專利名稱：多軸載荷單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來傳遞和測(cè)量沿三正交軸方向的直線力和繞三正交軸的力矩的載荷單元，更具體地說，是公開了一種具有一剛性中心輪轂，一與中心輪轂同心的剛性環(huán)圈和在中心輪轂與環(huán)圈之間延伸的輻射狀部件的集中載荷單元體，該載荷單元體具有改進(jìn)的性能和特性，可輕易調(diào)整載荷單元的靈敏性。
轉(zhuǎn)換器或者用以確定沿三正交軸的力或繞三正交軸的力矩的載荷單元是公知的。兩個(gè)這樣的載荷單元在美國(guó)專利第4,640,138號(hào)和4,821,582號(hào)中公開過。美國(guó)專利第4,640,138號(hào)中闡明了一個(gè)多軸載荷敏感轉(zhuǎn)換器，其具有由一對(duì)軸向隔開的十字頭連接的內(nèi)部和外部部件。該十字頭由與內(nèi)部部件成整體的臂組成并且由柔性帶圈與外部部件相連，柔性帶圈與安裝在外部部件上的帶圈末端有縱向長(zhǎng)度。十字頭的臂安裝在所連帶圈的中心。載荷表示為該十字頭臂彎曲的函數(shù)。
美國(guó)專利第4,821,582號(hào)闡述的是一個(gè)載荷轉(zhuǎn)換器，其用來測(cè)量在三軸上的直線力和繞其中兩軸的力矩。該轉(zhuǎn)換器具有由載荷敏感十字頭臂或剪切梁連接的內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)。十字頭外端與外部長(zhǎng)度相連，當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)受沿垂直于十字頭平面的軸線方向的力時(shí)，該外部長(zhǎng)度為剛性。
另外的集中載荷單元在英國(guó)專利GB2096777A中闡述過。這些載荷單元包含一個(gè)中心輪轂部分和一個(gè)環(huán)圈元件部分，四個(gè)輻射狀輻元件將輪轂元件與環(huán)圈元件連接起來，并且有適當(dāng)?shù)膽?yīng)變計(jì)粘貼在這些部件上。具有這樣結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有的載荷單元在GB2096777A里討論過，但是它并不能測(cè)量繞通過輪輻的軸所用的力矩。英國(guó)專利GB2096777A公開了一個(gè)實(shí)心輪輻，該輪輻具有主桿元件和末端元件，每個(gè)末端元件的寬度小于相應(yīng)的主干元件的寬度。每個(gè)末端減少的寬度足夠小，以致于受到作用在輪輻方向上的扭力就可以使之變形彎曲。
因此，迫切需要改進(jìn)了的載荷單元，既容易制造，又可以測(cè)量多個(gè)方向的力和力矩的分量。
用來傳遞力和力矩的截荷單元包含一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，其具有一個(gè)剛性中心輪轂和一個(gè)與中心輪轂同心的環(huán)圈，至少三個(gè)輻射狀管子沿相應(yīng)的縱向軸從中心輪轂延伸到環(huán)圈，柔性元件把輻射狀管子和環(huán)圈連接起來，每個(gè)柔性元件順從于與之相應(yīng)的縱向軸線的每個(gè)相應(yīng)的輻射狀管子的位移。
該發(fā)明的另一方面是具有一個(gè)剛性中心輪轂和一個(gè)與之同心的剛性環(huán)圈以及多個(gè)沿相應(yīng)縱向軸從中心輪轂到環(huán)圈徑向延伸的輻射狀管子。每個(gè)管子在垂直于縱向軸的截面內(nèi)具有一個(gè)非矩形外表面，并且包括多個(gè)厚度減少以便集中應(yīng)力的分隔開的壁元件。
該發(fā)明的再一個(gè)方面是一種制造在多個(gè)方向上傳遞力和力矩的載荷單元體的方法。本方法包括以下步驟用一塊材料，制成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，其包含一個(gè)剛性中心輪轂，一個(gè)與輪轂同心的剛性環(huán)圈，至少三個(gè)從中心輪殼延伸到環(huán)圈的輻射狀部件，其中柔性元件在到環(huán)圈的每個(gè)輻射狀管子未端之間延伸并順從于沿著每個(gè)輻射狀管子的相應(yīng)的縱向軸的相應(yīng)的輻射狀部件的位移；并且在每個(gè)輻射狀部件內(nèi)沿著軸線形成一個(gè)孔，其中載荷單元的靈敏度可以表示為在輻射狀部件上形成的孔的直徑的函數(shù)。最好，制造的步驟還包括在環(huán)圈上打一縫孔，且與每個(gè)相應(yīng)的在輻射狀部件內(nèi)的孔成一直線。
該發(fā)明的再一方面是一種用于在正交坐標(biāo)系內(nèi)傳感力和力矩的載荷單元，其包括一個(gè)載荷單元體和多個(gè)傳感電路。載荷單元體包括一個(gè)剛性中心部件，一個(gè)剛性環(huán)圈，及多個(gè)徑向延伸且連接中心部件和環(huán)圈的輻射狀部件。多個(gè)傳感電路安裝在多個(gè)輻射狀部件上。每個(gè)輻射狀部件包含一個(gè)第一傳感電路以提供一個(gè)第一輸出信號(hào)，該信號(hào)響應(yīng)在一個(gè)第一方向上通過相應(yīng)的輻射狀部件施加于中心部件和環(huán)圈之間的第一力。每個(gè)輻射狀部件也包括一個(gè)第二傳感電路以提供一個(gè)第二輸出信號(hào)，其響應(yīng)在一個(gè)第二方向上通過相應(yīng)的輻射狀部件施加于中心部件與環(huán)圈之間的第二力。其中第二方向基本垂直于第一方向。


