CN116698242A - 扭矩传感器、其制备方法和协作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扭矩传感器、其制备方法和协作机器人。本发明无需后续的热处理及性能检测，使得传感器弹性体的制造工艺更简单，极大地降低了扭矩传感器的生产周期。本发明可以通过非晶合金体系内的成分筛选，制造出高精度、高强度、性能稳定、安装尺寸小、适用量程大的扭矩传感器弹性体。

Description

扭矩传感器、其制备方法和协作机器人

技术领域

本发明属于新型传感器技术领域，具体涉及一种扭矩传感器、其制备方法和协作机器人。

背景技术

扭矩传感器又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器、扭矩仪，功能是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。通过电路，扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器分为动态和静态两大类，其中静态扭矩传感器的其中一种类型主要是依据电阻应变原理，把扭矩力矩产生的应变转换成与其成对应关系的电信号。扭矩传感器作为协作机器人的重要监测元件，它集成在协作机器人的各关节单元中，对于优良的协作机器人来说，匹配精度高、性能稳定、测量范围大、安装尺寸小的扭矩传感器十分重要。弹性体作为扭矩传感器的核心部件，其性能直接决定了传感器的尺寸、量程和精度，因此使用性能优越的材料作为弹性体来制备扭矩传感器具有重要意义。

非晶合金又称为金属玻璃，通常由合金熔体急冷凝固得到，组成它物质的分子(或原子、离子)不呈空间有规则周期性，兼具金属与玻璃、固体与液体的特征。来源于其独特的无序结构，非晶合金具有远超晶态材料的优异力学性能，如高强度、低模量、高硬度以及良好的耐磨性等。同时，由于非晶合金的玻璃特性，其在过冷液相区可通过超塑性成型，制备精密的器件，不仅成型后表面可达到纳米级别的粗糙度，还不易形成缩孔、缩松、气孔等铸造缺陷，在微纳米领域已经成为人们研究的热点。由于非晶合金具有非常高的成型精度，所以工业上已经开始用非晶合金来生产一些对精度要求高的零件，比如用非晶合金加工出的微齿轮，它的重量为7毫克左右，这种齿轮耐磨性好，被用在微型马达上可以具有很长的使用寿命。非晶合金优良的热塑性成型能力和精密加工性能一定会使其在未来的工业生产中得到更广泛的应用。

但是，目前国内外常用的传感器弹性体材料大多为合金钢和铝合金，受限于非晶合金的形成能力和加工性能，非晶合金作为弹性体应用于扭矩传感器上的场景并不多，并且弹性体多为薄膜形式，量程小，使用场景受限。如部分现有技术的非晶合金薄膜弹性体，其主要贡献是一种新型的应变片沉积技术，对于非晶合金弹性体的制造和直接应用没有体现，针对扭矩传感器特性的非晶合金弹性体专门用材仍是空白。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种扭矩传感器、其制备方法和协作机器人。该非晶合金扭矩传感器可以极大地提高传感器的综合性能：利用非晶合金的性能优越性对传感器的目标性能快速提升。相比其他扭矩传感器，对于同样的弹性体结构，本发明在性能上更突出，尺寸上更优化。同时制造工艺更简单，极大地降低了扭矩传感器的生产周期。

基于此，本发明提供了一种非晶合金扭矩传感器弹性体的制备方法和以非晶合金为主体的扭矩传感器的发明和性能。与传统材料弹性体相比，非晶合金弹性体不仅在综合力学性能方面远超现有弹性体材料，而且制备扭矩传感器的生产周期短和工艺简化。另外，我们的非晶合金扭矩传感器相较于其他传感器在相同尺寸下具有更大的量程，优异的线性度和重复性，同时非晶合金弹性体的高温稳定性也极大地拓宽了扭矩传感器应用场景。

在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：

术语“非晶合金”是指：由超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，组成它物质的分子(或原子、离子)不呈空间有规则周期性，没有晶态合金的晶粒、晶界存在。

术语“CNC铣削”是指：由计算机控制的自动化机床铣削。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种非晶合金扭矩传感器，所述非晶合金扭矩传感器包括：

