的间距。测力板和上盖板以及底框通过解耦测力支链相连接，如图2所示，16个测力支链分布在测力板的六个面上，在测力板上、下面各设有4个，四个侧面上各设有2个，设在同一面上测力支链的中心线相互平行，设在相邻面上的测力支链中心线相互垂直。如图4所示，解耦测力支链由压头A5、钢球6、拉压力传感器8和压头B7组成，其中压头A的一端固定在测力板上，拉压力传感器的一端分别固定在底框和上盖板上，该拉压力传感器的另一端与压头B的一端固定，上述压头A和压头B的的另一端均为凹面，钢球镶嵌在两个凹面之间。

固定于测力板上的压头A的弧形表面与钢球接触形成S副，固定于拉压传感器上的压头B的弧形表面与钢球接触也形成S副，拉压力传感器相当于移动副。因此，测力支链为SSP结构，测力支链中心线为拉压传感器轴线，其中S表示球铰，P表示移动副，对应着拉压力传感器。

Claims (1)

1.一种机械解耦重载并联六维测力平台，包括加载板、测力板、上盖板、底框和16条解耦测力支链，其特征在于：其底框为框架结构，上盖板盖在底框上端，形成一个箱体，上盖板上设有长方形开口，加载板为工字型结构，其下板固定在测力板的平面正中，其上板伸出上盖板，与上盖板有大于5mm的间距，测力板和上盖板以及底框通过解耦测力支链相连接，测力支链分布在测力板的六个面上，分别固定在测力板上、下面和四个侧面上，16条测力支链分布在测力板的六个面上，在测力板上、下面各设有4条，四个侧面上各设有2条，设在同一面上测力支链的中心线相互平行，设在相邻面上的测力支链中心线相互垂直；所述解耦测力支链由压头A、钢球、拉压力传感器和压头B组成，其中压头A的一端固定在测力板上，拉压力传感器的一端分别固定在底框和上盖板上，该拉压力传感器的另一端与压头B的一端固定，上述压头A和压头B的的另一端均为凹面，钢球镶嵌在两个凹面之间。