圖1是本發(fā)明的載荷單元的透視圖。
圖2是一個(gè)載荷單元的一側(cè)正視圖，去掉一部分以顯示一個(gè)輻射狀管子的剖面。
圖3是載荷單元的一側(cè)正視圖，去掉一部分以顯示另一個(gè)輻射狀管子的剖面。
圖4是載荷單元一側(cè)的正視圖，該載荷單元安裝在輪圈上，如剖面所示。
圖5是該發(fā)明載荷單元的第二個(gè)實(shí)施例的俯視圖。
圖6是圖5所示的載荷單元的剖視圖。
圖7是第二實(shí)施例的俯視圖，其具有安裝板和連結(jié)件的滑環(huán)。
圖8是一控制器的總方框圖。
圖9是比例及幾何變換電路的方框圖。
圖10是一種正交矩陣變換電路一部分的電路圖。
圖11是坐標(biāo)變換電路的電路圖。
圖12是載荷單元一側(cè)正視圖，去掉一部分以顯示另一輻射狀管子的剖面。
圖13是惠斯通電橋的電路示意圖。
圖1說明了本發(fā)明的載荷單元10的第一個(gè)實(shí)施例。載荷單元10最好包括該發(fā)明的一個(gè)整的體12，它由一塊材料制成。體12包含一個(gè)剛性中心輪轂14一個(gè)與之同心的剛性環(huán)圈16，多個(gè)輻射狀管子20把中心輪轂14與環(huán)圈16連結(jié)起來。在所示的實(shí)施例中，多個(gè)輻射狀管子20由四個(gè)管子21,22,23和24組成。管子21-24中的每個(gè)管子都從中心輪轂14沿相應(yīng)縱向軸線21A,22A,23A,24A延伸到環(huán)圈16。最好，軸21A與軸23A成一直線，而軸22A與軸24A成一直線。另外，軸21A和23A垂直于軸22A和24A。盡管在這里是四個(gè)輻射狀管子20，但應(yīng)當(dāng)理解三個(gè)或三個(gè)以上的任何數(shù)目的管子20可用來連結(jié)中心輪轂14與環(huán)圈16。最好，多個(gè)輻射狀管子20圍繞用26表示的中心軸均勻分布。
柔性元件31,32,33,34分別把每個(gè)輻射狀管子21-24末端與環(huán)圈16連接起來。柔性元件31-34順從于沿相應(yīng)的縱向軸21A-24A的每個(gè)相應(yīng)的輻射狀管子21-24的位移。在所示的實(shí)施例中，柔性元件31-34是相同的而且包含整體成形的柔性帶圈36和38。柔性帶圈36和38位于每個(gè)縱向軸21A-24A的相對(duì)兩側(cè)上且把相應(yīng)的輻射狀管子21-24和環(huán)圈26連結(jié)起來。
多個(gè)應(yīng)變傳感器40安裝在多個(gè)管子20上以傳感應(yīng)變。盡管多個(gè)傳感器40可以安置在多個(gè)管子20上以便在這里提供一個(gè)彎曲應(yīng)力指示，但最好常規(guī)安裝傳感器以便提供一個(gè)產(chǎn)生在多個(gè)輻射狀管子20內(nèi)壁上的剪切應(yīng)力指示輸出信號(hào)。在所示實(shí)施例中，四套應(yīng)變傳感器放置在每個(gè)管子21-24上，最好放在接近每個(gè)縱向長(zhǎng)度的中心位置上。第一對(duì)應(yīng)變傳感器44放在每個(gè)管子21-24的面朝上部分。第二對(duì)應(yīng)變傳感器(未示出)安裝在面朝下的表面上，大約與第一對(duì)應(yīng)變傳感器44成180度。以傳統(tǒng)的惠斯通電橋在每個(gè)輻射狀管子21-24上連接第一和第二對(duì)應(yīng)變傳感器以便在每個(gè)輻射狀管子21-24上形成第一傳感電路。第三對(duì)應(yīng)變傳感器46，大約與第一對(duì)傳感器44成90°角安裝而第四對(duì)應(yīng)變傳感器48大約與第三對(duì)傳感器46成180℃安裝。在每一個(gè)管子21-24上，第三和第四對(duì)應(yīng)變傳感器也按傳統(tǒng)的惠斯通電橋連結(jié)以便在每個(gè)輻射狀管子21-24上形成第二傳感電路。通常，多個(gè)傳感器40組成抗應(yīng)變計(jì)。然而，其它傳感器如光學(xué)或電容式傳感器也可以在此應(yīng)用。
在所示的實(shí)施例中，有四個(gè)輻射狀管子21-24，使用八個(gè)單獨(dú)的剪切傳感惠斯通電橋。傳感電路的個(gè)數(shù)的增減，取決于所用輻射狀管子的個(gè)數(shù)，然而，最好至少要用3個(gè)管子。
來自應(yīng)變傳感器40的輸出信號(hào)在中心輪轂14和環(huán)圈16之間在六個(gè)自由度上指示傳遞的力和力矩分量。為更好地說明，定義一個(gè)正交坐標(biāo)系47，即X軸與縱向軸21A和23A成一直線，Z軸與縱向軸22A和24A成一直線，Y軸與中心軸26成一直線。
在所示實(shí)施例中，載荷單元10測(cè)量在多個(gè)管子20上的八個(gè)力，然后這8個(gè)力在坐標(biāo)系47中轉(zhuǎn)換成沿各軸的力與繞各軸的力矩。具體地說，沿x軸的力鑒于在輻射狀管子22,24內(nèi)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力被測(cè)量為主應(yīng)變力，這是因?yàn)樵谳椛錉罟茏?1,23末端的柔性元件31、33是順從于這個(gè)方向的，即表示為FX=F22X+F24X(表達(dá)式1)這里，在管子22,24上具有應(yīng)變傳感器44的第一傳感電路提供輸出信號(hào)。
