專利名稱：容錯(cuò)式大量程并聯(lián)六維力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力傳感器，特別是涉及一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器。
背景技術(shù)：
六維力傳感器能夠同時(shí)測量三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量，作為六分量測力技術(shù)的必要實(shí)現(xiàn)工具，可用于監(jiān)測方向和大小不斷變化的力、測量加速度或慣性力、實(shí)現(xiàn)力和力/位的控制等。大量程、高精度、高可靠性六維力傳感器的研究是世界各國爭先研究的難度較大、挑戰(zhàn)性較高的課題。在六維力傳感器研究中，其中的關(guān)鍵核心問題之一是力敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力敏感元件的結(jié)構(gòu)決定著傳感器的剛度、靈敏度、分辨率、量程、動(dòng)態(tài)性能和可靠性等關(guān)鍵因素。截至目前人們提出和應(yīng)用的六維力傳感器結(jié)構(gòu)主要有三垂直筋、四垂直筋和八垂直筋 豎梁結(jié)構(gòu)，非對稱平面三梁結(jié)構(gòu)，平面十字梁結(jié)構(gòu)，雙環(huán)形復(fù)合梁結(jié)構(gòu)，圓筒結(jié)構(gòu)等。以上所列舉的傳感器結(jié)構(gòu)，皆為一體化結(jié)構(gòu)，有一共同特點(diǎn)，就是應(yīng)變橋的輸出信號與每個(gè)力/力矩分量有關(guān)，即測量力信號與應(yīng)變橋的輸出信號耦合，設(shè)計(jì)時(shí)確定應(yīng)變片不同的貼片方式達(dá)到從理論上消除各個(gè)分力之間的干擾，以實(shí)現(xiàn)力的解耦。這種貼片解耦一般建立在假設(shè)已知所受力的大小和方向條件上的，當(dāng)換成其它的力作用環(huán)境，貼片位置的應(yīng)力發(fā)生了變化，即整體不再解耦，所以這種彈性體的設(shè)計(jì)存在測試對象范圍較窄的缺點(diǎn)?；赟tewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六維力傳感器采用球鉸的連接方式,依靠并聯(lián)機(jī)構(gòu)力學(xué)解耦方式實(shí)現(xiàn)輸出解耦，克服了整體式彈性體通過貼片組橋來達(dá)到輸出解耦的缺陷，能夠面對復(fù)雜受力對象的測量。專利CN21010535512. X提出了一種輪輻式冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，不僅具備傳統(tǒng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)傳感器分支測量解耦的特點(diǎn)，還通過增加冗余測量分支使傳感器具有容錯(cuò)能力，且使得傳感器剛度得以提高。雖然容錯(cuò)式結(jié)構(gòu)使得測量可靠度得到提高，但是仍有缺陷其被測量力全部由檢測分支承載，由于分支剛度，尤其是鉸鏈連接剛度有限大大制約了傳感器的整體剛度，在材料一定的條件下，只能通過增加尺寸的辦法來提高傳感器剛度，但這種改善會(huì)使得傳感器靈敏度降低、測量特性變差，使得傳感器無法適用于大量程力的可靠測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種量程大、可靠性高、容錯(cuò)性能好和模塊化程度高的容錯(cuò)式大量程并聯(lián)六維力傳感器。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明為內(nèi)外環(huán)形結(jié)構(gòu)，主要包括外固定環(huán)、內(nèi)測力環(huán)、六個(gè)以上檢測分支以及三個(gè)或四個(gè)承載分支。其中內(nèi)測力環(huán)和外固定環(huán)與分支軸線垂直的平面包絡(luò)而成環(huán)形多面體，以便于加工，內(nèi)測力環(huán)的內(nèi)表面設(shè)有螺紋，外固定環(huán)上表面設(shè)有若干通孔，通過螺栓可以與外界載荷聯(lián)接。承載分支為大剛度梁，其兩端分別與內(nèi)測力環(huán)的外側(cè)和外固定環(huán)的內(nèi)側(cè)固連，主要承載被測量力，它使得傳感器剛度增加，顯著實(shí)現(xiàn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)傳感器在保證測量特性下的剛度提升，以承載大量程外力。檢測分支每兩個(gè)一組設(shè)在承載分支之間，其兩端通過彈性球鉸與內(nèi)測力環(huán)的外側(cè)和外固定環(huán)的內(nèi)側(cè)相連，每個(gè)檢測分支的中部貼有應(yīng)變片，通過增加冗余檢測分支，當(dāng)發(fā)生檢測分支測量失效時(shí)，傳感器仍能對外力進(jìn)行精確的測量，即使傳感器具有了容錯(cuò)能力；另外將傳感器由常見的上下平臺(tái)式改進(jìn)為內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)，使得其更方便與外界配合，結(jié)構(gòu)尺寸更適合于多種加工應(yīng)用場合。根據(jù)加工條件和性能要求，可以是上述一體式結(jié)構(gòu)也可以是裝配式結(jié)構(gòu)，即在承載分支和檢測分支的兩端設(shè)分支連接端面，該端面的兩端設(shè)有螺釘，通過螺釘使分支與內(nèi)測力環(huán)和外固定環(huán)連接，檢測分支兩端通過彈性球鉸與上述分支連接端面相連。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、提高了整體剛度，使其可以適用于大力測量；
