CN117073877A - 一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，包含外壳，阶梯轴，非晶体检测片，电路板，多个检测、励磁线圈以及线圈支架；基于逆磁致伸缩效应检测扭转力的大小，对于扭矩实现了半包络式的测量。本发明安装维修简单、占用空间小、通用性高、耐用性好、能够实现非接触测量，特别是适合于力矩的在线监测。此外，采用磁弹式非接触力矩测量，可以有效地减小由于系统刚度下降而导致的控制误差。实现半包络式测量，可以有效减少传感器的体积，实现传感器的小型化与通用化，可以广泛运用到扭矩测量中。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器。
背景技术
力矩传感器是一种能感受力矩并按照一定的规律转换成可用信号的器件和装置，通常由敏感元件和弹性元件组成。力矩传感器在机器人技术领域应用广泛，一般安装在机器人各个关节内部，能够全面地感知机器人与外部环境相互作用时所承受的力矩的大小，为机器人的柔顺控制提供力感信息。
目前力矩测量的几种主要方法包括应变式、光电式、电容式、电磁式与磁弹式等，各个方法都有其特有的优势，也存在着各自的缺点，适合应用的领域也往往不同。
应变片传感器力矩测量是通过在弹性轴上粘贴应变片组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。其优点在于精度灵敏度高，成本低廉；缺点为在旋转轴中附加了结构，高转速存在动平衡问题。
光电式力矩传感器将开孔数完全相同的两片圆盘形光栅固定在转轴上，并将光电元件和固定光源分别固定在光栅两侧，转轴无扭矩作用时两片光栅的明暗条纹错开，完全遮挡光路。有扭矩作用时两个圆盘形光栅的截面产生相对转角，明暗条纹部分重合，部分光线透过光栅照到光敏元件上，输出电信号。通过测量输出的电信号能够测得外加扭矩的大小。其优点在于可以实时监测，响应迅速；缺点是结构复杂、静标困难、可靠性较差、抗干扰能力差。
磁电式力矩传感器是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近磁强传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。其优点是精度高、成本较低、性能可靠；缺点是响应时间较长，对被测轴改动较大，影响系统。
磁弹式扭矩传感器是在测试轴上粘贴磁致伸缩材料，在轴上施加力矩后会导致粘贴材料发生应变，导致磁场变化，通过感应线圈表征出来。
发明内容
本发明的目的是提供一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效的降低成本、减小体积，提高通用性，同时提高灵敏度、响应速度，并增加其结构强度。
本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，包含外壳，阶梯轴，非晶体检测片，电路板，多个检测、励磁线圈以及线圈支架；多个检测、励磁线圈以及电路板固定在线圈支架上；多个线圈支架固定在力矩敏感元件上；所述阶梯轴包含输入半圆盘，弹性轴和固定半圆盘；非晶体检测片设置在传感器弹性体上；外壳通过输入半圆盘外的法兰固定。
可选的，所述阶梯轴分为输入半圆盘，弹性轴和固定半圆盘三部分，一体成型。
可选的，所述阶梯轴中输入半圆盘设置多个沿圆周方向的螺纹孔，阶梯轴中输入半圆盘外有半圈固定法兰，固定法兰设置多个沿半圆周方向的螺纹孔。
可选的，所述阶梯轴中输入半圆盘外圈法兰螺纹孔的数量为2个，所述输入圆盘上螺纹孔的数量为5个。
可选的，所述阶梯轴中固定半圆盘沿圆周方向设置两圈多个螺纹孔，内圈螺纹孔数量为5个，外圈螺纹孔数量为6个。
可选的，所述线圈支架为3个。
可选的，所述线圈支架底部设置3个螺纹孔，侧边设置4个螺纹孔。
可选的，所述检测、励磁线圈通过螺钉固定在线圈支架侧边。
可选的，所述电路板通过铜柱与螺钉固定在线圈支架上。
可选的，所述非晶体检测片通过胶粘固定在弹性轴上。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明安装维修简单、占用空间小、通用性高、耐用性好、能够实现非接触测量，特别是适合于力矩的在线监测。
(2)本发明采用磁弹式非接触力矩测量，可以有效地减小由于系统刚度下降而导致的控制误差。
(3)本发明可以实现半包络式测量，可以有效减少传感器的体积，实现传感器的小型化与通用化，可以广泛运用到扭矩测量中。
附图说明
图1是本发明的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器的立体外观示意图。
图2是本发明的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器的立体内部无外壳结构图。
图3是本发明的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器的立体内部无外壳无电路板结构图。
图4是本发明的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器的爆炸结构示意图。
图5是本发明的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器的立体结构剖视图。
图中标记示意为：1-阶梯轴；2-线圈支架；3-检测、励磁线圈；4-电路板；5-外壳；6-外壳固定螺钉；7-电路板固定螺钉；8-电路板固定铜柱；9-线圈固定螺钉；10-支架固定螺钉。
具体实施方式
下面结合实施实例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1：
如图1-图5所示，本实施例提供了一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，其包括外壳(5)，输入半圆盘，传感器弹性体，非晶体检测片，检测、励磁线圈(3)，线圈支架(2)，用于信号处理的电路板(4)和固定圆盘。
所述输入半圆盘，传感器弹性体和固定半圆盘三部分在技术实现上为一个阶梯轴(1)一体加工成型。
所述阶梯轴(1)底部为固定半圆盘，在其圆周方向上有多个螺纹孔，内圈5个螺纹孔是与外界固定的孔。外圈为6个固定线圈支架(2)的螺纹孔，线圈支架(2)与阶梯轴(1)通过支架固定螺钉(10)连接。
