CN106124115A - 一种电磁补偿式三维力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁补偿式三维力矩传感器，包括测量平台、传感器、外壳体、电磁铁、吸盘、底座、内壳体、接口，所述外壳体固定位于所述底座上，所述外壳体的内部设有所述内壳体，所述电磁铁位于所述外壳体上，所述传感器位于所述内壳体的内部并与所述内壳体进行连接，所述传感器的底端固定位于所述底座上，所述吸盘位于所述内壳体上，所述接口设在所述外壳体的外壁上，所述测量平台位于所述内壳体上部并与所述内壳体进行连接。本发明的装置可以在保持三维力矩传感器灵敏度不降低的情况下显著增大力矩传感器的量程，可以通过电磁补偿的方式将一个小量程，但灵敏度高的三维力矩传感器变成一个兼备灵敏度和大量程的传感器，且整体结构紧凑。

Description

一种电磁补偿式三维力矩传感器

技术领域

本发明属于传感器测试技术领域，涉及一种大量程高精度的三维力矩传感器。

背景技术

在工程技术上，常常把直接作用于器件，同时能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件称之为传感器。随着科学技术的迅速发展，传感器技术已成为高新科技的核心技术之一，在测量、控制及信息技术等领域对传感器的要求越来越高，然而传感器的量程和灵敏度一直以来是相互矛盾的，量程大则灵敏度变低，量程小则灵敏度高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种电磁补偿式三维力矩传感器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电磁补偿式三维力矩传感器，包括测量平台、传感器、外壳体、电磁铁、吸盘、底座、内壳体、接口，所述外壳体固定位于所述底座上，所述外壳体的内部设有所述内壳体，所述电磁铁位于所述外壳体上，所述传感器位于所述内壳体的内部并与所述内壳体进行连接，所述传感器的底端固定位于所述底座上，所述吸盘位于所述内壳体上，所述接口设在所述外壳体的外壁上，所述测量平台位于所述内壳体上部并与所述内壳体进行连接。

所述电磁铁包括第一组电磁铁、第二组电磁铁、第三组电磁铁、第四组电磁铁，所述第一组电磁铁、第二组电磁铁、第三组电磁铁、第四组电磁铁分别穿过所述外壳体四个面所设的电磁铁安装孔，并且所述第一组电磁铁、第二组电磁铁、第三组电磁铁、第四组电磁铁的部分被所述外壳体四个面所设的电磁铁安装孔夹紧。

所述吸盘包括第一组吸盘、第二组吸盘、第三组吸盘、第四组吸盘，所述第一组吸盘、第二组吸盘、第三组吸盘、第四组吸盘分别位于所述内壳体四个面所设的吸盘安装孔中。

所述吸盘包括一个圆形基座及设在圆形基座上的凸台，所述凸台镶嵌在内壳体四个面所设的吸盘安装孔中。

所述吸盘通过胶粘的方式固定于内壳体上。

所述内壳体是由前后左右四个面围成的中空结构，所述内壳体的上面有延伸的部分结构，所述部分结构上设有用于连接内壳体与传感器定位时的定位销孔、内壳体安装时所用的若干第一螺孔、用于连接测量平台与内壳体的若干第二螺孔，所述第一螺孔和所述第二螺孔在所述部分结构沿圆周方向均布，所述内壳体四个面上设有若干个吸盘安装孔，所述内壳体的一个面上设有用于穿过传感器的导线的第一过线孔。

所述外壳体是由前后左右四个面围成的中空结构，四个面上均设有用于安装所述电磁铁的电磁铁安装孔，所述电磁铁安装孔边上设有薄片，每个电磁铁安装孔都设有对应的用于安装锁紧螺钉的电磁铁锁紧螺钉安装孔，所述外壳体的外壁上设有接口安装孔，用于将接口安装在外壳体上，所述外壳体四个面上都设有第二过线孔。

所述传感器为三维力矩传感器。

所述测量平台、传感器、外壳体、底座、内壳体、接口的材质均为非铁磁性物质。

所述吸盘、所述电磁铁的材质为铁磁性材料。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明的装置可以在保持三维力矩传感器灵敏度不降低的情况下显著增大力矩传感器的量程，可以通过电磁补偿的方式将一个小量程，但灵敏度高的三维力矩传感器变成一个兼备灵敏度和大量程的传感器，且整体结构紧凑。

