CN109307567B - 一种全方位过载保护机构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全方位过载保护机构及设计方法，与现有技术相比解决了六维力传感器的保护装置无法满足航天强烈振动环境使用需要的缺陷。本发明中六维力传感器的固定端通过螺钉安装在固定端保护座的底座上且位于内圆环体之内，加载端保护盖套在固定端保护座上且外圆环体套在内圆环体外、上勾齿位于下勾槽内，加载端保护盖的上盖通过螺钉安装在六维力传感器的加载端。本发明实现了对六维力传感器的过载保护，摒弃了传统的销钉过载保护方法，通过上勾齿、下勾槽和凸台的配合安装设计，实现了六维力传感器Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz方向的过载保护。

Description

一种全方位过载保护机构及设计方法

技术领域

本发明涉及六维力传感器技术领域，具体来说是一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构及其设计方法。

背景技术

随着空间站在轨服务、深空探测等空间技术领域的迅速发展，对空间机械臂技术的需求越来越迫切，而空间机械臂的智能化可以更好地帮助其完成作业任务。多维力传感器作为空间机械臂智能化的关键部件之一，可提供实时的力和力矩信息检测，可帮助空间机械臂实现自动反馈控制，因此越来越受到重视。

多维力传感器经地面发射进入宇宙空间，面临着失重、真空、热作用、振动、冲击、噪声、辐射等严苛的环境条件，多维力传感器要克服这些苛刻的外部环境才可以成功应用，其中航天振动环境是首要面临克服的问题，航天器在发射阶段振动很剧烈，振动加速度可达到13g，远超过多维力传感器地面使用的一些常规振动环境，这样剧烈振动容易使多维力传感器发生超载破坏，但是等到航天器进入到宇宙空间以后，这样剧烈振动就会消失。由于电阻应变式多维力传感器敏感单元一般是由金属一体加工而成，不仅起着测量的作用，还起着连接件的作用，相对其他部件来说刚度较低。为了对满足多维力传感器高精度和高灵敏度等的需求，传感器的刚度就会降低，传感器的刚度与灵敏度是一对相互矛盾的参数。

为了同时满足多维力传感器高灵敏度、高刚度的需求，多维力传感器的过载保护应运而生，过载保护装置在多维力传感器在受到外界不期望的载荷时可以对其进行保护而不被破坏，且不影响多维力传感器满量程范围内的正常使用。

现有技术中，随有一些防止六维力传感器过载损坏的结构被提出，例如专利号为2016800004368、专利名称为六维力传感器保护装置和具有保护装置的六维力传感器的专利申请，但其使用螺杆和直销的方法，该种方法并适合航天振动环境下，因为销钉在受到到航天强烈振动的时候容易脱落，也容易造成二次破坏。

因此，如何设计出一款针对于六维力传感器的全方位过载保护装置已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中六维力传感器的保护装置无法满足航天强烈振动环境使用需要的缺陷，提供一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构及其设计方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，包括六维力传感器，六维力传感器的两端为加载端和固定端，

还包括加载端保护盖和固定端保护座，加载端保护盖包括外圆环体，外圆环体的上部设有上盖，外圆环体的下部设有若干个上勾齿，上盖、外圆环体和上勾齿为一体结构；固定端保护座包括内圆环体，内圆环体的下部设有底座，内圆环体的外圆壁上设有若干个下勾槽，内圆环体、底座和下勾槽为一体结构；

六维力传感器的固定端通过螺钉安装在固定端保护座的底座上且位于内圆环体之内，加载端保护盖套在固定端保护座上且外圆环体套在内圆环体外、上勾齿位于下勾槽内，加载端保护盖的上盖通过螺钉安装在六维力传感器的加载端。

还包括卡接基座，卡接基座包括圆环基底，圆环基底的圆周轨迹上等分设有若干个凸台，卡接基座安装在固定端保护座的底部且下勾槽位于两个相邻的凸台之间，圆环基底通过螺钉安装在固定端保护座的底座上。