所述阶梯轴(1)顶部为输入半圆盘，在输入半圆盘圆周方向同样有多个螺纹孔。内圈有5个螺纹孔，用来连接外部输入力矩传递装置；外圈有2个螺纹孔，通过外壳固定螺钉(6)与外壳(5)进行连接。
所述阶梯轴(1)中部圆柱体是传感器检测部分的弹性体，通过胶粘工艺将非晶体检测片粘贴在圆柱表面上。
所述线圈支架(2)下端与阶梯轴(1)的固定圆盘顶部接触，下端一共有3个螺纹孔，靠近侧壁的两个螺纹孔是与阶梯轴(1)固定的孔，靠近外侧的螺纹孔是用来安装支撑电路板(4)的电路板固定铜柱(8)。线圈支架(2)侧壁外侧安装检测、励磁线圈(3)，侧壁有4个螺纹孔来通过线圈固定螺钉(9)固定检测、励磁线圈(3)。
所述线圈支架(2)与检测、励磁线圈(3)组成的系统在阶梯轴(1)固定圆盘圆周方向上均布安装，根据需求安装3组。
所述电路板(4)上搭载信号处理系统，电路板(4)内部有3个安装孔，通过电路板固定螺钉(7)以及电路固定铜柱8安装在线圈支架(2)上。通过电路板固定铜柱(8)的支撑，将电路板(4)抬高一定空间，给电路板(4)上的芯片等元器件留出余量，方便安装。
所述外壳(5)为传感器保护结构，外壳(5)上端圆盘处与阶梯轴(1)输入圆盘外圈顶部接触，通过外壳固定螺钉(6)固定。外壳(5)侧边嵌入到阶梯轴(1)固定圆盘的凹陷处。
工作原理：
本发明的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器在使用时，扭矩回导致阶梯轴(1)中中部弹性轴发生应力应变，引起非晶体检测片产生应力，从而在励磁线圈产生的交变磁场中改变其磁通，检测线圈检测到磁通的变化继而转化成电学信号来表示所受力矩的变化。
当一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器受到扭转力的时候，力矩会通过螺钉传递到阶梯轴(1)中部的弹性轴上，此时弹性轴会发生扭转变形，会产生应力和应变。
当弹性轴上产生应力时，粘贴在弹性轴表面的非晶体检测片会引起逆磁致伸缩效应(维拉里效应)。非晶体检测片本质是一种磁致伸缩材料，其特征是在受到应力时，会引起磁场的变化。
磁弹效应是铁磁材料所具有的独特的物理性质，其表明了在外部作用力的影响下，其内部的参数磁导率会改变。由铁磁材料制作而成的弹性轴在稳定的外部激励场的作用下，与此同时，它又受到外部作用力的影响时，弹性轴材料磁化状态的改变可以看作是磁导率改变的结果。磁性材料在扭矩或应力的作用下，其内部磁畴结构的改变是影响材料内部磁化状态改变的原因。所以说，利用铁磁材料的磁弹效应可以通过测量对其加载扭矩时其磁化强度的改变来表征其应力状态变化，从而将测量扭矩的问题转化为测量材料的磁化强度的问题。除此之外，磁致伸缩系数这一物理量的正负也会影响磁畴的转动方向。本文从磁导率的改变和磁感应强度的改变来探讨弹性轴材料的磁化状态改变。实际上，磁化强度的改变就是磁感应强度的改变,所以我们可以从宏观的磁感应强度的改变来分析施加的外部扭矩。
线圈支架(2)上的检测、励磁线圈(3)中的励磁线圈会持续的给非晶体检测片附件一个稳定的交变磁场，当弹性轴有应力变化时，其表面磁致伸缩材料会导致其磁场变化，线圈支架(2)上的检测、励磁线圈(3)中的检测线圈就会识别其变化并将变化转化为电信号传递给电路板(4)上的单元进行处理。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
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，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，其特征在于：包含外壳，阶梯轴，非晶体检测片，电路板，多个检测、励磁线圈以及线圈支架；多个检测、励磁线圈以及电路板固定在线圈支架上；线圈支架固定在力矩敏感元件上；阶梯轴包含输入半圆盘，弹性轴和固定半圆盘；非晶体检测片设置在弹性轴上；外壳通过输入半圆盘外的法兰固定。
2.根据权利要求1所述的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，其特征在于：所述阶梯轴分为输入半圆盘，弹性轴和固定圆盘三部分，一体成型。
3.根据权利要求1所述的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，其特征在于：所述阶梯轴中输入半圆盘设置多个沿圆周方向的螺纹孔，输入半圆盘外有半圈固定法兰，固定法兰设置多个沿半圆周方向的螺纹孔。
4.根据权利要求1所述的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，其特征在于：所述阶梯轴中输入半圆盘外的法兰螺纹孔的数量为2个，所述输入半圆盘上螺纹孔的数量为5个。
5.根据权利要求1所述的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，其特征在于：所述阶梯轴中固定半圆盘沿圆周方向设置两圈多个螺纹孔，内圈螺纹孔数量为5个，外圈螺纹孔数量为6个。
6.根据权利要求1所述的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，其特征在于：所述线圈支架为3个。
7.根据权利要求1所述的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，其特征在于：所述线圈支架底部设置3个螺纹孔，侧边设置4个螺纹孔。
8.根据权利要求1所述的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，其特征在于：所述检测、励磁线圈通过螺钉固定在线圈支架侧边。
9.根据权利要求1所述的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，其特征在于：所述电路板通过铜柱与螺钉固定在线圈支架上。
10.根据权利要求1所述的一种多点式半包络式非接触扭矩测量传感器，其特征在于：所述非晶体检测片通过胶粘固定在弹性轴上。
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