CN104075834B - 重载弱耦合四维测力平台 - Google Patents
重载弱耦合四维测力平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种重载弱耦合四维测力平台，包括测力板、底框和测力支链，底框是由底面和四个侧面围成的框架结构，测力支链有12条以上，分布在测力板的下表面及四个侧面上，设在同一面上的测力支链中心线相互平行，相邻面上测力支链中心线相互垂直，测力板通过测力支链与底框相连。其优点是：结构简单，采用具有双球面同心镶嵌结构的测力支链，降低了摩擦与维间耦合，实现了测力支链内拉压双向机械解耦，适用于重载大吨位高精度多维力测量。
Description
技术领域
本发明涉及多维力传感器领域，特别是一种重载弱耦合四维测力平台。
背景技术
多维力传感器由于能够感知外力和力矩的全部信息而成为最重要的一类传感器，由于能够实时监测力的方向及大小的变化而被广泛应用，如精密装配、轮廓跟踪、双手协调、多指灵巧手和机器人力反馈等领域。目前，由于航空航天领域的快速发展，推力矢量测试、试飞实验、风洞实验和空间对接等领域，急需一种能够感知大吨位力和力矩的重载多维测力装置。
中国专利ZL93224329.0、ZL200810025591.2及ZL99102421.4所涉及的多维力敏元件均为一次加工成型，由于基体材料强度及其结构限制，较适用于小量程多维力测量，若将其应用于大量程多维力测量，会引起较大的维间耦合，无法满足高精度测力要求。在中大量程多维力测量领域，有很多国内外学者也做过很多贡献，如中国专利CN101149299利用三维力石英晶片整体组装来实现六维大力测量，中国专利ZL99102526.1、ZL200710061521.8以预紧式并联结构为弹性体制得六维力传感器，若将以上专利技术应用于大吨位多维力测量，同样存在着维间耦合较大及测量精度不高等问题；专利ZL200910075789.6采用多测力支链实现大量程六维力的测量，但由于测力支链内传统球铰结构存在的滑动摩擦，引起各维间耦合干扰较大，限制了测量精度的提高；中国专利ZL200710061531.1采用了球窝锥头式球面副代替传统球铰，较大的降低了运动副摩擦，但测量量程受其预紧力的限制，难以应用于大吨位多维力的测量。因此到目前为止，高精度大吨位重载多维力感知元件的开发仍是亟待解决的关键问题。
实现多维测力多采用并联结构，但目前常见测力支链内多使用普通球铰结构，由于滑动摩擦的存在，普遍存在维间耦合严重的现象，特别在重载大吨位多维测力中易导致测量精度低及力映射计算复杂等问题。因此，在重载高精并联多维测力平台领域，迫切需要一种维间耦合小、重载高精的并联多维测力结构方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够承受重载，实现机械解耦，并具有较高测量精度的重载弱耦合四维测力平台。
本发明的技术方案如下：
本发明包括测力板、底框、测力支链，底框是由底面和四个侧面围成的框架结构，测力支链有12条以上，分布在测力板的下表面及四个侧面上，设在同一面上的测力支链中心线相互平行，相邻面上测力支链中心线相互垂直，测力板通过测力支链与底框相连。
