CN104614112B - 组合式高精度三轴力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合式高精度三轴力传感器，属于机械设计及传感测量技术领域。三轴力传感器，包括受力模块、安装模块和电阻应变片三个主要模块以及安装基座、待测零件和外围测量电路等等外围设备。受力模块与安装模块通过螺钉连接为一个整体，组成三轴力传感器的本体；受力模块与待测零件通过螺钉安装，实现三轴力的输入；安装模块安装到安装基座上，实现传感器的固定；三轴力传感器的每一个测量模块都布置了四个电阻应变片，并构成全桥测量电路，将测量得到的电信号输出给外围电路即可实现三个方向力的测量。本发明能够实现同时对精密微细研磨加工过程中工件所受X、Y、Z三个方向研磨力的高精度测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种精密微细加工过程中使用的组合式高精度三轴力传感器，属于机械设计及传感测量技术领域。
背景技术
随着现代军事系统向小型化、高精度方向发展，对惯导系统及其结构器件的小型化提出了迫切的要求。惯性器件的小型化，有利于提高系统的可靠性、抗过载能力、隐身性、机动性、集成度，同时有利于减少系统的体积和重量。经过小型化的惯性器件已经脱离传统惯性器件的尺寸范围，进入微细结构件的精密加工行列，且远远超出了传统加工方法力所能及的加工范围。在超精密加工过程中,对加工过程中工件所受三个方向切削力的高精度测量是实现高精度、高质量、高效率加工的重要手段。从现有的三轴力传感器来看，主要有以下两种：
(1)多个单轴力传感器构成的三轴力测量装置:应用三个单轴力传感器辅以相应的安装结构，将三个单轴力传感器的测量方向分别按正交坐标系的三个坐标轴方向进行布置，连接成为一个整体，每一个单轴力传感器实现一个方向的力的测量，进而实现三个方向力的测量。
(2)八角环式三轴力传感器：三轴力传感器本体采用具有四个耳环的稳定性较好的整体式八角环结构，四个耳环分别布置于方形三轴力传感器的四个角，通过设计和实验调整四个耳环的尺寸公差、形状和位置公差及粗糙度，使得其满足三轴力传感器的测量要求，实现三个方向力的测量。
上述两种三轴力传感器主要应用于常规切削加工过程中三个方向力的测量等实验研究，虽然具有结构简单，量程范围广，容易实现实时检测等优点。但是这两种三轴力传感器的缺点是：第一种三轴力传感器需要设计和安装三个单轴力传感器的安装结构，安装过程复杂，使用不方便，由于安装结构的影响，三个单轴力传感器的测量结果会相互影响，产生较大的耦合误差；第二种三轴力传感器虽然是一体式结构，安装方便，但是其自身的外形结构比较复杂，加工困难，且其各个方向的测量模块不相互独立，在测量过程中各个方向的测量结果会有较大的耦合误差。在精密加工过程中，为了准确、全面的进行切削力测量，亟需设计一种外形结构简单，安装使用方便，且能同时对三个方向力进行高精度测量的三轴力传感器。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种组合式高精度三轴力传感器，能够以简单的结构实现同时对微细结构件精密加工过程中工件所受X、Y、Z三个方向研磨力的高精度测量。
一种组合式高精度三轴力传感器，包括受力模块、安装模块、电阻应变片、安装基座、待测零件和外围的测量电路。
所述受力模块由五根矩形块顺序垂直相接形成一体化结构的三维零件，前四根矩形块顺序形成一个未封闭的口字形，第五根矩形块垂直于第四根矩形块的末端且位于口字形内形成悬臂梁结构，第五根矩形块的末端位于口字型结构的中心，所述第五根矩形块的上表面加工有螺纹孔，该表面为受力平面，螺纹孔用于安装待测零件；第一根矩形块的上表面加工有连接孔，第二根和第三根矩形块上加工有双横梁结构；所述第二根至第五根矩形块的底面位于同一平面且高于第一根矩形块的底面；
所述安装模块由两个连接块和连接梁组成，连接梁同时垂直于两个连接块，连接梁上加工有双横梁结构，其中一个连接块的上表面加工有安装孔，另一个连接块的表面上加工有连接螺纹孔；连接梁的上下表面所在的平面位于两个连接块上下表面所在的平面之内，加工有安装孔的连接块的下表面为安装平面，加工有连接螺纹孔的连接块的上表面为安装连接平面；
