并聯(lián)3-spu六維測(cè)力傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器，包括承載塊、測(cè)力分支及基礎(chǔ)平臺(tái)，其特征是：承載塊通過(guò)空間兩兩相互垂直的3條測(cè)力分支和基礎(chǔ)平臺(tái)相連，測(cè)力分支由定位塊、球鉸、拉壓傳感器和柔性萬(wàn)向鉸構(gòu)成，并形成一個(gè)SPU串聯(lián)分支；定位塊與基礎(chǔ)平臺(tái)相連，拉壓傳感器一端通過(guò)球鉸與定位塊相連，另一端與柔性萬(wàn)向鉸相連。其優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明基于3-SPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)原理，實(shí)現(xiàn)了六維力在三個(gè)分支上的分解，特別是利用三個(gè)分支空間對(duì)稱(chēng)分布的結(jié)構(gòu)，獲得了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、縱向承載能力強(qiáng)的并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái)。三個(gè)柔性萬(wàn)向鉸與承載塊一體加工，本發(fā)明具有加工方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于分析建模、性能穩(wěn)定和適應(yīng)性廣泛等特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，涉及一種有關(guān)空間大噸位六維力的測(cè)量裝置，特別是一種并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]六維測(cè)力平臺(tái)能夠測(cè)量空間三維力和力矩的大小，在測(cè)力信息要求豐富、測(cè)力精度要求高的場(chǎng)合如零力示教、輪廓跟蹤、雙手協(xié)調(diào)、精密柔性裝配、多指靈巧手和機(jī)器人力反饋等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，大測(cè)力范圍、大量程的六維測(cè)力平臺(tái)已成為目前急需高科技產(chǎn)品之一，特別是對(duì)于應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的推力試驗(yàn)、試飛實(shí)驗(yàn)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所急需的大測(cè)力范圍、大噸位的六維測(cè)力平臺(tái)，當(dāng)今世界許多國(guó)家對(duì)其研制工作非常重視，視為涉及國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的關(guān)鍵技術(shù)之一，并將其列入國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃之中。
[0003]在傳感器的設(shè)計(jì)中，維間耦合問(wèn)題是影響傳感器精度的關(guān)鍵因素，為了實(shí)現(xiàn)維間解耦，人們已提出了一些解決方案，例如:中國(guó)專(zhuān)利ZL99102421.4公開(kāi)的專(zhuān)利技術(shù)，其原理是用彈性鉸鏈進(jìn)行解耦，具有剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但不能實(shí)現(xiàn)完全解耦，并且很難應(yīng)用到大噸位力或力矩的測(cè)量中。傳感器的測(cè)量范圍是評(píng)價(jià)其指標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵因素，尤其是大噸位的多維力傳感器很難實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，一種可以測(cè)量大噸位力或力矩的六維力傳感器已被中國(guó)專(zhuān)利CNlOl 149299公開(kāi),該專(zhuān)利用三維力石英晶片組整體組裝形式來(lái)實(shí)現(xiàn)六維大力測(cè)量，但該傳感器沒(méi)有充分考慮維間耦合問(wèn)題，從而導(dǎo)致其測(cè)量精度不高。
[0004]大測(cè)力范圍、大量程六維測(cè)力平臺(tái)的力敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重載測(cè)力平臺(tái)研制過(guò)程的關(guān)鍵、核心問(wèn)題，一直是研究的熱點(diǎn)之一，研究人員已提出了多種六維測(cè)力平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，但大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度低、應(yīng)變靈敏度低和解耦難等不同方面的問(wèn)題。目前普遍采用的基于傳統(tǒng)鉸鏈的Stewart平臺(tái)大型六維測(cè)力平臺(tái)樣機(jī)的測(cè)量精度較低，且不同方向的性能存在較大差異。其本質(zhì)原因在于采用普通鉸鏈不可避免會(huì)帶來(lái)關(guān)節(jié)間摩擦與間隙、結(jié)構(gòu)整體變形和分支扭彎等問(wèn)題，若將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)重載大噸位六維測(cè)力平臺(tái)也面臨著結(jié)構(gòu)剛度偏弱的問(wèn)題。
