CN106994698A - 可测量扭矩的扭矩平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可测量扭矩的扭矩平衡装置，包括至少一块扭矩盘以及与扭矩盘相连的接头，扭矩盘上开设有绕中心轴孔呈螺旋状分布的涡卷扭簧槽或蛇形弹簧，涡卷扭簧槽或蛇形弹簧使扭矩盘形成绕中心轴孔的弹性扭力结构；所述接头上设置有至少一个用于测量应力和/或者变形的应变计。该装置不仅可以有效提高机械臂的工作效率，从而能够降低机械臂的制造成本，减小机械臂的体积，并且可以对机械臂的负载扭矩的波动进行监控，从而避免机械臂在工作时出现过载或者干涉碰撞。

Description

可测量扭矩的扭矩平衡装置

技术领域

本发明涉及机械制造相关领域，特别是可测量扭矩的扭矩平衡装置。

背景技术

在现代化的工业生产以及机器人技术领域，机械臂都得到了广泛的应用。尽管现在机械臂的结构、尺寸以及功能都各有不同，但机械臂在工作时，都是通过接受指令后，精确地定位到二维或三维空间上的某一位置来完成操作。

现有的机械臂通常都采用电机配合减速机的方式进行驱动控制，电机、减速机的输出功率或扭矩是根据机械臂的自重、负载重量产生的扭矩及需要的加速度来设计选型的。从成本、功耗和体积上考虑都希望能以较小的功率负载更大的负荷。在这些影响电机负荷同时又没有正面作用的就是由机械臂的自重带来的扭矩。因此，需要设计一种装置，在不降低设计机械臂负载能力的前提下降低电机、减速机功率和扭矩，从而降低机械臂、电机及减速机的功耗、体积和成本。

CN104215372B一种机械臂关节扭矩测量装置，包括弹性体、测头及位移检测器件，其中弹性体分为外环及内环，所述内环与外环之间通过弹性筋连接；所述位移检测器件安装在外环上，所述测头安装在弹性靠近内环的一端、并与所述位移检测器件相对应，可沿所述弹性体的周向、相对位移检测器件的检测方向运动。该装置弹性筋的外环相对内环的可旋转角度小，并且位移检测器件安装在弹性体内部，容易出现损坏并且损坏后难以更换。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种结构简单、安装方便的可测量扭矩的扭矩平衡装置，该装置不仅可以有效提高机械臂的工作效率，从而能够降低机械臂的制造成本，减小机械臂的体积，并且可以对机械臂的负载扭矩的波动进行监控，从而避免机械臂在工作时出现过载或者干涉碰撞。

本发明的技术方案是：可测量扭矩的扭矩平衡装置，包括至少一块扭矩盘以及与扭矩盘相连的接头，扭矩盘上开设有绕中心轴孔设置的弹簧槽或者呈螺旋状分布的涡卷扭簧槽，所述弹簧槽使扭矩盘形成弹簧结构，所述涡卷扭簧槽使扭矩盘形成涡卷扭簧结构；所述接头上设置有至少一个用于测量应力和/或者变形的应变计。

本发明具有以下优点：

1、在机械臂自重、负荷作用下，扭矩盘上的涡卷扭簧结构会随之扭曲蓄力，而减速机在机械臂悬停或运动时，涡卷扭簧结构的扭曲蓄力可以消除机械臂自重部分负荷，从而达到降低电机、减速机扭矩的目的；

2、在机械臂角度的转动过程中，涡卷扭簧随着转动而进一步扭曲，从而可以自动平衡掉机械臂自重产生的扭矩，从而保障机械臂的静扭矩全部是由于负荷产生的；

3、通过在接头在设置应变计对接头的扭转变形量进行测量，从而获得输入轴和输出轴所传递的扭矩大小，从而实现对机械臂的负载扭矩的波动进行监控，可以预判并避免机械臂在工作时出现过载或者干涉碰撞的情况；