所述的上勾齿、下勾槽和凸台的数量均相同。

所述的加载端保护盖与固定端保护座之间、固定端保护座与卡接基座之间均构成间隙配合。

所述的上勾齿包括竖块，竖块的一端与外圆环体垂直相连，竖块的另一端垂直连接有横插块。

所述的下勾槽包括与内圆环体相连的上横块、下横块和纵向连接块，上横块与下横块相平行，纵向连接块的一端与上横块相连，纵向连接块的另一端与下横块相连，横插块位于上横块与下横块之间，横插块与上横块、横插块与下横块、横插块与纵向连接块、上横块与竖块、上横块与外圆环体构成间隙配合。

所述的下横块与凸台、竖块与凸台均构成间隙配合。

一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构的设计方法，包括以下步骤：

六维力传感器的弹性体设计，针对六维力传感器的弹性体进行正应力和剪应力的设计；

六维力传感器的弹性体满量程最大应变值的计算，根据六维力传感器弹性体的材质计算出弹性体最大应变极限值；

配合间隙λ的确定，

利用有限元方法将六维力传感器在Mx/My、Fx/Fy和Fz方向满量程最大载荷下加载端沿Z移动的最大位移找出定义为λ_F，在Mx/My、Fx/Fy和Fz方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端沿Z移动的最小位移找出定义为λ_T，则配合间隙λ取(λ_F，λ_T)之间的任意数值；

配合间隙θ的确定，

利用有限元方法将六维力传感器在Mz方向满量程最大载荷下加载端绕Z轴转角变化为θ_F，其次利用有限元方法将六维力传感器在Mz方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端绕Z轴的转角变形计算出并设定为θ_T，则配合间隙θ取(θ_F，θ_T)之间的任意数值；

配合间隙δ的确定，

利用有限元方法将六维力传感器在Mx/My和Fx/Fy方向满量程最大载荷下加载端沿X轴或Y移动的最大位移找出并取它们之间最大值作为δ_F；利用有限元方法将六维力传感器在Mx/My和Fx/Fy方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端沿X轴或Y移动的最大位移找出并取它们之间最小值作为δ_T，则配合间隙δ取(δ_F，δ_T)之间的任意数值。

所述六维力传感器的弹性体设计包括以下步骤：

利用材料力学中的虎克定律，设定受正应力状态计算公式，其计算公式如下：

σ＝E·ε，

其中，σ为弹性体横截面上的正应力，ε为弹性体的纵向应变，σ与ε成正比；

设定剪应力状态计算公式，其公式如下：

τ＝G·γ，

其中，G为剪切模量，γ为剪应变，τ为剪应力。

所述六维力传感器的弹性体满量程最大应变值的计算包括以下步骤：

设六维力传感器在经历p倍的过载以后，传感器仍正常使用，则六维力传感器的最大应变ε_max计算公式如下：

其中，[ε]为弹性体材料弹性变形的最大应变极限，e为静态设计安全因数，p为传感器最大量程过载倍数；

设定在静载的情况下，对塑性材料的安全因素取e_s＝1.2～2.5；

计算由六维力传感器的全桥路输出灵敏度S，其计算公式如下：

S＝Kε×10^-3mV/V，

其中：K为应变计灵敏系数，ε为贴片平均应变。

有益效果

本发明的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构及其设计方法，与现有技术相比实现了对六维力传感器的过载保护，摒弃了传统的销钉过载保护方法，通过上勾齿、下勾槽和凸台的配合安装设计，实现了六维力传感器Mx、My、Mz、Fx、Fy、Fz方向的过载保护，达到了航天强烈振动环境的使用要求。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为图1的爆炸图；

图3为本发明中加载端保护盖的仰视立体结构示意图；

图4为图3中A点放大图；

图5为本发明中固定端保护座的结构示意图；

图6为图5的B点放大图；

图7为本发明中卡接基座的结构示意图；

图8为图7的C点放大图；

图9为图1的正视图；

图10为图9中D点放大图；

图11为本发明中外圆环体与底座之间配合间隙λ的设计示意图；

图12为图11的横向剖视图；

图13为具有过载保护装置的六维力传感器有限元模型仿真效果图；

其中，10-加载端保护盖、20-六维力传感器、30-固定端保护座、40-卡接基座、50-螺钉、101-外圆环体、102-上盖、103-上勾齿、104-竖块、105-横插块、201-加载端、202-固定端、301-内圆环体、302-底座、303-下勾槽、304-上横块、305-下横块、306-纵向连接块、401-圆环基底、402-凸台。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1和图2所示，本发明所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，包括六维力传感器20，六维力传感器20的两端分别为加载端201和固定端202。

