CN203541876U - 三自由度防碰撞力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于传感器设备技术领域，尤其是涉及一种三自由度防碰撞力传感器。它解决了现有技术设计不够合理等技术问题。所述的壳体一端活动穿设有一根力输入轴，该力输入轴的内端位于壳体内，外端穿出壳体外，所述的壳体内设有能沿着壳体轴向伸缩的弹性组件，所述的力输入轴的内端作用在弹性组件上且当力输入轴外端受到作用力时能压缩弹性组件，所述的弹性组件与壳体之间设有当力输入轴在作用力作用下带动弹性组件轴向压缩至设定幅度时能产生触发信号的信号触发机构。与现有的技术相比，本三自由度防碰撞力传感器的优点在于：1、设计合理，结构简单，能够多方位防碰撞。2、制造成本低，维护方便。3、防碰撞效果好。

Description

三自由度防碰撞力传感器

技术领域

本实用新型属于传感器设备技术领域，尤其是涉及一种三自由度防碰撞力传感器。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。例如：随着我国机械制造工业的迅速发展，自动焊接技术及自动焊接装备自动焊接小车，焊接机器人等也得到了广泛的应用。特别是自动焊接小车，因为成本相对较低，在长直焊缝等场合得到了广泛的应用，由于焊接小车上装载的焊枪相对成本较高，一般焊接小车上均安装有防碰撞保护设备，但焊缝的不规则变化，容易导致焊枪与被焊接工件发生碰撞的故障，导致焊枪发生变形并损坏，造成较大的损失，而对于自动焊接专机，通常都采用伺服电机驱动，成本较高，如果碰撞力过大，很容易导致伺服驱动及损坏，因此需要研制一种能够有效防止过度碰撞的防碰撞传感器，以确保在焊接过程中发生碰撞时，能及时停止驱动电机，实现对焊枪及驱动电机的有效保护。

例如，中国专利文献公开了一种防碰撞电焊枪[申请号：201220427990.3]，包括电焊枪本体、连接装置和防碰撞装置；连接装置包括机械手连接部和电焊枪连接部，连接装置的机械手连接部上设置有信号线引出孔；防碰撞装置包括传感器探头、传感器电路、信号线和橡胶防护圈；橡胶防护圈为环形中空的橡胶构件；传感器探头和传感器电路设置在橡胶防护圈内的中空部位，传感器探头与传感器电路电连接；传感器电路输出的传感信号通过信号线与机械手的主控电路电连接；防碰撞装置的橡胶防护圈固定安装在连接装置的机械手连接部和电焊枪连接部之间。

上述方案虽然在操作电焊枪要发生意外碰撞时，及时控制机械手停止动作，但上述方案仍然存在着设计不够合理，防碰撞识别区域有限，存在着死角，无法进行多方位的防碰撞识别，适用范围有限。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，结构简单，能够多方位防碰撞的三自由度防碰撞力传感器。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：本三自由度防碰撞力传感器，包括壳体，其特征在于，所述的壳体一端活动穿设有一根力输入轴，该力输入轴的内端位于壳体内，外端穿出壳体外，所述的壳体内设有能沿着壳体轴向伸缩的弹性组件，所述的力输入轴的内端作用在弹性组件上且当力输入轴外端受到作用力时能压缩弹性组件，所述的弹性组件与壳体之间设有当力输入轴在作用力作用下带动弹性组件轴向压缩至设定幅度时能产生触发信号的信号触发机构。

更进一步地说，由于设有信号触发机构，从而能够使弹性组件在产生轴向压缩位移时，通过弹性组件与信号触发机构相配合产生信号，进行多方位的防碰撞监测，有效地消除了在运行中的监测死角，并且使用范围广。显然，力输入轴受到轴向向壳体内作用力时，力输入轴能够带动弹性组件动作；力输入轴受到侧向作用力时，由于力输入轴与弹性组件是相互作用的，两者之间将产生弯矩，从而促进弹性组件动作；力输入轴受到侧向扭转力时，由于力输入轴与弹性组件是相互作用的，两者之间将产生顶升力，从而促进弹性组件动作。

在上述的三自由度防碰撞力传感器中，所述的弹性组件包括导向轴，该导向轴的一端穿设在壳体远离力输入轴一端且与壳体滑动连接，在导向轴的另一端设有导向轴工作部，所述的导向轴上套设有弹簧且弹簧的一端作用在壳体端部另一端作用在导向轴工作部。