4、本发明结构简单、占用空间小，可以直接加装在电机和减速机输出端面或者减速机和机械臂输出端面上，不会妨碍机械臂的动作。

进一步，所述弹簧结构绕中心轴孔设置的蛇形对称结构，并且其一端内侧与中心轴孔的孔壁相连、另一端外侧与弹簧槽外壁面相连的对称结构。当输入轴或者输出轴向不同方向旋转时，所述弹簧结构能够产生相应的顺时针或者逆时针的扭矩，从而能够消除不同输入轴或者输出轴不同转向所产生的扭矩。

进一步，所述扭矩盘上相邻的两条涡卷扭簧槽上还设有相对应的限位槽和限位块。当机械臂在工作时出现过载或者干涉碰撞时，中心轴孔会带动涡卷扭簧结构过度扭曲，而当涡卷扭簧结构扭曲到一定程度时，限位槽和限位块可以将涡卷扭簧结构卡死，从而避免机械臂过载或者碰撞而产生的事故。

进一步，所述扭矩盘与接头连接的另一侧开设有下凹面，所述弹簧槽或者涡卷扭簧槽开设在扭矩盘的下凹面所在区域。通过将弹簧结构或者涡卷扭簧结构设置下凹面，可以避免弹簧结构或者涡卷扭簧结构在扭转时与电机或者设备的表面发生干涉。

进一步，扭矩盘与接头通过键连接、螺接、铆接、焊接、粘接或者一体成型的方式相连。

进一步，所述扭矩盘的数量为两块，两块扭矩盘以对称的方式安装在接头的一侧或者两侧。

由于机械臂可以从垂直状态向两侧运动，因此机械臂自重以及负荷可能对减速机产生方向相反的扭矩，而同时将两块扭矩盘以对称的方式配合安装后，两块对称的扭矩盘内的涡卷扭簧结构的旋向不同，因此可以消除掉减速机受到的不同方向的扭矩。

进一步，所述扭矩盘中心轴孔套设在在驱动装置的输出轴或者工作装置的输入轴上，所述扭矩盘相应的安装在驱动装置的输出端面或者工作装置的输入端面上；所述扭矩盘中心轴与输入轴或者输出轴通过键连接、型轴连接、过盈连接、螺纹连接、粘接或者一体成型的方式相连并传递扭矩。

进一步，所述接头上开设有轴孔，所述轴孔与扭矩盘中心轴孔的轴线共线，所述接头轴孔与输出轴或者输入轴通过键连接、型轴连接、过盈连接、螺纹连接、粘接或者一体成型的方式相连并传递扭矩。

进一步，所述接头与输出轴采用键传动、链传动、皮带传动或者齿轮传动的方式传动相连。通过在接头一端设置有花键轮、链轮、皮带轮或者齿轮，从而与输出轴或者输入轴采用相应方式的传动连接。

进一步，所述接头外侧和/或者接头轴孔孔壁上开设有用于放置应变计的测量槽。

通过开设测量槽可以减少测量位置的厚度，这样的设计在承受同样的扭矩时产生的形变更大，提高应变计对接头所传递扭矩的测量分辨率。

进一步，扭矩盘的外周形状为与驱动装置的输出端面或者工作装置的输入端面的形状相同。

当电机、减速机的输出端面或者减速机与机械臂的输入端面为圆形、方形后者椭圆形等形状时，扭矩盘的外周形状设计成与之相应的形状，可以减少扭矩盘占用空间，以避免妨碍机械臂动作。

进一步，扭矩盘的材质为金属或者工程塑料。

当扭矩盘的材质为高锰钢、不锈钢、铝合金以及钛钢等金属时，具有使用寿命长，耐高温，结构强度高的特点。而工程塑料材质具有易加工成型、质量轻以及结构强度高的特点。

本发明结构简单、容易加工成型，并且实用性强、安装简单，不仅可以通过减少工作时电机或者发动机所需的扭矩来提高机械臂的工作效率，并且可以对机械臂的负载扭矩的波动进行监控，从而避免机械臂在工作时出现过载或者干涉碰撞。

