CN109520687A - 弹性扭转件、平面弹簧检测装置及平面弹簧检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弹性扭转件、平面弹簧检测装置及平面弹簧检测方法，涉及平面弹簧技术领域，本发明提供的弹性扭转件包括：内圈部和第一渐开部，第一渐开部的一端与内圈部连接，第一渐开部的另一端沿内圈部的周向，朝远离内圈部轴线的方向延伸；第一渐开部自连接于内圈部的一端向远离内圈部轴线的一端，沿内圈部径向方向的厚度尺寸递减，本发明提供的弹性扭转件缓解了现有技术中弹性扭转件易出现弹力过载或断裂的技术问题，随变形量增大，弹性系数和刚性逐渐增强，进而避免弹力过载或断裂，有利于力矩传递的稳定性。

Description

弹性扭转件、平面弹簧检测装置及平面弹簧检测方法

技术领域

本发明涉及平面弹簧技术领域，尤其是涉及一种弹性扭转件、平面弹簧检测装置及平面弹簧检测方法。

背景技术

在串联弹性驱动器中，弹性元件嵌入在减速器输出端和负载之间，力矩的大小与弹簧的变形量正相关。为了提高机器人的灵活性和柔顺性以及与环境接触交互的能力，除了需要能够使机械臂移动至指定位置并具备一定速度，还应该使机械臂拥有一定的力矩。采用传统弹性元件连接在减速器输出端和负载之间，虽然可以传递力矩，但是在一定变形量的条件下，传统弹性元件的弹力稳定性较差，由此导致串联弹性驱动器的柔顺性较差。

此外，为了确切获取弹性元件的力学特性，需要采取施加作用力，并检测弹性变形量的方法，从而拟合作用力和弹性变形量之间的关系。现有技术中不仅缺少适用于平面弹簧检测的设备，而且对于弹性扭转件的检测中，极易引起弹性扭转件弹力过载或断裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹性扭转件、平面弹簧检测装置及平面弹簧检测方法，以缓解现有技术中弹性扭转件易出现弹力过载或断裂的技术问题。

第一方面，本发明提供的弹性扭转件，包括：内圈部和第一渐开部，第一渐开部的一端与内圈部连接，第一渐开部的另一端沿内圈部的周向，朝远离内圈部轴线的方向延伸；第一渐开部自连接于内圈部的一端向远离内圈部轴线的一端，沿内圈部径向方向的厚度尺寸递减。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，弹性扭转件包括第二渐开部，第二渐开部的一端与内圈部连接，且与第一渐开部沿内圈部的周向间隔设置；第二渐开部的另一端沿内圈部的周向，朝远离内圈部的方向，且与第一渐开部同向延伸。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，第二渐开部自连接于内圈部的一端向远离内圈部轴线的一端，沿内圈部径向方向的厚度尺寸递减。

第二方面，本发明提供的平面弹簧检测装置，包括：第一轴座、第一转轴、限位座、扭矩传感器、第一角度传感器、第二轴座、第二转轴、第二角度传感器和扭转限位件；第一转轴转动连接于第一轴座，限位座与第一转轴连接，且用于连接弹性扭转件的第一端部；扭矩传感器与第一轴座连接，用于检测第一转轴承受的扭矩；第一角度传感器与第一轴座连接，用于检测第一转轴的第一转角；第一转轴、限位座和第二转轴同轴，第二转轴转动连接于第二轴座，且用于连接弹性扭转件的第二端部；第二角度传感器与第二轴座连接，用于检测第二转轴的第二转角；扭转限位件与第二转轴连接，用于将第一转角和第二转角的差值限制在预定范围内。

结合第二方面，本发明提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，限位座包括：安装盘、凸块和杆件，安装盘与第一转轴同轴且连接，凸块连接在安装盘的偏心位置，杆件与安装盘连接，且杆件的轴线与安装盘的轴线平行，杆件用于连接弹性扭转件的第一端部。

结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，扭转限位件包括：定位轴套、第一限位部和第二限位部，定位轴套与第二转轴连接，且周向固定，第一限位部和第二限位部间隔设置，且均与定位轴套连接，第一限位部和第二限位部之间形成限位槽，凸块插接于限位槽内。

结合第二方面，本发明提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，平面弹簧检测装置包括驱动装置，扭矩传感器连接在驱动装置的传动轴和第一转轴之间。