其整体连接关系为：所述安装模块的一个连接块与受力模块的第一根矩形块固定连接，通过连接块上的连接螺纹孔与第一根矩形块上的连接孔固定，所述连接块上的安装连接平面与受力模块第一根矩形块的底面贴合；所述受力模块的第二根至第五根矩形块的底面与安装模块相对的表面之间存在间隙，所述待测零件固定连接在安装模块上第五根矩形块的受力平面上，所述第五根矩形块上表面螺纹孔的中心轴线与安装模块中连接梁上的双横梁结构的中心位于同一直线上；上述部件构成了三轴力传感器的整体，所述受力模块的第三根和第二根矩形块分别形成X轴模块和Y轴模块，所述安装模块中连接梁形成Z轴模块；所述传感器整体通过安装模块的另一个连接块与所述安装基座固定连接，所述连接块的安装平面与安装基座的上表面贴合，所述安装模块的连接梁与安装基座的上表面之间存在间隙；所述电阻应变片布置于三轴力传感器双横梁结构的内部，将三轴力传感器受力产生的形变转换为电信号，实现X、Y、Z三个方向力的测量。
进一步的，所述受力模块的第二根和第三根矩形块的交汇处设有分别贯通双横梁结构的空腔的受力走线孔，所述安装模块上设有安装走线孔；三个双横梁结构各自的四个电阻应变片以全桥的方式进行组桥，线缆通过受力模块的受力走线孔和安装模块的安装走线孔与外围的测量电路连接。
进一步的，所述的电阻应变片为高精度铂式应变片。
工作原理：所述的X轴模块、Y轴模块和Z轴模块为三个相同的双横梁结构，通过结构设计、力学计算、仿真分析分别对三个对所述双横梁结构进行优化使其满足高精度的测量要求，然后在三个双横梁结构内壁接近四个圆形倒角的地方贴上高精度电阻应变片，将三个双横梁结构各自的四个电阻应变片以全桥的方式进行组桥，并连接至外围测量电路即可实现X、Y、Z三个方向力的测量；所述受力模块的受力平面与待测零件的平面重合安装，并通过所述受力模块的螺纹孔将三轴力传感器与待测零件紧密的连接在一起，使得待测零件所受到的力全部传递给三轴力传感器。
有益效果：
1、本发明采用两个简单零件组合安装为一个三轴力传感器的方式，既解决了以往三轴力传感器采用单个零件制造，加工难度大，成本高的困难，又避免了采用多个单轴力传感器拼凑三轴力测量装置的复杂过程，整体结构简单易行、加工速度快捷、安装使用方便，
2、本发明能够实现同时对三个方向的力进行直接测量，待测力未经任何削减的传递到三轴力传感器的三个测量模块，且三个测量模块单独的对自己方向上的力信号进行测量，互不影响，具有测量精度高、测量范围广等特点，能够满足精密微细结构件加工过程中三个方向力的测量要求，具有很强的适用性，为微细结构件的高质量精密加工提供了技术保障。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明受力模块示意图；
图3为本发明安装模块示意图。
其中，1-受力模块、2-电阻应变片、3-待测零件、4-安装基座、5-安装模块、6-受力平面、7-螺纹孔、8-连接孔、9-受力连接平面、10-Y轴模块、11-受力走线孔、12-X轴模块、13-连接螺纹孔、14-安装孔、15-安装平面、16-Z轴模块、17-安装走线孔、18-安装连接平面。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明的组合式高精度三轴力传感器包括受力模块1、安装模块5、电阻应变片2、安装基座4、待测零件3和外围的测量电路。
所述受力模块1由五根矩形块顺序垂直相接形成的一体化结构的三维零件，前四根矩形块顺序形成一个未封闭的口字形，第五根矩形块垂直于第四根矩形块的末端且位于口字形内形成悬臂梁结构，第五根矩形块的末端位于口字型结构的中心，所述第五根矩形块的上表面加工有螺纹孔7，该表面为受力平面6，螺纹孔用于安装待测零件3；所述第一根矩形块的上表面加工有连接孔8，下表面为受力连接平面9，所述第二根和第三根矩形块上加工有双横梁结构；所述第二根至第五根矩形块的底面位于同一平面且高于第一根矩形块的底面；
所述安装模块5由两个连接块和连接梁组成，连接梁同时垂直于两个连接块，连接梁上加工有双横梁结构，其中一个连接块的上表面加工有安装孔14，另一个连接块的表面上加工有连接螺纹孔13；连接梁的上下表面所在的平面位于两个连接块上下表面所在的平面之内，加工有安装孔14的连接块的下表面为安装平面15，加工有连接螺纹孔13的连接块的上表面为安装连接平面18；
其整体连接关系为：所述安装模块5的一个连接块与受力模块1的第一根矩形块固定连接，通过连接块上的连接螺纹孔13与第一根矩形块上的连接孔8固定，所述连接块上的安装连接平面18与受力模块1第一根矩形块的受力连接平面9贴合；所述受力模块1的第二根至第五根矩形块的底面与安装模块5相对的表面之间存在间隙，所述待测零件3固定连接在安装模块5上第五根矩形块的受力平面6上，所述第五根矩形块上表面螺纹孔7的中心轴线与安装模块5中连接梁上的双横梁结构的中心位于同一直线上；上述部件构成了三轴力传感器的整体，所述受力模块1的第三根和第二根矩形块分别形成X轴模块12和Y轴模块10，所述安装模块5中连接梁形成Z轴模16；所述传感器整体通过安装模块5的另一个连接块上的安装孔14与所述安装基座4固定连接，所述连接块的安装平面15与安装基座4的上表面贴合，所述安装模块5的连接梁与安装基座4的上表面之间存在间隙；所述电阻应变片2布置于三轴力传感器双横梁结构的内部，将三轴力传感器受力产生的形变转换为电信号，实现X、Y、Z三个方向力的测量。