加载端保护盖10用于六维力传感器20的加载端201的保护，如图3所示，加载端保护盖10包括外圆环体101，外圆环体101的上部设有上盖102，外圆环体101的下部设有若干个上勾齿103，上盖102、外圆环体101和上勾齿103为一体结构。

如图5所示，固定端保护座30包括内圆环体301，内圆环体301的下部设有底座302，内圆环体301的外圆壁上设有若干个下勾槽303，内圆环体301、底座302和下勾槽303为一体结构。

六维力传感器20的固定端202通过螺钉安装在固定端保护座30的底座302上且位于内圆环体301之内，螺钉对固定端202和底座302的安装为现有技术中保护机构的常用安装固定方式。加载端保护盖10套在固定端保护座30上且外圆环体101套在内圆环体301外、上勾齿103位于下勾槽303内，加载端保护盖10的上盖102通过螺钉50安装在六维力传感器20的加载端201。即，如图9所示，上勾齿103插在下勾槽303内，而对于六维力传感器20的固定端202或加载端201均通过螺钉50安装在底座302或上盖102上，以此形成六维力传感器20、加载端保护盖10和固定端保护座30三者的安装。

如图3所示，加载端保护盖10上设有多个上勾齿103，上勾齿103为横置“L”形(

型钩齿)结构。如图4所示，上勾齿103包括竖块104和横插块105，竖块104的一端与外圆环体101垂直相连，竖块104的另一端垂直连接有横插块105。通过竖块104和横插块105的组合连接关系，形成了上勾齿103的六个齿面，如图4所示，其分别为：A面、B面、C面、D面、E面和F面。其中，A面、C面和E面用于六维力传感器20在Fz方向的过载保护；B面、D面和F面用于六维力传感器20在Mz方向的过载保护；上勾齿103(

型钩齿)内侧面用于六维力传感器20在Mx、My、Fx和Fy方向的过载保护。

如图5和图6所示，下勾槽303包括与内圆环体301相连的上横块304、下横块305和纵向连接块306。上横块304与下横块305相平行，纵向连接块306的一端与上横块304相连，纵向连接块306的另一端与下横块305相连，横插块105位于上横块304与下横块305之间。如图6所示，下勾槽303(下勾槽303为类似于

形结构)通过上横块304、下横块305和纵向连接块306的安装连接关系形成七个面：A’面、B’面、C’面、D’面，E’面、G’面和J’面。A’面、C’面和E’面用于六维力传感器20在Fz方向的过载保护，B’面和D’面用于六维力传感器Mz方向的过载保护，圆环的外侧面用于六维力传感器20在Mx、My、Fx和Fy方向的过载保护。

为了形成针对六维力传感器20更全方位的过载保护，即实现六维力传感器20在Mz正负两个方向和Fz方向的过载保护，则通过卡接基座40来实现。

如图7所示，卡接基座40包括圆环基底401，圆环基底401的圆周轨迹上等分设有若干个凸台402，卡接基座40安装在固定端保护座30的底部且下勾槽303位于两个相邻的凸台402之间，圆环基底401通过螺钉安装在固定端保护座30的底座302上，以形成卡接基座40与六维力传感器20、加载端保护盖10和固定端保护座30的整体安装，同时，上勾齿103、下勾槽303和凸台402的数量均相同。

如图8所示，凸台402(“I”型直齿)有三个面：G面、H面和J面，G面用于六维力传感器20在Mz方向的过载保护，H面用于六维力传感器20在Fz方向的过载保护。

为了六维力传感器20起到过载保护作用，又不影响其正常使用，加载端保护盖10与固定端保护座30之间、固定端保护座30与卡接基座40之间均构成间隙配合。即，横插块105与上横块304、横插块105与下横块305、横插块105与纵向连接块306、上横块304与竖块104、上横块304与外圆环体101均构成间隙配合，同时，下横块305与凸台402、竖块104与凸台402均构成间隙配合。