结合第二方面，本发明提供了第二方面的第四种可能的实施方式，其中，第二转轴与负载轴连接，负载轴的轴线与第二转轴的轴线垂直，负载轴上连接有负载块。

结合第二方面，本发明提供了第二方面的第五种可能的实施方式，其中，平面弹簧检测装置包括底座，底座上设有与第一轴座和第二轴座相适配的孔位或滑槽，第一轴座和第二轴座分别活动连接于底座。

第三方面，本发明提供的平面弹簧检测方法，包括如下步骤：将弹性扭转件的第一端部与限位座连接，弹性扭转件的第二端部与第二转轴连接；分别向第一转轴和第二转轴施加方向相反的扭矩；记录同一时刻扭矩传感器的示数、第一角度传感器的示数和第二角度传感器的示数，并计算第一角度传感器与第二角度传感器的示数差值。

本发明带来了以下有益效果：采用第一渐开部的一端与内圈部连接，第一渐开部的另一端沿内圈部的周向，朝远离内圈部轴线的方向延伸，第一渐开部自连接于内圈部的一端向远离内圈部轴线的一端，沿内圈部径向方向的厚度尺寸递减的方式，通过第一渐开部绕内圈部的轴线弹性变形，可以产生绕内圈部的轴线方向的扭矩；并且，第一渐开部自连接于内圈部的一端向远离内圈部轴线的一端，沿内圈部径向方向的厚度尺寸递减，随第一渐开部弹性变形量的增大，第一渐开部上的应力集中位置沿第一渐开部的延伸方向，自远离内圈部的一端向连接内圈部的一端移动，从而使第一渐开部的弹性系数和刚性逐渐增强，进而避免弹力过载或第一渐开部断裂，且有利于第一渐开部形成绕内圈部轴线方向的稳定力矩。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的平面弹簧检测装置的剖视图一；

图2为本发明实施例提供的平面弹簧检测装置的限位座的示意图；

图3为本发明实施例提供的平面弹簧检测装置的扭转限位件的示意图；

图4为本发明实施例提供的弹性扭转件的示意图；

图5为本发明实施例提供的平面弹簧检测装置和扭转限位件连接处的示意图；

图6为本发明实施例提供的平面弹簧检测装置的剖视图二；

图7为本发明实施例提供的平面弹簧检测装置的示意图。

图标：100-第一轴座；200-第一转轴；300-限位座；301-安装盘；302-凸块；303-杆件；400-扭矩传感器；500-第一角度传感器；600-第二轴座；700-第二转轴；800-第二角度传感器；900-扭转限位件；901-定位轴套；902-第一限位部；903-第二限位部；110-弹性扭转件；111-内圈部；112-第一渐开部；113-第二渐开部；120-驱动装置；130-负载轴；140-负载块；150-底座。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图4所示，本发明实施例提供的弹性扭转件110，包括：内圈部111和第一渐开部112，第一渐开部112的一端与内圈部111连接，第一渐开部112的另一端沿内圈部111的周向，朝远离内圈部111轴线的方向延伸；第一渐开部112自连接于内圈部111的一端向远离内圈部111轴线的一端，沿内圈部111径向方向的厚度尺寸递减。

具体地，弹性扭转件110采用弹簧钢制成，且内圈部111的偏心位置设有轴端定位孔，第一渐开部112远离内圈部111的一端设有第一加载通孔；当内圈部111固定，并向第一渐开部112背离内圈部111的一端施加作用力时，作用力绕内圈部111的轴线对弹性扭转件110产生扭矩，并使扭矩通过内圈部111输出。随第一渐开部112的弹性变形量的增大，第一渐开部112的弯曲变形量增大，第一渐开部112上应力集中的位置自背离内圈部111的一端向连接内圈部111的一端延伸，由于第一渐开部112自背离内圈部111的一端向连接内圈部111的一端厚度递增，因此随第一渐开部112的弯曲变形量增大，第一渐开部112的弹性系数和刚性增大，从而可以避免第一渐开部112弹力过载或断裂，并且能够对内圈部111产生稳定的扭矩。

在本发明实施例中，弹性扭转件110包括第二渐开部113，第二渐开部113的一端与内圈部111连接，且与第一渐开部112沿内圈部111的周向间隔设置；第二渐开部113的另一端沿内圈部111的周向，朝远离内圈部111的方向，且与第一渐开部112同向延伸。其中，第二渐开部113和第一渐开部112相对于内圈部111的轴线中心对称，第二渐开部113远离内圈部111的一端设有第二加载通孔，以第一渐开部112远离内圈部111的一端和第二渐开部113远离内圈部111的一端作为弹性扭转件110的第一端部，以内圈部111作为弹性扭转件110的第二端部，通过施加作用力，使第一端部绕内圈部111的轴线旋转一定角度，从而使第一端部相对于第二端部产生位移，即第二渐开部113和第一渐开部112均产生弹性变形，此时，第二渐开部113和第一渐开部112共同作用为内圈部111提供旋转力矩，形成了第二渐开部113和第一渐开部112作用力叠加的效果。

