一種可重構(gòu)型并聯(lián)多維力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種可重構(gòu)型并聯(lián)多維力傳感器，主要包括加載平臺、彈性連桿A、彈性連桿B、橫向懸臂梁、縱向懸臂梁、剛性梁、下平臺、支撐板、正八邊形支撐板、燕尾形支撐板和應(yīng)變片。本實用新型通過測力分支的布置方式實現(xiàn)了傳感器結(jié)構(gòu)解耦，力的解耦性能良好，通過應(yīng)變片的不同組合方式，可以方便的實現(xiàn)對三個力和力矩的測量，同時可以通過軟件的自動檢測、識別，選擇相應(yīng)的測量模型就建立了面向任務(wù)需求的測量模型，既實現(xiàn)基于任務(wù)的某個力或者某個力矩的測量要求。直接面向多任務(wù)或者關(guān)鍵任務(wù)的多階段復(fù)雜的實際測量要求，可以適應(yīng)不同環(huán)境下的任務(wù)要求，上下圓環(huán)形結(jié)構(gòu)可以方便的與外界連接，更加適合多種應(yīng)用場合。
【專利說明】
一種可重構(gòu)型并聯(lián)多維力傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型涉及傳感器的設(shè)計制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳感器是機械系統(tǒng)獲取外界信息的一種工具，它可以感知被測物理量，并將其按照相應(yīng)的變化規(guī)律轉(zhuǎn)化為輸出信號。而六維力傳感器可以同時測量三個力分量和三個力矩分量，并可以檢測機械系統(tǒng)的受力方向和實時變化的力的大小，如今，高精度、高靈敏、可實現(xiàn)多任務(wù)測量需求的多維力傳感器成為研究的熱點。
[0003]在六維力傳感器的研究中，力敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是關(guān)鍵的核心問題，力傳感器的剛度、靈敏度、和分辨率等重要性能與力敏感元件的結(jié)構(gòu)有著重要關(guān)聯(lián)。目前，眾多學(xué)者提出的六維力傳感器主要包括十字梁式、輪輻式、垂直筋式等結(jié)構(gòu)，所有這些力傳感器的應(yīng)變橋的輸出信號與三個力和三個力矩的大小有關(guān)，既測量信號與應(yīng)變橋的輸出信號耦合，設(shè)計時需考慮應(yīng)變片的布置方式從理論上實現(xiàn)力之間的解耦，以消除各個分力之間的干擾，這是在假設(shè)可以消除力之間干擾的情況下實現(xiàn)力的解耦，而基于并聯(lián)機構(gòu)的六維力傳感器，其易解耦，貼片、組橋相對容易，且相對剛度高、對稱性好、力映射關(guān)系求解簡單，它利用并聯(lián)機構(gòu)的力學(xué)解耦的方式進行解耦。可以面向復(fù)雜環(huán)境的力測試試驗。而應(yīng)用在風(fēng)洞測力試驗中的應(yīng)變天平可以實現(xiàn)單分量或多分量的應(yīng)變式測力傳感器，其中的盒式天平一般為4-2-1的方形結(jié)構(gòu)形式，依靠自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，機械分解較徹底，力之間耦合干擾小。
[0004]公開號為CN104048791A的中國實用新型專利公開了“一種低維間耦合的雙十字梁六維力和力矩傳感器”，通過設(shè)置在內(nèi)圈的四個應(yīng)力梁和內(nèi)圈和外圈之間的四個應(yīng)力梁，測量外部六維力，其從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了力和力矩解耦。公開號為CN1267822A的中國實用新型專利公開了一種“并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維力與力矩傳感器”，他的六個彈性體分為三組，每組兩個分別沿著三個相互垂直的方向布置，且各組彈性體構(gòu)成的平面相互垂直，從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了力和力矩的解耦。
