CN116337292B - 刚柔复合导向力传感器结构及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于力传感器技术领域，尤其是刚柔复合导向力传感器结构及其应用，解决了力传感器位置调整测量受导向摩擦影响和量程不可调的问题，其技术方案包括：力传感器和刚柔复合导向机构，所述刚柔复合导向机构包括柔性导向机构，柔性导向机构由至少一组柔性铰链组成，且所述力传感器的作用端通过柔性铰链与刚性框架连接，外力通过柔性导向机构作用在所述力传感器上，以消除摩擦力的影响。本发明的力传感器结构，被测力通过柔性导向机构作用到力传感器上，在应用过程中不会受限于驱动组件所产生的摩擦力，即力的传递不受摩擦影响，进而明显提高力传感器的检测精度，同时通过更换不同的柔性导向机构厚度，获得不同的量程，节约成本。

Description

刚柔复合导向力传感器结构及其应用

技术领域

本发明涉及力传感器技术领域，尤其涉及一种刚柔复合导向力传感器结构及其应用。

背景技术

力传感器在工业中广泛使用。现有传感器主要有圆形、方形、环行等结构。通常，传感器内部是通过应变片测量柔性导向机构弹性变形，再根据柔性导向机构的刚度，计算获得力的大小。不同的柔性导向机构刚度，对应不同的量程。现有传感器技术都是位置固定条件下，解决变形与被测力的关系。然而，大部分条件下，是需要调整传感器的位置与被测物体接触来实现力的测量和控制。在应用过程中，由于传感器只能测量拉压单一自由度方向的拉压力，因此，通常需要导向机构配合，实现导向方向的受力检测。如图1，为现有的力传感器结合刚性导向机构的工作状态示意图，力传感器直接与刚性导向机构连接，需要随着刚性导向机构的直线运动来对检测物品进行测试。然而在实际受力检测中，导向机构活动过程中会产生摩擦，使得传感器的检测精度明显下降。在不采用导向机构时，传感器不能起到很好测试效果。目前采用方法主要为气浮导轨等消除摩擦的导向机构，一方面不仅成本高，而且对使用环境的要求也高。另一方面，传感器一旦制造出来，量程已经确定，当不同需求需要不同的量程测试时，只能更换传感器，造成比较大的浪费以及成本的增加。

在先技术有涉及量程调节，如专利申请号为201910925213.8提出了基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，柔性铰链的变形通过梳齿行程多片电容并联来测量，调节电容极板间的初始位置，实现量程的调节。然而，未涉及柔性导向功能，依然需要与刚性导向机构结合，才能实现变位置测量，带来摩擦的影响。申请号99122159.1一种量程设计可变的石英谐振式力传感器，公布了一种六柔性铰链组成的传感器，并公开了传感器本体受力和外部受力的关系公式，证明了通过外加刚度可以改变传感器本体的量程。但是，该发明只是说明可以刚度设计，实现量程可调，并没有涉及制造出的产品如何调节量程。从该专利的一体化加工结构可知，一旦制造出来，该传感器并不能再次改变量程，更加没有涉及导向机构摩擦的处理。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中力传感器受导向摩擦力影响，进而使得检测精度降低，以及量程不可调的问题，而提出的一种刚柔复合导向力传感器结构及其应用。

本发明的一方面，提出了一种刚柔复合导向力传感器结构，包括力传感器，还包括刚柔复合导向机构，所述刚柔复合导向机构包括：

柔性导向机构，柔性导向机构由至少一组柔性铰链组成，且所述力传感器的作用端通过柔性铰链与刚性框架连接，外力通过柔性导向机构作用在所述力传感器上，以消除摩擦力的影响，实现高精度测量；