附图说明

图1是本发明实施例1一种机械臂扭矩平衡装置的剖面结构示意图；

图2是本发明实施例1一种机械臂扭矩平衡装置的右视结构示意图；

图3是本发明实施例2一种机械臂扭矩平衡装置的剖面结构示意图；

图4是本发明实施例2一种机械臂扭矩平衡装置的右视结构示意图；

图5是本发明实施例3一种机械臂扭矩平衡装置的右视结构示意图；

图6是本发明实施例3一种机械臂扭矩平衡装置的结构示意图；

图7是图4中的扭矩盘的结构示意图；

图8是图4中的接头的结构示意图；

图9是本发明实施例5一种机械臂扭矩平衡装置的剖面结构示意图；

图10是本发明实施例5一种机械臂扭矩平衡装置的右视结构示意图；

图11是本发明实施例5一种机械臂扭矩平衡装置的左视结构示意图；

图12是本发明实施例6一种机械臂扭矩平衡装置的结构示意图；

图13是本发明实施例7一种机械臂扭矩平衡装置的剖视结构示意图；

图14是本发明实施例7一种机械臂扭矩平衡装置的右视结构示意图；

图15是本发明实施例8一种机械臂扭矩平衡装置的剖面结构示意图；

图16是本发明实施例8中两块对称扭力板的结构示意图。

图中：1—扭矩盘，2—涡卷扭簧槽，3—中心轴孔，4—通孔，5—接头，6—轴孔，7—应变计，8—测量槽，9—螺栓孔，10—限位槽，11—限位块，12—蛇形弹簧结构，13—下凹面，14—花键轮。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

如图1~2所示，可测量扭矩的扭矩平衡装置，包括扭矩盘1以及与扭矩盘1以一体成型的方式相连的接头5，扭矩盘1上开设有绕中心轴孔3呈螺旋状分布的涡卷扭簧槽2，涡卷扭簧槽2使扭矩盘1形成涡卷扭簧结构；所述接头5外侧以对称的方式设置有两个用于测量应力和的应变计7。

扭矩盘1为与减速机输入端面形状相应的正方形，在扭矩盘1的四个角上开设有用于穿过螺栓的通孔4，扭矩盘1通过螺栓与减速机输入端面相连。

扭矩盘1的中心轴孔3与减速机的输入轴采用平键连接的方式连接并传递扭矩。具体而言，减速机输出轴上开有键槽并装配有平键，扭矩盘1的中心轴孔3形状与装配有平键的输出轴的横截面相应。

所述接头5上开设有轴孔6，所述轴孔6与扭矩盘1中心轴孔3的轴线共线，

扭矩盘1的材质为合金钢。具有使用价格低、使用寿命长、耐高温、结构强度高的特点。

在本实施例中，接头5的轴孔6与输出轴相连，扭矩盘1和中心轴孔3分别与输入端面和输入轴相连，此时，应变计7的测量值为所承受的实际负载扭矩减去扭矩盘1中的涡卷扭簧结构扭曲所产生扭矩后的值。

实施例2:

