CN111964829A - 一种六维力/力矩测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种串联式力、力矩测量装置，加载台用于承受施加的力和力矩，加载台向X轴力矩承载构件传递作用力和力矩，X轴力矩承载构件向X轴Y轴力承载构件传递作用力和力矩，X轴Y轴力承载构件向Y轴力矩承载构件传递作用力和力矩，Y轴力矩承载构件向Z轴力承载构件传递作用力和力矩，Z轴力承载构件和Z轴力矩承载构件传递作用力和力矩，通过X轴力矩承载构件、和/或X轴Y轴力承载构件、和/或Y轴力矩承载构件、和/或Z轴力承载构件、和/或Z轴力矩承载构件上贴装的应变片检测作用力和力矩；本发明的六维力/力矩测量装置采用串联式的结构传递作用力和力矩，传递路径唯一，可有效降低维间耦合，降低信号失真。
Description
技术领域
本发明涉及力学测量技术领域，更进一步涉及一种六维力/力矩测量装置。
背景技术
六维力、力矩测量装置可测量空间坐标中三个维度力分量Fx、Fy、Fz和力矩分量Mx、My、Mz，测量装置受力产生形变，通过应变片将变形转换为电信号的变化，实现力和力矩的测量。
传统的力、力矩测量装置以并联结构为主，采用对称的布置形式，力传递的路径并不唯一，这种结构不能有效降低维间耦合，一个维度的作用力会影响另一维度，造成检测信号失真。
对于本领域的技术人员来说，如何降低并联结构之间的相互作用导致的信号失真，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种六维力/力矩测量装置，采用串联的结构使力和力矩的传递路径唯一，降低维间耦合，从而减小信号失真，具体方案如下：
一种六维力/力矩测量装置，包括加载台、X轴力矩承载构件、X轴Y轴力承载构件、Y轴力矩承载构件、Z轴力承载构件、Z轴力矩承载构件；
所述加载台用于承受施加的力和力矩；所述X轴Y轴力承载构件和所述Z轴力承载构件均呈折弯设置；
所述X轴力矩承载构件固定连接所述加载台和X轴Y轴力承载构件；
所述Y轴力矩承载构件固定连接所述X轴Y轴力承载构件和所述Z轴力承载构件；
所述Z轴力矩承载构件固定连接所述Z轴力承载构件和固定台；
所述X轴力矩承载构件、和/或所述X轴Y轴力承载构件、和/或所述Y轴力矩承载构件、和/或所述Z轴力承载构件、和/或所述Z轴力矩承载构件上贴装应变片。
可选地，所述X轴力矩承载构件、所述Y轴力矩承载构件、所述Z轴力矩承载构件的两端分别设置用于连接固定的法兰盘。
可选地，所述X轴力矩承载构件、所述Y轴力矩承载构件、所述Z轴力矩承载构件的形状尺寸相同，能够相互替换。
可选地，所述X轴Y轴力承载构件为一体式结构，具有四个相互垂直的侧壁；
所述X轴力矩承载构件和所述Y轴力矩承载构件分别固定连接在所述X轴Y轴力承载构件末端相互垂直的侧面上。
可选地，所述Z轴力承载构件包括两个相互垂直的侧面，所述Y轴力矩承载构件和所述Z轴力矩承载构件分别固定连接在所述Z轴力承载构件相互垂直的两个侧面上。
可选地，所述X轴Y轴力承载构件和所述Z轴力承载构件的表面贴装应变片的位置为机加工的凹槽面。
可选地，所述X轴力矩承载构件、所述Y轴力矩承载构件和所述Z轴力矩承载构件分别位于所述加载台的三个轴线同轴。
本发明提供一种六维力/力矩测量装置，加载台用于承受施加的力和力矩，根据需要可加载空间方向X轴、Y轴、Z轴方向的作用力或力矩，X轴Y轴力承载构件和Z轴力承载构件均呈折弯设置；X轴力矩承载构件固定连接加载台和X轴Y轴力承载构件；Y轴力矩承载构件固定连接X轴Y轴力承载构件和Z轴力承载构件；Z轴力矩承载构件固定连接Z轴力承载构件和固定台；也即加载台向X轴力矩承载构件传递作用力和力矩，X轴力矩承载构件向X轴Y轴力承载构件传递作用力和力矩，X轴Y轴力承载构件向Y轴力矩承载构件传递作用力和力矩，Y轴力矩承载构件向Z轴力承载构件传递作用力和力矩，Z轴力承载构件和Z轴力矩承载构件传递作用力和力矩，通过X轴力矩承载构件、和/或X轴Y轴力承载构件、和/或Y轴力矩承载构件、和/或Z轴力承载构件、和/或Z轴力矩承载构件上贴装的应变片检测作用力和力矩；本发明的六维力/力矩测量装置采用串联式的结构传递作用力和力矩，传递路径唯一，可有效降低维间耦合，降低信号失真。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明提供的六维力/力矩测量装置第一种具体实施例的轴测示意图；
