專利名稱：六分量力和力矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種六分量力和力矩傳感器，屬傳感器類。
六分量力和力矩傳感器能同時測量直角坐標(biāo)系中的三個力分量Fx、Fy、Fz和三個力矩分量Mx、My、Mz。多分量力和力矩傳感器根據(jù)可測力和力矩分量的數(shù)目可以分為二、三、四、五、六分量力和力矩傳感器。其中功能最強的是六分量力和力矩傳感器。現(xiàn)有技術(shù)六分量力和力矩傳感器因在一個結(jié)構(gòu)上完成六個分量的測量，為了解決其獨立測量和解耦問題，往往采用過多的柔性結(jié)構(gòu)。敏感元件所測的應(yīng)變遠不是彈性體結(jié)構(gòu)中應(yīng)變最大部位的應(yīng)變，因而分量間耦合大、靈敏度低且剛性差，如4,448,083號美國專利。本實用新型提出的傳感器結(jié)構(gòu)把二個結(jié)構(gòu)組成在一起，每個結(jié)構(gòu)測量三個分量，減少了分量間耦合提高了靈敏度，使剛性改善。
本實用新型的特征是，傳感器彈性體由盤體和筒體二部分構(gòu)成，每一部分測三個分量。盤體部分包括中心塊，外環(huán)及連接上述兩部分的四根成十字形分布的扁平梁。在扁平梁的上下二個面上貼有應(yīng)變片可以測量加在中心塊上的力FZ和力矩Mx、My。筒體部分由上環(huán)、下環(huán)以及連接上環(huán)和下環(huán)的四個在邊緣對稱分布的豎梁組成。每一豎梁由彈性梁和薄壁梁構(gòu)成，豎梁上有孔，豎梁這一部分是二個平行的應(yīng)變梁。在平行應(yīng)變梁上貼有應(yīng)變片可測量加在上環(huán)的力Fx、Fy和力矩Mz。薄壁梁的徑向厚度比切向長度小得多，因此在徑向是柔性的，而在切向是剛性的，其作用是提高靈敏度。通常盤體和筒體二部分可以單獨加工后焊接起來，也可以把二部分作為一個整體來加工，后者加工難度較大，但性能好。上述結(jié)構(gòu)中的中心塊通常作為傳感器的加力端，而筒體下環(huán)則作為傳感器基座，但這二部分是可以互換的，即亦可以把中心塊作為基座，而把下環(huán)作為加力端。六分量力和力矩傳感器少用一些應(yīng)變片，可以做成二、三、四、五分量力和力矩傳感器。
以下結(jié)合附圖加以說明，

圖1中，10—盤體的中心塊；20—盤體外環(huán)，同時也是筒體的上環(huán)；30—筒體的下環(huán)；11、12、13和14—盤體的四根扁平梁；21、22、23和24—筒體的豎梁；25、26、27和28—薄壁梁；31、32、33和34—平行應(yīng)變梁。盤體部分由中心塊10、盤體外環(huán)20及連接上述兩部分的四根扁平梁11、12、13和14構(gòu)成。四根扁平梁11、12、13和14互相垂直，在其上下二個面上貼有應(yīng)變片，能夠測量扁平梁的應(yīng)變。當(dāng)中心塊10受到Z方向力的作用時，通過扁梁11、12、13和14上應(yīng)變片構(gòu)成的橋路可以測量Fz的方向和大小，當(dāng)中心塊10受到x方向力矩作用時，通過扁梁12、14上的應(yīng)變片構(gòu)成的橋路可以測量Mx的方向和大小。當(dāng)中心塊10受到Y(jié)方向力矩作用時，通過扁梁11、13上的應(yīng)變片構(gòu)成的橋路可以測量My的方向和大小。盤體部分對于Fx、Fy和Mz有很好的剛性，能很好地把其作用傳遞到筒體上，而且在扁梁11、12、13和14上的應(yīng)變片構(gòu)成的橋路在原理上Fx、Fy和Mz不會造成橋路輸出；當(dāng)中心塊10受到X方向力作用時，筒體平行應(yīng)變梁32、34上的應(yīng)變片構(gòu)成的橋路可以測量Fx的方向和大小。因為薄壁梁26、28沿X方向剛性大，而薄壁梁25、27沿X方向剛性小，因此平行應(yīng)變梁32、34應(yīng)變大，即橋路測量Fx的靈敏度高。結(jié)構(gòu)是對稱的，測Fy原理相同。在中心塊受到Z軸方向的力矩時，通過平行應(yīng)變梁31、32、33、34上的應(yīng)變片構(gòu)成的橋路可以測量Mz，而且筒體對于Mx、My、Fz有很好的剛性。綜上所述，可以通過盤體和筒體的二個結(jié)構(gòu)的結(jié)合測量六個分量。
由于本實用新型采用盤體和筒體二部分來測量力和力矩，盤體部分測量Mx、My和Fz，且盤體部分對Fx、Fy、Mz剛性好；筒體部分測量Fx、Fy和Mz且對于Mx、My、Fz剛性好。因此整個傳感器分量間耦合小，靈敏度高，剛性好。
本實用新型的外型包絡(luò)可以是圓形、方形或其它對稱形狀，其中圓形加工比較容易。豎梁上的孔可以是矩形孔、圓孔或連通的雙孔，單孔容易加工，雙孔加工較難，但性能更好。
權(quán)利要求1.一種由盤體和筒體二部分結(jié)合而成的六分量力和力矩傳感器，其特征是盤體包括中心塊(10)、外環(huán)(20)和連接上述中心塊和外環(huán)的四根扁平梁(11、12、13、14)；筒體包括上環(huán)(20)、下環(huán)(30)和連接上環(huán)和下環(huán)的四根豎梁(21、22、23、24)；每一豎梁(21、22、23、24)由薄壁梁(25、26、27、28)及平行應(yīng)變梁(31、32、33、34)構(gòu)成，盤體外環(huán)和筒體上環(huán)(20)結(jié)合為一體，中心塊(10)和下環(huán)(30)可以分別作為加力端或基座。
2.如權(quán)利1所述的傳感器，其特征是盤體和筒體為分別加工后焊成為一體。
3.如權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征是外形包絡(luò)可以是圓柱形、方柱形或其他對稱形狀。
4.如權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征是平行應(yīng)變梁的中間孔的形狀可以是矩形、圓形和其它對稱形狀。
5.如權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的傳感器其特征是減少應(yīng)變、片構(gòu)成橋路的數(shù)量，可以做成二、三、四、五分量力和力矩傳感器。
專利摘要六分量力和力矩傳感器屬傳感器類。本實用新型由盤體和筒體二部分結(jié)合構(gòu)成。盤體包括中心塊、外環(huán)和四根扁平梁；筒體包括上環(huán)、下環(huán)和四根豎梁。每一豎梁包括薄壁梁和平行應(yīng)變梁。盤體外環(huán)和筒體上環(huán)通過焊接或其它方式相結(jié)合。也可以做成一個整體。本實用新型具有分量間耦合小，靈敏度高和剛性好，易于加工的優(yōu)點。六分量力和力矩傳感器可用于機器人、航空、航天、交通運輸工具、機床及各種測控設(shè)備中。
文檔編號G01L3/00GK2233081SQ95202750
公開日1996年8月14日 申請日期1995年2月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月12日
發(fā)明者易秀芳, 王容川 申請人:易秀芳