[0005]以上的幾類六維力傳感器并聯(lián)結(jié)構(gòu)中敏感元件大多在空間布置，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工難度大，只能針對空間內(nèi)六維力的測量任務(wù)，且傳感器測量模型簡單唯一，無法應(yīng)對自適應(yīng)的多任務(wù)個性測量工作。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)、制造加工和航空航天領(lǐng)域的任務(wù)呈現(xiàn)多樣化，需要根據(jù)任務(wù)需求使用相應(yīng)的力傳感器，以實現(xiàn)多測量任務(wù)的試驗要求，這就需要采取相應(yīng)的措施保證系統(tǒng)實現(xiàn)面向自適應(yīng)測量任務(wù)的力和力矩的檢測。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型的目的是提供一種分支分別水平布置和豎直布置的新型可重構(gòu)型并聯(lián)多維力傳感器，可以滿足多任務(wù)測量需求下所需力和力矩的測量要求，其靈敏度高、可靠性好、結(jié)構(gòu)尺寸方便應(yīng)用可重構(gòu)型并聯(lián)多維力傳感器
[0007]本實用新型主要包括加載平臺、彈性連桿A、彈性連桿B、橫向懸臂梁、縱向懸臂梁、剛性梁、下平臺、支撐板、正八邊形支撐板、燕尾形支撐板和應(yīng)變片。
[0008]其中，下平臺為圓形平板，在下平臺的中部為正八邊形凹槽。在正八邊形凹槽內(nèi)設(shè)有支撐板，支撐板由正八邊形支撐板、四個燕尾形支撐板、四個橫向懸臂梁組成，四個燕尾形支撐板和四個橫向懸臂梁依次間隔的設(shè)在正八邊形支撐板的外壁上。四個橫向懸臂梁分別為橫向懸臂梁A、橫向懸臂梁B、橫向懸臂梁C和橫向懸臂梁D。在四個燕尾形支撐板的上部分別固定連接縱向懸臂梁，分別是縱向懸臂梁A、縱向懸臂梁B、縱向懸臂梁C和縱向懸臂梁 D。在每個橫向懸臂梁上分別設(shè)有一個彈性連桿A，彈性連桿A的一端與橫向懸臂梁相連，另一端與加載平臺的下表面相連，彈性連桿A的兩端均為彈性球鉸結(jié)構(gòu)。加載平臺為圓形平板，加載平臺的中部設(shè)有圓形通孔。在加載平臺的下表面固定連接四個剛性梁，剛性梁與縱向懸臂梁之間分別通過彈性連桿B相連，彈性連桿B的兩端均為彈性球鉸結(jié)構(gòu)。在橫向懸臂梁A、橫向懸臂梁B、橫向懸臂梁C、橫向懸臂梁D、縱向懸臂梁A、縱向懸臂梁B、縱向懸臂梁C和縱向懸臂梁D上均設(shè)有應(yīng)變片。
[0009]本實用新型在使用時，受到Z方向力的作用，此時力作用在加載平臺上，通過彈性連桿B將力傳遞到4個橫向懸臂梁上，此時，橫向懸臂梁將產(chǎn)生應(yīng)變，貼在其上的應(yīng)變片組成的電橋會產(chǎn)生電信號，再通過數(shù)據(jù)采集器將信號輸出，通過一系列的數(shù)據(jù)處理可以得到z方向里的大小，同理，當(dāng)x方向的力作用在加載平臺時，通過彈性連桿A將力傳遞到縱向懸臂梁 B和C上，y方向的力通過縱向懸臂梁A和D測得，橫向懸臂梁B和橫向懸臂梁C測量繞x軸的力矩，橫向懸臂梁A和橫向懸臂梁D測量繞y軸的力矩，縱向懸臂梁A、縱向懸臂梁B、縱向懸臂梁 C、縱向懸臂梁D，檢測繞z軸的力矩。每個力和力矩通過相應(yīng)的應(yīng)變片組成的電橋檢測電路信號的變化得到，在實際工作過程中，通過選取不同檢測分支的組合方式，再利用檢測分支的受力與被測量力之間的映射關(guān)系，便可以得到所需任務(wù)要求的力和力矩的的測量模型， 既完成基于任務(wù)要求的重構(gòu)策略以此實現(xiàn)面向自適應(yīng)的測量任務(wù)。
[0010]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:通過測力分支的布置方式實現(xiàn)了傳感器結(jié)構(gòu)解耦，力的解耦性能良好，通過應(yīng)變片的不同組合方式，可以方便的實現(xiàn)對三個力和力矩的測量，同時可以通過軟件的自動檢測、識別，選擇相應(yīng)的測量模型就建立了面向任務(wù)需求的測量模型，既實現(xiàn)基于任務(wù)的某個力或者某個力矩的測量要求。具有重構(gòu)測量模型能力的多維力傳感器擴大了傳感器的應(yīng)用場合，使其直接面向多任務(wù)或者關(guān)鍵人物的多階段復(fù)雜的實際測量要求，可以適應(yīng)不同環(huán)境下的任務(wù)要求，在加工制造、航天航空和國防軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，其上下圓環(huán)形結(jié)構(gòu)可以方便的與外界連接，更加適合多種應(yīng)用場合?！靖綀D說明】