图2为本发明六维力/力矩测量装置各部件的爆炸结构图；
图3为本发明的六维力/力矩测量装置第二种实施例的结构示意图；
图4为本发明的六维力/力矩测量装置第三种实施例的结构示意图；
图5为X轴Y轴力承载构件的结构示意图；
图6为Z轴力承载构件的结构示意图。
图中包括：
加载台1、X轴力矩承载构件2、X轴Y轴力承载构件3、Y轴力矩承载构件4、Z轴力承载构件5、Z轴力矩承载构件6。
具体实施方式
本发明的核心在于提供一种六维力/力矩测量装置，采用串联的结构使力和力矩的传递路径唯一，降低维间耦合，从而减小信号失真。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的六维力/力矩测量装置进行详细的介绍说明。
如图1所示，为本发明提供的六维力/力矩测量装置第一种具体实施例的轴测示意图，图中A表示应变片；本发明的六维力/力矩测量装置包括加载台1、X轴力矩承载构件2、X轴Y轴力承载构件3、Y轴力矩承载构件4、Z轴力承载构件5、Z轴力矩承载构件6。
加载台1用于承受施加的力和力矩，外部的作用力施加于加载台1，加载台1可承受沿X轴、Y轴、Z轴三个轴线方向的作用力，也可承受X轴、Y轴、Z轴三个轴线方向的力矩，加载台1承受的作用力和力矩经过逐层传递，施加到其他的相应构件上。
X轴Y轴力承载构件3和Z轴力承载构件5均呈折弯设置的板状结构，X轴Y轴力承载构件3同时连接X轴力矩承载构件2和Y轴力矩承载构件4，Z轴力承载构件5同时连接Y轴力矩承载构件4和Z轴力矩承载构件6。X轴Y轴力承载构件3受到沿X轴或Y轴方向的作用力时发生相应的形变，Z轴力承载构件5受到沿Z轴方向的作用力时发生相应的形变。
X轴力矩承载构件2固定连接加载台1和X轴Y轴力承载构件3，X轴力矩承载构件2沿X轴方向设置。X轴力矩承载构件2受到X轴方向的力矩时产生相应的形变。
Y轴力矩承载构件4固定连接X轴Y轴力承载构件3和Z轴力承载构件5，Y轴力矩承载构件4沿Y轴方向设置。Y轴力矩承载构件4受到Y轴方向的力矩时产生相应的形变。
Z轴力矩承载构件6固定连接Z轴力承载构件5和固定台，Z轴力矩承载构件6沿Z轴方向设置。Z轴力矩承载构件6受到Z轴方向的力矩时产生相应的形变。
根据所要测量的作用力和力矩，在相应的位置设置应变片，X轴力矩承载构件2、和/或X轴Y轴力承载构件3、和/或Y轴力矩承载构件4、和/或Z轴力承载构件5、和/或Z轴力矩承载构件6上贴装应变片。构件受力变形时应变片的阻值相应变化，通过设置对应的电桥电路计算作用力或力矩。
X轴力矩承载构件2上的应变片感应X轴方向的力矩，Y轴力矩承载构件4上的应变片感应Y轴方向的力矩，Z轴力矩承载构件6上的应变片感应Z轴方向的力矩。X轴Y轴力承载构件3上的应用片感应X轴、Y轴方向的作用力，Z轴力承载构件5上的应用片感应Z轴方向的作用力。
图1所示的结构用于测量六维力、力矩，也即能够测量X轴方向的力和力矩，Y轴方向的力和力矩，Z轴方向的力和力矩；在X轴力矩承载构件2、X轴Y轴力承载构件3、Y轴力矩承载构件4、Z轴力承载构件5、Z轴力矩承载构件6的对应位置均设置应变片；若仅需要测量某些特定维度的作用力和力矩，仅需要在相应的构件上设置相应片，其他维度不必设置相应片。
本发明的六维力/力矩测量装置采用串联的结构布置形式，力和力矩的传递通过唯一确定的路径，没有其他并联结构，可有效降低维间耦合，降低信号失真。