非晶合金弹性体；

固定环，用于固定非晶合金弹性体整体；

电阻应变片，用于获取可测应变信号并将其转化为模拟信号；

信号线，用于电阻应变片之间的电性连接并输出模拟信号；

加载环，用于对扭矩传感器施加外部扭矩的连接结构；

应变梁，用于安装电阻应变片；

其中，所述加载环和所述固定环设置在所述非晶合金弹性体上，所述非晶合金弹性体结构内的应变梁的表面设有所述电阻应变片，每个所述电阻应变片之间通过所述信号线连接。

根据本发明第一方面的非晶合金扭矩传感器，其中，

所述非晶合金弹性体的厚度为0.01mm～10.0mm，优选为1.0mm～10.0mm，更优选为5.0mm～8.0mm；

所述非晶合金弹性体的平面形状选自以下一种或多种：圆形、长方形、正方形、椭圆形，优选选自以下一种或多种：圆形、长方形、正方形，更选为圆形或正方形；

所述固定环与所述非晶合金弹性体的连接方式选自以下一种或多种：螺纹连接、焊接、铆接、粘接，优选为螺纹连接或粘接，最优选为螺纹连接；和/或

所述加载环与所述非晶合金弹性体的连接方式选自以下一种或多种：螺纹连接、焊接、铆接、粘接，优选选为螺纹连接或粘接，最优选为螺纹连接；

优选地，当所述非晶合金弹性体的平面形状为圆形时，所述非晶合金弹性体的平面直径为0.5mm～60.0mm，更优选为1.0mm～50.0mm，进一步优选为5.0mm～55.0mm。

根据本发明第一方面的非晶合金扭矩传感器，其中，

所述非晶合金弹性体中的非晶合金的杨氏模量为20GPa～200GPa，优选为30GPa～170GPa，更优选为50GPa～150GPa；

所述非晶合金弹性体中的非晶合金的屈服强度为400MPa～3400MPa，优选为1800MPa～2500MPa；和/或

所述非晶合金弹性体中的非晶合金的硬度为550HV～1400HV，优选为550HV～650HV；

优选地，所述非晶合金弹性体中的非晶合金选自以下一种或多种：锆基非晶合金、钛基非晶合金、铱基非晶合金、铂基非晶合金、金基非晶合金、铝基非晶合金、铁基非晶合金、镧基非晶合金、铈基非晶合金、镝基非晶合金、铜基非晶合金、钯基非晶合金、钙基非晶合金、非晶合金复合材料，更优选选自以下一种或多种：锆基非晶合金、钛基非晶合金、铱基非晶合金、铜基非晶合金、钯基非晶合金，进一步优选选自以下一种或多种：锆基非晶合金、钛基非晶合金、铜基非晶合金，最优选为锆基非晶合金。

根据本发明第一方面的非晶合金扭矩传感器，其中，

所述电阻应变片的种类选自以下一种或多种：应直变片、T型应变片、V型应变片、双桥应变片、三栅应变片、全桥片，优选选自以下一种或多种：应直变片、T型应变片、双桥应变片、三栅应变片、全桥片，更选自以下一种或多种：应直变片、T型应变片、双桥应变片、全桥片；

所述电阻应变片的数量为2～8片，优选为4～6片，最优选为4片；和/或

所述电阻应变片的贴片方法为固定在所述非晶合金弹性体表面或固定在所述非晶合金弹性体的应变梁上，最优选为固定在所述非晶合金弹性体的应变梁上。

根据本发明第一方面的非晶合金扭矩传感器，其中，所述非晶合金扭矩传感器的灵敏度为1.0mV/V～2.0mV/V，优选为1.0mV/V～1.5mV/V，最优选为1.0mV/V。

本发明的第二方面提供了一种目标量程的扭矩传感器，所述目标量程的扭矩传感器通过以下步骤制备：通过施力工件将扭矩施加至权利要求1至5中任一项所述的非晶合金扭矩传感器的加载环上，从0N·m扭矩逐渐递增至目标扭矩，当电阻应变片获取可测应变信号后，转化的模拟信号经过信号线输出到外接电脑上，经计算得出到非线性指标、重复度指标、零点输出指标、工作温度指标、滞后性指标，即得所述目标量程的扭矩传感器。

根据本发明第二方面的目标量程的扭矩传感器，其中，

所述目标量程的扭矩为0N·m～2000N·m，优选为50N·m～1500N·m，更优选为50N·m～1000N·m；

所述零点输出指标为-3％F.S.～3％F.S.，优选为-1％F.S.～1％F.S.，更优选为-0.5％F.S.～0.5％F.S.；

所述工作温度指标为-20℃～375℃，优选为0℃～375℃，更优选为0℃～200℃；

所述滞后性指标为0F.S.～0.5％F.S.，优选为0F.S.～0.3％F.S.；

所述非线性指标的非线性范围为0F.S.～1.5％F.S.，优选为0.01％F.S.～0.8％F.S.，更优选为0.05％F.S.～0.5％F.S.；和/或

所述重复度指标的重复度范围为0F.S.～0.5％F.S.，优选为0F.S.～0.3％F.S.，更优选为0F.S.～0.1％F.S.。

本发明的第三方面提供了根据第一方面所述的非晶合金扭矩传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)选取非晶合金，制备得到非晶合金弹性体；