相似地，沿Z軸的力鑒于在輻射狀管子21,23內(nèi)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力是主應(yīng)變力，這是因?yàn)樵谳椛錉罟茏?2和24末端的柔性元件32,34是順從于這個(gè)方向的，這可以表達(dá)為FZ=F21Z+F23Z(表達(dá)式2)這里，在管子21,23上具有應(yīng)變傳感器44的第一傳感電路提供輸出信號(hào)。
沿Y軸或中心軸26的力鑒于在所有輻射狀管子21-24上產(chǎn)生的剪切應(yīng)力是主應(yīng)變力。這可以表達(dá)為FY=F21Y+F22Y+F23Y+F24Y(表達(dá)式3)這里，在管子21-24上具有應(yīng)變傳感器46和48的第二傳感電路提供輸出信號(hào)。
繞X軸的翻轉(zhuǎn)力矩鑒于在輻射狀管子22,24施加反作用力而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力是主應(yīng)變力。輻射狀管子21,23由于繞X軸的翻轉(zhuǎn)力矩而基本為剛性。這可以表達(dá)為MX=F22Y-F24Y(表達(dá)式4)這里包括在輻射狀管子22,24上傳感器46,48的第二傳感電路提供輸出信號(hào)。
同樣，繞Z軸的翻轉(zhuǎn)力矩鑒于在輻射狀管子21,23施加反作用力而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力是主應(yīng)變力。輻射狀管子22和24由于繞Z軸的翻轉(zhuǎn)力矩而基本為剛性，這可以表達(dá)為MZ=F21Y-F23Y(表達(dá)式5)這里包括在管子21和23上傳感器46,48的第二傳感電路提供輸出信號(hào)。
繞Y軸的翻轉(zhuǎn)力矩鑒于在所有管子21-24上產(chǎn)生剪切應(yīng)力是主應(yīng)變力，這可以表達(dá)為MY=(F22X-F24X)+(F21Z-F23Z)(表達(dá)式6)這里包括在管子21-24上應(yīng)變傳感器44的第一傳感電路提供輸出信號(hào)。
應(yīng)該這樣理解，如果測(cè)量的力和力矩少于6個(gè)自由度數(shù)，那么應(yīng)變傳感器40和傳感電路的數(shù)目可以減少。
在最佳實(shí)施例中，每個(gè)輻射狀管子21-24包括多個(gè)厚度減少應(yīng)力集中的間隔開的壁部分，參考圖2和例子中的輻射狀管子23，輻射狀管子23具有一個(gè)非矩形的外表面60，其中厚度減少的壁部分表示為62A,62B,62C,62D。厚度減少的壁部分62A-62D是由輻射狀管子23內(nèi)的圓柱形孔64與第一對(duì)平行且方向相對(duì)的平面66A和66B以及與第二對(duì)方向相對(duì)的68A和68B平面形成的。第二對(duì)平面68A,68B與第一對(duì)平面66A和66B正交，這樣在相應(yīng)的縱向軸23A上，第一對(duì)平面與第二對(duì)平面就可以交替排列。盡管在這里所示的62A-62D部分的厚度大體相等，但是如果愿意，也可以制成不同厚度以在所選方向上給出所希望的靈敏度。最好，部分62A的厚度應(yīng)該大體上等于部分62C的厚度，而部分62B的厚度應(yīng)大體上等于部分62D的厚度。
第一傳感電路的應(yīng)變傳感器44安裝在第一對(duì)平行平面66A和66B上，而第二傳感電路的應(yīng)變傳感器46和48安裝在第二對(duì)平面68A和68B上。平面安裝表面要優(yōu)先選用，這是因?yàn)橄鄬?duì)于曲面安裝，所測(cè)的輸出信號(hào)低于滯后現(xiàn)象和蠕變測(cè)量粘度，而這是由于在平面表面具有均勻的測(cè)量夾壓力，它是用來鎖定測(cè)量計(jì)內(nèi)的殘余應(yīng)力的。同樣，在曲面表面上，將這些測(cè)量計(jì)粘貼在所描述的線上排成一行更困難。非矩形外表面60還有一個(gè)好處，因?yàn)檫@種形狀在輻射狀管子23部分中形成集中應(yīng)力，且近似于傳感器40傳感到的應(yīng)力。盡管具有矩形橫截面的管子(4個(gè)平面在角處相交)可以被應(yīng)用，但是重要的應(yīng)力集中發(fā)生相交處，很難安裝應(yīng)變傳感器。因而實(shí)質(zhì)上性能就減弱了。相比之下，如圖2所示的非矩形橫截面的輻射狀管子23包括平面表面70A,70B,70C和70D，它們?cè)诿總€(gè)第一套與第二套的連續(xù)平面表面之間延伸。在最佳實(shí)施例中，平面表面66A,66B,68A和68B和70A-70D在橫截面上是八角形，由八角形外表面60形成每個(gè)輻射狀管子21-24，從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減少了制造成本。這是因?yàn)槠矫姹砻嫒菀字圃?。盡管在這里闡述的是一個(gè)在每個(gè)第一套與第二套連續(xù)表面之間延伸的平面，如平面70A，但是應(yīng)理解為可使多個(gè)相關(guān)平面。相似地，平面表面70A-70D也可以由曲面壁部分76A,76B,76C和76D所取代，以形成一個(gè)非矩形截面的輻射狀管子23’，如圖3所示。不像具有一樣壁厚的環(huán)狀壁的管子結(jié)構(gòu)，輻射狀管子23’也有減少了壁厚的隔開的部分62A一62D，這是由平面66A,66B,68A和68B形成的，與八角形橫截面相似，應(yīng)力集中在這里。