进一步的，所述受力模块1的第二根和第三根矩形块的交汇处设有分别贯通双横梁结构的空腔的受力走线孔11，所述安装块5上设有安装走线孔17；三个双横梁结构各自的四个电阻应变片以全桥的方式进行组桥，线缆通过受力模块1的受力走线孔11和安装模块5的安装走线孔17与外围的测量电路连接。
进一步的，所述的电阻应变片2为高精度铂式应变片。
工作原理：所述的X轴模块、Y轴模块和Z轴模块为三个相同的双横梁结构，通过结构设计、力学计算、仿真分析分别对三个对所述双横梁结构进行优化使其满足高精度的测量要求，然后在三个双横梁结构内壁接近四个圆形倒角的地方贴上高精度电阻应变片，将三个双横梁结构各自的四个电阻应变片以全桥的方式进行组桥，并连接至外围测量电路即可实现X、Y、Z三个方向力的测量；所述受力模块1的受力平面与待测零件的平面重合安装，并通过所述受力模块1的螺纹孔7将三轴力传感器与待测零件紧密的连接在一起，使得待测零件所受到的力全部传递给三轴力传感器；所述受力模块1的两个受力走线孔11和所述安装模块的一个安装走线孔17都是用于传感器走线的通孔，使得三轴力传感器的所有输入输出线缆都从传感器内部通过。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种组合式高精度三轴力传感器,其特征在于，包括受力模块(1)、安装模块(5)、电阻应变片(2)、安装基座(4)、待测零件(3)和外围的测量电路；
所述受力模块(1)由五根矩形块顺序垂直相接形成一体化结构的三维零件，前四根矩形块顺序形成一个未封闭的口字形，第五根矩形块垂直于第四根矩形块的末端且位于口字形内形成悬臂梁结构，第五根矩形块的末端位于口字型结构的中心，所述第五根矩形块的上表面加工有螺纹孔(7)，该表面为受力平面(6)；第一根矩形块的上表面加工有连接孔(8)，第二根和第三根矩形块上加工有双横梁结构；所述第二根至第五根矩形块的底面位于同一平面且高于第一根矩形块的底面；
所述安装模块(5)由两个连接块和连接梁组成，连接梁同时垂直于两个连接块，连接梁上加工有双横梁结构，其中一个连接块的上表面加工有安装孔(14)，另一个连接块的表面上加工有连接螺纹孔(13)；连接梁的上下表面所在的平面位于两个连接块上下表面所在的平面之内，加工有安装孔(14)的连接块的下表面为安装平面(15)，加工有连接螺纹孔(13)的连接块的上表面为安装连接平面(18)；
其整体连接关系为：所述安装模块(5)的一个连接块与受力模块(1)的第一根矩形块固定连接，通过连接块上的连接螺纹孔(13)与第一根矩形块上的连接孔(8)固定，所述连接块上的安装连接平面(18)与受力模块(1)第一根矩形块的底面贴合；所述受力模块(1)的第二根至第五根矩形块的底面与安装模块(5)相对的表面之间存在间隙，所述待测零件(3)固定连接在安装模块(5)上第五根矩形块的受力平面(6)上，所述第五根矩形块上表面螺纹孔(7)的中心轴线与安装模块(5)中连接梁上的双横梁结构的中心位于同一直线上；上述部件构成了三轴力传感器的整体，所述受力模块(1)的第三根和第二根矩形块分别形成X轴模块和Y轴模块，所述安装模块(5)中连接梁形成Z轴模块；所述传感器整体通过安装模块(5)的另一个连接块与所述安装基座(4)固定连接，所述连接块的安装平面(15)与安装基座(4)的上表面贴合，所述安装模块(5)的连接梁与安装基座(4)的上表面之间存在间隙；所述电阻应变片(2)布置于三轴力传感器双横梁结构的内部，将三轴力传感器受力产生的形变转换为电信号，实现X、Y、Z三个方向力的测量。
2.如权利要求1所述的组合式高精度三轴力传感器，其特征在于，所述受力模块(1)的第二根和第三根矩形块的交汇处设有分别贯通双横梁结构的空腔的受力走线孔(11)，所述安装模块(5)上设有安装走线孔(17)；三个双横梁结构各自的四个电阻应变片(2)以全桥的方式进行组桥，线缆通过受力模块(1)的受力走线孔(11)和安装模块(5)的安装走线孔(17)与外围的测量电路连接。
3.如权利要求1所述的组合式高精度三轴力传感器，其特征在于，所述电阻应变片(2)为高精度铂式应变片。
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