专利名称：多轴线力和扭矩传感器的组及组装方法
技术领域：
本发明涉及多轴线力和扭矩传感器的组，具体地，涉及通过应变计制成的多轴线力传感器及组装方法。
背景技术：
具有六自由度(6 D0F)力和扭矩传感器对于需要工具与工作目标之间需要交互的大多数应用中的机器人控制是至关重要的。此类工具的典型应用是组装、研磨、修边、钻孔、 铣削、机器看管、激光焊接、板弯曲、机械测试等。另外，在许多情况下，虽然在校准、编程和程序编辑期间使人与机器人之间的直接交互成为可能需要此处的6 DOF力/扭矩传感器，但使用今天的方法为此类应用设计程序十分困难。因此，一个迫切的任务是查找一种用于6 DOF力/扭矩传感器的概念，其制造和组装起来比今天可用的概念便宜得多。从WO 9904235中，了解到一种用于在多个方向传送力和力矩的称重传感器体，其中，称重传感器体包括整体装配件，其具有刚性中枢(central hub)；与中枢同心的刚性圈环；沿着从中枢向圈环的对应纵轴线径向延伸的至少三个径向管；以及在每个径向管的一端到圈环之间延伸的挠性构件，挠性构件符合每个对应径向管沿着对应纵轴线的位移。此典型的现有技术多轴线力传感器是高度准确的，但它在制造时需要大量的手工。这造成了高成本，并限制了可实现的生产量。特别地，经粘结施加应变计需要非常小心，因为它们必须施加到复杂的三维金属结构的变化侧。结果测量的精度很大程度上取决于应变计的准确定向，并且即使通过安装辅助，手工进行装配还是造成高劳动强度的、缓慢和适度精确的过程。
发明内容
基于此现有技术，本发明的目的是以确定的布置提供多轴线力和/或扭矩传感器 (具体地用于机器人控制)，以及提供一种用于组装相应传感器的方法，该方法比采用现有技术更便宜，因为典型的设计在生产中需要大量的手工，因此，通过现有技术应变计技术制成的多轴线力-扭矩传感器是高精度、但复杂和十分昂贵的产品。根据本发明，提供了一种多轴线力/扭矩传感器装配件，包括每个都由应变计构成的至少两个力传感器的组，每个应变计相对彼此以确定的角度布置，并且每个应变计固定到换能器体(优选是层压有印刷电路板(PCB)的金属板)，印刷电路板配备有用于每个应变计的间隙，有位于印刷电路板的剩余区域的、相关联的电子组件和配线，在换能器体施加到结构元件时，印刷电路板将监测在对应于传感器的角度的那些轴线中的压应力和拉应力。本发明的一优选实施例在印刷电路板由柔性材料构成时实现。通过此类柔性印刷电路板，可能接合几个换能器模块。此类柔性接合允许首先在一个平面中施加所有应变计，并且随后换能器模块能够任意定位在已经安装所有相关连接的空间中。换而言之，能够根据要监测的工件的形态和配置弯曲柔性印刷电路板(PCB)。因此，根据本发明的传感器装配件优选处于应变计接合到柔性印刷电路板的情况下。传感器模块粘结到换能器(弹性金属体，例如，薄片、悬臂、膜等)并且与印刷电路板接触，将弯曲印刷电路板以在空间中任意使用。另外，根据本发明，在印刷电路板中间隙的对齐对应于应变计的计划的对齐。本发明的进一步的特征涉及通过结合形成的、应变计到换能器和印刷电路板的接合。优选地，应变计通过粘合剂或低温熔融玻璃(melting glasses)接合到换能器，并例如借助于超声或热压结合等电接合到印刷电路板上的换能器。结合薄结合配线保证了应变计从印刷电路板的结构的良好解耦。备选地，应变计结合配线也能够通过导电粘合剂与Pcb 接触，以减少该过程的热机械负荷。为提高测量的质量及此类传感器的长时漂移稳定性，传感器装配件至少部分由半导体应变计组成。根据本发明的一优选实施例，通过覆盖应变计和电触点的保护涂层，来保护传感器装配件免受环境影响。同样地，除应变传感器和扭矩传感器外，可另外施加加速度传感器到印刷电路板。本发明的又一有利实施例包括一传感器装配件，其中，应变计布置在预制在印刷电路板上的Wheatstone电路中。为使得根据本发明的传感器装配件能够以六个自由度进行应力和扭矩的复杂测量，提供了具有彼此布置在不同角度的至少三组应变计的组合。因此，换能器体配备有环结构，包括两个同心环和至少三个梁，优选是以平面六足结构布置的六个梁，其中，在每个梁与环的相应接合位置处，应变计固定到梁的每端和环。