如图9和图10所示，上勾齿103、下勾槽303和凸台402(

型钩齿、

型勾槽、“I”型直齿)，三者配合形成过载保护腔结构

A和A’、C和C’、E和E’它们三者之间间隙配合，间隙尺寸相等，用于实现六维力传感器20在Fz方向的过载保护；B和B’、D和D’、F和G它们三者之间间隙配合，间隙尺寸相等，用于实现六维力传感器20在Mz方向的过载保护；内圆环体301外侧面与上勾齿103内侧面之间间隙配合，用于实现六维力传感器Mx、My、Fx和Fy方向的过载保护。

在进行安装时，首先固定端保护座30安装在六维力传感器20的固定端202；其次加载端保护盖10安装在六维力传感器20的加载端201；最后卡接基座40安装在固定端保护座30上。

在此，还提供一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构的设计方法，包括以下步骤：

第一步，六维力传感器20的弹性体设计，针对六维力传感器20的弹性体进行正应力和剪应力的设计。其具体步骤如下：

(1)利用材料力学中的虎克定律，设定受正应力状态计算公式，其计算公式如下：

σ＝E·ε，

其中，σ为弹性体横截面上的正应力，ε为弹性体的纵向应变，σ与ε成正比；

(2)设定剪应力状态计算公式，其公式如下：

τ＝G·γ，

其中，G为剪切模量，γ为剪应变，τ为剪应力。

上式表明，当六维力传感器20的弹性体受到剪应力不超过材料的剪切比例极限τ_p时，剪应力τ与剪应变γ成正比。

第二步，六维力传感器20的弹性体满量程最大应变值的计算，根据六维力传感器20弹性体的材质计算出弹性体满量程最大应变值。其具体步骤如下：

(1)设六维力传感器在经历p倍的过载以后，传感器仍正常使用，则六维力传感器的最大应变ε_max计算公式如下：

其中，[ε]为弹性体材料弹性变形的最大应变极限，e为静态设计安全因数，p为传感器最大量程过载倍数；

(2)设定在静载的情况下，对塑性材料的安全因素取e_s＝1.2～2.5；

(3)计算由六维力传感器20的全桥路输出灵敏度S，其计算公式如下：

S＝Kε×10^-3mV/V，

其中：K为应变计灵敏系数，ε为贴片平均应变。

由上式可知，传感器的应变输出直接影响传感器的灵敏度，传感器输出应变越大传感灵敏度越大，因此在保证刚度和过载的情况下，传感器的输出应变越大越好。

第三步，如图11所示，外圆环体101与底座302之间配合间隙λ的确定(如图11所示，图11中配合间隙λ计算均如此)。

采用仿真软件，利用有限元方法将六维力传感器20在Mx/My、Fx/Fy和Fz方向满量程最大载荷下加载端沿Z移动的最大位移找出定义为λ_F，在Mx/My、Fx/Fy和Fz方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端沿Z移动的最小位移找出定义为λ_T，则配合间隙λ取(λ_F，λ_T)之间的任意数值；

第四步，如图12所示，上勾齿103与下勾槽303之间配合间隙θ的确定。

采用仿真软件，利用有限元方法将六维力传感器20在Mz方向满量程最大载荷下加载端绕Z轴转角变化为θ_F，其次利用有限元方法将六维力传感器20在Mz方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端绕Z轴的转角变形计算出并设定为θ_T，则配合间隙θ取(θ_F，θ_T)之间的任意数值；

第五步，如图12所示，凸台402(或上勾齿103)与下勾槽303配合间隙δ的确定。

采用仿真软件，利用有限元方法将六维力传感器20在Mx/My和Fx/Fy方向满量程最大载荷下加载端沿X轴或Y移动的最大位移找出并取它们之间最大值作为δ_F；利用有限元方法将六维力传感器20在Mx/My和Fx/Fy方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端沿X轴或Y移动的最大位移找出并取它们之间最小值作为δ_T，则配合间隙θ取(δ_F，δ_T)之间的任意数值。

