CN108051862A - 靠水银导通和切断电路信号的防碰撞传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动化生产设备技术领域，涉及一种靠水银导通和切断电路信号的防碰撞传感器。当工作机构受碰撞时外球面组件绕与内球面组件组成的球面配合旋转一定的角度，球端面离开顶部内锥面的中心部位偏向一侧，半球体变倾斜，水银也随着变形，直到水银与导电环接触，导电引线‑>导电环‑>水银‑>导电极I变成了导电通路，从而产生电信号传递给电控系统，电控系统则断开所有工作设备的电源，从而关停电源。本发明一端连接机械手臂，另一端连接工作机构，在工作机构非预期地受到较剧烈的碰撞时能自动停机，结构简单，实用方便，灵敏度高，有效避免关键设备受到破坏及人员伤害，为工厂节约大量维修维护的时间和资金。

Description

靠水银导通和切断电路信号的防碰撞传感器

技术领域

本发明属于自动化生产设备技术领域，涉及一种当工作机构受强烈碰撞时能避免机械手臂或工作机构损坏的装置，具体涉及一种靠水银导通和切断电路信号的防碰撞传感器。

背景技术

自动化和智能化生产设备在工厂中普及范围越来越广泛，机械手臂和工作机构的组合的应用也非常广泛。工作机构是指机械夹爪、焊枪或割炬等等。机械手臂能模仿人胳臂和手的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运、焊接或切割工件。

机械手臂是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

在现代生产过程中，机械手臂被广泛地运用于自动化生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴的技术，该行业快速促进了机械手臂的发展，使得机械手臂能更好地实现机械化和自动化的有机结合。机械手臂虽然还不如人手那样灵活，但它能不断地重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比较大，因此，机械手臂已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

人们在生产实践中根据自己的需要设计出各种各样的工作机构，适用于需要重复劳动、精确运动、危险地区、高温地区、低温地区等，最典型的是机械夹爪、焊枪或割炬。工作机构还可以是真空吸盘，通过真空发生器使吸盘牢牢地吸附在工件表面，从而，在吸盘运动时，工件可以随着运动，撤消真空则工件又脱落下来；还可以是电磁吸盘，里面包括电磁铁，电磁铁通电时产生巨大的磁场，把钢铁工件牢牢吸引住，断开电流则工件脱落下来；还可以是油漆喷枪，工人长期工作在有油漆气味的场合，气味往往对人体有很大的危害，使用机械手臂工作可以避免危害工人身体健康；还可以是检测量具，用来测量工件的尺寸，自动把测量结果传输给计算机系统与标准值进行比对，从而判断该工件是否合格。总之机械手臂和工作机构的组合已经应用于现代化生产中的各行各业的各种工序，发辉着非常重要的作用。

然而，目前使用的机械手臂与工作机构的组合，往往是两者直接连接在一起，生产过程是复杂的，有时会出现突发事件，不可免避地工作机构会受到剧烈碰撞，轻则导致机械手臂或工作机构的定位精度变差，重则导致弯曲变形，甚至导致破坏周围的设备或伤及工作人员，而机构的电控系统不能感知到碰撞的发生，还仍然按照既定的程序工作，破坏动作还会继续，直到人工关停它的电源，造成额外支出大量维修维护的时间和资金。生产现场急需要一种能感知剧烈碰撞并且能及时反馈信号的装置。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术的不足之处，提供一种能使机械手臂感知到剧烈碰撞的发生、在受到剧烈碰撞后能使机械手臂自动停机的靠水银导通和切断电路信号的防碰撞传感器。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种靠水银导通和切断电路信号的防碰撞传感器，包括内球面组件、外球面组件、弹性补偿盖、球端面柱、压缩弹簧和液态的水银；

内球面组件包括圆形的上法兰、空心球体、导电极I和导电极II；空心球体是由对电绝缘的硬质工程塑料制成，空心球体的外部上端中心处和上法兰的中心固定连接，上法兰和机械手臂固定连接，空心球体是一个空心腔体，空心球体内部有空心球体内球面，空心球体内球面的上部中心处有顶部内锥面，顶部内锥面的中心线和上法兰的轴心线重合，空心球体的下端有圆形的内球面下口，内球面下口的中心线和上法兰的轴心线重合；导电极II包括相连接的导电环和导电引线两部分，导电环是圆环形，内侧面有导电极II内球面，导电环的中心线和上法兰的轴心线重合，导电环镶嵌在空心球体内球面的内壁上，导电极II内球面和空心球体内球面具有相同的球半径并且球心重合，导电极II内球面和空心球体内球面相连形成一个光滑连续的内球面，导电引线密封地穿透空心球体的壁伸到外面；