如图3~4所示：可测量扭矩的扭矩平衡装置，与实施例1不同之处在于，

扭矩盘1为与减速机输出端面形状相应的正方形，在扭矩盘1的四个角上开设有用于穿过螺栓的通孔4，扭矩盘1通过螺栓与减速机输出端面相连。

扭矩盘1的中心轴孔3与减速机的输出轴采用花键连接的方式连接并传递扭矩。具体而言，输出轴为花键轴，扭矩盘1的中心轴孔3形状与输出轴的截面形状相同。

接头5上开设有轴孔6，接头5的轴孔6与机械臂的输入轴通过键花键连接的方式连接。接头5外侧以对称的方式开设有用于放置应变计7的测量槽8。

扭矩盘11的材质为特种不锈钢。具有使用寿命长、耐高温、结构强度高的特点。

在本实施例中，接头5的轴孔6与输入轴相连，扭矩盘1和中心轴孔3分别与输出端面和输出轴相连，此时，应变计7的测量值为所承受的实际负载值。

本实施例的其他结构同实施例1。

实施例3：

如图5所示：可测量扭矩的扭矩平衡装置，与实施例1不同之处在于，

扭矩盘1与接头5通过焊接的方式相连，扭矩盘1上涡卷扭簧结构的相邻的两条涡卷扭簧槽2上还设有相对应的限位槽10和限位块11。

扭矩盘1的中心轴孔3与减速机的输出轴采用型轴连接的方式连接并传递扭矩。具体而言，输出轴为型轴，扭矩盘1的中心轴孔3形状与型轴的截面形状相同。

本实施例的其他结构同实施例1。

实施例4：

如图6~8所示：可测量扭矩的扭矩平衡装置，与实施例2的不同之处在于：

扭矩盘1与接头5通过花键的方式相连，接头与输出轴采用键传动的方式传动相连。

具体而言，所述接头5两端的外侧设置有花键轮14，所述扭矩盘1和输出轴上开设有形状相应的花键轴孔，通过花键轮14和花键轴孔相配合，即可实现接头4与扭矩盘1和输出轴的连接。

本实施例的其他结构同实施例2。

实施例5：

如图9~11所示，可测量扭矩的扭矩平衡装置，与实施例1的不同之处在于：

扭矩盘1的中心轴孔3与机械臂的输入轴采用花键连接的方式连接并传递扭矩。具体而言，输出轴为花键轴，扭矩盘1的中心轴孔3形状与输出轴的截面形状相同。

接头5上并未开设轴孔6，接头5通过螺栓连接的方式与减速机输出轴相连。具体而言，接头5以及减速机的输出轴的相应位置上以圆周均布的方式开设有六个螺栓孔9，通过螺栓将接头5和减速机输出轴相连。

本实施例的其他结构同实施例1。

实施例6：

如图12所示，可测量扭矩的扭矩平衡装置，与实施例1的不同之处在于：

可测量扭矩的扭矩平衡装置，与实施例1的不同之处在于：扭矩盘上开设有绕中心轴孔3设置的弹簧槽，所述弹簧槽使扭矩盘1形成蛇形弹簧结构12；所述蛇形弹簧结构12为一端内侧与中心轴孔3的孔壁相连、另一端外侧与弹簧槽外壁面相连的对称结构。当输入轴或者输出轴向不同方向旋转时，所述弹簧结构12能够产生相应的顺时针或者逆时针的扭矩，从而能够消除不同输入轴或者输出轴不同转向所产生的扭矩。

本实施例的其他结构同实施例1。

实施例7：

如图13~14所示，可测量扭矩的扭矩平衡装置，与实施例1的不同之处在于：

可测量扭矩的扭矩平衡装置，与实施例1的不同之处在于：所述扭矩盘1与接头5连接的另一侧开设有下凹面13，所述涡卷扭簧槽2开设在扭矩盘1的下凹面13所在区域。通过将涡卷扭簧结构设置下凹面，可以避免涡卷扭簧结构在扭转时与电机或者设备的表面发生干涉。

本实施例的其他结构同实施例1。

实施例8：

如图9~10所示：可测量扭矩的扭矩平衡装置，与实施例1的不同之处在于，将两块扭矩盘1分别以对称的方式安装在机械臂旋转轴的两端上。

扭矩盘1为与机械臂的旋转座端面的形状相同的圆形结构，在扭矩盘1的上靠外侧呈圆周均布的方式开设有用于穿过螺栓的通孔4，扭矩盘1通过螺栓与旋转座端面相连。

本实施例的其他结构同实施例1。

本实施例不仅具有实施例1的优点，而且将扭矩盘1安装在机械臂的旋转座上，可以解决因电机减速机9安装空间不足导致扭矩盘1无法安装的问题。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、当机械臂从垂直状态向两侧运动时，在机械臂自重以及负荷作用下，扭矩盘1上的涡卷扭簧结构会随之扭曲蓄力，而减速机在机械臂悬停或运动时，涡卷扭簧结构的扭曲蓄力可以消除机械臂自重部分负荷，从而达到降低电机和减速机扭矩的目的；而随着机械臂角度的转动，涡卷扭簧可跟随转的角度改变扭矩，自动平衡掉机械臂自重产生的扭矩，保障机械臂的静扭矩全部是由于负荷产生的；