本应用案例以一款双E型膜片结构的六维力传感器为应用对象，根据航天环境下的多维力传感器的振动过载变形特点，设计一款勾合卡接式六维力传感器过载保护装置，并对其过载能力进行分析。

1、传感器弹性体材料为铝合金，量程如下：

表1传感器各维满量程最大载荷

六维力传感器	Mz	Mx/My	Fz	Fx/Fy
					满量程最大载荷	20Nm	8Nm	600N	400N

2、对传感器进行满量程载荷下的有限元仿真，传感器在满量程最大载荷下的变形参数如下表2所示：

表2传感器满量程最大载荷下的变形参数表

由表2可知，给传感器施加Mz＝20Nm，最大变形应力为51.6MPa；给传感器施加Mx＝8Nm，最大变形应力为47.2MPa；给传感器施加Fz＝600N，最大变形应力为52.8MPa；给传感器施加Fx＝400N，最大变形应力为44.8MPa；已知LY12屈服应力为280MPa，在进行过载保护装置设计时，取安全因数为1.2

则：1.2σ≤[σ]

将屈服应力带入上式，可得

σ≤233MPa

以233MPa为约束条件，各维极限载荷如下：

根据上面计算结果可知，若不采取过载保护措施的话，六维力传感器Mz方向拥有4.5倍的过载能力，Mx方向拥有5倍的过载能力，Fz方向拥有4.4倍的过载能力，Fx方向拥有5.2倍的过载能力。用各维可以承载的极限载荷对传感器弹性体再次进行有限元仿真，计算结果如下表3所示：

表3传感器极限载荷下的变形参数

通过表2可知各维在极限载荷时产生的内应力均在233MPa左右，符合安全设定。结合表2和表3确定过载保护装置与六维力传感器之间的限位间隙如下：

Z轴方向限位间隙λ的确定：传感器在受到Mx、Fx和Fz方向载荷时会产生Z轴方向上的位移；通过表3可知，M_X-T＝40Nm时，传感器沿Z轴方向产生的位移为Lz_Mx-T＝0.49mm；F_x-T＝2080N时，传感器沿Z轴方向产生的位移为Lz_Fx-T＝0.38mm；F_z-T＝2640N时，传感器在Z轴方向产生的位移为Lz_Fz-T＝0.17mm；通过表2可知，M_x-F＝8NM时，传感器在Z轴方向产生的位移为Lz_Mx-F＝0.10mm；F_x-F＝400N时，传感器在Z轴方向产生的位移为Lz_Fx-F＝0.07mm；F_z-F＝600N时，传感器在Z轴方向产生的位移为Lz_Fx-F＝0.04mm；通过对比分析可知，传感器在Fz方向安全极限载荷时Z轴方向上产生的位移为Lz_Fz-T＝0.17mm，小于Mx方向安全极限载荷时在Z轴方向产生的位移Lz_Mx-T＝0.49mm，大于Mx方向满量程最大载荷时Z轴方向产生的位移Lz_Mx-F＝0.1mm；则沿Z轴方向的配合间隙λ取[0.10，0.17]之间的任意数值均可满足要求。

Z轴圆周方向限位间隙θ的确定：圆周方向的间隙θ主要用于对Mz方向上的过载保护，由于Mz方向受其它方向干涉较小，由表3可知，Mz方向在达到安全极限载荷时，传感器产生的最大位移为Lx_Mz-T＝0.13mm，由表2可知传感器在Mz方向满量程最大载荷时Z方向上产生的位移为Lx_Mz-F＝0.03mm，位移变化较小时，可将位移约等于弧长，则位移间隙为[0.03，0.13]，由：