测力支链由钢球、第一立柱、第二立柱及拉压传感器构成，第一立柱由第一立柱压头、第一双头螺栓及第一立柱底座组成，第一立柱压头一端为柱状连接头，另一端为凹面压板，第一立柱底座是一面为凹面，另一面为凸面的圆形底座，其中第一立柱压头通过圆周均布的三只第一双头螺栓与第一立柱底座相连；第二立柱由第二立柱压头、第二双头螺栓及第二立柱底座组成，第二立柱压头一端为柱状连接头，另一端为凹面压板，第二立柱底座是一面为凹面，另一面为凸面的圆形底座，其中第二立柱压头通过圆周均布的三只第二双头螺栓与第二立柱底座相连；第一立柱和第二立柱反向连接在一起，钢球镶嵌在两个反向安装的立柱中并与两个立柱底座的凹面接触，第一立柱压头与测力板采用螺纹连接，第二立柱压头与拉压传感器采用螺纹连接，拉压传感器通过螺栓与底框相连。
钢球球面的曲率半径小于第一立柱底座凹面与第二立柱底座凹面的曲率半径，第一立柱压头凹面与第二立柱压头凹面的曲率半径分别大于第二立柱底座凸面与第一立柱底座凸面的曲率半径，由第一立柱底座凸面与第二立柱底座凸面组成的球面与钢球球面同球心。
对于每个测力支链，通过调节双头螺栓，使钢球表面与两个立柱底座的凹面紧密接触、一个立柱底座的凸面和另一个立柱的立柱压头凹面紧密接触，同时保证两个立柱始终同轴以实现测力支链的预紧。当对第一立柱压头施加轴向拉力时，钢球与两个立柱底座的凹面相互挤压而传力，进而使拉压传感器感知到拉力；当对第一立柱压头施加轴向压力时，两对立柱底座的凸面与立柱压头的凹面相互挤压而传力，进而使拉压传感器感知到压力。由于测力支链采用双球面同心结构，所以当第一立柱压头受到径向微量干扰时，也能较好的测量出第一立柱压头所受的轴向拉压力，进而实现测力支链双球面同心镶嵌型的拉压机械解耦。
在测力板的下表面上至少对称分布有四个测力支链；在测力板的四个侧面中，相对面上的测力支链相互对称分布。
分布在测力板上的测力支链的数量可根据被测载荷的增大而相应增加，以提高测力平台的刚度，增大测力量程。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、分支中采用双球面同心镶嵌结构，实现单维机械解耦，将传统支链结构中运动副的滑动摩擦转化为微动的滚动摩擦，大大降低了摩擦与维间耦合。
2、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，从而省去了繁琐的整体标定工作。
3、结构简单，装配调试方便，易于实现大吨位四维力的测量。
4、可通过增加测力支链的数量以提高传感器整体装置的刚度和测力量程，特别适用于测量重载或大吨位力。
附图说明
图1为本发明外观立体示意简图；
图2为本发明测力支链分布示意简图；
图3为本发明内部结构截面示意简图；
图4为本发明第一立柱结构示意图；
图5为本发明第二立柱结构示意图；
图6为本发明测力支链截面结构示意简图；
图7为本发明测力支链爆炸示意简图。
其中：1为测力板，2为底框，3为测力支链，3-1为第一立柱压头，3-2为第一双头螺栓，3-3为第一立柱底座，3-4为拉压传感器，3-5为第二立柱底座，3-6为钢球，3-7为第二立柱压头，3-8为第二双头螺栓。
具体实施方式
图1为本发明外观立体示意简图。底框(2)是由底面和四个侧面围成的框架结构，测力板(1)和底框(2)通过12个测力支链(3)相连，如图2所示，12个测力支链(3)分布在测力板(1)的五个面上，在测力板(1)下表面设有4个，四个侧面上各设有2个，其中第一立柱压头(3-1)与测力板(1)采用螺纹连接，拉压传感器(3-4)通过螺栓与底框(2)连接，设在同一面上测力支链(3)的中心线互相平行，在相邻面上的测力支链(3)中心线互相垂直。
图4为本发明第一立柱结构示意图。第一立柱压头(3-1)通过三个呈圆周均布的第一双头螺栓(3-2)与第一立柱底座(3-3)相连。在第一立柱底座(3-3)上除均布有三个与第一双头螺栓(3-2)配合的螺纹孔外还均布三个直径大于第二双头螺栓(3-8)直径的通孔，第一立柱压头(3-1)凹面的曲率半径大于第二立柱底座(3-5)凸面的曲率半径，第一立柱底座(3-3)凹面的曲率半径大于钢球(3-6)的曲率半径。