当加载台1受到作用力或力矩时，由加载台1向X轴力矩承载构件2传递，X轴力矩承载构件2向X轴Y轴力承载构件3传递，X轴Y轴力承载构件3向Y轴力矩承载构件4传递，Y轴力矩承载构件4向Z轴力承载构件5传递，Z轴力承载构件5向Z轴力矩承载构件6传递，整个传递路径中仅有其中每两个构件相对传递，不存在一传多和多传多的并联路径。
以下举例进行说明：
当检测X轴方向的作用力Fx的力信息时，对加载台1施加X轴方向的力，该力会通过加载台1传递到X轴力矩承载构件2，再从X轴力矩承载构件2传递到X轴Y轴力承载构件3，X轴Y轴力承载构件3上检测作用力Fx的应变片位置会出现应力集中现象，应变片的阻值会发生相应变化，进而测得该力的大小。
当检测Z轴方向的力矩Mz的力矩信息时，对加载台施1加Z轴方向的力矩，该力矩会通过加载台1传递到X轴力矩承载构件2，再从X轴力矩承载构件2传递到X轴Y轴力承载构件3，再从X轴Y轴力承载构件3传递到Y轴力矩承载构件4，再从Y轴力矩承载构件4传递到Z轴力承载构件5，再从Z轴力承载构件5传递到Z轴力矩承载构件6，Z轴力矩承载构件6的检测Z轴方向力矩Mz的应变片位置会出现应力集中现象，应变片的阻值会发生相应变化，进而测得该力矩的大小。
在上述方案的基础上，本发明中的X轴力矩承载构件2、Y轴力矩承载构件4、Z轴力矩承载构件6的两端分别设置用于连接固定的法兰盘，通过法兰盘可拆卸固定。上述的加载台1、X轴力矩承载构件2、X轴Y轴力承载构件3、Y轴力矩承载构件4、Z轴力承载构件5、Z轴力矩承载构件6通过法兰盘和螺栓可拆卸固定，采用分体式的结构方便加工，降低制造成本。
如图2所示，为本发明六维力/力矩测量装置各部件的爆炸结构图，每个构件均采用独立的设置形式；优选地，X轴力矩承载构件4、Y轴力矩承载构件4、Z轴力矩承载构件6的形状尺寸相同，能够相互替换，将各轴的力矩承载结构标准化，有利于降低成本，提高通用性。
由于采用了分体式结构设计，可根据实际的使用需要设计每个部件的具体结构，当需要测量某个轴向的力矩时，则对应的力矩承载结构为力矩敏感构件；当需要测量某个轴向的作用力时，则对应的力矩承载构件为力敏感构件。力矩敏感构件的主体部分为圆柱，在外部的圆柱面上贴装应变片。如图3和图4所示，分别为本发明的六维力/力矩测量装置第二种实施例和第三种实施例的结构示意图；图3所示的结构中的Z轴力承载构件5和Z轴力矩承载构件6替换为普通构件，不再采用力敏感构件和力矩敏感构件；图4所示的结构中X轴力矩承载构件2和Y轴力矩承载构件4替换为普通构件，不再采用力矩敏感构件；普通构件对于加工精度的要求低，降低加工成本。
具体地，本发明中的X轴Y轴力承载构件3为一体式结构，具有四个相互垂直的侧壁；如图5所示，为X轴Y轴力承载构件3的结构示意图，X轴Y轴力承载构件3相当于两个L型构件拼接形成，由四个侧面围成，两个侧面与X轴垂直，两个侧面与Y轴垂直，内部用于安装加载台1。X轴力矩承载构件2和Y轴力矩承载构件4分别固定连接在X轴Y轴力承载构件3末端相互垂直的侧面上。当然，若有需要也可将X轴Y轴力承载构件3采用分体式的结构设计，并相对固定连接，能够实现相同的技术效果。
如图6所示，为Z轴力承载构件5的结构示意图；Z轴力承载构件5包括两个相互垂直的侧面，形成L形结构，一个侧面与Y轴垂直，另一个侧面与Z轴垂直；Y轴力矩承载构件4和Z轴力矩承载构件6分别固定连接在Z轴力承载构件5相互垂直的两个侧面上。
如图5和图6所示，X轴Y轴力承载构件3和Z轴力承载构件5的表面贴装应变片的位置为机加工的凹槽面，凹槽面均开设在外表面，应变片需要安装在精加工面上，设置凹槽面可减少精加工面的尺寸，降低加工成本。测量X轴作用力的应变片安装在X轴Y轴力承载构件3垂直于X轴的侧面上，其上另一个垂直于X轴的侧面用于固定安装X轴力矩承载构件2；测量Y轴作用力的应变片安装在X轴Y轴力承载构件3垂直于Y轴的侧面上，其上另一个垂直于Y轴的侧面用于固定安装Y轴力矩承载构件4。