(2)在步骤(1)制备的非晶合金弹性体上固定固定环、电阻应变片、信号线、加载环、应变梁；

优选地，所述步骤(1)中，所述非晶合金弹性体的制备方法选自以下一种或多种：CNC铣削、车削、热压成型。

本发明的第四方面提供了一种关节式扭矩传感器，所述关节式扭矩传感器包括第二方面所述的目标量程的扭矩传感器；

优选地，所述关节式扭矩传感器包括：非晶合金弹性体、固定环、电阻应变片、信号线、应变梁、加载环。

本发明的第五方面提供了一种协作机器人，所述协作机器人包括第一方面、第二方面、第四方面所述的扭矩传感器。

根据本发明的一个具体的实施方式，本发明提供了一种扭矩传感器的制备方法，该制备方法可以包括以下步骤：一种以非晶合金作为弹性体的扭矩传感器，其特征在于：非晶合金弹性体、电阻应变片、信号线。其中，所述加载环和固定环设置在所述非晶合金弹性体上，当加载环和固定环存在相互扭矩时，非晶合金弹性体结构内的应变梁产生较大可测量应变，应变梁的表面安装有所述电阻应变片，不同应变梁表面的电阻应变片通过所述信号线连接，通过电阻应变片内的电阻栅相互中和有害应变，实现扭矩的有目的高精度测量。应变梁，弹性体应力分布均匀且应变较明显的地方，用于安装电阻应变片。

选用非晶形成能力好、力学性能优越的非晶合金，根据非晶合金的杨氏模量、屈服强度、硬度等性能参数和扭矩传感器灵敏度要求，结合有限元分析确定弹性体结构、整体尺寸和变形梁的厚度等要求，通过加工后得到非晶合金弹性体。同时，相比不锈钢弹性体、铝合金弹性体机加工后仍需热处理提升强度性能、硬度性能，本制备方法得到的非晶合金弹性体无需退火等热处理方法来提升强度、硬度等性能，制备成品的非晶合金弹性体力学性能与原材料一致。

通过固定环连接，将非晶合金弹性体固定，并将预先设置好的电阻应变片固定在变形梁表面上，施力工件将扭矩施加至非晶合金弹性体加载环上，从0N·m扭矩逐渐递增至目标扭矩，当电阻应变片获取可测应变信号后，转化的模拟信号经过信号线输出到外接电脑上，并重复上述步骤三次，将采集到的输出信号经过计算后得到非线性、重复度、滞后性等技术指标。施力工件将扭矩施加至非晶合金弹性体加载环上，从0N·m逐渐递增至极端扭矩，同时保证零点漂移在0.05％F.S.以下，得到极限超载量程。最终得到目标量程下合格扭矩传感器。