輻射狀管子23的八角形截面或者輻射狀管子23’的橫截面結(jié)構(gòu)提供了大約高于具有相同環(huán)壁厚度且具有同樣截面積的管子14％的輸出(信噪比)和靈敏度。通過比較在八角形截面管子23與相同環(huán)壁厚的管子上產(chǎn)生的剪切應(yīng)力就可以說明這一點(diǎn)。
發(fā)生在梁上任何一點(diǎn)q的剪節(jié)應(yīng)力T可以由下列表達(dá)式給出
其中V是發(fā)生在包含q點(diǎn)的任意截面處的垂直剪切力。A’是q點(diǎn)上(或下)截面部分的面積，Z’是從中軸到A’的質(zhì)心的距離。b是通過q點(diǎn)的所測(cè)截面的有效寬度(這里是管子壁厚的2倍)，I是慣性矩。
對(duì)于一個(gè)具有一個(gè)半徑為0.650英寸的內(nèi)孔的八角形截面管子，中軸q點(diǎn)的最小壁厚(部分62A-62D)為0.150英寸，A’大約為0.398平方英寸，Z’大約等于0.471英寸，I約等于0.219英寸的四次方和b約為0.300英寸。假設(shè)垂直剪切力為1000磅，那么八角形截面管子的剪應(yīng)力大約為2853psi(磅/平方英寸)。
假設(shè)一個(gè)環(huán)壁厚均勻的管子的內(nèi)孔半徑為0.650英寸(內(nèi)孔直徑為1.300英寸)，外徑為1.643英寸，其截面積大約等于上述八角管子的截面積。對(duì)于中軸線上一點(diǎn)q，質(zhì)心z’大約等于0.471英寸，I大約等于0.218英寸的四次方，b大約等于0.343英寸。假設(shè)作用相同的垂直剪切力為1000磅，按上述所給式子計(jì)算，對(duì)于具有均勻環(huán)壁厚的管子的剪切應(yīng)力為2504psi。因此，與具有均勻環(huán)壁厚的剪應(yīng)力相比，八角形截面的管子的剪切應(yīng)力集中高出14％左右。增加的剪切應(yīng)力集中接近傳感器40以輸出較高的信噪比和靈敏度。另外，這提高的性能與較高慣性矩和彎曲強(qiáng)度比一起獲得。此外，疲勞壽命也增加了。例如，若體12由2024T3鋁制造而成，疲勞壽命從具有均勻環(huán)壁厚度的管子的106循環(huán)次數(shù)提高到具有八角形截面的管子的4×106循環(huán)次數(shù)。對(duì)于相同的疲勞壽命，這就提供了更多的輸出。其它適合的材料還包括Ti,4340鋼，17-4PH不銹鋼或者別的高強(qiáng)度材料，上述的許多優(yōu)點(diǎn)也應(yīng)用于如圖3所示的管子23’中。
載荷單元10尤其適合測(cè)量滾輪的力和力矩分量。本發(fā)明的第二種實(shí)施例10’如圖4、5、6和7中所示。載荷單元10’與載荷單元10十分相似，這里，相同的元件具有相同的的參考數(shù)字。
參考圖4，載荷單元10’取代了圓輪邊70的中心部分。環(huán)圈16包含螺紋孔72以容納多個(gè)緊固體74，以保證載荷單元10’固定在園輪邊70上。一個(gè)內(nèi)部安裝盤75用多個(gè)緊固件76固定到中心輪轂上，緊固件76緊固在中心輪轂14上相應(yīng)的螺紋孔78內(nèi)(如圖4)，內(nèi)部安裝盤75用適當(dāng)?shù)木o固件80聯(lián)結(jié)在車輛的主軸上(未示出)如果園輪邊70旋轉(zhuǎn)或者部分旋轉(zhuǎn)，由控制器82通過一個(gè)滑環(huán)機(jī)構(gòu)84操作，將獲得動(dòng)力和從多個(gè)應(yīng)變傳感器40輸出信號(hào)?？刂破?2計(jì)算，記錄和/或顯示由載荷單元10’測(cè)量的力和力矩的分量。
在最佳實(shí)施例內(nèi)，載荷單元10’包含分別安裝在凹口75和77內(nèi)的放大電路71和73，如圖7所示。放大電路71和73被連接到在輻射狀管子21-24上的傳感器并在輸出信號(hào)傳送到滑環(huán)機(jī)構(gòu)84之前將其放大。通過放大輸出信號(hào)，由滑環(huán)機(jī)構(gòu)84引起的噪音問題就減少了。安裝在孔83和85內(nèi)的連結(jié)器79和81把放大電路71和73連結(jié)到滑環(huán)機(jī)構(gòu)84上，安裝盤87將滑環(huán)機(jī)構(gòu)84與中心輪轂14連結(jié)起來，在安裝盤87上提供通路87A和87B以便通過從滑環(huán)機(jī)構(gòu)84到連結(jié)器79和81的導(dǎo)線。編碼器89提供一個(gè)角輸入信號(hào)給控制器82以顯示載荷單元10’的角位置。
圖8總的描述了由控制器82執(zhí)行的操作，即轉(zhuǎn)換在管子21-24上的8個(gè)單獨(dú)的傳感電路上接收的輸出信號(hào)88，以便獲得指示在靜止正交坐標(biāo)系內(nèi)與六個(gè)自由度相關(guān)的分力和力矩分量的輸出信號(hào)108。如圖所示，從傳感電路輸出的信號(hào)88是由比例幾何轉(zhuǎn)換電路90接收，比例幾何轉(zhuǎn)換電路90調(diào)整輸出信號(hào)88以補(bǔ)償傳感電路間的任何不平衡。電路90也根據(jù)上述所給表達(dá)式綜合輸出信號(hào)88以提供輸出信號(hào)94，指示在正交坐標(biāo)系47內(nèi)的力和力矩分量(如圖1)。