2、通过在接头5在设置应变计7对接头5的扭转变形量进行测量，从而获得输入轴和输出轴所传递的扭矩大小，从而实现对机械臂的负载扭矩的波动进行监控，可以预判并避免机械臂在工作时出现过载或者干涉碰撞的情况；

3、由于机械臂可以从垂直状态向两侧运动，因此机械臂自重以及负荷可能对减速机产生方向相反的扭矩，而同时将两块扭矩盘1以对称的方式配合安装后，两块对称的扭矩盘1内的涡卷扭簧结构的旋向不同，因此可以消除掉减速机受到的不同方向的扭矩；

4、本发明结构简单、占用空间小，可以直接加装在减速机输出端或者机械臂的旋转座上，不会妨碍机械臂的动作。

Claims (10)

1.可测量扭矩的扭矩平衡装置，其特征在于：包括至少一块扭矩盘以及与扭矩盘相连的接头，扭矩盘上开设有绕中心轴孔设置的弹簧槽或者呈螺旋状分布的涡卷扭簧槽，所述弹簧槽使扭矩盘形成弹簧结构，所述涡卷扭簧槽使扭矩盘形成涡卷扭簧结构；所述接头上设置有至少一个用于测量应力和/或者变形的应变计。

2.根据权利要求1所述可测量扭矩的扭矩平衡装置，其特征在于：可测量扭矩的扭矩平衡装置，其特征在于：所述弹簧结构绕中心轴孔设置的蛇形对称结构，并且其一端内侧与中心轴孔的孔壁相连、另一端外侧与弹簧槽外壁面相连的对称结构。

3.根据权利要求1所述可测量扭矩的扭矩平衡装置，其特征在于：所述扭矩盘上相邻的两条涡卷扭簧槽上还设有相对应的限位槽和限位块。

4.根据权利要求1或2或3所述可测量扭矩的扭矩平衡装置，其特征在于：所述扭矩盘与接头连接的另一侧开设有下凹面，所述弹簧槽或者涡卷扭簧槽开设在扭矩盘的下凹面所在区域。

5.根据权利要求1或2或3所述可测量扭矩的扭矩平衡装置，其特征在于：扭矩盘与接头通过螺接、铆接、焊接、粘接、键连接或者一体成型的方式相连。

6.根据权利要求1或2或3所述可测量扭矩的扭矩平衡装置，其特征在于：所述扭矩盘的数量为两块，两块扭矩盘以对称的方式安装在接头的一侧或者两侧。

7.根据权利要求1或2或3所述可测量扭矩的扭矩平衡装置，其特征在于：所述扭矩盘中心轴孔套设在在驱动装置的输出轴或者工作装置的输入轴上，所述扭矩盘相应的安装在驱动装置的输出端面或者工作装置的输入端面上；所述扭矩盘中心轴与输入轴或者输出轴通过键连接、型轴连接、过盈连接、螺纹连接、粘接或者一体成型的方式相连并传递扭矩。

8.根据权利要求1所述可测量扭矩的扭矩平衡装置，其特征在于：所述接头外侧和/或者接头轴孔孔壁上开设有用于放置应变计的测量槽。

9.根据权利要求1或8所述可测量扭矩的扭矩平衡装置，其特征在于：所述接头上开设有轴孔，所述轴孔与扭矩盘中心轴孔的轴线共线，所述接头轴孔与输出轴或者输入轴通过键连接、型轴连接、过盈连接、螺纹连接、粘接或者一体成型的方式相连并传递扭矩。

10.根据权利要求1或8所述可测量扭矩的扭矩平衡装置，其特征在于：所述接头与输出轴或者输入轴采用键传动、链传动、皮带传动或者齿轮传动的方式传动相连。