所述非晶合金弹性体具有不同的成分，优选地，成分范围为锆基非晶合金、钛基非晶合金和非晶合金复合材料，更优选地，成分范围为锆基非晶合金；

所述扭矩传感器灵敏度具有不同要求，优选地，灵敏度要求范围为1.0mV/V～1.5mV/V，更优选地，灵敏度要求为1.0mV/V；

所述非晶合金弹性体具有不同的平面尺寸，可以为但不限于圆形、长方形、方形、椭圆形，优选地，平面为圆形，直径范围为0.5mm～60.0mm；

所述非晶合金弹性体具有不同的厚度尺寸，优选地，厚度范围为0.01mm～10.0mm，更优选地，厚度范围为5.0mm～10.0mm；

所述加工方式具有不同的方式，优选地，加工方式包括CNC铣削、车削、热压成型；

所述电阻应变片具有不同固定方式，优选地，固定在弹性体表面上，更优选地，固定在弹性体变形最明显的梁体上；

所述电阻应变片具有不同的种类，优选地，电阻应变片种类的范围为应直变片、T型应变片、V型应变片、双桥应变片、三栅应变片、全桥片；

所述目标量程的扭矩为0N·m～2000N·m，优选为50N·m～1500N·m，更优选为50N·m～1000N·m；

所述固定环有不同类型，优选地，固定环连接方式为螺纹连接；

所述加载环有不同类型，优选地，加载环连接方式为螺纹连接；

所述非线性具有不同的范围，优选地，非线性范围为0F.S.～1.5％F.S.，更优选地，非线性范围为0.01％F.S.～0.5％F.S.；

所述重复度具有不同的范围，优选地，重复度范围为0F.S.～0.5％F.S.，更优选地，重复度范围为0F.S.～0.1％F.S.；

所述滞后性指标为0F.S.～0.5％F.S.，更优选为0F.S.～0.3％F.S.。

本发明的传感器以非晶合金为构成材料。制备方法具体步骤为：选用非晶形成能力好、力学性能优越的非晶合金，根据非晶合金性能和扭矩传感器技术要求，结合有限元分析确定扭矩传感器结构和尺寸；通过加工后得到非晶合金弹性体，并将预先配置好的电阻应变片固定在非晶合金弹性体变形梁的表面上；通过信号线连接电阻应变片使其构成电桥，施加扭力后可在电阻应变片获取可测应变信号，将转化的模拟信号经过信号线输出，实现扭矩的测量；重复上述步骤数次，将采集到的输出信号经过计算后得到非线性、重复度、滞后性、零点输出、工作温度等技术指标。相比不锈钢弹性体、铝合金弹性体等其余材料弹性体的制备，本发明无需后续的热处理及性能检测，使得传感器弹性体的制造工艺更简单，极大地降低了扭矩传感器的生产周期。本发明可以通过非晶合金体系内的成分筛选，制造出高精度、高强度、性能稳定、安装尺寸小、适用量程大的扭矩传感器弹性体。

本发明的非晶合金扭矩传感器可以具有但不限于以下有益效果：

1、本新型扭矩传感器，可以通过非晶合金体系内的成分筛选，在弹性体整体受到扭矩的时候产生较大可测应变的设计原理，测试扭矩量程范围大，适用于在空间受限且测量扭矩大的场合。

2、可以通过非晶合金体系内的成分筛选，制造出小尺寸扭矩传感器，对比传统扭矩传感器，在保证灵敏度等性能的基础上，更好地节省安装空间，提高经济性。

3、强度和硬度远超传统材质(不锈钢)的扭矩传感器，使得这种新型扭矩传感器在高温高压等极端条件下仍保持稳定、优异的性能。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了本发明实施例1的非晶合金扭矩传感器的结构示意图。

图2示出了本发明实施例2的锆钛铜镍铍非晶合金机器人关节式扭矩传感器的结构示意图。

图3示出了本发明实施例2的锆钛铜镍铍非晶合金机器人关节式扭矩传感器测试数据图。

图4示出了本发明实施例3的不同材料下的力矩-最大弹性应变有限元模拟图。

附图标记说明：

1、信号线；2、非晶合金弹性体；3、固定环；4、应变梁；5、电阻应变片；6、电桥；7、加载环；8、外圈；9、梯形孔；10、中心孔；11、内圈；12、信号线孔；13、梯形孔梁；14、凹型槽侧边梁。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

图1示出了本发明的非晶合金扭矩传感器的结构示意图。如图1所示，本发明的非晶合金扭矩传感器包括：信号线1、非晶合金弹性体2、固定环3、应变梁4、电阻应变片5、电桥6、加载环7，该非晶合金弹性体2的制备根据非晶合金的杨氏模量、屈服强度、硬度等性能参数和扭矩传感器灵敏度要求，结合有限元分析确定弹性体结构、整体尺寸等要求，通过加工后得到非晶合金弹性体2，并通过固定环3将非晶合金弹性体整体固定；根据受力方向，在变形梁4表面固定一个或多个电阻应变片5，每个电阻应变片之间通过信号线1连接并构成电桥6。施力工件将扭矩施加至非晶合金弹性体加载环7上，从0N·m扭矩逐渐递增至目标扭矩，当电阻应变片5获取可测应变信号后，转化的模拟信号经过信号线1输出到外接电脑上，并重复上述步骤三次，将采集到的输出信号经过计算后得到非线性、重复度、滞后性、零点输出、工作温度等技术指标。施力工件将扭矩施加至非晶合金弹性体加载环7上，从0N·m逐渐递增至极端扭矩，同时保证零点漂移在0.05％F.S.以下，得到极限超载量程。最终得到目标量程下合格扭矩传感器。

所述非晶合金具有不同的成分，优选地，成分范围为锆基非晶合金、钛基非晶合金、铱基非晶合金、铂基非晶合金、金基非晶合金、铝基非晶合金、铁基非晶合金、镧基非晶合金、铈基非晶合金和非晶合金复合材料，更优选地，成分范围为锆基非晶合金，该成分非晶形成能力好、屈服强度高、耐蚀性好、弹性好、加工性能好，便于高精度传感器的制造和加工；

所述扭矩传感器灵敏度具有不同要求，优选地，灵敏度要求范围为1.0mV/V～1.5mV/V，更优选地，灵敏度要求为1.0mV/V，可以满足不同量程下的灵敏度要求；

所述非晶合金弹性体2具有不同的平面尺寸，可以为但不限于圆形、长方形、方形、椭圆形，优选为圆形，直径范围为0.5mm～60mm，这样使用范围广、容易加工、可以满足不同尺寸装配环境对扭矩传感器的需求；

所述非晶合金弹性体2具有不同的厚度尺寸，优选地，厚度范围为0.01mm～10.0mm，更优选地，厚度范围为5mm～10.0mm，这样可以满足装配机器人的轻量化和经济性的要求；