式中，L为最大变形半径处允许运动的弧长，R为最大变形半径。取R＝45mm，将L[0.04，0.13]代入3.18式，可得θ[0.04°，0.16°]。

轴环之间限位间隙δ的确定：轴环之间的限位间隙主要用于限制弹性体在受到Fx、Fy、Mx或My方向过载时对X方向或者Y方向上的变形限制，通过表3可知，M_x-T＝40Nm时，传感器沿X轴方向产生的位移为Ly_Mx-T＝0.16mm；F_x-T＝2080N时，传感器沿X方向产生的位移为Ly_Fx-T＝0.15mm；通过表2可知，M_x-T＝8NM时，传感器沿Y轴方向产生的位移为Ly_Mx-T＝0.033mm；F_x-T＝400N时，传感器沿X轴方向产生的位移为Ly_Fx-T＝0.03mm；取二者较小的值作为保护间隙，则Z方向限位间隙δ取[0.03，0.15]之间的任意数值均可满足要求。

综上所述，结合实际的可操作性，取λ＝0.1mm，θ＝0.01°，δ＝mm。

4、过载能力验证

在SOLIDWORKS软件对具有过载保护装置的六维力传感器进行三维建模，然后在ANSYS WORKBENCH中进行有限元分析。保护装置材料为结构钢，将保护基座底端固定，对加载端施加各维不同位移载荷，在Analysys Setting中将Step End Time设为1s，InitialSubsteps设为30，Minimum Substeps设为20，Maximum Substeps设为50，进行过载保护能力仿真如图13所示。

一、Fz过载保护能力验证

给加载端Fz方向施加0.2mm的位移，仿真结果见表4。由表4可知，在0-0.12mm运动范围内，传感器弹性体的最大应力为231.08MPa，最大应变为3.2547e-003mm/mm，而保护端盖上的最大应力为14.327MPa和最大应变为4.1844e-005mm/mm，说明变形主要集中在弹性体上，在0-0.12mm间隙范围，传感器正常测量，且当运动间隙达到0.11357mm时，加载面反作用力为2192.3N；当运动间隙超过0.12mm后，过载保护装置开始起到过载保护作用，到运动位移达到0.12336mm时，此时弹性体的最大应力为250MPa；最大应变为3.5234e-003mm/mm，传感器弹性体的变形依然处在安全变形范围内，但是加载面反作用力已经达到25819N，说明设计的安全间隙0.12mm符合预期要求；当位移继续怎加，保护端盖的应力急剧增加，说明此时保护端盖其主要承载作用。由此可知，该保护装置在传感器Fz方向可以达满载荷的25819/600＝43倍的过载能力。

表4 Fz＝0.2mm作用下具有过载保护装置的变形及其相关参数

二、Mz过载保护能力验证

给保护端盖加载端Mz方向施加0.2°的转角位移，仿真结果见表5。由表5可知，在0-0.1mm位移运动范围内，传感器弹性体的最大应力为152.36MPa，最大应变为2.146e-003mm/mm，而保护端盖上的最大应力为7.7829MPa和最大应变为4.1844e-005mm/mm，说明变形主要集中在弹性体上，在0-0.1mm间隙范围，传感器正常测量，且当运动间隙达到0.1012mm时，加载面反作用力矩为64735Nmm；当运动间隙超过0.1mm后，过载保护装置开始起到过载保护作用，到运动位移达到0.1099mm时，此时弹性体的最大应力为164MPa；最大应变为3.5234e-003mm/mm，传感器弹性体的变形依然处在安全变形范围内，但是加载面反作用力已经达到2.9669e+005Nmm，说明设计的安全间隙0.1°符合预期要求。由此可知，保护装置在传感器Mz方向可以达满载荷的2.97e+005/2.0e+004＝14.85倍的过载能力。

表5 Mz＝0.2°作用下具有过载保护装置的变形及其相关参数

三、Fx过载保护能力验证

给保护端盖加载端Fx方向施加0.15mm位移，仿真结果见表6。由表6可知，当加载端的反作用力达到874N时，保护端盖开始起作用，说明Fx方向的最大量程小于874N时，过载保护装置不影响传感器的正常测量，当Fx方向的最大量程大于874N时，过载保护装置就会影响传感器的正常测量，本专利的传感器Fx方向的量程最大为400N，过载保护装置不影响传感器的正常使用；当Fx方向运动位移达到0.1mm时，加载端的反作用力4070N，由此可知，保护装置在传感器Mz方向可以达满载荷的4070/400＝10.2倍的过载能力。

