CN2233081Y - 六分量力和力矩传感器 - Google Patents

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Abstract

六分量力和力矩传感器属传感器类。本实用新型由盘体和筒体二部分结合构成。盘体包括中心块、外环和四根扁平梁；筒体包括上环、下环和四根竖梁。每一竖梁包括薄壁梁和平行应变梁。盘体外环和筒体上环通过焊接或其它方式相结合。也可以做成一个整体。本实用新型具有分量间耦合小，灵敏度高和刚性好，易于加工的优点。六分量力和力矩传感器可用于机器人、航空、航天、交通运输工具、机床及各种测控设备中。

Description

六分量力和力矩传感器
本实用新型涉及一种六分量力和力矩传感器，属传感器类。
六分量力和力矩传感器能同时测量直角坐标系中的三个力分量Fx、Fy、Fz和三个力矩分量Mx、My、Mz。多分量力和力矩传感器根据可测力和力矩分量的数目可以分为二、三、四、五、六分量力和力矩传感器。其中功能最强的是六分量力和力矩传感器。现有技术六分量力和力矩传感器因在一个结构上完成六个分量的测量，为了解决其独立测量和解耦问题，往往采用过多的柔性结构。敏感元件所测的应变远不是弹性体结构中应变最大部位的应变，因而分量间耦合大、灵敏度低且刚性差，如4,448,083号美国专利。本实用新型提出的传感器结构把二个结构组成在一起，每个结构测量三个分量，减少了分量间耦合提高了灵敏度，使刚性改善。
本实用新型的特征是，传感器弹性体由盘体和筒体二部分构成，每一部分测三个分量。盘体部分包括中心块，外环及连接上述两部分的四根成十字形分布的扁平梁。在扁平梁的上下二个面上贴有应变片可以测量加在中心块上的力FZ和力矩Mx、My。筒体部分由上环、下环以及连接上环和下环的四个在边缘对称分布的竖梁组成。每一竖梁由弹性梁和薄壁梁构成，竖梁上有孔，竖梁这一部分是二个平行的应变梁。在平行应变梁上贴有应变片可测量加在上环的力Fx、Fy和力矩Mz。薄壁梁的径向厚度比切向长度小得多，因此在径向是柔性的，而在切向是刚性的，其作用是提高灵敏度。通常盘体和筒体二部分可以单独加工后焊接起来，也可以把二部分作为一个整体来加工，后者加工难度较大，但性能好。上述结构中的中心块通常作为传感器的加力端，而筒体下环则作为传感器基座，但这二部分是可以互换的，即亦可以把中心块作为基座，而把下环作为加力端。六分量力和力矩传感器少用一些应变片，可以做成二、三、四、五分量力和力矩传感器。
下面结合附图加以说明，图1中，10—盘体的中心块；20—盘体外环，同时也是筒体的上环；30—筒体的下环；11、12、13和14—盘体的四根扁平梁；21、22、23和24—筒体的竖梁；25、26、27和28—薄壁梁；31、32、33和34—平行应变梁。盘体部分由中心块10、盘体外环20及连接上述两部分的四根扁平梁11、12、13和14构成。四根扁平梁11、12、13和14互相垂直，在其上下二个面上贴有应变片，能够测量扁平梁的应变。当中心块10受到Z方向力的作用时，通过扁梁11、12、13和14上应变片构成的桥路可以测量Fz的方向和大小，当中心块10受到x方向力矩作用时，通过扁梁12、14上的应变片构成的桥路可以测量Mx的方向和大小。当中心块10受到Y方向力矩作用时，通过扁梁11、13上的应变片构成的桥路可以测量My的方向和大小。盘体部分对于Fx、Fy和Mz有很好的刚性，能很好地把其作用传递到筒体上，而且在扁梁11、12、13和14上的应变片构成的桥路在原理上Fx、Fy和Mz不会造成桥路输出；当中心块10受到X方向力作用时，筒体平行应变梁32、34上的应变片构成的桥路可以测量Fx的方向和大小。因为薄壁梁26、28沿X方向刚性大，而薄壁梁25、27沿X方向刚性小，因此平行应变梁32、34应变大，即桥路测量Fx的灵敏度高。结构是对称的，测Fy原理相同。在中心块受到Z轴方向的力矩时，通过平行应变梁31、32、33、34上的应变片构成的桥路可以测量Mz，而且筒体对于Mx、My、Fz有很好的刚性。综上所述，可以通过盘体和筒体的二个结构的结合测量六个分量。
由于本实用新型采用盘体和筒体二部分来测量力和力矩，盘体部分测量Mx、My和Fz，且盘体部分对Fx、Fy、Mz刚性好；筒体部分测量Fx、Fy和Mz且对于Mx、My、Fz刚性好。因此整个传感器分量间耦合小，灵敏度高，刚性好。
本实用新型的外型包络可以是圆形、方形或其它对称形状，其中圆形加工比较容易。竖梁上的孔可以是矩形孔、圆孔或连通的双孔，单孔容易加工，双孔加工较难，但性能更好。

Claims (5)

1.一种由盘体和筒体二部分结合而成的六分量力和力矩传感器，其特征是：盘体包括中心块(10)、外环(20)和连接上述中心块和外环的四根扁平梁(11、12、13、14)；筒体包括上环(20)、下环(30)和连接上环和下环的四根竖梁(21、22、23、24)；每一竖梁(21、22、23、24)由薄壁梁(25、26、27、28)及平行应变梁(31、32、33、34)构成，盘体外环和筒体上环(20)结合为一体，中心块(10)和下环(30)可以分别作为加力端或基座。
2.如权利1所述的传感器，其特征是盘体和筒体为分别加工后焊成为一体。
3.如权利要求1和权利要求2所述的传感器，其特征是外形包络可以是圆柱形、方柱形或其他对称形状。
4.如权利要求1和权利要求2所述的传感器，其特征是平行应变梁的中间孔的形状可以是矩形、圆形和其它对称形状。
5.如权利要求1和权利要求2所述的传感器其特征是减少应变、片构成桥路的数量，可以做成二、三、四、五分量力和力矩传感器。
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