所述加工方式具有不同的方式，优选地，加工方式包括CNC铣削、车削、热压成型，多种加工方式结合可以高效率低损耗地完成加工；

所述电阻应变片5具有不同贴片方式，优选地，固定在弹性体表面上，更优选地，固定在弹性体变形最明显的梁体上，这样能利用非晶合金弹性体模量低的特性，最大限度地放大变形信号；

所述电阻应变片5具有不同的种类，优选地，电阻应变片种类的范围为应直变片、T型应变片、V型应变片、双桥应变片、三栅应变片、全桥片，不同类型的电阻应变片受应力方向和电桥类型决定；

所述目标量程的扭矩为0N·m～2000N·m，优选为50N·m～1500N·m，更优选为50N·m～1000N·m；

所述固定环3有不同类型，优选地，固定环连接方式为螺纹连接，具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点，螺纹可以用大硬度丝锥加工，加工过程中可多次退刀，这样能防止材料崩裂；

所述加载环7有不同类型，优选地，加载环连接方式为螺纹连接，具有传力效率高、连接可靠、装拆方便等优点，加载过程中可以循环逐渐加载，防止应力集中导致崩裂；

所述非线性具有不同的范围，优选地，非线性范围为0F.S.～1.5％F.S.，更优选地，非线性范围为0.01％F.S.～0.5％F.S.，以保证传感器的精度；

所述重复度具有不同的范围，优选地，重复度范围为0F.S.～0.5％F.S.，更优选地，重复度范围为0F.S.～0.1％F.S.，以保证传感器的稳定性和数据可靠性。

所述零点输出指标为-3％F.S.～3％F.S.，优选为-1％F.S.～1％F.S.，更优选为-0.5％F.S.～0.5％F.S.，以保证传感器在相当一段时间内的工作稳定性；

所述工作温度指标为-20℃～375℃，优选为0℃～375℃，更优选为0℃～200℃，以保证传感器在不同工作环境下的工作稳定性；

所述滞后性指标为0F.S.～0.5％F.S.，更优选为0F.S.～0.3％F.S.，以保证传感器在加载和卸载过程中的误差范围。

实施例1

本实例用典型的锆基非晶合金-锆钛铜镍铝非晶合金(Vit105)作为材料来制备本发明的50N·m量程的扭矩传感器。

图1示出了本发明的非晶合金扭矩传感器的结构示意图。如图1所示，本发明的非晶合金扭矩传感器包括：信号线1、非晶合金弹性体2、固定环3、应变梁4、电阻应变片5、电桥6、加载环7。

如图1所示，本发明的锆钛铜镍铝非晶合金(Vit105)扭矩传感器的锆钛铜镍铝非晶合金(Vit105)弹性体2的制备方法如下：选用非晶形成能力好、力学性能优越的非晶合金，根据非晶合金的杨氏模量、屈服强度、硬度等性能参数和扭矩传感器灵敏度要求，结合有限元分析确定弹性体结构、整体尺寸、应变梁4厚度尺寸等要求，通过加工后得到非晶合金弹性体2。本实施例选用的非晶合金为锆钛铜镍铝非晶合金(Vit105)，杨氏模量为88.7GPa，屈服强度为1720MPa，硬度为520HV，本实施例的非晶合金弹性体的尺寸为Φ55*5mm，应变梁4厚度尺寸为1.0mm。

本制备方法得到的锆钛铜镍铝非晶合金弹性体无需退火等热处理方法来提升强度、硬度等性能，制备成品的非晶合金弹性体力学性能与原材料一致。

根据受力方向，在变形梁4表面固定4个电阻应变片5，每个电阻应变片之间通过信号线1连接并构成电桥6。固定工件通过固定环3将非晶合金弹性体整体固定；施力工件将扭矩施加至非晶合金弹性体加载环7上，以固定步长12.5N·m，从0N·m扭矩逐渐递增至50N·m，当电阻应变片5获取可测应变信号后，转化的模拟信号经过信号线1输出到外接电脑上，并重复上述步骤三次，将采集到的输出信号经过计算后得到非线性为0.526％F.S.、重复度为0.03％F.S.、滞后性为0.1％F.S.等技术指标。施力工件将扭矩施加至非晶合金弹性体加载环7上，从0N·m逐渐递增至极端扭矩，同时保证零点漂移在0.05％F.S.以下，得到极限超载量程130N·m。最终得到目标量程50N·m，非线性0.526％F.S.，灵敏度1.0mV/V，重复度0.03％F.S.，滞后性0.1％F.S.，整体厚度5mm的合格扭矩传感器。