表6 Fx＝0.15mm作用下具有过载保护装置的变形及其相关参数

四、Mx过载保护能力能力验证

给保护端盖加载端Mx方向施加0.2°的转角位移，仿真结果见表7。由表7可知，当加载端的反作用力矩达到9335Nmm时，保护装置开始起作用，说明Mx方向的最大量程小于9335Nmm时，过载保护装置不影响传感器的正常测量，当Mx方向的最大量程大于9335Nmm时，过载保护装置就会影响传感器的正常测量，本章的传感器Mx方向的量程最大为8000Nmm，过载保护装置不影响传感器的正常使用；当变形达到材料的允许极限载荷时，加载端的反作用力矩82106Nmm，由此可知，该保护装置在传感器Mz方向可以达满载荷的82106/8000＝8.2倍的过载能力。

表7 Mx＝0.2°作用下具有过载保护装置的变形及其相关参数

将没有过载能力的有过载能力的传感器满量程过载倍数进行对比，见表8，通过对比表中数据可知，具有过载保护装置的六维力传感器过载能力有所提高：Mz方向的过载能力由原来的4.5倍提高到14.3倍；Mx方向的过载能力由原来的5.2倍提高到8.2倍；Fz方向的过载能力由原来的4.4倍提高到43倍；Fz方向的过载能力由原来的5.2倍提高到10.2倍。综上可知，过载保护装置可以在不影响传感器正常使用的条件下，提高六维力传感器的过载保护能力，该过载保护装置对Fz方向过载保护效果显著，Mx方向过载保护能力相对其他三个方向较弱。

表8过载能力对比表

保护装置	Mz	Mx	Fz	Fx
					无	4.5	5	4.4	5.2
有	14.85	8.2	43	10.2

本发明据航天力学环境下多维力传感器的振动特点，对传感器振动力学状态进行了分析，研究过载保护的力学原理，摒弃传统的销钉保护结构，采用一体化整体加工的方式，设计一款满足航天振动环境下的六维力传感器过载保护装置。以双E型膜六维力传感器为应用对象，根据传感器过载时的变形特点，运用有限元方法确定了过载保护的间隙，对过载保护装置的过载能力进行了仿真。结果表明保护装置在Fz和Mz方向的过载能力较强，分别达到43和14.3，在Fx/Fy和Mx/My方向的过载保护能力在达到各自材料的屈服极限时分别为10.2和8.2倍，该装置在多维力传感器满量程范围内不影响传感器的正常使用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，包括六维力传感器(20)，六维力传感器(20)的两端为加载端(201)和固定端(202)，

还包括加载端保护盖(10)和固定端保护座(30)，加载端保护盖(10)包括外圆环体(101)，外圆环体(101)的上部设有上盖(102)，外圆环体(101)的下部设有若干个上勾齿(103)，上盖(102)、外圆环体(101)和上勾齿(103)为一体结构；固定端保护座(30)包括内圆环体(301)，内圆环体(301)的下部设有底座(302)，内圆环体(301)的外圆壁上设有若干个下勾槽(303)，内圆环体(301)、底座(302)和下勾槽(303)为一体结构；

六维力传感器(20)的固定端(202)通过螺钉安装在固定端保护座(30)的底座(302)上且位于内圆环体(301)之内，加载端保护盖(10)套在固定端保护座(30)上且外圆环体(101)套在内圆环体(301)外、上勾齿(103)位于下勾槽(303)内，加载端保护盖(10)的上盖(102)通过螺钉(50)安装在六维力传感器(20)的加载端(201)；

还包括卡接基座(40)，卡接基座(40)包括圆环基底(401)，圆环基底(401)的圆周轨迹上等分设有若干个凸台(402)，卡接基座(40)安装在固定端保护座(30)的底部且下勾槽(303)位于两个相邻的凸台(402)之间，圆环基底(401)通过螺钉安装在固定端保护座(30)的底座(302)上；