外球面组件包括下法兰、连接杆、半球体、钢珠、下密封圈和上密封圈，半球体是由对电绝缘的硬质工程塑料制成，半球体的外表面分为半球体上底面和半球体球面；半球体球面的下端中心处连接细长的连接杆的一端，连接杆的另一端连接圆形的下法兰的中心处，下法兰与工作机构固定连接，下法兰的中心线、连接杆的中心线和半球体的中心线重合；半球体球面上设有三个环形的槽，分别是钢珠容置槽、下密封圈容置槽和上密封圈容置槽，三个环形的槽的中心线分别与半球体的中心线重合；半球体的半球体上底面还设有导向盲孔，导向盲孔的中心线与半球体的中心线重合；半球体设置在空心球体的空心腔体内，半球体的球心和空心球体内球面的球心重合，钢珠容置槽内放满钢珠，钢珠的外球面同时与钢珠容置槽的槽底和空心球体内球面相切，即半球体与空心球体内球面形成球面配合，配合面之间不是滑动配合，而是滚动配合，有效减小摩擦力，增强球面配合的运动灵活性；下密封圈容置槽内安装下密封圈，上密封圈容置槽内安装上密封圈，下密封圈与空心球体内球面的内壁密封接触形成密封面，上密封圈与空心球体内球面的内壁密封接触形成密封面；下密封圈和上密封圈由对电绝缘的工程橡胶制成；

球端面柱上有圆柱导向面，一端有球端面，另一端有下平端面；圆柱导向面和导向盲孔配合组成移动副，下平端面朝向导向盲孔的孔底，压缩弹簧一端压紧下平端面，另一端压紧导向盲孔的孔底；球端面压紧顶部内锥面的中心处从而起到定位作用；

空心球体的壳体上设有补偿连接嘴，补偿连接嘴有连通空心球体内外的孔，补偿连接嘴上设有外螺纹圆柱面；弹性补偿盖上设有内螺纹面，还设有弹性底部，弹性补偿盖通过内螺纹面与外螺纹圆柱面组成密封的螺纹连接，弹性底部隔断连通空心球体内外的孔的通路；

由半球体上底面、空心球体内球面、“下密封圈与空心球体内球面之间形成的密封面”和弹性底部围成一个封闭的空间，这个空间内充满水银；弹性底部对水银形成适当的压力，要能满足用于自动补偿由于制造材料或水银的热胀冷缩造成的体积微小变化，压力又不能太大，不足以使水银从上密封圈与空心球体内球面之间形成的密封面泄漏；半球体上还设有连通孔，连通“由半球体上底面、空心球体内球面、‘上密封圈与空心球体内球面之间形成的密封面’和弹性底部围成的封闭空间”与“导向盲孔和下平端面围成的空间”，则当球端面柱在导向盲孔内移动时，“导向盲孔和下平端面围成的空间”的大小也会改变，里面的水银随时通过连通孔流进或流出，密封空间内的所有的水银都相互连通，水银的体积不变，容纳水银的容积也基本不变，即使有微小的变动，也能通过弹性底部的补偿作用及时调节，而不会妨碍各个部件的运动；

导电极I密封地穿透空心球体的壁，一端位于空心球体的外面，另一端位于空心球体的里面与水银接触。

以上所述的空心球体或半球体的制造材料是对电绝缘的硬质工程塑料制成，是指由聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS树脂、聚四氟乙烯、聚酯、聚砜、聚酰亚胺制成。

本发明的工作原理如下所述。

在本发明不受外力碰撞时，球端面在压缩弹簧的压力作用下定位在顶部内锥面内并处于平衡状态，顶部内锥面的中心线、球端面柱的中心线和半球体的中心线都重合，“上密封圈与空心球体内球面之间形成的密封面”位于上方，导电环位于下方，水银与导电环不接触。

当工作机构受到非预期的碰撞时把碰撞力传递给下法兰，外球面组件绕与内球面组件组成的球面配合旋转一定的角度，球端面离开顶部内锥面的中心部位偏向一侧，球端面柱则会受到顶部内锥面的压迫而向导向盲孔的孔底方向平移，压缩弹簧受到球端面柱的压迫发生弹性形变而变短，“导向盲孔和下平端面围成的空间”的大小变小，里面的水银通过连通孔流向“由半球体上底面、空心球体内球面、‘上密封圈与空心球体内球面之间形成的密封面’和弹性底部围成的封闭空间”，容纳水银的容积基本不变，水银的体积也不变，运动能完成；半球体变倾斜，水银也随着变形，直到水银与导电环接触，则导电引线->导电环->水银->导电极I变成了导电通路，由此可以产生一个电信号传递给电控系统，电控系统则断开所有工作设备的电源，从而达到了自动关停电源的目的。