实施例2

本实例以典型的锆基非晶合金-锆钛铜镍铍非晶合金(Vit1)作为材料来制备50N·m量程的机器人关节式扭矩传感器。

非晶合金机器人关节式扭矩传感器结构示意图如下：如图2所示。本发明实例的锆钛铜镍铍非晶合金(Vit1)机器人关节式扭矩传感器包括：外圈8、电阻应变片5、梯形孔9、固定环(即为图2中的外圈圆孔)3、信号线1、应变梁(即为图2中的凹型槽)4、中心孔10、内圈11、信号线孔12、梯形孔梁13、加载环(即为图2中的内圈圆孔)7、凹型槽侧边梁14。

以下为发明实例2中各组成部分的连接关系。本发明的非晶合金机器人关节式扭矩传感器包括外圈8和内圈11，外圈8设有八个固定构件固定环3，在本实例中用65度钨钢丝锥对固定环3加工螺纹，再用螺纹连接的方式将传感器固定在特定位置，内圈11的中心位置开设有中心孔10，内圈11的外侧开设有信号线孔12，信号线孔12外接信号线1，用于输出模拟信号，内圈11外侧的四个角上开设有四个加载环7，在本实例中用65度钨钢丝锥对加载环7加工螺纹，连接设备的扭矩和扭力通过螺纹连接的方式通过加载环7施加到弹性体整体，外圈8的内侧开设有八个梯形孔9，同一侧的两个梯形孔9中间开设有一个梯形孔梁13，以起到提高传感器整体刚度和强度的作用，梯形孔侧开设有应变梁4，应变梁4底表面安装有电阻应变片5，电阻应变片5之间通过信号线1沿着内圈11线性连接，并构成电桥6。在平面测量扭矩应变时通过电阻应变片5转化为模拟电信号通过信号线从信号孔12输出，梯形孔9的四角和边缘经过倒角处理，可以承受更大的应变，外圈8的外侧边缘经过倒角处理，减少摩擦，外圈8和内圈11高度相等，信号线孔12设在内圈11的凹台中间，避免信号线与外圈8和内圈11的表面接触，避免凹型槽侧边缘14受到其他力，提高测量精度。

以下为本发明实例2中具体制备过程。外圈8和内圈11在存在相对扭矩时，凹形槽4会产生平面扭力应变，通过电阻应变片5转化为模拟信号经过信号线1从信号线孔12输出进行平面测量。本实例以锆钛铜镍铍非晶合金(Vit1)为原料来制备机器人关节式扭矩传感器，具体过程如下：选用压铸成型的8*60*60mm的Vit1非晶合金板。通过CNC铣削加工，在主轴转速为20000r/min的主轴转速下按加工图加工，其中凹型槽侧边梁14的厚度是结合材料性能并按照灵敏度1.0mV/V通过有限元分析确定。加工完成后用规格为M3和M4的65度钨钢丝锥分别加工固定环3和加载环7螺纹，将预先设置好的电阻应变片5贴在应变梁表面4上，通过螺栓连接固定环3和安装工件来固定传感器整体，通过螺栓连接加载环7和施力工件，施力工件将扭矩施加至加载环7上，以12.5N·m的固定步长从0N·m扭矩逐渐递增至50N·m扭矩，当电阻应变片5获取可测应变信号后，转化的模拟信号经过信号线1从信号线孔12输出到外接电脑上，并重复上述步骤五次，如图3所示，将采集到的输出信号经过计算后得到非线性0.5％F.S.、重复度0.05％F.S.、滞后性0.2％F.S.等技术指标。施力工件将扭矩施加至加载环7上，从0N·m逐渐递增至120N·m，同时保证零点漂移在0.05％F.S.以下，得到极限超载为120N·m(240％F.S.)。得到50N·m量程下，非线性0.5％F.S.，灵敏度1.0mV/V，重复度0.05％F.S.，滞后性0.2％F.S.，整体厚度8mm的合格扭矩传感器。

该发明制造的机器人关节式扭矩传感器，可以极大地提高传感器的综合性能：利用非晶合金的性能优越性、突出性，对传感器的目标性能快速提升。相比17-4PH不锈钢材质，对于同样的梁体结构，同样的技术指标，本发明在厚度尺寸上优化了至少50％。同时由于非晶合金性能优越性和稳定性，相比不锈钢弹性体、铝合金弹性体机加工后仍需热处理提升强度性能、硬度性能，本制备方法得到的非晶合金弹性体无需退火等热处理方法来提升强度、硬度等性能，制备成品的非晶合金弹性体力学性能与原材料一致。这使得传感器弹性体的制造工艺更简单。极大地降低了机器人关节式扭矩传感器的生产周期。

实施例3

本实例给出了非晶合金部分体系下的具体成分的屈服强度、杨氏模量和泊松比指标。同时，选择表格中非晶合金的不同成分、17-4PH不锈钢和7075-T6铝合金作为扭矩传感器弹性体材料，选择相同的结构和尺寸，通过有限元分析模拟，预估不同材料下制备的扭矩传感器在不同力矩下的最大弹性应变，计算出不同材料制备的扭矩传感器的最大量程。