本發(fā)明最佳實(shí)施例的最主要的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)溫度引起的誤差不太敏感。正如上述討論的，每個(gè)輻射狀管子21-24中都包含相互獨(dú)立的傳感電路以提供輸出信號(hào)。輸出信號(hào)經(jīng)綜合而獲取在正交坐標(biāo)系47內(nèi)的力和力矩，通常，現(xiàn)有技術(shù)是應(yīng)用一個(gè)具有諸如應(yīng)變計(jì)之類的傳感元件的傳感電路粘貼在兩上不同基本隔開的柔性部件上。例如，通常用具有安裝在相對(duì)的輻射狀部件上的應(yīng)變計(jì)組成惠斯通電橋來計(jì)算如繞X軸的力矩。然而，如果輻射狀部件處在不同的溫度環(huán)境，安裝在該部件上并組成惠斯通電橋的應(yīng)變計(jì)也處于不同的溫度之下。由于在不同溫度下的單個(gè)應(yīng)變計(jì)在惠斯通電橋內(nèi)存在不平衡，因而提供一個(gè)關(guān)于繞測(cè)量軸的力矩的錯(cuò)誤指示。
在一些應(yīng)用中，輻射狀管子21-24很容易處在不同溫度下，例如，如果儀器10’正如上述圖4所示討論的被用來測(cè)量一個(gè)滾輪的承載情況，而該滾輪安裝在車輛上。如果車輛剎車，剎車元件如剎車圈以及相關(guān)的部件會(huì)升溫，如果汽車剎車后一段時(shí)間靜止，來自剎車部件的輻射能會(huì)輕易地不均勻地加熱輻射狀管子21-24，然而，可以看出，本發(fā)明組成傳感電路的每個(gè)應(yīng)變計(jì)安裝在同一個(gè)輻射狀部件上，以致使每個(gè)應(yīng)變計(jì)大致都處在相同的溫度下，因而，由溫度引起的不平衡將會(huì)最小。
參考圖8，交叉耦合矩陣電路96接收輸出信號(hào)94并調(diào)整輸出信號(hào)以補(bǔ)償交叉力偶的任何影響。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換電路102接收從交叉耦合矩陣電路96的輸出信號(hào)100以及從編碼器等輸出的角輸入信號(hào)104。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換電路102調(diào)整輸出信號(hào)100并提供輸出信號(hào)108，其是載荷單元10’的位置函數(shù)，這樣就可以提供一個(gè)靜止正交坐標(biāo)系內(nèi)相應(yīng)的力和力矩的分量。
圖9詳細(xì)表示出了比例幾何轉(zhuǎn)換電路90。高阻抗緩沖放大器110A-110H接收從滑環(huán)機(jī)構(gòu)84來的輸出信號(hào)88，依次地，加法器112A-112H提供一個(gè)零調(diào)整，最好可調(diào)放大器114A-114H分別調(diào)整輸出信號(hào)88以便使與諸如在管子21-24上的應(yīng)變傳感器40的位置處的壁厚不同或者管子間的傳感器40的位移的不同有關(guān)的差異而引起的任何不平衡得以補(bǔ)償。加法器116A-116H，根據(jù)上述的表達(dá)式將來自放大器114A-114H的輸出信號(hào)綜合。可調(diào)放大器118A-118D用來確保來自加法器116A-116D的輸出信號(hào)具有適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)。
如上所述，交叉耦合補(bǔ)償由電路96提供。如圖10所示，描述了對(duì)信號(hào)Fx的交叉耦合補(bǔ)償。其它輸出信號(hào)Fy,Fz,Mx,My和Mz中的每個(gè)對(duì)交叉耦合影響的補(bǔ)償與Fx相似。
圖11詳細(xì)說明了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換電路102。編碼器89為存儲(chǔ)在適當(dāng)?shù)娜鏡AM(可讀隨機(jī)存儲(chǔ)器)之類的存儲(chǔ)器120和122內(nèi)的正余弦數(shù)字值提供指針。數(shù)模轉(zhuǎn)換器124和126接收適當(dāng)?shù)臄?shù)字值并產(chǎn)生相應(yīng)的模擬信號(hào)指示載荷單元10’的角位置。乘法器128A-128H和加法器130A-130D綜合沿X軸和Z軸的力和力矩輸出信號(hào)，以提供關(guān)于靜止正交坐標(biāo)系的力和力矩輸出信號(hào)108。
上述載荷單元10和10’安排了多個(gè)傳感器40作為剪切傳感器以提供在輻射狀管子20上產(chǎn)生的剪切應(yīng)力的指示。如果愿意，多個(gè)傳感器40可以安裝在輻射狀管子20上作為彎曲傳感器以提供在輻射狀管子20上的彎曲應(yīng)力指示。在一最佳實(shí)施例上，彎曲傳感器位于聯(lián)結(jié)每個(gè)管子21-24和中心輪轂14的帶子前端或管子根部，例如圖5中管子21上的140和142所示。