所述的加载端保护盖(10)、固定端保护座(30)和卡接基座(40)三者的外表面位于同一圆周面上；

所述六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构的设计方法，包括以下步骤：

1)六维力传感器(20)的弹性体设计，针对六维力传感器(20)的弹性体进行正应力和剪应力的设计；

2)六维力传感器(20)的弹性体满量程最大应变值的计算，根据六维力传感器(20)弹性体的材质计算出弹性体最大应变极限值；

3)配合间隙λ的确定，

利用有限元方法将六维力传感器(20)在Mx/My、Fx/Fy和Fz方向满量程最大载荷下加载端沿Z移动的最大位移找出定义为λ_F，在Mx/My、Fx/Fy和Fz方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端沿Z移动的最小位移找出定义为λ_T，则配合间隙λ取(λ_F，λ_T)之间的数值；

4)配合间隙θ的确定，

利用有限元方法将六维力传感器(20)在Mz方向满量程最大载荷下加载端绕Z轴转角变化为θ_F，其次利用有限元方法将六维力传感器(20)在Mz方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端绕Z轴的转角变形计算出并设定为θ_T，则配合间隙θ取(θ_F，θ_T)之间的数值；

5)配合间隙δ的确定，

利用有限元方法将六维力传感器(20)在Mx/My和Fx/Fy方向满量程最大载荷下加载端沿X轴或Y移动的最大位移找出并取它们之间最大值作为δ_F；利用有限元方法将六维力传感器(20)在Mx/My和Fx/Fy方向弹性体材料允许的极限载荷下加载端沿X轴或Y移动的最大位移找出并取它们之间最小值作为δ_T，则配合间隙δ取(δ_F，δ_T)之间的数值。

2.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于：所述的上勾齿(103)、下勾槽(303)和凸台(402)的数量均相同。

3.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于：所述的加载端保护盖(10)与固定端保护座(30)之间、固定端保护座(30)与卡接基座(40)之间均构成间隙配合。

4.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于：所述的上勾齿(103)包括竖块(104)，竖块(104)的一端与外圆环体(101)垂直相连，竖块(104)的另一端垂直连接有横插块(105)。

5.根据权利要求4所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于：所述的下勾槽(303)包括与内圆环体(301)相连的上横块(304)、下横块(305)和纵向连接块(306)，上横块(304)与下横块(305)相平行，纵向连接块(306)的一端与上横块(304)相连，纵向连接块(306)的另一端与下横块(305)相连，横插块(105)位于上横块(304)与下横块(305)之间，横插块(105)与上横块(304)、横插块(105)与下横块(305)、横插块(105)与纵向连接块(306)、上横块(304)与竖块(104)、上横块(304)与外圆环体(101)均构成间隙配合。

6.根据权利要求5所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于：所述的下横块(305)与凸台(402)、竖块(104)与凸台(402)均构成间隙配合。

7.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于，所述六维力传感器的弹性体设计包括以下步骤：

71)利用材料力学中的虎克定律，设定受正应力状态计算公式，其计算公式如下：

σ＝E·ε，

其中，σ为弹性体横截面上的正应力，ε为弹性体的纵向应变，σ与ε成正比；

72)设定剪应力状态计算公式，其公式如下：

τ＝G·γ，

其中，G为剪切模量，γ为剪应变，τ为剪应力。

8.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器的勾合卡接式全方位过载保护机构，其特征在于，所述六维力传感器的弹性体满量程最大应变值的计算包括以下步骤：

81)设六维力传感器在经历p倍的过载以后传感器仍正常使用，则六维力传感器的最大应变ε_max计算公式如下：

其中，[ε]为弹性体材料弹性变形的最大应变极限，e为静态设计安全因数，p为传感器最大量程过载倍数；

82)设定在静载的情况下，对塑性材料的安全因素取e_s＝1.2～2.5；

83)计算由六维力传感器(20)的全桥路输出灵敏度S，其计算公式如下：

S＝Kε×10^-3mV/V，

其中：K为应变计灵敏系数，ε为贴片平均应变。

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