附图说明

图1为本发明实施例电磁补偿式三维力矩传感器的整体结构示意图。

图2为本发明实施例电磁补偿式三维力矩传感器的局部剖切示意图。

图3为本发明实施例电磁补偿式三维力矩传感器的部分结构爆炸示意图。

图4为本发明实施例电磁补偿式三维力矩传感器的整体结构主视图。

图5是本发明实施例电磁补偿式三维力矩传感器的电磁铁如何工作产生力矩以及电磁铁的配合工作方式的结构示意图。

图6为内壳体的三维结构示意图。

图7为外壳体的三维结构示意图。

其中：1为测量平台、2为传感器、3为外壳体、4为电磁铁、5为吸盘、6为底座、7为内壳体、8为接口、41为第一组电磁铁、42为第二组电磁铁、43为第三组电磁铁、44为第四组电磁铁、51为第一组吸盘、52为第二组吸盘、53为第三组吸盘、54为第四组吸盘、411为第一组第一个电磁铁、412为第一组第二个电磁铁、413为第一组第三个电磁铁、414为第一组第四个电磁铁、421为第二组第一个电磁铁、422为第二组第二个电磁铁、521为第二组第一个吸盘、522为第二组第二个吸盘、431为第三组第一个电磁铁、432为第三组第二个电磁铁、433为第三组第三个电磁铁、434为第三组第四个电磁铁、441为第四组第一个电磁铁、442为第四组第二个电磁铁、71为定位销孔、72为第一螺孔、73为吸盘安装孔、74为第一过线孔、75为第二螺孔、31为电磁铁安装孔、32为薄片、33为电磁铁锁紧螺钉安装孔、34为接口安装孔、35为第二过线孔。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

一种电磁补偿式三维力矩传感器，包括测量平台1、传感器2、外壳体3、电磁铁4、吸盘5、底座6、内壳体7、接口8，所述外壳体3固定位于所述底座6上，所述外壳体3的内部设有所述内壳体7，所述电磁铁4位于所述外壳体3上，所述传感器2位于所述内壳体7的内部并与所述内壳体7进行连接，所述传感器2的底端固定位于所述底座6上，所述吸盘5位于所述内壳体7上，所述接口8设在所述外壳体3的外壁上，所述测量平台1位于所述内壳体7上部并与所述内壳体7进行连接。

所述电磁铁4包括第一组电磁铁41、第二组电磁铁42、第三组电磁铁43、第四组电磁铁44，所述第一组电磁铁41、第二组电磁铁42、第三组电磁铁43、第四组电磁铁44分别穿过所述外壳体3四个面所设的电磁铁安装孔31，并且所述第一组电磁铁41、第二组电磁铁42、第三组电磁铁43、第四组电磁铁44的部分被所述外壳体3四个面所设的电磁铁安装孔31夹紧。

所述吸盘5包括第一组吸盘51、第二组吸盘52、第三组吸盘53、第四组吸盘54，所述第一组吸盘51、第二组吸盘52、第三组吸盘53、第四组吸盘54分别位于所述内壳体7四个面所设的吸盘安装孔73中。

所述吸盘5包括一个圆形基座及设在圆形基座上的凸台，所述凸台镶嵌在内壳体7四个面所设的吸盘安装孔73中，所述吸盘5通过胶粘的方式固定于内壳体7上。

所述内壳体7(结构如图6所示，图6为内壳体的三维结构示意图。)是由前后左右四个面围成的中空结构，所述内壳体7的上面有延伸的部分结构，所述部分结构上设有用于连接内壳体7与传感器2定位时的定位销孔71、内壳体7安装时所用的若干第一螺孔72、用于连接测量平台1与内壳体7的若干第二螺孔75，所述第一螺孔72和所述第二螺孔75在所述部分结构沿圆周方向均布，所述内壳体7四个面上设有若干个吸盘安装孔73，所述内壳体7的一个面上设有用于穿过传感器2的导线的第一过线孔74。

所述外壳体3(结构如图7所示，图7为外壳体的三维结构示意图。)是由前后左右四个面围成的中空结构，四个面上均设有用于安装所述电磁铁4的电磁铁安装孔31，所述电磁铁安装孔31边上设有薄片32，每个电磁铁安装孔31都设有对应的用于安装锁紧螺钉的电磁铁锁紧螺钉安装孔33，所述外壳体3的外壁上设有接口安装孔34，用于将接口8安装在外壳体3上，所述接口安装孔34位置无特殊要求，所述外壳体3四个面上都设有第二过线孔35，用于穿过相应壁上电磁铁的导线。安装时将电磁铁4塞入电磁铁安装孔31中，此时电磁铁4的位置确定，拧紧锁紧螺钉，锁紧螺钉将薄片32压紧在电磁铁4上，从而抱紧电磁铁4，电磁铁4即可通过摩擦被固定在外壳体3上。如需对电磁铁4进行拆卸时，只需将螺钉沿反方向移动即可。