[0005]若將現(xiàn)有的六維力傳感器應(yīng)用于空間大噸位六維力測(cè)量，會(huì)存在如下不足:六維力傳感器大部分采用六分支連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；現(xiàn)有六維力傳感器測(cè)量范圍較小，安裝操作繁瑣；沒(méi)有充分考慮維間耦合等問(wèn)題，測(cè)量精度有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中并聯(lián)六維力傳感器的不足，提供一種可實(shí)現(xiàn)高剛度、大噸位六維力測(cè)量并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案:
[0008]并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器包括承載塊、測(cè)力分支及基礎(chǔ)平臺(tái)，其中:承載塊通過(guò)空間兩兩相互垂直的3條測(cè)力分支和基礎(chǔ)平臺(tái)相連，測(cè)力分支由定位塊、球鉸、拉壓傳感器和柔性萬(wàn)向鉸構(gòu)成，并形成一個(gè)SPU串聯(lián)分支；定位塊與基礎(chǔ)平臺(tái)相連，拉壓傳感器一端通過(guò)球鉸與定位塊相連，另一端與柔性萬(wàn)向鉸相連。
[0009]所述空間兩兩相互垂直的3條測(cè)力分支是指三個(gè)測(cè)力分支的中心線(xiàn)兩兩互相垂直；
[0010]所述承載塊是由一個(gè)正方體塊沿共頂點(diǎn)的三個(gè)面上的三條首尾相接的對(duì)角線(xiàn)所構(gòu)成的平面切削加工而成，3條測(cè)力分支的三個(gè)柔性萬(wàn)向鉸分別固定于承載塊的另外三個(gè)兩兩相鄰的完整正方形面上；
[0011]所述柔性萬(wàn)向鉸是在長(zhǎng)方體塊的兩組相對(duì)側(cè)面上分別加工兩個(gè)夾角為120°的切槽后而成；
[0012]所述拉壓傳感器能輸出拉壓力信號(hào)與兩維偏載信號(hào)。
[0013]測(cè)力分支為SPU結(jié)構(gòu)，該方案使得測(cè)力臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊，能夠承受尤其是豎直方向的重載，因此可以提供空間大噸位六維力的信息。測(cè)力分支中均安裝有可以同時(shí)測(cè)出該分支的拉壓力及彎矩信號(hào)的拉壓傳感器，可將全部分支檢測(cè)到的拉壓力及彎矩信息合成運(yùn)算，換算出測(cè)力分支所承受的力和力矩，從而得到承載快上所受的空間六維力信息。將彎矩信息融入測(cè)力臺(tái)標(biāo)定運(yùn)算，補(bǔ)償標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可有效降低維間耦合對(duì)六維力測(cè)量精度的影響，進(jìn)一步提高該裝置的測(cè)量精度；本裝置可以多個(gè)共同使用，量程將會(huì)顯著提高。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015]I)通過(guò)合理布置分支位置，使得機(jī)構(gòu)更加緊湊，因此更加靈巧，方便；
[0016]2)分支中采用了低摩擦系數(shù)的球副，使得本裝置有效減弱了以往傳感器結(jié)構(gòu)中常采用的傳統(tǒng)球鉸引起的摩擦對(duì)測(cè)量精度的影響，此外，在降低摩擦的同時(shí)，可將每條分支上的彎矩信息參與測(cè)力臺(tái)標(biāo)定運(yùn)算，進(jìn)一步提高了本裝置的測(cè)量精度；
[0017]3)本裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、易于加工裝配，并可根據(jù)具體情況，模塊化封裝后組合成新的結(jié)構(gòu)形式，即具有良好的適應(yīng)性及廣泛的通用性。
[0018]4)該結(jié)構(gòu)具有剛度高、量程大等優(yōu)點(diǎn)，為重載大噸位六維力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了良好的方案。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明外觀結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖；
[0020]圖2為本發(fā)明測(cè)力分支結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖；
[0021]圖3為本發(fā)明中帶有三個(gè)柔性萬(wàn)向鉸的承載快的示意簡(jiǎn)圖；
[0022]圖4為四個(gè)并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器組成的大量程傳感器。
[0023]在上述附圖中:1.基礎(chǔ)平臺(tái)、2.定位塊、3.球鉸、4.拉壓傳感器、5.鎖緊螺母、
6.柔性萬(wàn)向鉸、7.承載塊、8.重載蓋板、9.重載底板。
【具體實(shí)施方式】
