CN2221208Y - 多分量力和力矩传感器 - Google Patents
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Abstract
多分量力和力矩传感器，属于传感器类。本实用新型由加力部分、基座部分和四根弹性梁组成。每一根弹性梁由竖梁、横梁和薄壁梁组成。每一竖梁和横梁上均有二个平行应变梁，梁上有敏感元件反映力和力矩的大小和方向。本实用新型提出的结构具有灵敏度高、刚度大、动态性能好等优点。
Description
本实用新型涉及一种多分量力和力矩传感器，属传感器类。
多分量力和力矩传感器是能测量二个以上力和力矩分量的传感器。多分量力和力矩传感器中功能最全的是六分量力和力矩传感器，它能测直角坐标系中三个力分量和三个力矩分量。多分量力和力矩传感器可用于机器人、机床、起重和运输工具、医疗器械、钻探设备、风洞实验以及各种测量和控制设备。
目前多分量力和力矩传感器大多采用应变测力原理。如美国的Lord公司，JR3公司，日本的日立公司生产的此类产品均采用应变计。传感器结构和贴应变片处应变的大小直接影响传感器的灵敏度和精度等性能。现有的传感器的结构均有柔性部分太多，而且应变片贴在粗梁上的缺点，因而灵敏度低，刚性和动态响应差。以4,448,083号美国专利为例，其结构如图1所示，其应变片贴在粗梁上，而且有8个柔性部分。
本实用新型的目的是提高传感器各分量的灵敏度，并同时具有刚性和动态响应好的优点。
本实用新型提出的多分量力和力矩传感器的一种新的结构。这种结构包括基座部分、加力部分以及连接上述二部分的四根弹性梁构成。其中基座部分和加力部分是同轴线的，二者在轴线方向离开一定距离。四根弹性梁的每一根梁包括以下三段：即竖梁、横梁和薄壁梁。竖梁走向和上述基座部分和加力块部分的公共轴线平行，在竖梁上有一个孔，竖梁的这一部分为二个平行应变梁，在应变梁的两侧有应变片，可以测量应变梁受力时的应变。横梁与竖梁垂直，在横梁上有一个孔，横梁的这一部分是二个平行的应变梁，在应变梁的两侧有应变片，可以测量此应变梁受力时的应变。薄壁梁是一薄片，在径向方向上其厚度比横梁和竖梁要小，因而在径向是柔性的。加力部分与基底部分分别与外界连接。上述加力部分与基座部分是可互换的。整个结构是一个整体。
本实用新型提出的多分量力和力矩传感器结构由于应变片在薄的应变梁上，因而对需测力方向灵敏度高，而且对各分量的刚性好，因此具有灵敏度高、刚性好的优点。
下面结合附图对本实用新型说明之。附图2是本实用新型的结构图，图中：1—加力部分；2—基座部分；3、4、5和6—弹性梁；7、8、9和10—竖梁；11、12、13和14—薄壁梁；15、16、17和18—横梁；19、20、21、22、23、24、25和26—横梁上的平行应变梁；其中23、24在图中因被挡住而看不到；27、28、29、30、31、32、33和34—竖梁上的平行应变梁。平行应变梁的外侧及孔内侧是贴应变片的位置。
取加力部分上表面两对应边线中点连线为X轴和Y轴，Z轴为加力部分和基座部分的公共轴。
图中加力部分1和基座部分2通过弹性梁3、4、5、6相连。弹性梁3、4、5、6分别由竖梁7、8、9、10，薄壁梁11、12、13、14和横梁15、16、17、18组成。可以把加力部分1和基座部分2看作是刚体。竖梁7、9上的应变梁27、28、31、32的应变可以反映加力部分沿X方向的位移；竖梁8、10上的应变梁29、30、33、34的应变反映加力部分沿Y方向的位移；横梁15、16、17、18上的应变梁19、20、21、22、23、24、25和26的应变反映加力部分沿Z方向的位移。
在加力部分沿X轴方向加力Fx时，由于薄壁梁12、14在X方向是柔性的。作用力Fx主要作用在弹性梁3、5上，其竖梁7和9上的应变梁27、28、31、32发生弯曲应变。根据贴在上述应变梁上的应变片组成桥路的输出，可以测出Fx力的大小和方向；结构是对称的，加力Fy时，竖梁上8、10上的应变梁29、30、33、34发生弯曲应变，根据贴在上述应变梁上应变片组成的桥路的输出，可以测出Fy的大小和方向；当加Mz时，竖梁7、8、9、10上的应变梁27、28、29、30、31、32、33和34发生弯曲应变，根据在上述应变梁上的应变片组成桥路的输出，可测出Mz；当加力矩Mx时，横梁15、17上应变梁19、20、23、24发生弯曲应变，根据贴在上述应变梁上的应变片组成的桥路输出，可测出Mx；当加力矩My时，横梁16、18上的应变梁21、22、25、26发生弯曲应变，根据贴在上述应变梁上应变片组成的桥路的输出，可测出My；当沿Z轴加力Fz时，横梁15、16、17、18上的应变梁19、20、21、22、23、24、25、26发生弯曲应变，根据贴在上述应变梁上的应变片组成的桥路输出，可以测出Fz。
本实用新型提出的上述多分量力和力矩传感器结构中的竖梁和横梁中的孔的形状可以是各种关于轴对称的形状。图3给出了部分对称形状的例子。本实用新型提出的多分量力和力矩传感器结构外形包络是关于轴心对称的形状。
本实用新型提出的上述多分量力和力矩传感器结构可以实现六分量力和力矩传感器，也可以减少应变计数量而做成二、三、四、五分量的力和力矩传感器。
本实用新型克服原有技术的不足，把应变计贴在薄梁上应变大的位置，大幅度提高了灵敏度，同时具有刚性强、动态性能好的优点。
Claims (5)
1.一种由加力块(1)、基座(2)以及连接上述二部分的四根弹性梁(3，4，5，6)构成的多分量力和力矩传感器，其特征是：四根弹性梁的每一根梁(3，4，5，6)至少包括以下三段：即竖梁(7，8，9，10)、横梁(15，16，17，18)和薄壁梁(11，12，13，14)。竖梁(7，8，9，10)的一部分为垂直方向的二个平行应变梁(27，28，29，30，31，32，33，34)。横梁与竖梁垂直，横梁(15，16，17，18)的一部分为水平方向的二个平行的应变梁(19，20，21，22，23，24，25，26)。在平行应变梁的两侧有应变片，可以测量此应变梁受力时的应变。薄壁梁(11，12，13，14)在径向方向上其厚度比横梁和竖梁要小。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于增减应变计的数量可做成二、三、四、五和六分量力和力矩传感器。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于外形包络的形状是关于轴心对称形状，包括方形、圆形、削去四边的圆形等。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于其竖梁、横梁上平行应变梁间的孔的形状是关于梁轴线对称的形状，包括单个或两个连通的矩形、圆形、椭圆等。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于其结构是一个整体。
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