圖5也顯示了彎曲傳感器150A,150B,150C和150D安裝在連結(jié)每個(gè)管子21-24和中心輪轂14的帶子的根部或前端。傳感器150A-150D通常安置在同一樣平面內(nèi)，該平面平行于X軸、Z軸形成的平面。參考圖13。第二套多個(gè)傳感器152A-152D以與傳感器150A-150D相似的方式安裝在輻射狀管子21-24上，但是放置在與傳感器150A-150D所在平面相對(duì)的的表面上。例如，參考圖2，傳感器150A安置在連結(jié)表面66A和中心輪轂14的帶子上，而傳感器150B安置在連結(jié)表面66B和中心輪轂14的帶子上。傳感器150A-150D和傳感器152A-152D組成的惠斯通電橋電路154(圖13)，以便直接傳感沿Y軸或中心軸線26上的力。盡管橋電路154有時(shí)是多余的，因?yàn)樗c表達(dá)式3測(cè)量同樣的力，但是在一些應(yīng)用中，希望直接測(cè)量。例如，當(dāng)載荷單元10’用來測(cè)量滾輪上的力和力矩時(shí)，在輪胎與路面接觸處就產(chǎn)生沿Y軸或中心軸26的力。由于接觸處偏離中心軸26，沿中心軸26的力在輻射狀管子21-24上不均勻分配。應(yīng)用橋電路154可以免除沿中心軸26的力在輻射狀管子21-24上如何分配的假設(shè)要求。正如同領(lǐng)域技術(shù)熟練人員所評(píng)價(jià)的那樣，橋電路154與其說是由這里闡述的彎曲傳感器150A-150D和152A-152D組成不如說是剪切傳感器組成的。
該發(fā)明中制成如圖1和5的載荷單元體12的方法包括由一塊整體材料整體地制成剛性中心輪轂14，與輪轂14同心的剛性環(huán)圈16以及從中心輪轂14到環(huán)圈16延伸的輻射狀部件，其中柔性元件31-34在每個(gè)到環(huán)圈16的輻射狀部件末端之間延伸。柔生元件31-34順從于沿相應(yīng)縱向軸21A-24A的每個(gè)相應(yīng)的輻射狀部件21-24的位移。由于載荷單元體12的對(duì)稱性，很容易用傳統(tǒng)的控制制造工藝加工。從一塊具有兩個(gè)主表面的材料，載荷單元體12被固定以加工第一主要表面和基本形成諸如中心輪轂14，環(huán)圈16以及輻射狀部件21-24等的每個(gè)主要元件的一半。接著將該塊半成品翻轉(zhuǎn)，將第二主要表面對(duì)著加工設(shè)備。然后在第二主表面上進(jìn)行加工，將中心輪轂14，環(huán)圈16和輻射狀部件21-24的另一半加工成形。最好，如上所述，將輻射狀部件21-24加工成具有非矩形截面的外表面60且使平面66A,66B,68A和66D正交分布。
本方法還包括沿相應(yīng)縱向軸21A-24A的每個(gè)輻射狀部件21-24內(nèi)形成孔64，從而形成管狀結(jié)構(gòu)，這里載荷單元體12的靈敏度是輻射狀部件21-24內(nèi)孔64直徑的函數(shù)。參考圖2和12，在管子23內(nèi)的孔64和64’尺寸不同。通過改變管子21-24內(nèi)孔的直徑，管壁厚度可以調(diào)整。在最佳實(shí)施例中，孔120(圖1)在環(huán)圈16內(nèi)形成且與管子21-24的孔64成直線。最好，孔120至少具有與管子21-24內(nèi)的孔64相同的直徑并且在通過環(huán)圈16向中心輪轂14鉆孔64之前形成。在環(huán)圈16內(nèi)形成孔120也允許載荷單元體12的靈敏度容易被調(diào)整，因?yàn)榭?4可以容易由環(huán)圈16鉆到中心輪轂14。
如圖5所示的更最佳實(shí)施例中，輻射狀管子21-24內(nèi)的孔64也延伸到中心輪轂14并且逐漸減小到較小的開口122。
盡管參考實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但同領(lǐng)域技術(shù)熟練人員可以進(jìn)行顯而易見的變化和修改，這些變化和修改都包含在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種用于在多個(gè)方向上傳遞力與力矩的載荷單元體，其特征在于，該載荷單元體包括一整體結(jié)構(gòu)，其具有一剛性中心輪轂；一與中心輪轂同心的剛性環(huán)圈；至少三個(gè)沿相應(yīng)的縱向軸線從中心輪轂延伸到環(huán)圈的輻射狀管子；以及一柔性元件，其在到環(huán)圈的每個(gè)輻射狀管子末端間延伸，并且順從于每個(gè)相應(yīng)的輻射狀管子沿著相應(yīng)的縱向軸線方向上的位移。
2．如權(quán)利要求1所述的載荷單元體，其特征在于，它還包括安裝在所選輻射狀管子上用來測(cè)量應(yīng)變量的應(yīng)變傳感器。
3．如權(quán)利要求2所述的載荷單元體，其特征在于，應(yīng)變傳感器包括安裝在每個(gè)輻射狀管子上的剪切傳感器。
4．如權(quán)利要求2所述的載荷單元體，其特征在于，應(yīng)變傳感器包括安裝在每個(gè)輻射狀管子上的彎曲傳感器。
5．如權(quán)利要求1所述的載荷單元體，其特征在于，環(huán)圈包括與輻射狀管子上每個(gè)孔成直線的孔。
6．如權(quán)利要求1所述的載荷單元體，其特征在于，每個(gè)輻射狀管子的外表面基本上成圓柱形。