当碰撞力消除后，系统处于不平衡的状态，顶在斜面上的球端面柱会在压缩弹簧的压力作用下自动复位到顶部内锥面的正中心，球面组件也复位，顶部内锥面的中心线、球端面柱的中心线和半球体的中心线都重合，“上密封圈与空心球体内球面之间形成的密封面”位于上方，导电环位于下方，水银与导电环不接触，导电引线和导电极I之间又变成了断路。

本发明的有益效果：本发明一端连接机械手臂，另一端连接工作机构，在工作机构非预期地受到较剧烈的碰撞时能自动停机，结构简单，实用方便，灵敏度高，有效避免关键设备受到破坏及人员伤害，为工厂节约大量维修维护的时间和资金。

附图说明

图1是本发明实施例的正向剖视图，工作机构没受到碰撞的状况；

图2是本发明实施例的正向剖视图，工作机构受到碰撞的状况；

图3是内球面组件1全剖开的三维结构示意图；

图4是外球面组件2局部剖开的三维结构示意图；

图5是球端面柱4的正视图；

图6是弹性补偿盖3局部剖开的三维结构示意图；

图7是导电极II的三维结构示意图；

图中所示：1.内球面组件；11.上法兰；12.空心球体；13.空心球体内球面；14.顶部内锥面；15.导电极I；16.导电极II；161.导电环；162.导电引线；163.导电极II内球面；17.内球面下口；18.补偿连接嘴；19.外螺纹圆柱面；2.外球面组件；21.下法兰；22.连接杆；23.半球体；231.半球体上底面；232.半球体球面；24.钢珠容置槽；25.钢珠；261.下密封圈容置槽；262.上密封圈容置槽；271.下密封圈；272.上密封圈；28.导向盲孔；29.连通孔；3.弹性补偿盖；31.弹性底部；32.内螺纹面；4.球端面柱；41.球端面；42.圆柱导向面；43.下平端面；5.压缩弹簧；6.水银；A.外球面组件2受力的方向和运动的方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例：参见图1至图7。

一种靠水银导通和切断电路信号的防碰撞传感器，包括内球面组件1、外球面组件2、弹性补偿盖3、球端面柱4、压缩弹簧5和液态的水银6；

内球面组件1包括圆形的上法兰11、空心球体12、导电极I 15和导电极II 16；空心球体12是由对电绝缘的硬质聚四氟乙烯制成，空心球体12的外部上端中心处和上法兰11的中心固定连接，上法兰11和机械手臂固定连接，空心球体12是一个空心腔体，空心球体12内部有空心球体内球面13，空心球体内球面13的上部中心处有顶部内锥面14，顶部内锥面14的中心线和上法兰11的轴心线重合，空心球体12的下端有圆形的内球面下口17，内球面下口17的中心线和上法兰11的轴心线重合；导电极II 16包括相连接的导电环161和导电引线162两部分，导电环161是圆环形，内侧面有导电极II内球面163，导电环161的中心线和上法兰11的轴心线重合，导电环161镶嵌在空心球体内球面13的内壁上，导电极II内球面163和空心球体内球面13具有相同的球半径并且球心重合，导电极II内球面163和空心球体内球面13相连形成一个光滑连续的内球面，导电引线162密封地穿透空心球体12的壁伸到外面；

外球面组件2包括下法兰21、连接杆22、半球体23、钢珠25、下密封圈271和上密封圈272，半球体23是由对电绝缘的硬质聚四氟乙烯制成，半球体23的外表面分为半球体上底面231和半球体球面232；半球体球面232的下端中心处连接细长的连接杆22的一端，连接杆22的另一端连接圆形的下法兰21的中心处，下法兰21与工作机构固定连接，下法兰21的中心线、连接杆22的中心线和半球体23的中心线重合；半球体球面232上设有三个环形的槽，分别是钢珠容置槽24、下密封圈容置槽261和上密封圈容置槽262，三个环形的槽的中心线分别与半球体23的中心线重合；半球体23的半球体上底面231还设有导向盲孔28，导向盲孔28的中心线与半球体23的中心线重合；半球体23设置在空心球体12的空心腔体内，半球体23的球心和空心球体内球面13的球心重合，钢珠容置槽24内放满钢珠24，钢珠24的外球面同时与钢珠容置槽24的槽底和空心球体内球面13相切，即半球体23与空心球体内球面13形成球面配合，配合面之间不是滑动配合，而是滚动配合，有效减小摩擦力，增强球面配合的运动灵活性；下密封圈容置槽261内安装下密封圈271，上密封圈容置槽262内安装上密封圈272，下密封圈271与空心球体内球面13的内壁密封接触形成密封面，上密封圈272与空心球体内球面13的内壁密封接触形成密封面；下密封圈271和上密封圈272由对电绝缘的工程橡胶制成；