进一步的，第二渐开部113自连接于内圈部111的一端向远离内圈部111轴线的一端，沿内圈部111径向方向的厚度尺寸递减。第二渐开部113与第一渐开部112同理，当弹性变形量增大时，应力集中的位置自远离内圈部111的一端向连接内圈部111的一端移动，在第一渐开部112和第二渐开部113上弹簧钢的材料密度相等的条件下，随第一渐开部112和第二渐开部113在内圈部111径向方向的厚度尺寸尺寸的增大，第一渐开部112和第二渐开部113的弹性系数和刚性增大，从而可以缓解弹力过载的产生，避免第一渐开部112和第二渐开部113断裂。

实施例二

如图1所示，本发明实施例提供的平面弹簧检测装置，包括：第一轴座100、第一转轴200、限位座300、扭矩传感器400、第一角度传感器500、第二轴座600、第二转轴700、第二角度传感器800和扭转限位件900；第一转轴200转动连接于第一轴座100，限位座300与第一转轴200连接，且用于连接弹性扭转件110的第一端部；扭矩传感器400与第一轴座100连接，用于检测第一转轴200承受的扭矩；第一角度传感器500与第一轴座100连接，用于检测第一转轴200的第一转角；第一转轴200、限位座300和第二转轴700同轴，第二转轴700转动连接于第二轴座600，且用于连接弹性扭转件110的第二端部；第二角度传感器800与第二轴座600连接，用于检测第二转轴700的第二转角；扭转限位件900与第二转轴700连接，用于将第一转角和第二转角的差值限制在预定范围内。

具体地，第一角度传感器500和第二角度传感器800均可采用角度编码器，角度编码器与控制器连接，角度编码器的转轴分别与第一转轴200和第二转轴700通过齿轮传动联动，控制器检测一定时间内角度编码器的转轴旋转角度，结合齿轮传动比即可计算第一转轴200和第二转轴700的旋转角度。扭矩传感器400的一端与第一转轴200同轴并连接，向扭矩传感器400的另一端输入转矩，从而通过扭矩传感器400检测力矩，并将力矩传递至第一转轴200。第二转轴700背离第一转轴200的一端固定或连接负载，弹性扭转件110的变形角度等于第一转轴200转动角度与第二转轴700转动角度的差值；在忽略摩擦力的条件下，当第一转轴200和第二转轴700均达到静止状态或匀速转动状态时，第一转轴200所受的转矩与弹性扭转件110受到的力矩相等。计算同时时刻，弹性扭转件110受到的力矩与弹性扭转件110的变形角度的比值，即可获知一定弹性形变角度时，弹性扭转件110的弹性系数；通过调节负载改变第一转轴200所受的力矩，进行多次测量，从而可以获得弹性扭转件110受到的力矩与弹性扭转件110的弹性变形量之间的对应关系，即获得弹性扭转件110的力学性能。扭转限位件900用于限制限位座300相对于第二转轴700的旋转角度，进而限定了第二转轴700和限位座300之间的弹性扭转件110的最大弹性变形量，从而可以避免弹性扭转件110弹力过载。第一转轴200与第一轴座100通过卡环进行轴向限位，第二转轴700与第二轴座600通过卡环进行轴向限位，通过改变第一轴座100与第二轴座600之间的间距，从而可以将第二转轴700和限位座300之间的弹性扭转件110进行拆除或更换，从而实现对不同弹性扭转件110的力学性能检测。

如图2所示，限位座300包括：安装盘301、凸块302和杆件303，安装盘301与第一转轴200同轴且连接，凸块302连接在安装盘301的偏心位置，杆件303与安装盘301连接，且杆件303的轴线与安装盘301的轴线平行，杆件303用于连接弹性扭转件110的第一端部。其中，凸块302设有两个，两个凸块302沿安装盘301的周向间隔设置，凸块302上连接多个间隔设置的杆件303。当弹性扭转件110安装在限位座300上时，安装盘301与内圈部111同轴，两个凸块302上的杆件303分别插接于第一渐开部112的第一加载通孔和第二渐开部113的第二加载通孔，第二转轴700插接于内圈部111，并与内圈部111通过键连接周向固定，或者，内圈部111的轴端定位孔内插接螺栓，且螺栓连接于第二转轴700上凸台的偏心位置，从而实现内圈部111与第二转轴700的周向固定。