7．如權(quán)利要求3所述的載荷單元體，其特征在于，每個(gè)輻射狀管子的外表面包含多個(gè)相對(duì)的平面表面，并且剪切傳感器安裝在平面表面上。
8．如權(quán)利要求7所述的載荷單元體，其特征在于，外表面包含第一對(duì)相對(duì)的平行平面表面以及第二對(duì)相對(duì)的平面表面，第二對(duì)平面表面與第一對(duì)平面正交以便使第一和第二對(duì)平面表面圍繞每個(gè)相應(yīng)的縱向軸相互交替安置，并且剪切傳感器安裝在第一和第二對(duì)平面表面上。
9．如權(quán)利要求8所述的載荷單元體，其特征在于，外表面包括一在每個(gè)第一對(duì)平面表面與其連續(xù)的第二對(duì)平面表面之間延伸的平面表面。
10．如權(quán)利要求8所述的載荷單元體，其特征在于，外表面包括在每個(gè)第一對(duì)平面表面與其連續(xù)的第二對(duì)平面表面之間延伸的多個(gè)平面表面。
11．如權(quán)利要求8所述的載荷單元體，其特征在于，外表面是八角形。
12．如權(quán)利要求8所述的載荷單元體，其特征在于，第一套剪切傳感器安裝在包含用于每個(gè)管子的第一剪切傳感電路的第一套平面表面上，第二套剪切傳感器安裝在包含用于每個(gè)管子的第二剪切傳感電路的第二套平面表面上。
13．如權(quán)利要求12所述的載荷單元體，其特征在于，四個(gè)輻射狀管子從中心輪轂延伸到環(huán)圈，其中第一對(duì)輻射狀管子在第一軸線上基本成直線，第二對(duì)管子在第二軸線上基本成直線，第一軸線基本垂直于第二軸線。
14．如權(quán)利要求1所述的載荷單元體，其特征在于，每個(gè)孔通過中心輪轂延伸。
15．如權(quán)利要求14所述的載荷單元體，其特征在于，中心輪轂上的孔的直徑小于相應(yīng)的孔的直徑。
16．一種用于測(cè)量所選力和力矩分量的載荷單元，其特征在于，該載荷單元包括一個(gè)剛性中心輪轂；一個(gè)與中心輪轂同心的剛性環(huán)圈；多個(gè)輻射狀管子，其沿相應(yīng)的縱向軸從中心輪轂延伸到環(huán)圈；其中每個(gè)管子具有一個(gè)剖面為非矩形的外表面，該剖面垂直于縱向軸線，同時(shí)每個(gè)管子還包括多個(gè)厚度減少的間隔開的壁部分以集中應(yīng)力；一柔性部件，其在到環(huán)圈的每個(gè)輻射狀管子的末端之間延伸，且順從于每個(gè)相應(yīng)的輻射狀管子沿相應(yīng)的縱向軸的位移；以及多個(gè)安裝在每個(gè)輻射狀管子上的剪切傳感器，其位置在厚度減少的壁部分以提供指示應(yīng)變的輸出信號(hào)。
17．如權(quán)利要求16所述的載荷單元，其特征在于，中心輪轂，環(huán)圈以及多個(gè)輻射狀管子由一塊材料整體做成。
18．如權(quán)利要求16所述的載荷單元，其特征在于，厚度減少的壁部分包含一個(gè)其上安裝相關(guān)的剪切傳感器的平面表面。
19．如權(quán)利要求16所述的載荷單元，其特征在于，多個(gè)剪切傳感器包括一定數(shù)量以提供指示多個(gè)力或力矩的輸出信號(hào)。
20．如權(quán)利要求16所述的載荷單元，其特征在于，每個(gè)管子包括四個(gè)隔開的厚度減少的壁部分。
21．如權(quán)利要求20所述的載荷單元，其特征在于，多個(gè)剪切傳感器包括一定數(shù)量以提供指示多個(gè)力或力矩的輸出信號(hào)。
22．如權(quán)利要求21所述的載荷單元，其特征在于，多個(gè)剪切傳感器包括一定數(shù)量以提供指示沿三個(gè)正交軸上的力以及繞三個(gè)正交軸的力矩的輸出信號(hào)。
23．如權(quán)利要求20所述的載荷單元，其特征在于，每個(gè)管子由剖面為八角形構(gòu)成且該剖面垂直于每個(gè)相應(yīng)的縱向軸。
24．如權(quán)利要求23所述的載荷單元，其特征在于，八角形包含八條基本相等的邊。
25．如權(quán)利要求20所述的載荷單元，其特征在于，在每個(gè)管子的平面表面間延伸的外表面部分為曲面。
26．一種制造用于在多個(gè)方向上傳遞力和力矩的載荷單元的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟用一塊材料制成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，該整體結(jié)構(gòu)具有一剛性中心輪轂，一與中心輪轂同心的剛性環(huán)圈，至少三個(gè)從中心輪轂延伸到環(huán)圈的輻射狀部件，其中柔性元件在到環(huán)圈的每個(gè)輻射狀部件末端間延伸，并且順從于每個(gè)相應(yīng)的輻射狀部件沿著相應(yīng)的縱向軸線方向上的位移。在沿相應(yīng)縱向軸的每個(gè)輻射狀部件內(nèi)形成孔，其中載荷單元的靈敏度是在輻射狀部件內(nèi)形成的孔的直徑的函數(shù)。
27．如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，制造步驟中包含在環(huán)圈內(nèi)形成與在輻射狀部件中形成的相應(yīng)的孔成直線的孔。
28．如權(quán)利要求26的方法，其特征在于，每個(gè)輻射狀部件的外表面基本是圓柱形。