球端面柱4上有圆柱导向面42，一端有球端面41，另一端有下平端面43；圆柱导向面42和导向盲孔28配合组成移动副，下平端面43朝向导向盲孔28的孔底，压缩弹簧5一端压紧下平端面43，另一端压紧导向盲孔28的孔底；球端面41压紧顶部内锥面14中心处从而起到定位作用；

空心球体12的壳体上设有补偿连接嘴18，补偿连接嘴18有连通空心球体12内外的孔，补偿连接嘴18上设有外螺纹圆柱面19；弹性补偿盖3上设有内螺纹面32，还设有弹性底部31，弹性补偿盖3通过内螺纹面32与外螺纹圆柱面19组成密封的螺纹连接，弹性底部31隔断连通空心球体12内外的孔的通路；

“由半球体上底面231、空心球体内球面13、‘下密封圈271与空心球体内球面13之间形成的密封面’和弹性底部31围成一个封闭的空间”，这个空间内充满水银6；弹性底部31对水银6形成适当的压力，要能满足用于自动补偿由于制造材料或水银的热胀冷缩造成的体积微小变化，压力又不能太大，不足以使水银6从上密封圈272与空心球体内球面13之间形成的密封面泄漏；半球体23上还设有连通孔29，连通“由半球体上底面231、空心球体内球面13、‘上密封圈272与空心球体内球面13之间形成的密封面’和弹性底部31围成的封闭空间”与“导向盲孔28和下平端面43围成的空间”，则当球端面柱4在导向盲孔28内移动时，“导向盲孔28和下平端面43围成的空间”的大小也会改变，里面的水银6随时通过连通孔29流进或流出，密封空间内的所有的水银6都相互连通，水银6的体积不变，容纳水银6的容积也基本不变，即使有微小的变动，也能通过弹性底部31的补偿作用及时调节，而不会妨碍各个部件的运动；

导电极I 15密封地穿透空心球体12的壁，一端位于空心球体12的外面，另一端位于空心球体12的里面与水银6接触。

本发明的工作原理如下所述。

如图1所示，在本实施例不受外力碰撞时，球端面41在压缩弹簧5的压力作用下定位在顶部内锥面14内处于平衡状态，顶部内锥面14的中心线、球端面柱4的中心线和半球体23的中心线都重合，“上密封圈272与空心球体内球面13之间形成的密封面”位于上方，导电环161位于下方，水银6与导电环161不接触。

当工作机构受到非预期的碰撞时把碰撞力传递给下法兰21，外球面组件2受力的方向和运动的方向如图2所示的方向A，外球面组件2绕与内球面组件1组成的球面配合旋转一定的角度，球端面41离开顶部内锥面14的中心部位偏向一侧，球端面柱4则会受到顶部内锥面14的压迫而向导向盲孔28的孔底方向平移，压缩弹簧5受到球端面柱4的压迫而弹性压缩，“导向盲孔28和下平端面43围成的空间”的大小变小，里面的水银6通过连通孔29流向“由半球体上底面231、空心球体内球面13、‘上密封圈272与空心球体内球面13之间形成的密封面’和补偿连接嘴18围成的封闭空间”，容纳水银6的容积基本不变，水银6的体积也不变，运动能完成；半球体23变倾斜水银6也随着流动，直到水银6与导电环161接触，则导电引线162->导电环161->水银6->导电极I 15变成了导电通路，由此可以产生一个电信号传递给电控系统，电控系统则断开所有工作设备的电源，从而达到了自动关停电源的目的。

当碰撞力消除后，图2所示的系统并不是处于平衡的状态，顶在斜面上的球端面柱4会在压缩弹簧5的压力作用下自动复位到顶部内锥面14的正中心，球面组件2也复位，顶部内锥面14的中心线、球端面柱4的中心线和半球体23的中心线都重合，“上密封圈272与空心球体内球面13之间形成的密封面”位于上方，导电环161位于下方，水银6与导电环161不接触，导电引线162和导电极I 15之间又变成了断路。