[0024]圖1為本發(fā)明外觀結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。承載塊(7)通過(guò)空間兩兩相互垂直的3條測(cè)力分支與基礎(chǔ)平臺(tái)(I)相連，測(cè)力分支由定位塊(2)、球鉸(3)、拉壓傳感器(4)和柔性萬(wàn)向鉸
(6)構(gòu)成并形成一個(gè)SPU串聯(lián)分支。定位塊(2)與基礎(chǔ)平臺(tái)(I)采用螺栓相連，拉壓傳感器
(4)一端通過(guò)球鉸(3)與定位塊(2)相連，另一端與柔性萬(wàn)向鉸(6)采用螺紋聯(lián)接。[0025]圖2為本發(fā)明測(cè)力分支結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。
[0026]圖3為本發(fā)明中帶有三個(gè)柔性萬(wàn)向鉸的承載塊的示意簡(jiǎn)圖。承載塊(7)是由一個(gè)正方體塊沿共頂點(diǎn)的三個(gè)面上的三條首尾相接的對(duì)角線(xiàn)所構(gòu)成的平面切削加工而成，三個(gè)柔性萬(wàn)向鉸(6)分別固定于承載塊(7)的另外三個(gè)兩兩相鄰的完整正方形面上。柔性萬(wàn)向鉸(6)是在長(zhǎng)方體塊的兩組相對(duì)側(cè)面上分別加工兩個(gè)夾角為120°的切槽后而成。
[0027]圖4為其應(yīng)用實(shí)例，應(yīng)用四個(gè)并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器組成的大量程大測(cè)力板六維測(cè)力平臺(tái)。其中四個(gè)并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器均布在重載蓋板(8)與重載底板(9)之間，每個(gè)并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器的基礎(chǔ)平臺(tái)(I)和承載塊(7)分別與重載底板(9)和重載蓋板(8)采用螺栓連接。當(dāng)重載蓋板(8)受到重載多維力時(shí)，可由每個(gè)并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器的測(cè)力分支中拉壓傳感器(4)的輸出信號(hào)綜合處理后解算得出。
[0028]當(dāng)承載塊(7)受到空間多維力時(shí)，測(cè)力分支中的拉壓傳感器⑷可以同時(shí)測(cè)出該分支的拉壓力及彎矩信息，并將其合成運(yùn)算后得出該測(cè)力分支所承受的力和力矩，經(jīng)三條測(cè)力分支的拉壓傳感器⑷信號(hào)匯總解算后，得到承載塊(7)所受的空間六維力信息。將彎矩信息融入測(cè)力臺(tái)標(biāo)定運(yùn)算中，補(bǔ)償標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可有效降低維間耦合對(duì)六維力測(cè)量精度的影響，進(jìn)一步提高該裝置的測(cè)量精度。對(duì)于尤其是豎直方向具有重載大噸位的空間六維力的測(cè)量，可組合使用多個(gè)本裝置，以提高六維測(cè)力平臺(tái)的測(cè)力量程及測(cè)力面積。
【權(quán)利要求】
1.一種并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器，包括承載塊、測(cè)力分支及基礎(chǔ)平臺(tái)，其特征是:承載塊通過(guò)空間兩兩相互垂直的3條測(cè)力分支和基礎(chǔ)平臺(tái)相連，測(cè)力分支由定位塊、球鉸、拉壓傳感器和柔性萬(wàn)向鉸構(gòu)成，并形成一個(gè)SPU串聯(lián)分支；定位塊與基礎(chǔ)平臺(tái)相連，拉壓傳感器一端通過(guò)球鉸與定位塊相連，另一端與柔性萬(wàn)向鉸相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器，其特征是:所述空間兩兩相互垂直的3條測(cè)力分支是指三個(gè)測(cè)力分支的中心線(xiàn)兩兩互相垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器，其特征是:所述承載塊是由一個(gè)正方體塊沿共頂點(diǎn)的三個(gè)面上的三條首尾相接的對(duì)角線(xiàn)所構(gòu)成的平面切削加工而成，3條測(cè)力分支的三個(gè)柔性萬(wàn)向鉸分別固定于承載塊的另外三個(gè)兩兩相鄰的完整正方形面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器，其特征是:所述柔性萬(wàn)向鉸是在長(zhǎng)方體塊的兩組相對(duì)側(cè)面上分別加工兩個(gè)夾角為120°的切槽后而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)3-SPU六維測(cè)力傳感器，其特征是:所述拉壓傳感器能輸出拉壓力信號(hào)與兩維偏載信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01L5/16GK104034474SQ201410291350
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】趙延治, 趙鐵石, 吳詢(xún), 束龍 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)