更进一步的说，由于设有弹簧，从而能够使导向轴受力位移后复位，防碰撞力大小可以通过更换不同刚度的弹簧实现，不仅可以用于自动焊接设备上对焊枪、驱动电机进行保护，而且还可以用于其它运动系统中进行防碰撞保护，适用范围广。

在上述的三自由度防碰撞力传感器中，所述的力输入轴内端设有输入轴工作部，所述的输入轴工作部和导向轴工作部相对置，在导向轴工作部上设有位于输入轴工作部和导向轴工作部之间且外径小于输入轴工作部和导向轴工作部的圆形凸部，所述的圆形凸部与输入轴工作部和导向轴工作部同轴设置。这种结构有利于促进弯矩产生。

在上述的三自由度防碰撞力传感器中，所述的圆形凸部的下部外缘具有下端小上端大的环形斜面。由于设有环形斜面，从而能够促进弯矩产生，提高工作精度。

在上述的三自由度防碰撞力传感器中，所述的壳体端部内侧固定有位于输入轴工作部和壳体端部内侧之间的滚珠安放环，所述的力输入轴穿过滚珠安放环，所述的滚珠安放环上设有若干滚珠安装孔，在每个滚珠安装孔内分别设有滚珠，所述的输入轴工作部上设有若干孔径小于滚珠外径的上孔，所述的壳体端部内侧设有若干孔径小于滚珠外径的下孔，所述的上孔和下孔一一对应设置且在每个上孔和下孔之间分别设有一位于滚珠安装孔内的滚珠，所述的滚珠上部位于上孔内，下部位于下孔内。这种结构在力输入轴受到扭转力时，能够通过滚珠安放环、滚珠和输入轴工作部促进力输入轴轴向向壳体内移动，从而压缩弹性组件。

作为优选的，壳体包括筒状体和端盖，力输入轴穿设在端盖上，下孔开设在端盖内侧，端盖通过螺栓与筒状体相连。

在上述的三自由度防碰撞力传感器中，所述的信号触发机构包括固定在导向轴工作部上的触发体和固定在壳体上的触点开关，所述的触发体和触点开关相对置且当触发体轴向向内移动至设定幅度时能与触点开关接触。

在上述的三自由度防碰撞力传感器中，所述的触发体呈上端小下端大的楔形且触发体的倾斜面朝向触点开关；所述的触点开关固定在具有倾斜面的固定座上，所述的固定座固定在壳体上且固定座的倾斜面朝向触发体。由于设有触发体的倾斜面朝向触点开关，从而能够使触发体与触点开关配合。

在上述的三自由度防碰撞力传感器中，所述的壳体上设有窗口，所述的固定座固定在窗口中。由于固定座固定在窗口，从而能够有利于观察传感器内部零部件。

在上述的三自由度防碰撞力传感器中，所述的力输入轴的外端与焊枪托架固连，所述的焊枪托架水平设置且与竖直设置的焊枪总成固连，所述的壳体固定在电机驱动安装托架上。当然，力输入轴并不仅限于与焊枪托架固连，也可采用至其他运动系统中进行防碰撞保护。

与现有的技术相比，本三自由度防碰撞力传感器的优点在于：1、设计合理，结构简单，体积小，重量轻，能够多方位防碰撞。2、制造成本低，维护方便。3、防碰撞效果好。4、可更换不同刚度的弹簧，实现碰撞力度调节，适用范围广。5、使用寿命长，并且维护方便。

附图说明

图1是本实用新型提供的立体结构示意图。

图2是本实用新型提供的剖视结构示意图。

图中，壳体1、力输入轴2、输入轴工作部21、弹性组件3、信号触发机构4、导向轴31、导向轴工作部32、圆形凸部34、环形斜面34a、滚珠安放环5、滚珠安装孔51、滚珠52、上孔21a、下孔21b、触发体41、触点开关42、固定座43、窗口11、焊枪托架2a、焊枪总成2b。

具体实施方式

如图1-2所示，本三自由度防碰撞力传感器，包括壳体1，壳体1一端活动穿设有一根力输入轴2，该力输入轴2的内端位于壳体1内，外端穿出壳体1外，壳体1内设有能沿着壳体1轴向伸缩的弹性组件3，力输入轴2的内端作用在弹性组件3上且当力输入轴2外端受到作用力时能压缩弹性组件3，弹性组件3与壳体1之间设有当力输入轴2在作用力作用下带动弹性组件3轴向压缩至设定幅度时能产生触发信号的信号触发机构4。