如图3所示，扭转限位件900包括：定位轴套901、第一限位部902和第二限位部903，定位轴套901与第二转轴700连接，且周向固定，第一限位部902和第二限位部903间隔设置，且均与定位轴套901连接，第一限位部902和第二限位部903之间形成限位槽，凸块302插接于限位槽内。其中，定位轴套901与第二转轴700通过键连接进行周向固定，或者，定位轴套901与第二转轴700配合的截面为非圆形，从而实现扭转限位件900与第二转轴700周向固定。当弹性扭转件110产生弹性变形时，第二转轴700相对于限位座300，绕第二转轴700的轴线旋转，当弹性扭转件110弹性变形量增大到预设极限时，凸块302抵接第一限位部902或第二限位部903，从而使第二转轴700相对于限位座300绕第二转轴700轴线的旋转角度达到极限，进而避免弹性扭转件110弹性变形量过大，防止弹力过载。

此外，凸块302上设有沿安装盘301径向贯穿凸块302，并沿安装盘301圆周方向延伸的滑槽；定位轴套901上连接限位销，且限位销插接于凸块302的滑槽。当第二转轴700相对于限位座300绕第二转轴700轴线的旋转时，限位销沿滑槽滑动；当弹性扭转件110弹性变形量增大到预设极限时，限位销抵接至滑槽的内端壁，从而避免弹性扭转件110弹性变形量过大。

如图5所示，将弹性扭转件110与第二转轴700连接时，先将弹性扭转件110套设于第二转轴700，再将扭转限位件900套设于第二转轴700，并在第二转轴700朝向第一转轴200的一端连接法兰盘，通过螺栓沿平行于第二转轴700轴线的方向穿过法兰盘并连接于第二转轴700，法兰盘的直径大于定位轴套901的内直径，从而避免扭转限位件900从第二转轴700上脱离，并将弹性扭转件110限制在第二轴座600和扭转限位件900之间，或者，将弹性扭转件110限制在第二转轴700上的凸台和扭转限位件900之间，从而实现对弹性扭转件110的轴向限位。

进一步的，平面弹簧检测装置包括驱动装置120，扭矩传感器400连接在驱动装置120的传动轴和第一转轴200之间。通过驱动装置120替代人力加载，驱动装置120可以为电动机或流体驱动的旋转装置，例如气动旋转接头或者液力旋转接头。驱动装置120通过联轴器将转矩输入至扭矩传感器400，扭矩传感器400对转矩进行测量，并将转矩传递至第一转轴200。

进一步的，第二转轴700与负载轴130连接，负载轴130的轴线与第二转轴700的轴线垂直，负载轴130上连接有负载块140。通过在负载轴130上增设负载块140，当第二转轴700沿水平方向设置时，负载块140在重力作用下使负载轴130与铅锤方向呈一定角度，此时第一转轴200的力矩不足以驱动第二转轴700继续旋转，第一转轴200和第二转轴700旋转角度固定，达到稳定状态，此时弹性扭转件110所受力矩与第一转轴200所受力矩相等。

如图6和图7所示，平面弹簧检测装置包括底座150，底座150上设有与第一轴座100和第二轴座600相适配的孔位或滑槽，第一轴座100和第二轴座600分别活动连接于底座150。第一轴座100和第二轴座600可以分别沿底座150上的滑槽滑动，或者，通过螺栓连接在底座150上的孔位处，从而确保弹性扭转件110位于第二转轴700和限位座300之间，以完成对弹性扭转件110的检测；检测完毕时，可以使第一轴座100和第二轴座600均与底座150分离，或者，使第一轴座100向背离第二轴座600的方向滑动，以便拆除或更换弹性扭转件110。

实施例三

本发明实施例提供的平面弹簧检测方法，包括如下步骤：将弹性扭转件110的第一端部与限位座300连接，弹性扭转件110的第二端部与第二转轴700连接；分别向第一转轴200和第二转轴700施加方向相反的扭矩；记录同一时刻扭矩传感器400的示数、第一角度传感器500的示数和第二角度传感器800的示数，并计算第一角度传感器500与第二角度传感器800的示数差值。通过改变第一转轴200所受的力矩，从而进行多次测量，可以获得弹性扭转件110的力矩与弹性扭转件110变形量之间的对应关系，以多组弹性扭转件110的力矩和弹性扭转件110变形量一一对应地建立表格或进行函数拟合，从而可以估算一定弹性变形量时，弹性扭转件110的力矩值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种弹性扭转件(110)，其特征在于，包括：内圈部(111)和第一渐开部(112)，所述第一渐开部(112)的一端与所述内圈部(111)连接，所述第一渐开部(112)的另一端沿所述内圈部(111)的周向，朝远离所述内圈部(111)轴线的方向延伸；