通过根据本发明的传感器装配件的一同样优选的不同实施例，换能器体具有辐轮结构，并且应变计固定到该轮和辐臂。本发明的一个主要目的是提供一种用于组装此类传感器装配件的方法，引起更低的劳动强度，且与现有技术相比结合有此类装配件的至少相同的质量和可靠性。根据本发明，用于组装根据上述传感器装配件(其中每个传感器都由应变计组成)的多轴线力/扭矩传感器装配件的方法包括以下步骤■提供优选是金属的换能器结构(单片或模块式)，定位时用于施加应变计的所有表面在一个平面中■施加预制的pcb (印刷电路板)到换能器“施加表面”。■根据pcb中的间隙，以确定的布置在换能器体(多个体)的平面测量表面上定位应变计，此步骤能可选包含在pcb上定位任何其它电组件(例如，使用拾放机器)。■借助于粘合剂或低熔融玻璃，将应变计固定到换能器；■借助于电结合、焊接或导电粘合剂，使用薄的柔性结合配线将应变计连接到 pcb ο■在模块式换能器(几个组件)的情况下，在空间中布置换能器部件，以实现允许测量不同自由度的应变计定向。
为克服在换能器上安装应变计(优选地，半导体应变计)，将它们分别与印刷电路板连接时与现有技术有关的不精确性，用于组装传感器装配件的新方法的特征在于通过已经从半导体器件的组装过程中已知的拾放机器，将应变计定位在pcb的间隙中其设计的位置中。根据本发明的一优选实施例，提供印刷电路板用于容纳应变计的电触点。有利的是，应变计的电触点由引线结合构成，优选是超声或热压结合。此处，薄结合配线保证了应变计从印刷电路板结构的良好解耦。备选地，也能够通过导电粘合剂接触应变计。根据本发明的特定特征，用于组装传感器装配件的方法涉及施加到多于一个换能器体的柔性印刷电路板，其中，在第一步骤中，在一个平面中施加所有应变计，并且在第二步骤中，换能器体随后任意定位在已经安装所有相关连接的空间中，并且柔性印刷电路板通过弯曲顺应不同平面的导向。通过根据本发明的方法的一个实施例，提供了在安装应变计的过程期间也能够安装传感器的所有其它电气和/或电子组件。
本发明的这些和更多特征是权利要求的主题。因此，通过本发明要实现的最基本的特征、改进和本发明的优点将更详细地在附图中示出和解释，在其中展现出图1根据现有技术的6轴线力-扭矩传感器的典型示意设计；图2换能器的原理的示意草图，该换能器配有带间隙和导体的印刷电路板并配有应变计装配件；图3a)带有引线连接器的单个应变计的侧视图；图3b)用于安装在换能器上的应变计和与印刷电路板电连接的引线的压力脚的布置的侧视图；图4用于夹紧换能器元件、以与柔性印刷电路板层压在一起的设备的侧视图；图5图2的换能器在相对彼此的新位置的侧视图，示出了连接换能器元件的柔性印刷电路板；图6图2的换能器在相对彼此的新位置的侧视图，示出了连接换能器元件的柔性印刷电路板；图7在配有传感器装配件的、辐轮状模块式换能器上的俯视图；图8在配有传感器装配件的、辐轮状模块式换能器的另一实施例上的俯视图；图9在传感器装配件的布置上的俯视图，传感器装配件带有外部圆环和内部圆盘，以及割线状梁和通过应变计接合的负荷件；图10示出在形成为圆负荷环的六DOF力/扭矩传感器装配件的一侧(IOA)上和在背侧(IOB)上的俯视图，在负荷环上的不同位置处配有几个应变计，这些位置形成三角形的轮廓；图11在由三对大致径向对齐的梁结合的圆环和圆盘形成的六梁换能器的布置上的俯视图，每个梁配有应变计。
具体实施例方式图1示出典型6 DOF力/扭矩传感器产品30的现有技术结构。外环33和内环32 此处只与三个梁34连接，并且每个梁34装备有固定到梁34的侧面的两个应变计15，16，一个应变计16固定到梁34的顶面，而一个应变计15固定到相应梁34的外侧。在此换能器设计中，必须在梁的侧面上安装至少三个应变计15。出于完整性起见，图1中示出的传感器设计还包含一个参考应变计14、三个过载保护38销、带有用于过载保护销38的间隙39的三个负荷件37及多个安装孔41。此换能器结构具有的缺点是将不可能在一个平面中安装所有的应变计，并且梁的至少两侧必须以高质量机加工，所有这些造成了高成本。