弹性组件3包括导向轴31，该导向轴31的一端穿设在壳体1远离力输入轴2一端且与壳体1滑动连接，在导向轴31的另一端设有导向轴工作部32，导向轴31上套设有弹簧33且弹簧33的一端作用在壳体1端部另一端作用在导向轴工作部32。力输入轴2内端设有输入轴工作部21，输入轴工作部21和导向轴工作部32相对置，在导向轴工作部32上设有位于输入轴工作部21和导向轴工作部32之间且外径小于输入轴工作部21和导向轴工作部32的圆形凸部34，圆形凸部34与输入轴工作部21和导向轴工作部32同轴设置，圆形凸部34的下部外缘具有下端小上端大的环形斜面34a。

壳体1端部内侧固定有位于输入轴工作部21和壳体1端部内侧之间的滚珠安放环5，所述的力输入轴2穿过滚珠安放环5，所述的滚珠安放环5上设有若干滚珠安装孔51，在每个滚珠安装孔51内分别设有滚珠52，所述的输入轴工作部21上设有若干孔径小于滚珠52外径的上孔21a，所述的壳体1端部内侧设有若干孔径小于滚珠42外径的下孔21b，所述的上孔21a和下孔21b一一对应设置且在每个上孔21a和下孔21b之间分别设有一位于滚珠安装孔51内的滚珠52，所述的滚珠52上部位于上孔21a内，下部位于下孔21b内。壳体1包括筒状体和端盖，力输入轴2穿设在端盖上，下孔21b开设在端盖内侧，端盖通过螺栓与筒状体相连。

信号触发机构4包括固定在导向轴工作部32上的触发体41和固定在壳体1上的触点开关42，触发体41和触点开关42相对置且当触发体41轴向向内移动至设定幅度时能与触点开关42接触，触发体41呈上端小下端大的楔形且触发体41的倾斜面朝向触点开关42；触点开关42固定在具有倾斜面的固定座43上，固定座43固定在壳体1上且固定座43的倾斜面朝向触发体41，壳体1上设有窗口11，固定座43固定在窗口11中。

图2中，XYZ代表三个自由度的坐标，相对于力输入轴2而言，X轴方向所受的力为侧向扭转力；Y轴方向所受的力为侧向中心力；Z轴方向所受的力为轴向向壳体内推力。以三自由度防碰撞力传感器应用于焊接设备为例。力输入轴2的外端与焊枪托架2a固连，焊枪托架2a水平设置且与竖直设置的焊枪总成2b固连，壳体1固定在电机驱动安装托架上。

①Z轴防碰撞保护（即轴向受力保护）工作过程如下：当焊枪在下降或焊接下降运动过程中，如果与被焊接工件发生碰撞，即形成Z向碰撞，碰撞力Fz则通过焊枪托架2a传递给力输入轴2，力输入轴2同时将碰撞力传动给导向轴31，导向轴31压缩弹簧33形成轴向位移，同时带动触发体41向上运动，与触点开关42接触并压下触点开关42，一旦碰撞力超过设定允许值，则触点开关42导通，控制系统检测到碰撞力过大的信号后，立即输出控制信号，停止驱动电机运动，同时停止焊接作业，有效地避免了因碰撞力过大而损坏焊枪的事故。

②Y轴防碰撞保护（即弯矩受力保护）工作过程如下：当焊枪受到Y轴方向的碰撞时，则碰撞力Fy通过焊枪托架递给力输入轴2，力输入轴2将在图的C、D两点形成一个弯矩作用，由于滚珠安放环5限位的作用，将使C点沿Z轴方向运动，进而驱动导向轴31并带动触发体41压下触点开关42，从而实现碰撞力过大时对焊枪的防碰撞保护。

③X轴防碰撞保护（即扭转受力保护）工作过程如下：当焊枪受到X轴方向的碰撞力Fx时，通过焊枪托架，传递到力输入轴2，并形成一个扭矩，由于壳体1与电机驱动架安装并固定，因此，当碰撞力超过设定值时，力输入轴2将形成转动，由于滚珠限位，要形成转动空间，力输入轴2只能沿Z轴方向运动，并推动导向轴31压缩弹簧产生相应的位移，实现扭转位移与直线位移的转换，同时，导向轴31带动触发体41压下触点开关42，从而实现碰撞力过大时对焊枪的防碰撞保护。