表1非晶合金的具体成分及其屈服强度、杨氏模量和泊松比

表1给出了非晶合金的具体成分及其屈服强度、杨氏模量和泊松比，通过数据可以得出非晶合金的屈服强度高、杨氏模量低，利于制备高强度、高精度的扭矩传感器。

如图4所示，选择Ti50Cu23Ni20Sn7非晶合金、Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5非晶合金、Pd77.5Cu6Si16.5非晶合金、Ni45Ti20Zr25Al10非晶合金、Cu48Zr48Al4非晶合金、Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5非晶合金、Zr65Al10Ni10Cu15非晶合金、Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金、Nd60Al10Fe20Co10非晶合金、La55Al25Cu10Ni5Co5非晶合金、Ce70Al10Ni10Cu10非晶合金、Mg65Cu25Tb10非晶合金、Mg65Y10Cu15Ag5Pd5非晶合金、17-4PH不锈钢和7075-T6铝合金作为弹性体材料，在同样的弹性体结构和尺寸下，进行有限元模拟不同量程下的最大弹性应变，计算分别的扭矩传感器的可适用力矩和最大弹性应变。

如图4所示，在小量程力矩的应用场景下，相比7075-T6铝合金扭矩传感器(最大弹性应变为0.62139％)，由于钕基非晶合金、镧基非晶合金、铈基非晶合金和镁基非晶合金的杨氏模量小，非晶合金不仅在较小力矩下获得更大的弹性应变(Nd60Al10Fe20Co10非晶合金为1.1655％、La55Al25Cu10Ni5Co5非晶合金为2.0504％、Ce70Al10Ni10Cu10非晶合金为1.8213％、Mg65Cu25Tb10非晶合金为1.3303％、Mg65Y10Cu15Ag5Pd5非晶合金为1.3277％)，同时由于钕基非晶合金、镧基非晶合金、铈基非晶合金和镁基非晶合金的屈服强度高于7075-T6铝合金，相应的非晶合金扭矩传感器的量程(≥320N·m)也远超7075-T6铝合金扭矩传感器(250N·m)。这意味着非晶合金传感器在小量程力矩的应用场景可取得高灵敏度、高强度的优异特性。

另一方面，在大量程力矩的应用场景下，非晶合金制备的扭矩传感器可适用量程(≥800N·m)远超17-4PH不锈钢(700N·m)和7075-t6铝合金(250N·m)，弹性变形范围大，可制备大量程下重复度高的扭矩传感器，而且非晶合金在较大扭矩下产生的最大弹性应变(Ti50Cu23Ni20Sn7非晶合金为1.5583％、Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5非晶合金为1.5379％、Pd77.5Cu6Si16.5非晶合金为1.8187％、Ni45Ti20Zr25Al10非晶合金为2.1182％、Cu48Zr48Al4非晶合金为1.9477％、Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5非晶合金为1.9198％、Zr65Al10Ni10Cu15非晶合金为1.8665％、Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金为2.1533％)，远超17-4PH不锈钢的最大弹性应变(0.59256％)，这意味着非晶合金在大量程力矩的应用场景可制备高灵敏度的扭矩传感器。

综上所述，本制备方法得到的非晶合金扭矩传感器在各个量程下均可制备小尺寸、高强度、高精度的扭矩传感器。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (10)

1.一种非晶合金扭矩传感器，其特征在于，所述非晶合金扭矩传感器包括：

非晶合金弹性体；

固定环，用于固定非晶合金弹性体整体；

电阻应变片，用于获取可测应变信号并将其转化为模拟信号；

信号线，用于电阻应变片之间的电性连接并输出模拟信号；

加载环，用于对扭矩传感器施加外部扭矩的连接结构；

应变梁，用于安装电阻应变片；

其中，所述加载环和所述固定环设置在所述非晶合金弹性体上，所述非晶合金弹性体结构内的应变梁的表面设有所述电阻应变片，每个所述电阻应变片之间通过所述信号线连接。

2.根据权利要求1所述的非晶合金扭矩传感器，其特征在于：

所述非晶合金弹性体的厚度为0.01mm～10.0mm，优选为1.0mm～10.0mm，更优选为5mm～8.0mm；

所述非晶合金弹性体的平面形状选自以下一种或多种：圆形、长方形、正方形、椭圆形，优选选自以下一种或多种：圆形、长方形、正方形，更选为圆形或正方形；

所述固定环与所述非晶合金弹性体的连接方式选自以下一种或多种：螺纹连接、焊接、铆接、粘接，优选为螺纹连接或粘接，最优选为螺纹连接；和/或

所述加载环与所述非晶合金弹性体的连接方式选自以下一种或多种：螺纹连接、焊接、铆接、粘接，优选选为螺纹连接或粘接，最优选为螺纹连接；

优选地，当所述非晶合金弹性体的平面形状为圆形时，所述非晶合金弹性体的平面直径为0.5mm～60.0mm，更优选为1.0mm～50.0mm，进一步优选为5.0mm～55.0mm。