[0011]圖1為可重構(gòu)型并聯(lián)多維力傳感器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為可重構(gòu)型并聯(lián)多維力傳感器的下平臺的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3為可重構(gòu)型并聯(lián)多維力傳感器的主視圖；[〇〇14]圖4為可重構(gòu)型并聯(lián)多維力傳感器的主視圖的A-A截面圖。
[0015]圖中:1-加載平臺、2-彈性連桿B、3-橫向懸臂梁、3-1橫向懸臂梁A、3-2橫向懸臂梁 B、3-3橫向懸臂梁C、3-4橫向懸臂梁D、4-縱向懸臂梁、4-1縱向懸臂梁A、4-2縱向懸臂梁B、4-3縱向懸臂梁C、4-4縱向懸臂梁D、5-剛性梁、6-下平臺、7-支撐板、8-正八邊形支撐板、9-燕尾形支撐板、10-彈性連桿A、11-應(yīng)變片。
【具體實施方式】
[0016]在圖1至圖4所示的本實用新型的示意簡圖中，下平臺6為圓形平板，在下平臺的中部為正八邊形凹槽。在正八邊形凹槽內(nèi)設(shè)有支撐板7，支撐板由正八邊形支撐板8、四個燕尾形支撐板9、四個橫向懸臂梁3組成，四個燕尾形支撐板和四個橫向懸臂梁依次間隔的設(shè)在正八邊形支撐板的外壁上。四個橫向懸臂梁分別為橫向懸臂梁A3-1、橫向懸臂梁B3-2、橫向懸臂梁C3-3和橫向懸臂梁D3-4。在四個燕尾形支撐板的上部分別固定連接縱向懸臂梁4，分別是縱向懸臂梁A4-1、縱向懸臂梁B4-2、縱向懸臂梁C4-3和縱向懸臂梁D4-4。在每個橫向懸臂梁上分別設(shè)有一個彈性連桿A10，彈性連桿A的一端與橫向懸臂梁相連，另一端與加載平臺的下表面相連，彈性連桿A的兩端均為彈性球鉸結(jié)構(gòu)。加載平臺I為圓形平板，加載平臺的中部設(shè)有圓形通孔。在加載平臺的下表面固定連接四個剛性梁5，剛性梁與縱向懸臂梁之間分別通過彈性連桿B2相連，彈性連桿B的兩端均為彈性球鉸結(jié)構(gòu)。在橫向懸臂梁A、橫向懸臂梁B、橫向懸臂梁C、橫向懸臂梁D、縱向懸臂梁A、縱向懸臂梁B、縱向懸臂梁C和縱向懸臂梁D上均設(shè)有應(yīng)變片11。
【主權(quán)項】
1.一種可重構(gòu)型并聯(lián)多維力傳感器，主要包括加載平臺、彈性連桿A、彈性連桿B、橫向 懸臂梁、縱向懸臂梁、剛性梁、下平臺、支撐板、正八邊形支撐板、燕尾形支撐板和應(yīng)變片，其 特征在于:下平臺為圓形平板，在下平臺的中部為正八邊形凹槽，在正八邊形凹槽內(nèi)設(shè)有支 撐板，支撐板由正八邊形支撐板、四個燕尾形支撐板、四個橫向懸臂梁組成，四個燕尾形支 撐板和四個橫向懸臂梁依次間隔的設(shè)在正八邊形支撐板的外壁上，四個橫向懸臂梁分別為 橫向懸臂梁A、橫向懸臂梁B、橫向懸臂梁C和橫向懸臂梁D，在四個燕尾形支撐板的上部分別 固定連接縱向懸臂梁，分別是縱向懸臂梁A、縱向懸臂梁B、縱向懸臂梁C和縱向懸臂梁D，在 每個橫向懸臂梁上分別設(shè)有一個彈性連桿A，彈性連桿A的一端與橫向懸臂梁相連，另一端 與加載平臺的下表面相連，彈性連桿A的兩端均為彈性球鉸結(jié)構(gòu)，加載平臺為圓形平板，加 載平臺的中部設(shè)有圓形通孔，在加載平臺的下表面固定連接四個剛性梁，剛性梁與縱向懸 臂梁之間分別通過彈性連桿B相連，彈性連桿B的兩端均為彈性球鉸結(jié)構(gòu)，在橫向懸臂梁A、 橫向懸臂梁B、橫向懸臂梁C、橫向懸臂梁D、縱向懸臂梁A、縱向懸臂梁B、縱向懸臂梁C和縱向 懸臂梁D上均設(shè)有應(yīng)變片。
【文檔編號】G01L9/00GK205719377SQ201620466034
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】姚建濤, 單俊云, 趙永生, 戰(zhàn)磊, 白惠東, 向喜梅, 馬華靜
【申請人】燕山大學(xué)