图5为本发明第二立柱结构示意图。第二立柱压头(3-7)通过三个呈圆周均布的第二双头螺栓(3-8)与第二立柱底座(3-5)相连。在第二立柱底座(3-5)上除均布有三个与第二双头螺栓(3-8)配合的螺纹孔外还均布三个直径大于第一双头螺栓(3-2)直径的通孔，第二立柱压头(3-7)凹面的曲率半径大于第一立柱底座(3-3)凸面的曲率半径，第二立柱底座(3-5)凹面的曲率半径大于钢球(3-6)的曲率半径。
图6为本发明测力支链截面结构示意简图。第一立柱压头(3-1)、第一双头螺栓(3-2)与第一立柱底座(3-3)组成第一立柱，第二立柱压头(3-7)、第二双头螺栓(3-8)与第二立柱底座(3-5)组成第二立柱；钢球(3-6)镶嵌在第一立柱与第二立柱通过第一立柱底座(3-3)与第二立柱底座(3-5)上的通孔反向安装后所组成的公共的空间中并与第一立柱底座(3-3)与第二立柱底座(3-5)上的凹面接触，第一立柱底座(3-3)与第二立柱底座(3-5)另一端均为凸面并分别与第二立柱压头(3-7)和第一立柱压头(3-1)的凹面接触，第一立柱压头(3-7)与拉压传感器(3-4)螺纹连接。第一立柱底座(3-3)凸面与第二立柱底座(3-5)凸面组成的球面与钢球(3-6)球面同球心，测力支链构成双球面同心镶嵌结构以实现机械解耦。
当测力板(1)受到单维拉压力时，可由与力线方向平行的测力支链(3)测量解算，其余测力支链(3)微动解耦；当测力板(1)受到z向转矩时，可由xoy平面内的测力支链(3)测量解算，其余测力支链(3)微动解耦。当测力板(1)受到多维力时，由于各测力支链(3)采用双球面同心结构，故其具有较强的轴向测力抗干扰性，所以直接由各测力支链(3)解算出测力板(1)所受的力，并可保证具有较高的精度。
Claims (2)
1.一种重载弱耦合四维测力平台，包括测力板、底框、测力支链，其特征是：底框是由底面和四个侧面围成的框架结构，测力支链有12条以上，分布在测力板的下表面及四个侧面上，设在同一面上的测力支链中心线相互平行，相邻面上测力支链中心线相互垂直，测力板通过测力支链与底框相连；测力支链由钢球、第一立柱、第二立柱及拉压传感器构成，第一立柱由第一立柱压头、第一双头螺栓及第一立柱底座组成，第一立柱压头一端为柱状连接头，另一端为凹面压板，第一立柱底座是一面为凹面，另一面为凸面的圆形底座，其中第一立柱压头通过圆周均布的三只第一双头螺栓与第一立柱底座相连；第二立柱由第二立柱压头、第二双头螺栓及第二立柱底座组成，第二立柱压头一端为柱状连接头，另一端为凹面压板，第二立柱底座是一面为凹面，另一面为凸面的圆形底座，其中第二立柱压头通过圆周均布的三只第二双头螺栓与第二立柱底座相连；第一立柱和第二立柱反向连接在一起，钢球镶嵌在两个反向安装的立柱中并与两个立柱底座的凹面接触，第一立柱压头与测力板采用螺纹连接，第二立柱压头与拉压传感器采用螺纹连接，拉压传感器通过螺栓与底框相连；钢球球面的曲率半径小于第一立柱底座凹面与第二立柱底座凹面的曲率半径，第一立柱压头凹面与第二立柱压头凹面的曲率半径分别大于第二立柱底座凸面与第一立柱底座凸面的曲率半径，由第一立柱底座凸面与第二立柱底座凸面组成的球面与钢球球面同球心。
2.根据权利要求1所述的重载弱耦合四维测力平台，其特征是：在测力板的下表面上至少对称分布有四个测力支链；在测力板的四个侧面中，相对面上的测力支链相互对称分布。
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