3.根据权利要求1或2所述的非晶合金扭矩传感器，其特征在于：

所述非晶合金弹性体中的非晶合金的杨氏模量为20GPa～200GPa，优选为30GPa～170GPa，更优选为50GPa～150GPa；

所述非晶合金弹性体中的非晶合金的屈服强度为400MPa～3400MPa，优选为1800MPa～2500MPa；和/或

所述非晶合金弹性体中的非晶合金的硬度为550HV～1400HV，优选为550HV～650HV；

优选地，所述非晶合金弹性体中的非晶合金选自以下一种或多种：锆基非晶合金、钛基非晶合金、铱基非晶合金、铂基非晶合金、金基非晶合金、铝基非晶合金、铁基非晶合金、镧基非晶合金、铈基非晶合金、镝基非晶合金、铜基非晶合金、钯基非晶合金、钙基非晶合金、非晶合金复合材料，更优选选自以下一种或多种：锆基非晶合金、钛基非晶合金、铱基非晶合金、铜基非晶合金、钯基非晶合金，进一步优选选自以下一种或多种：锆基非晶合金、钛基非晶合金、铜基非晶合金，最优选为锆基非晶合金。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的非晶合金扭矩传感器，其特征在于：

所述电阻应变片的种类选自以下一种或多种：应直变片、T型应变片、V型应变片、双桥应变片、三栅应变片、全桥片，优选选自以下一种或多种：应直变片、T型应变片、双桥应变片、三栅应变片、全桥片，更选自以下一种或多种：应直变片、T型应变片、双桥应变片、全桥片；

所述电阻应变片的数量为2～8片，优选为4～6片，最优选为4片；和/或

所述电阻应变片的贴片方法为固定在所述非晶合金弹性体表面或固定在所述非晶合金弹性体的应变梁上，最优选为固定在所述非晶合金弹性体的应变梁上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的非晶合金扭矩传感器，其特征在于，所述非晶合金扭矩传感器的灵敏度为1.0mV/V～2.0mV/V，优选为1.0mV/V～1.5mV/V，最优选为1.0mV/V。

6.一种目标量程的扭矩传感器，其特征在于，所述目标量程的扭矩传感器通过以下步骤制备：通过施力工件将扭矩施加至权利要求1至5中任一项所述的非晶合金扭矩传感器的加载环上，从0N·m扭矩逐渐递增至目标扭矩，当电阻应变片获取可测应变信号后，转化的模拟信号经过信号线输出到外接电脑上，经计算得出到非线性指标、重复度指标、零点输出指标、工作温度指标、滞后性指标，即得所述目标量程的扭矩传感器。

7.根据权利要求6所述的目标量程的扭矩传感器，其特征在于：

所述目标量程的扭矩为0N·m～2000N·m，优选为50N·m～1500N·m，更优选为50N·m～1000N·m；

所述零点输出指标为-3％F.S.～3％F.S.，优选为-1％F.S.～1％F.S.，更优选为-0.5％F.S.～0.5％F.S.；

所述工作温度指标为-20℃～375℃，优选为0℃～375℃，更优选为0℃～200℃；

所述滞后性指标为0F.S.～0.5％F.S.，优选为0F.S.～0.3％F.S.；

所述非线性指标的非线性范围为0F.S.～1.5％F.S.，优选为0.01％F.S.～0.8％F.S.，更优选为0.05％F.S.～0.5％F.S.；和/或

所述重复度指标的重复度范围为0F.S.～0.5％F.S.，优选为0F.S.～0.3％F.S.，更优选为0F.S.～0.1％F.S.。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的非晶合金扭矩传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

(1)选取非晶合金，制备得到非晶合金弹性体；

(2)在步骤(1)制备的非晶合金弹性体上固定固定环、电阻应变片、信号线、加载环、应变梁；

优选地，所述步骤(1)中，所述非晶合金弹性体的制备方法选自以下一种或多种：CNC铣削、车削、热压成型。

9.一种关节式扭矩传感器，其特征在于，所述关节式扭矩传感器包括权利要求6或7所述的目标量程的扭矩传感器；

优选地，所述关节式扭矩传感器包括：非晶合金弹性体、固定环、电阻应变片、信号线、应变梁、加载环。

10.一种协作机器人，其特征在于，所述协作机器人包括权利要求1至7、9中任一项所述的扭矩传感器。