所述传感器2为三维力矩传感器。

为了提高通过电磁铁所施加力矩的准确性，所述测量平台1、传感器2、外壳体3、底座6、内壳体7、接口8的材质均为非铁磁性物质。

所述吸盘5、所述电磁铁4的材质为铁磁性材料。

电磁补偿式三维力矩传感器结构如图1～4所示。图1为本发明实施例电磁补偿式三维力矩传感器的整体结构示意图，图2为本发明实施例电磁补偿式三维力矩传感器的局部剖切示意图，图3为本发明实施例电磁补偿式三维力矩传感器的部分结构爆炸示意图，图4为本发明实施例电磁补偿式三维力矩传感器的整体结构主视图。高灵敏度三维力矩传感器2通过螺钉安装在底座6上，内壳体7与高灵敏度三维力矩传感器2通过螺钉连接，内壳体7安装在三维力矩传感器2上，内壳体7的上表面要高于外壳体3的上表面。外壳体3通过螺钉连接安装在底座6上，安装在内壳体7上的测量平台1下表面要高于外壳体3的上表面，即外壳体3的上表面和测量平台1的下表面有一定的间隙，并且安装在三维力矩传感2上的内壳体7和底座6留有一定的间隙，为本发明电磁补偿式三维力矩传感器工作时发生的形变留位置。测量平台1通过螺钉安装在内壳体7上，被测量的力矩通过测量平台1加载到高灵敏度三维力矩传感器2。外壳体3通过螺钉与底座6固定，用于安装电磁铁4。12个电磁铁4通过锁紧螺钉将加工在外壳体3上的薄片32压紧在电磁铁4上，通过摩擦力将电磁铁4固定在外壳体3上。电磁铁4穿过外壳体3，有一个端面靠近但不接触吸盘5，电磁铁4和吸盘5之间留有一定的间隙。12个吸盘5通过胶粘的方式固定在内壳体7相应的位置上。

外壳体3的四个侧面中有两个侧面各自安装有第一组电磁铁41和第三组电磁铁43，第一组电磁铁41和第三组电磁铁43均有四个，另外两个侧面上各自安装有第二组电磁铁42和第四组电磁铁44，第二组电磁铁42和第四组电磁铁44均有两个，一共有12个电磁铁。每个电磁铁都对应有一个吸盘5安装在内壳体和电磁铁相对应的位置上。电磁铁只能向吸盘施加吸力，并不能向吸盘施加斥力。接口8开设的位置没有特殊的要求，只要在外壳体3的侧面上有足够的位置。测量平台1要稍高于外壳体3的上边缘，因为在工作时三维力矩传感器中弹性体要发生细微变形，会导致测量平台1发生细微的倾斜或位移，因此外壳体3不能顶着测量平台1。

高灵敏度三维力矩传感器2灵敏度高、刚度较小，所以测量范围有限。若一个较大的力矩直接施加在高灵敏度三维力矩传感器2上会使其发生严重的变形甚至发生破坏。本发明电磁补偿式三维力矩传感器可以通过电磁铁4产生与外力矩方向相反的力矩，从而抵消加载在传感器上的外力矩，最终使得高灵敏度三维力矩传感2所承受的合力矩为0，此时通过电磁铁4作用在内壳体7上的力矩和待测量的外力矩大小一样方向相反。通过这种方式可以大大增大高灵敏度三维力矩传感器2的量程而保持其灵敏度不变。