刚性导向机构，刚性导向机构包括导轨以及与导轨配合连接的导轨滑块，其中导轨滑块与刚性框架连接，实现力传感器位置调整测量。

可选的，至少有一组柔性铰链与刚性框架可拆卸连接，通过更换不同刚度的柔性铰链，调节力传感器的量程。

可选的，一组所述柔性铰链为2片以上，沿其导向轴线均匀布置。

可选的，所述刚性框架为圆形或多边形的半封闭结构。

可选的，所述半封闭结构具有多向开口时，柔性铰链对应多向开口设置多组，且力传感器分别通过柔性铰链与刚性框架连接。

可选的，所述半封闭结构具有单向开口时，柔性铰链设有一组安装在刚性框架的开口部，其中力传感器的一端与柔性铰链连接，另一端与刚性框架连接。

按照本发明的另一方面，提供了一种刚柔复合导向力传感器结构的应用，所述刚柔复合导向力传感器结构配合驱动组件直接应用于力的精密测量、精密力控，或者通过对被测物压力实现对尺寸或直线度检测的间接测量。

可选的，所述驱动组件为直线滑轨结构，包括伺服电机、滚珠丝杆、测量端，其中伺服电机的驱动端控制底部的滚珠丝杆转动，力传感器对称设置，并通过导轨滑块在导轨上直线运动，来适应调节测量端与被测物体的检测位置。

可选的，测量端通过刚度为km的柔性导向机构与刚度为ks的力传感器连接后，力的变化关系为(ks+km)/ks，实现刚性导向机构摩擦力fμ隔离和量程改变。

可选的，采用柔性导向机构，驱动端和测量端的柔性铰链刚度分别kd和km，当驱动力为fd,实际控制力f与传感器测量fs输出的函数关系为：f＝fs*(1-km/ks)+(fd-fs)*(km/kd)。

本发明相较于现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明的刚柔复合导向力传感器结构，被测力通过柔性导向机构作用到力传感器上，在应用过程中不会受限于驱动组件所产生的摩擦力，即力的传递不受摩擦影响，进而明显提高力传感器的检测精度。

2、本发明的另一方面能够根据使用需要装配单柔性或双柔性的复合导向力传感器结构，并且通过更换不同的柔性导向机构厚度，获得不同的量程，不仅操作简便，灵活性强，而且在增加力传感器测量精度的前提下，还降低成本，避免资源浪费。

附图说明

图1为现有技术中力传感器配合驱动组件的工作原理图；

图2为实施例中刚柔复合导向力传感器结构配合驱动组件的工作原理图；

图3为实施例中的单柔性复合导向力传感器结构示意图；

图4为实施例中的双柔性复合导向力传感器结构立体图；

图5为图4的半剖图；

图6为实施例一的测试结构图；

图7为实施例二的测试结构图；

图8为实施例三的测试结构图；

图9为实施例四的测试结构图；

图10为单柔性复合导向力传感器的摩擦力检测的力反馈图；

图11为双柔性复合导向力传感器的力控图；

图12为单柔性复合导向力传感器的力传导图；

图13为双柔性复合导向力传感器的力传导图。

图中：

1、刚性框架；

2、力传感器；

3、柔性导向机构；

4、驱动组件；41、伺服电机；42、滚珠丝杆；43、导轨滑块；44、测量端；45、导轨。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

参照图2，一种刚柔复合导向力传感器结构，主要包括力传感器2和刚柔复合导向机构，刚柔复合导向机构包括刚性框架1、柔性导向机构3和刚性导向机构，在应用过程中不会受限于驱动组件所产生的摩擦力，即力的传递不受摩擦影响，进而明显提高力传感器的检测精度。其中：

刚性框架1，为至少具有一端面开口的刚性框架，为圆形或多边形的半封闭结构。在刚性框架1的一端具有单向开口，即组成单柔性复合导向力传感器结构，如图3所示，用于测量，其力的传输方向如图12。刚性框架1形成半包围式结构，力传感器2的一端与柔性导向机构3连接，另一端与刚性框架1刚性连接。

在刚性框架1具有多向开口时，主要具有对称设置在刚性框架1两侧的开口结构，也可以围绕力传感器2的周边在刚性框架1上设置其他开口，形成包围式柔性导向机构3，柔性导向机构3对应多向开口设置多组，柔性导向机构3设有两组对称设置在刚性框架1的两端，通过螺钉与刚性框架1可拆卸连接，力传感器2的两端面分别通过柔性导向机构3与刚性框架1连接，即组成双柔性复合导向力传感器结构，如图4、图5，此外，双柔性复合导向力传感器适应于力控和频繁位置的调整，其力的传输方向如图13。通常，驱动力fd正比于控制信号，可以由控制电压计算得到。