本实用新型所述的三个自由度分别为：力输入轴2轴向向壳体方向，力输入轴2侧向中心方向，力输入轴2侧向偏离中心方向。显然，力输入轴2侧向偏离中心方向实质包含多个方向，只要能使力输入轴2产生扭转的力的方向均为力输入轴2侧向偏离中心方向。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了壳体1、力输入轴2、输入轴工作部21、弹性组件3、信号触发机构4、导向轴31、导向轴工作部32、圆形凸部34、环形斜面34a、滚珠安放环5、滚珠安装孔51、滚珠52、上孔21a、下孔21b、触发体41、触点开关42、固定座43、窗口11、焊枪托架2a、焊枪总成2b等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (9)

1.一种三自由度防碰撞力传感器，包括壳体（1），其特征在于，所述的壳体（1）一端活动穿设有一根力输入轴（2），该力输入轴（2）的内端位于壳体（1）内，外端穿出壳体（1）外，所述的壳体（1）内设有能沿着壳体（1）轴向伸缩的弹性组件（3），所述的力输入轴（2）的内端作用在弹性组件（3）上且当力输入轴（2）外端受到作用力时能压缩弹性组件（3），所述的弹性组件（3）与壳体（1）之间设有当力输入轴（2）在作用力作用下带动弹性组件（3）轴向压缩至设定幅度时能产生触发信号的信号触发机构（4）。

2.根据权利要求1所述的三自由度防碰撞力传感器，其特征在于，所述的弹性组件（3）包括导向轴（31），该导向轴（31）的一端穿设在壳体（1）远离力输入轴（2）一端且与壳体（1）滑动连接，在导向轴（31）的另一端设有导向轴工作部（32），所述的导向轴（31）上套设有弹簧（33）且弹簧（33）的一端作用在壳体（1）端部另一端作用在导向轴工作部（32）。

3.根据权利要求2所述的三自由度防碰撞力传感器，其特征在于，所述的力输入轴（2）内端设有输入轴工作部（21），所述的输入轴工作部（21）和导向轴工作部（32）相对置，在导向轴工作部（32）上设有位于输入轴工作部（21）和导向轴工作部（32）之间且外径小于输入轴工作部（21）和导向轴工作部（32）的圆形凸部（34），所述的圆形凸部（34）与输入轴工作部（21）和导向轴工作部（32）同轴设置。

4.根据权利要求3所述的三自由度防碰撞力传感器，其特征在于，所述的圆形凸部（34）的下部外缘具有下端小上端大的环形斜面（34a）。

5.根据权利要求3或4所述的三自由度防碰撞力传感器，其特征在于，所述的壳体（1）端部内侧固定有位于输入轴工作部（21）和壳体（1）端部内侧之间的滚珠安放环（5），所述的力输入轴（2）穿过滚珠安放环（5），所述的滚珠安放环（5）上设有若干滚珠安装孔（51），在每个滚珠安装孔（51）内分别设有滚珠（52），所述的输入轴工作部（21）上设有若干孔径小于滚珠（52）外径的上孔（21a），所述的壳体（1）端部内侧设有若干孔径小于滚珠（42）外径的下孔（21b），所述的上孔（21a）和下孔（21b）一一对应设置且在每个上孔（21a）和下孔（21b）之间分别设有一位于滚珠安装孔（51）内的滚珠（52），所述的滚珠（52）上部位于上孔（21a）内，下部位于下孔（21b）内。

6.根据权利要求2或3或4所述的三自由度防碰撞力传感器，其特征在于，所述的信号触发机构（4）包括固定在导向轴工作部（32）上的触发体（41）和固定在壳体（1）上的触点开关（42），所述的触发体（41）和触点开关（42）相对置且当触发体（41）轴向向内移动至设定幅度时能与触点开关（42）接触。

7.根据权利要求6所述的三自由度防碰撞力传感器，其特征在于，所述的触发体（41）呈上端小下端大的楔形且触发体（41）的倾斜面朝向触点开关（42）；所述的触点开关（42）固定在具有倾斜面的固定座（43）上，所述的固定座（43）固定在壳体（1）上且固定座（43）的倾斜面朝向触发体（41）。

8.根据权利要求7所述的三自由度防碰撞力传感器，其特征在于，所述的壳体（1）上设有窗口（11），所述的固定座（43）固定在窗口（11）中。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的三自由度防碰撞力传感器，其特征在于，所述的力输入轴（2）的外端与焊枪托架（2a）固连，所述的焊枪托架（2a）水平设置且与竖直设置的焊枪总成（2b）固连，所述的壳体（1）固定在电机驱动安装托架上。

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