所述第一渐开部(112)自连接于所述内圈部(111)的一端向远离所述内圈部(111)轴线的一端，沿所述内圈部(111)径向方向的厚度尺寸递减。

2.根据权利要求1所述的弹性扭转件(110)，其特征在于，所述弹性扭转件(110)包括第二渐开部(113)，所述第二渐开部(113)的一端与所述内圈部(111)连接，且与所述第一渐开部(112)沿所述内圈部(111)的周向间隔设置；

所述第二渐开部(113)的另一端沿所述内圈部(111)的周向，朝远离所述内圈部(111)的方向，且与所述第一渐开部(112)同向延伸。

3.根据权利要求2所述的弹性扭转件(110)，其特征在于，所述第二渐开部(113)自连接于所述内圈部(111)的一端向远离所述内圈部(111)轴线的一端，沿所述内圈部(111)径向方向的厚度尺寸递减。

4.一种平面弹簧检测装置，其特征在于，包括：第一轴座(100)、第一转轴(200)、限位座(300)、扭矩传感器(400)、第一角度传感器(500)、第二轴座(600)、第二转轴(700)、第二角度传感器(800)和扭转限位件(900)；

所述第一转轴(200)转动连接于所述第一轴座(100)，所述限位座(300)与所述第一转轴(200)连接，且用于连接弹性扭转件(110)的第一端部；

所述扭矩传感器(400)与所述第一轴座(100)连接，用于检测所述第一转轴(200)承受的扭矩；

所述第一角度传感器(500)与所述第一轴座(100)连接，用于检测所述第一转轴(200)的第一转角；

所述第一转轴(200)、限位座(300)和所述第二转轴(700)同轴，所述第二转轴(700)转动连接于所述第二轴座(600)，且用于连接所述弹性扭转件(110)的第二端部；

所述第二角度传感器(800)与所述第二轴座(600)连接，用于检测所述第二转轴(700)的第二转角；

所述扭转限位件(900)与所述第二转轴(700)连接，用于将所述第一转角和所述第二转角的差值限制在预定范围内。

5.根据权利要求4所述的平面弹簧检测装置，其特征在于，所述限位座(300)包括：安装盘(301)、凸块(302)和杆件(303)，所述安装盘(301)与所述第一转轴(200)同轴且连接，所述凸块(302)连接在所述安装盘(301)的偏心位置，所述杆件(303)与所述安装盘(301)连接，且所述杆件(303)的轴线与所述安装盘(301)的轴线平行，所述杆件(303)用于连接所述弹性扭转件(110)的第一端部。

6.根据权利要求5所述的平面弹簧检测装置，其特征在于，所述扭转限位件(900)包括：定位轴套(901)、第一限位部(902)和第二限位部(903)，所述定位轴套(901)与所述第二转轴(700)连接，且周向固定，所述第一限位部(902)和所述第二限位部(903)间隔设置，且均与所述定位轴套(901)连接，所述第一限位部(902)和所述第二限位部(903)之间形成限位槽，所述凸块(302)插接于所述限位槽内。

7.根据权利要求4所述的平面弹簧检测装置，其特征在于，所述平面弹簧检测装置包括驱动装置(120)，所述扭矩传感器(400)连接在所述驱动装置(120)的传动轴和所述第一转轴(200)之间。

8.根据权利要求4所述的平面弹簧检测装置，其特征在于，所述第二转轴(700)与负载轴(130)连接，所述负载轴(130)的轴线与所述第二转轴(700)的轴线垂直，所述负载轴(130)上连接有负载块(140)。

9.根据权利要求4所述的平面弹簧检测装置，其特征在于，所述平面弹簧检测装置包括底座(150)，所述底座(150)上设有与所述第一轴座(100)和所述第二轴座(600)相适配的孔位或滑槽，所述所述第一轴座(100)和所述第二轴座(600)分别活动连接于所述底座(150)。

10.一种平面弹簧检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

将弹性扭转件(110)的第一端部与限位座(300)连接，弹性扭转件(110)的第二端部与第二转轴(700)连接；

分别向第一转轴(200)和第二转轴(700)施加方向相反的扭矩；

记录同一时刻扭矩传感器(400)的示数、第一角度传感器(500)的示数和第二角度传感器(800)的示数，并计算第一角度传感器(500)与第二角度传感器(800)的示数差值。