29．如權(quán)利要求26的方法，其特征在于，每個(gè)輻射狀部件的外表面包含平面表面。
30．一種用于傳感關(guān)于正交坐標(biāo)系的力或力矩的載荷單元，其特征在于，其包括一個(gè)載荷單元體，其包括一個(gè)剛性中心部件；一個(gè)剛性環(huán)圈；以及多個(gè)輻射狀部件，其徑向延伸并連結(jié)中心部件和環(huán)圈；多個(gè)傳感電路，其中每個(gè)輻射狀部件包括第一傳感電路，其提供與第一力相應(yīng)的第一輸出信號(hào)，該力在第一個(gè)方向上通過相應(yīng)的輻射狀部件施加于中心部件與環(huán)圈上；第二傳感電路，其提供與第二力相應(yīng)的第二輸出信號(hào)，該力在第二方向上通過相應(yīng)的輻射狀部件施加于中心部件與環(huán)圈上，其中第二方向基本垂直于第一方向。
31．如權(quán)利要求30所述的載荷單元，其特征在于，每個(gè)第一傳感電路包含一個(gè)剪切傳感電路。
32．如權(quán)利要求31所述的載荷單元，其特征在于，每個(gè)第二傳感電路包含一個(gè)剪切傳感電路。
33．如權(quán)利要求30所述的載荷單元，其特征在于，每個(gè)第一傳感電路包含一個(gè)彎曲傳感電路。
34．如權(quán)利要求33所述的載荷單元，其特征在于，每個(gè)第二傳感電路包含一個(gè)彎曲傳感電路。
35．如權(quán)利要求30所述的載荷單元，其特征在于，多個(gè)輻射狀部件包括三個(gè)輻射狀部件。
36．如權(quán)利要求35所述的載荷單元，其特征在于，多個(gè)輻射狀部件包括四個(gè)輻射狀部件。
37．如權(quán)利要求36所述的載荷單元，其特征在于，四個(gè)輻射狀部件沿兩垂直軸延伸。
38．如權(quán)利要求30所述的載荷單元，其特征在于，每個(gè)輻射狀部件包括一個(gè)管子。
39．如權(quán)利要求30所述的載荷單元，其特征在于，每個(gè)第一傳感電路由一個(gè)惠斯通電橋電路組成。
40．如權(quán)利要求39所述的載荷單元，其特征在于，每個(gè)第二傳感電路由一個(gè)惠斯通電橋電路組成。
41．如權(quán)利要求30所述的載荷單元，其特征在于，環(huán)圈與中心部件相對(duì)于共用中心軸同心，而且每個(gè)第二方向與共用中心軸一致。
42．如權(quán)利要求41所述的載荷單元，其特征在于，它還包括一個(gè)用于接收從每個(gè)傳感電路提供的每一輸出信號(hào)的控制器，其中，控制器通過綜合第二傳感電路來的輸出信號(hào)計(jì)算沿共用中心軸的力。
43．如權(quán)利要求42所述的載荷單元，其特征在于，控制器通過綜合從第一套至少兩個(gè)第一傳感電路來的輸出信號(hào)計(jì)算沿垂直于共用中心軸的第一軸線上的力，以及通過綜合第二套至少兩個(gè)第一傳感電路來的輸出信號(hào)計(jì)算沿垂直于共用中心軸和第一軸的第二軸線上的力，第二套至少兩個(gè)第一傳感電路不同于第一套至少兩個(gè)第一傳感電路。
44．如權(quán)利要求43所述的載荷單元，其特征在于，控制器從第一傳感電路來的輸出信號(hào)計(jì)算繞共用中心軸的力矩。
45．如權(quán)利要求44所述的載荷單元，其特征在于，控制器從第一套至少兩個(gè)第一傳感信號(hào)和第二套至少兩個(gè)第一傳感信號(hào)來的輸出信號(hào)計(jì)算繞共用中心軸的力矩。
46．如權(quán)利要求43所述的載荷單元，其特征在于，控制器通過綜合從第一套至少兩個(gè)第二套傳感電路來的輸出信號(hào)計(jì)算繞第一軸的力矩，以及通過綜合第二套至少兩個(gè)第二套傳感電路來的輸出信號(hào)計(jì)算繞第二軸的力矩，第二套至少兩個(gè)第二套傳感電路不同于第一套至少兩個(gè)第二套傳感電路。
全文摘要
一種用于測(cè)量在多個(gè)方向上的力和力矩的分量的載荷單元體(10,10’)包含一個(gè)整體結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有一個(gè)剛性中心輪轂(14)和一個(gè)與中心輪轂(14)同心的剛性環(huán)圈(16)。至少三個(gè)輻射狀管子(21,22,23,24)沿相應(yīng)縱向鈾(21A,22A,23A,24A)從中心輪轂(14)徑向延伸到環(huán)圈(16)。柔性部件(31,32,33,34)把輻射狀管子(21,22,23,24)和環(huán)圈(16)連接起來。每個(gè)柔性部件(31,32,33,34)順從沿著相應(yīng)縱向鈾(21A,22A,23A,24A)的每個(gè)相應(yīng)輻射狀管子(21,22,23,24)的位移。作為一個(gè)載荷單元(10,10’),安裝在每個(gè)輻射狀管子(21,22,23,24)上的應(yīng)變傳感器(44,46,48)測(cè)量應(yīng)變。
文檔編號(hào)G01L5/20GK1234866SQ98800982
公開日1999年11月10日 申請(qǐng)日期1998年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月15日
發(fā)明者約迪·L·佐默費(fèi)爾德, 理查德·A·邁耶, 布雷特·A·拉森, 道格拉斯·J·奧爾森 申請(qǐng)人:Mts系統(tǒng)公司