本实施例的有益效果：本实施例一端连接机械手臂，另一端连接工作机构，在工作机构非预期地受到较剧烈的碰撞时能自动停机，结构简单，实用方便，灵敏度高，有效避免关键设备受到破坏及人员伤害，为工厂节约大量维修维护的时间和资金。

Claims (2)

1.一种靠水银导通和切断电路信号的防碰撞传感器，其特征在于，包括内球面组件、外球面组件、弹性补偿盖、球端面柱、压缩弹簧和液态的水银；

内球面组件包括圆形的上法兰、空心球体、导电极I和导电极II；空心球体是由对电绝缘的硬质工程塑料制成，空心球体的外部上端中心处和上法兰的中心固定连接，上法兰和机械手臂固定连接，空心球体是一个空心腔体，空心球体内部有空心球体内球面，空心球体内球面的上部中心处有顶部内锥面，顶部内锥面的中心线和上法兰的轴心线重合，空心球体的下端有圆形的内球面下口，内球面下口的中心线和上法兰的轴心线重合；导电极II包括相连接的导电环和导电引线两部分，导电环是圆环形，内侧面有导电极II内球面，导电环的中心线和上法兰的轴心线重合，导电环镶嵌在空心球体内球面的内壁上，导电极II内球面和空心球体内球面具有相同的球半径并且球心重合，导电极II内球面和空心球体内球面相连形成一个光滑连续的内球面，导电引线密封地穿透空心球体的壁伸到外面；

外球面组件包括下法兰、连接杆、半球体、钢珠、下密封圈和上密封圈，半球体是由对电绝缘的硬质工程塑料制成，半球体的外表面分为半球体上底面和半球体球面；半球体球面的下端中心处连接细长的连接杆的一端，连接杆的另一端连接圆形的下法兰的中心处，下法兰与工作机构固定连接，下法兰的中心线、连接杆的中心线和半球体的中心线重合；半球体球面上设有三个环形的槽，分别是钢珠容置槽、下密封圈容置槽和上密封圈容置槽，三个环形的槽的中心线分别与半球体的中心线重合；半球体的半球体上底面还设有导向盲孔，导向盲孔的中心线与半球体的中心线重合；半球体设置在空心球体的空心腔体内，半球体的球心和空心球体内球面的球心重合，钢珠容置槽内放满钢珠，钢珠的外球面同时与钢珠容置槽的槽底和空心球体内球面相切，即半球体与空心球体内球面形成球面配合；下密封圈容置槽内安装下密封圈，上密封圈容置槽内安装上密封圈，下密封圈与空心球体内球面的内壁密封接触形成密封面，上密封圈与空心球体内球面的内壁密封接触形成密封面；下密封圈和上密封圈由对电绝缘的工程橡胶制成；

球端面柱上有圆柱导向面，一端有球端面，另一端有下平端面；圆柱导向面和导向盲孔配合组成移动副，下平端面朝向导向盲孔的孔底，压缩弹簧一端压紧下平端面，另一端压紧导向盲孔的孔底；球端面压紧顶部内锥面的中心处；

空心球体的壳体上设有补偿连接嘴，补偿连接嘴有连通空心球体内外的孔，补偿连接嘴上设有外螺纹圆柱面；弹性补偿盖上设有内螺纹面，还设有弹性底部，弹性补偿盖通过内螺纹面与外螺纹圆柱面组成密封的螺纹连接，弹性底部隔断连通空心球体内外的孔的通路；

由半球体上底面、空心球体内球面、“下密封圈与空心球体内球面之间形成的密封面”和弹性底部围成一个封闭的空间，这个空间内充满水银；弹性底部对水银形成适当的压力；半球体上还设有连通孔，连通“由半球体上底面、空心球体内球面、‘上密封圈与空心球体内球面之间形成的密封面’和弹性底部围成的封闭空间”与“导向盲孔和下平端面围成的空间”；

导电极I密封地穿透空心球体的壁，一端位于空心球体的外面，另一端位于空心球体的里面与水银接触。

2.根据权利要求1所述的靠水银导通和切断电路信号的防碰撞传感器，其特征在于空心球体或半球体的制造材料是聚酰胺或聚碳酸酯或聚甲醛或ABS树脂或聚四氟乙烯或聚酯或聚砜或聚酰亚胺。