2、具有冗余檢測分支(測量分支數(shù)大于六)，當(dāng)其中的一個(gè)或多個(gè)分支發(fā)生故障或錯(cuò)誤時(shí)，能夠通過軟件自動(dòng)檢測、診斷，并采取相應(yīng)的措施保證系統(tǒng)維持其規(guī)定的功能或者保持其功能在可接受的范圍內(nèi)。3、提高了系統(tǒng)的適用范圍和信息利用率，增強(qiáng)了系統(tǒng)容錯(cuò)功能，將能夠更好的適應(yīng)復(fù)雜工況環(huán)境下的任務(wù)要求，可廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、核工業(yè)、機(jī)器人、汽車六維輪力測量等多種需要大量程、高可靠性傳感器的六維力測量環(huán)境。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I的結(jié)構(gòu)示意簡圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意簡圖。
具體實(shí)施例方式在圖I所示的容錯(cuò)式大量程并聯(lián)六維力傳感器結(jié)構(gòu)示意簡圖中，內(nèi)測力環(huán)和外固定環(huán)與分支軸線垂直的平面包絡(luò)而成環(huán)形多面體，內(nèi)測力環(huán)2的內(nèi)表面設(shè)有螺紋，外固定環(huán)I設(shè)有若干通孔，通過螺栓可以與外界載荷聯(lián)接。承載分支3為大剛度梁，其兩端分別與內(nèi)測力環(huán)的外側(cè)和外固定環(huán)的內(nèi)側(cè)固連；檢測分支4每兩個(gè)一組設(shè)在承載分支之間，其兩端通過彈性球鉸5與內(nèi)測力環(huán)的外側(cè)和外固定環(huán)的內(nèi)側(cè)相連，每個(gè)檢測分支的中部貼有應(yīng)變片。這種一體式結(jié)構(gòu)需一次加工成型，對加工條件要求較高，但制成的傳感器無間隙、滯后小、性能優(yōu)越。在圖2所示的容錯(cuò)式大量程并聯(lián)六維力傳感器結(jié)構(gòu)示意簡圖中，在承載分支和檢測分支的兩端設(shè)分支連接端面6，該分支塊的兩端設(shè)有螺釘7，通過螺釘使分支與內(nèi)測力環(huán)和外固定環(huán)連接。檢測分支每兩個(gè)一組設(shè)在承載分支之間，其兩端通過彈性球鉸與上述分支連接端面相連，其它構(gòu)件和連接關(guān)系與實(shí)施例I相同。這種裝配式結(jié)構(gòu)加工和裝配更方便。
權(quán)利要求
1.一種容錯(cuò)式大量程并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，主要包括外固定環(huán)、內(nèi)測力環(huán)、六個(gè)以上檢測分支以及三個(gè)或四個(gè)承載分支，其特征在于該傳感器為一體式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)測力環(huán)和外固定環(huán)與分支軸線垂直的平面包絡(luò)而成環(huán)形多面體，內(nèi)測力環(huán)的內(nèi)表面設(shè)有螺紋，外固定環(huán)上設(shè)有若干通孔，承載分支為大剛度梁，其兩端分別與內(nèi)測力環(huán)的外側(cè)和外固定環(huán)的內(nèi)側(cè)固連，檢測分支每兩個(gè)一組設(shè)在承載分支之間，其兩端通過彈性球鉸與內(nèi)測力環(huán)的外側(cè)和外固定環(huán)的內(nèi)側(cè)相連，每個(gè)檢測分支的中部貼有應(yīng)變片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的容錯(cuò)式大量程并聯(lián)六維力傳感器，其特征在于上述傳感器為裝配結(jié)構(gòu)，即在上述承載分支和檢測分支的兩端設(shè)分支連接端面，該端面的兩端設(shè)有螺釘，通過螺釘是分支與內(nèi)測力環(huán)和外固定環(huán)連接，檢測分支兩端通過彈性球鉸與上述分支連接端面相連。
全文摘要
一種容錯(cuò)式大量程并聯(lián)六維力傳感器，主要包括外固定環(huán)、內(nèi)測力環(huán)、六個(gè)以上檢測分支以及三個(gè)或四個(gè)承載分支。其中內(nèi)測力環(huán)和外固定環(huán)與分支軸線垂直的平面包絡(luò)而成環(huán)形多面體，內(nèi)測力環(huán)的內(nèi)表面設(shè)有螺紋，外固定環(huán)上表面設(shè)有若干通孔，通過螺栓可以與外界載荷聯(lián)接。承載分支為大剛度梁，其兩端分別與內(nèi)測力環(huán)的外側(cè)和外固定環(huán)的內(nèi)側(cè)固連，檢測分支每兩個(gè)一組設(shè)在承載分支之間，其兩端通過彈性球鉸與內(nèi)測力環(huán)的外側(cè)和外固定環(huán)的內(nèi)側(cè)相連，每個(gè)檢測分支的中部貼有應(yīng)變片。上述傳感器可以是一體式或裝配式結(jié)構(gòu)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)可靠、剛度高、量程大、具有容錯(cuò)性能，可廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、核工業(yè)、機(jī)器人、汽車六維輪力測量等多種需要大量程、高可靠性傳感器的六維力測量環(huán)境。
文檔編號G01L25/00GK102865947SQ201210279900
公開日2013年1月9日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者姚建濤, 朱佳龍, 許允斗, 趙永生 申請人:燕山大學(xué)