在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，本发明的X轴力矩承载构件2、Y轴力矩承载构件4和Z轴力矩承载构件6分别位于加载台1的三个轴线同轴，也即X轴力矩承载构件2的轴线与X轴重合，Y轴力矩承载构件4的轴线与Y轴重合，Z轴力矩承载构件6的轴线与Z轴重合，X轴、Y轴、Z轴的原点为加载台1的中心点，采用此种结构使加载台1与测量作用力和力矩的构件之间不存在力臂，当对加载台1施加X轴、Y轴、Z轴方向的作用力时，不会产生附加的力矩，有效地降低了各个维度之间的耦合。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种六维力/力矩测量装置，其特征在于，包括加载台(1)、X轴力矩承载构件(2)、X轴Y轴力承载构件(3)、Y轴力矩承载构件(4)、Z轴力承载构件(5)、Z轴力矩承载构件(6)；
所述加载台(1)用于承受施加的力和力矩；所述X轴Y轴力承载构件(3)和所述Z轴力承载构件(5)均呈折弯设置；
所述X轴力矩承载构件(2)固定连接所述加载台(1)和X轴Y轴力承载构件(3)；
所述Y轴力矩承载构件(4)固定连接所述X轴Y轴力承载构件(3)和所述Z轴力承载构件(5)；
所述Z轴力矩承载构件(6)固定连接所述Z轴力承载构件(5)和固定台；
所述X轴力矩承载构件(2)、和/或所述X轴Y轴力承载构件(3)、和/或所述Y轴力矩承载构件(4)、和/或所述Z轴力承载构件(5)、和/或所述Z轴力矩承载构件(6)上贴装应变片。
2.根据权利要求1所述的六维力/力矩测量装置，其特征在于，所述X轴力矩承载构件(2)、所述Y轴力矩承载构件(4)、所述Z轴力矩承载构件(6)的两端分别设置用于连接固定的法兰盘。
3.根据权利要求2所述的六维力/力矩测量装置，其特征在于，所述X轴力矩承载构件(2)、所述Y轴力矩承载构件(4)、所述Z轴力矩承载构件(6)的形状尺寸相同，能够相互替换。
4.根据权利要求2所述的六维力/力矩测量装置，其特征在于，所述X轴Y轴力承载构件(3)为一体式结构，具有四个相互垂直的侧壁；
所述X轴力矩承载构件(2)和所述Y轴力矩承载构件(4)分别固定连接在所述X轴Y轴力承载构件(3)末端相互垂直的侧面上。
5.根据权利要求2所述的六维力/力矩测量装置，其特征在于，所述Z轴力承载构件(5)包括两个相互垂直的侧面，所述Y轴力矩承载构件(4)和所述Z轴力矩承载构件(6)分别固定连接在所述Z轴力承载构件(5)相互垂直的两个侧面上。
6.根据权利要求2所述的六维力/力矩测量装置，其特征在于，所述X轴Y轴力承载构件(3)和所述Z轴力承载构件(5)的表面贴装应变片的位置为机加工的凹槽面。
7.根据权利要求1至6任一项所述的六维力/力矩测量装置，其特征在于，所述X轴力矩承载构件(2)、所述Y轴力矩承载构件(4)和所述Z轴力矩承载构件(6)分别位于所述加载台(1)的三个轴线同轴。
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Cited By (2)
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| CN113091981A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-07-09 | 南京航空航天大学 | 一种设置预紧力的传感器及测量方法 |
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2020
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