具体的，如图5所示，图5是本发明实施例电磁补偿式三维力矩传感器的电磁铁如何工作产生力矩以及电磁铁的配合工作方式的结构示意图。通过12个电磁铁中的2个进行相互配合可以产生正X方向、负X方向、正Y方向、负Y方向、正Z方向、负Z方向一共六个方向的力矩，其他的方向则可以通过上述六个方向中的若干方向的力矩合成，通过控制电磁铁4对吸盘5的吸力就可以控制力矩的大小，因此通过12个电磁铁4可以产生任意方向和大小的力矩。参考图5左下角处的坐标系，以Y方向的力矩为例。若第二组第一个电磁铁421和第四组第二个电磁铁442同时以相同大小的吸力去吸相对应的吸盘，由于作用力的方向相反因此作用在内壳体上的合力为0，但是由于第二组第一个电磁铁421作用于第二组第一个吸盘521上的吸力和第四组第二个电磁铁442作用在相对应吸盘上的吸力方向平行但不共线，通过右手螺旋定则可以得知，此时在内壳体7上施加了一个正Y方向的力矩。同理若让第二组第二个电磁铁422作用于第二组第二个吸盘522上的吸力和第四组第一个电磁铁441作用在相对应吸盘上的吸力大小相等，就在内壳体上施加了一个负Y方向的力矩。根据不同的电磁铁组合来负责产生不同方向的力矩，将电磁铁分为三组，分别负责X方向力矩、Y方向力矩、Z方向力矩。负责X方向的电磁铁为第三组第四个电磁铁434、第三组第二个电磁铁432、第一组第四个电磁铁414、第一组第二个电磁铁412，负责Y方向力矩的电磁铁为第二组第一个电磁铁421、第二组第二个电磁铁422、第四组第一个电磁铁441、第四组第二个电磁铁442，负责Z方向力矩的电磁铁为第三组第一个电磁铁431、第三组第三个电磁铁433、第一组第一个电磁铁411、第一组第三个电磁铁413。每一组电磁铁有四个，其中两个负责正方向，两个负责负方向。具体的，第三组第二个电磁铁432和第一组第四个电磁铁414负责正X方向，第三组第四个电磁铁434和第一组第二个电磁铁412负责负X方向，第二组第一个电磁铁421和第四组第二个电磁铁442负责正Y方向，第二组第二个电磁铁422和第四组第一个电磁铁441负责负Y方向，第三组第一个电磁铁431和第一组第三个电磁铁413负责正Z方向，第三组第三个电磁铁433和第一组第一个电磁铁411负责负Z方向。电磁铁施加作用力于吸盘上，吸盘粘贴在内壳体上从而在内壳体上产生力矩，而内壳体固定在三维力矩传感器上并且无其他支撑，因此就将力矩施加在三维力矩传感器上，从而实现对三维力矩传感器进行电磁补偿。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁补偿式三维力矩传感器，其特征在于：包括测量平台、传感器、外壳体、电磁铁、吸盘、底座、内壳体、接口，所述外壳体固定位于所述底座上，所述外壳体的内部设有所述内壳体，所述电磁铁位于所述外壳体上，所述传感器位于所述内壳体的内部并与所述内壳体进行连接，所述传感器的底端固定位于所述底座上，所述吸盘位于所述内壳体上，所述接口设在所述外壳体的外壁上，所述测量平台位于所述内壳体上部并与所述内壳体进行连接。

2.根据权利要求1所述的电磁补偿式三维力矩传感器，其特征在于：所述电磁铁包括第一组电磁铁、第二组电磁铁、第三组电磁铁、第四组电磁铁，所述第一组电磁铁、第二组电磁铁、第三组电磁铁、第四组电磁铁分别穿过所述外壳体四个面所设的电磁铁安装孔，并且所述第一组电磁铁、第二组电磁铁、第三组电磁铁、第四组电磁铁的部分被所述外壳体四个面所设的电磁铁安装孔夹紧。

3.根据权利要求1所述的电磁补偿式三维力矩传感器，其特征在于：所述吸盘包括第一组吸盘、第二组吸盘、第三组吸盘、第四组吸盘，所述第一组吸盘、第二组吸盘、第三组吸盘、第四组吸盘分别位于所述内壳体四个面所设的吸盘安装孔中。

4.根据权利要求3所述的电磁补偿式三维力矩传感器，其特征在于：所述吸盘包括一个圆形基座及设在圆形基座上的凸台，所述凸台镶嵌在内壳体四个面所设的吸盘安装孔中。

5.根据权利要求1所述的电磁补偿式三维力矩传感器，其特征在于：所述吸盘通过胶粘的方式固定于内壳体上。

6.根据权利要求1所述的电磁补偿式三维力矩传感器，其特征在于：所述内壳体是由前后左右四个面围成的中空结构，所述内壳体的上面有延伸的部分结构，所述部分结构上设有用于连接内壳体与传感器定位时的定位销孔、内壳体安装时所用的若干第一螺孔、用于连接测量平台与内壳体的若干第二螺孔，所述第一螺孔和所述第二螺孔在所述部分结构沿圆周方向均布，所述内壳体四个面上设有若干个吸盘安装孔，所述内壳体的一个面上设有用于穿过传感器的导线的第一过线孔。

7.根据权利要求1所述的电磁补偿式三维力矩传感器，其特征在于：所述外壳体是由前后左右四个面围成的中空结构，四个面上均设有用于安装所述电磁铁的电磁铁安装孔，所述电磁铁安装孔边上设有薄片，每个电磁铁安装孔都设有对应的用于安装锁紧螺钉的电磁铁锁紧螺钉安装孔，所述外壳体的外壁上设有接口安装孔，用于将接口安装在外壳体上，所述外壳体四个面上都设有第二过线孔。

8.根据权利要求1所述的电磁补偿式三维力矩传感器，其特征在于：所述传感器为三维力矩传感器。

9.根据权利要求1所述的电磁补偿式三维力矩传感器，其特征在于：所述测量平台、传感器、外壳体、底座、内壳体、接口的材质均为非铁磁性物质。

10.根据权利要求1所述的电磁补偿式三维力矩传感器，其特征在于：所述吸盘、所述电磁铁的材质为铁磁性材料。