刚性导向机构，一般为直线滑轨结构，刚性导向机构包括导轨45以及与导轨45配合连接的导轨滑块43，其中导轨滑块43与刚性框架1刚性连接，导轨45固定在墙面或者工作台面上，实现定向测量。

根据力传感器测量值，可以计算出传感器变形xs，其公式表示为xs＝fs/ks。

驱动端柔性铰链的变形xd，其公式表示为xd＝(fd-fs)/kd。

测量端柔性铰链的变形xm，其公式表示为xm＝xs-xd。

实际力输出f表示为：

f＝fs-km*xm＝fs-km*(fs/ks-(fd-fs)/xd)＝fs*(1-km/ks)+(fd-fs)*(km/kd)。

以上单柔性复合导向力传感器结构或者双柔性复合导向力传感器结构，其柔性导向机构3由至少一组柔性铰链组成，一组所述柔性铰链为2片以上，沿其导向轴线均匀布置。利用力传感器2的作用端通过柔性铰链与刚性框架1焊接或通过螺栓等方式固定连接，外力通过柔性导向机构3作用在所述力传感器2上，以消除摩擦力的影响，实现高精度测量。柔性导向机构3通过螺钉安装在刚性框架1的开口部，方便拆装以及后期柔性导向机构3的更换。

本申请中的力传感器2，架设于刚性框架1的内部，用于检测接触状态。

力传感器2主要由三个部分组成:

1、力敏元件，即弹性体，常见的材料有铝合金，合金钢和不锈钢；

2、转换元件，最为常见的是电阻应变片；

3、电路结构，由漆包线、pcb板等组成；

由四个应变片组成惠斯通电桥，由于应变片牢固地黏贴在弹性体上，因此应变片将产生和弹性体一样的变形，小体积测力传感器定制，这就导致电阻产生变化，惠斯通电桥输出信号将提供这些变形信息，计算出作用在应变片上的力的大小。

柔性导向机构3的刚度与力传感器1并联，采用不同刚度的柔性铰链来控制力传感器2的量程。

此外，刚柔复合导向力传感器结构应用过程中配合驱动组件4，驱动组件4，包括伺服电机41、滚珠丝杆42、测量端44。其中伺服电机41的输出轴驱动底部的滚珠丝杆42转动，刚柔复合导向力传感器对称设置，并配合刚性导向机构，通过导轨滑块43在导轨45上直线运动，来适应调节与被测物体的检测位置。整个驱动组件4的轴向中部，通过架体以及架体中的内螺纹与滚珠丝杆42实现装配，测量端44设置在刚性框架1的底部，与被测物体接触，实现精准控制测量的目的。

实施例一

如图6，压力测试：

在本实施例中，测量端44为点接触式测力探头，通过刚性框架1调节力传感器初2始位置。测量端44通过刚柔复合导向机构与力传感器2相连，克服摩擦影响，实现力的精确反馈。

实施例二

如图7，尺寸测量：

在本实施例中，测量端44为锥孔探头，锥孔接触被测物体控制直径测量。通过移动导轨滑块43位移，Z轴接触时实现左右力传感器2一致，从而判断处于完全接触状态，并以Z轴移动的距离乘于测量端44的锥度，计算圆孔的直径。

实施例三

如图8，直线度检测：

在本实施例中，对于圆管类零件，采用刚柔复合导向力传感器，用测量端44通过刚柔复合导向机构与力传感器2接触，通过接触力实现直线度检测。

实施例四

如图9，是双柔性复合导向力传感器结构为方形状态下的工作状态图，力传感器2通过四周的柔性导向机构3与刚性框架1连接，消除在导向测量过程中的摩擦力，即在应用过程中不会受限于驱动组件4所产生的摩擦力，即力的传递不受摩擦影响，进而明显提高力传感器2的检测精度。

本发明中值得说明的是，由于力传感器2只能测一个方向的拉力或压力，通常需要配合驱动组件4来工作，由于驱动组件4摩擦，外力必须克服摩擦力才能传递到传感器2上。从图10中曲线可以看到，其中一条粗虚线为刚性导向的力反馈曲线中，外力克服了静摩擦力才能作用在力传感器2上，摩擦的爬向现象导致了力的反馈不连续。图中细虚线采用柔性导向，无摩擦影响，力的反馈是线性的，由于柔性导向机构3的刚度，测量的力会变小，柔性导向机构3的刚度kf和力传感器2的刚度ks叠加，实际力f会大于力传感器2的反馈值fs，相当于增大的量程。

实际力的计算公式为：f＝fs*(km+ks)/(ks)。

如图11，当实现力控制时，采用传统刚性驱动组件，驱动力需要克服摩擦才能产生位移输出，造成驱动力小于刚性导向的静摩擦时没有力输出的摩擦死区现象。采用刚柔复合导向时，力作用在力传感器2和柔性导向组成的并联弹性系统中，消除了摩擦死区现象。实际输出f＝fs*ks/(ks+km)，需要将期望的力放大(ks+km)/ks，才能获得准确的期望力输出。

测量端通过刚度为km的柔性导向机构3与刚度为ks的力传感器2连接后，力的变化关系为(ks+km)/ks，通过隔离摩擦力来改变量程。

可选的，采用柔性导向机构，驱动端和测量端的柔性铰链刚度分别kd和km，当驱动力为fd,实际控制力f与力传感器2测量fs输出的函数关系为：f＝fs*(1-km/ks)+(fd-fs)*(km/kd)。

如下表1可以看出，量程5kg的力传感器2，通过更换不同厚度的柔性导向机构3，实现不同的量程。

表1

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种刚柔复合导向力传感器结构，包括力传感器，其特征在于，还包括刚柔复合导向机构，所述刚柔复合导向机构包括：

柔性导向机构，柔性导向机构由至少一组柔性铰链组成，且所述力传感器的作用端通过柔性铰链与刚性框架连接，外力通过柔性导向机构作用在所述力传感器上，以消除摩擦力的影响，实现高精度测量；

刚性导向机构，刚性导向机构包括导轨以及与导轨配合连接的导轨滑块，其中导轨滑块与刚性框架连接，实现力传感器位置调整测量；

至少有一组柔性铰链与刚性框架可拆卸连接，通过更换不同刚度的柔性铰链，调节力传感器的量程；

测量端通过刚度为km的柔性导向机构与刚度为ks的力传感器连接后，力的变化关系为(ks+km)/ks，实现刚性导向机构摩擦力隔离和量程改变。

2.根据权利要求1所述的一种刚柔复合导向力传感器结构，其特征在于，一组所述柔性铰链为2片以上，沿柔性铰链的导向轴线均匀布置。

3.根据权利要求1所述的一种刚柔复合导向力传感器结构，其特征在于，所述刚性框架为圆形或多边形的半封闭结构。

4.根据权利要求3所述的一种刚柔复合导向力传感器结构，其特征在于，所述半封闭结构具有单向开口时，柔性铰链设有一组安装在刚性框架的开口部，其中力传感器的一端与柔性铰链连接，另一端与刚性框架连接。

5.根据权利要求3所述的一种刚柔复合导向力传感器结构，其特征在于，所述半封闭结构具有多向开口时，柔性铰链对应多向开口设置多组，且力传感器分别通过柔性铰链与刚性框架连接。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的刚柔复合导向力传感器结构的应用，其特征在于，所述刚柔复合导向力传感器结构配合驱动组件直接应用于力的精密测量、精密力控，或者通过对被测物压力实现对尺寸或直线度检测的间接测量；

所述驱动组件为直线滑轨结构，包括伺服电机、滚珠丝杆、测量端，其中伺服电机的驱动端控制底部的滚珠丝杆转动，力传感器对称设置，并通过导轨滑块在导轨上直线运动，来适应调节测量端与被测物体的检测位置；

采用柔性导向机构，驱动端和测量端的柔性铰链刚度分别kd和km，当驱动力为fd,实际控制力f与传感器测量fs输出的函数关系为：f＝fs*(1-km/ks)+(fd-fs)*(km/kd)。