图2示出根据本发明的、与印刷电路板12层压在一起的换能器体10的原理的示意草图，印刷电路板12装备有在用于应变计16的某些位置处的间隙13，应变计16通过引线连接器18连接到印刷电路板12。在印刷电路板上已经预制了导体17，使得应变计能够和电子器件连接(例如，连接到Wheatstone电桥)。如图2中示出的，首先，印刷电路板12例如通过层压安装在换能器体11的测量表面上。换能器体11优选主要由钢或铝构成。间隙13正好位于在其中应变器16将安装在换能器体11上的位置处。借助于已经已知为在半导体器件的组装工艺中使用的拾放机器(Pick and place machine)，应变计 16能够由该机器十分小心和精确地处理。优选是半导体应变计的应变计16被直接且准确地拾放在间隙13内其设计的位置中。同时，应变计16粘合地结合到换能器11，并且例如通过超声结合或热压结合而电结合到印刷电路板12上的引线导体18。薄结合配线保证了应变计从印刷电路板结构的良好解耦。备选地，通过导电粘合剂，应变计16及相应地其引线18也能够接合到印刷电路板，这意味着部件更少的热负荷。通过由拾放机器的控制识别的、适当的位置标记(例如，在换能器体11或印刷电路板12上的激光标记)，能够保证应变计16定位的准确性。图3A示出带有引线连接器18的单个应变计16的侧视图。它可用做用于生产6 DOF输入器件的指导。为在粘结期间获得应变计16上良好定义的压力，可使用根据图;3B的布置。应变计16的配线18被弯曲，以使应变计16可能容易地相对于印刷电路板12中的间隙13移动，参见图;3B。图;3B示出压脚部件21、22如何在正粘结的应变计16上、朝向钢换能器体11施加良好定义的压力。应变计16通过引线18连线到印刷电路板12，使得它能够相对于印刷电路板12以全部自由度容易地移动。印刷电路板12具有在每个应变计位置上方的间隙13， 因此，应变计不受压力脚21约束。印刷电路板12例如通过橡胶或塑料部件23固定到钢换能器11。压力脚布置21可具有橡胶部件22，以在正粘结的应变计16上获得均勻压力。通过此布置，能够使用硬的印刷电路板，承载所有需要的应变计(例如，图7中的12个应变计)，并且所有应变计能够同时粘结。此外，通过使用柔性印刷电路板12，可能结合换能器10的几个模块。此类柔性印刷电路板12允许首先在一个平面中施加所有应变计16，并且随后换能器10模块能够任意定位在已经安装所有相关连接的空间中。图4展现出用于夹紧换能器体11、以与印刷电路板12层压在一起的设备25的侧视图。确切地说，图4示出在设备25中夹紧的两个换能器模块的布置，用于将应变计16安装到换能器体11并且在由印刷电路板12中的相应间隙13提供的定义的位置处固定它们。 两个模块通过柔性印刷电路板12接合，印刷电路板配备有用于应变计16的间隙13，应变计随后自动安装和结合到导体18。图5是图4的换能器模块在旋转90°以实现图5中示出的配置后的、现在进入相对彼此的新位置的侧视图。这显示了尽管实际安装工艺已在一个平面上执行，但在两个垂直表面上实现应变计16的精确布置的可能性。因而，在空间中的几个平面上带有应变计的“复合”换能器模块能够容易地生产， 并且具有高精度和复现性。此类“复合”模块允许在一个模块上测量几个负荷方向，或者通过在Wheatstone电桥电路中连接多种应变计而改进测量灵敏度。对于此类要求，需要的电路可预制在印刷电路板12上。在图6中，示出了图4的换能器体10在相对彼此的新位置中的侧视图；具体地，它示出了在两侧(即，相对侧)上带有应变计16的此类复合换能器模块。图7展现出在配有应变计20的装配件的力传感器装配件40上的俯视图，每个应变计布置在通过使用上述方法制成的多轴线力换能器体31上。所述换能器体31具有对称辐轮的形式，带有总共8个辐臂，其中，四个第一换能器模块34在共同带有圆轮31的一个件中制成，并且额外地包括朝向其它偏移45°的四个第二换能器模块20。应变计16如所述以高精度安装在所述第一换能器模块和第二换能器模块34、20上。对于应变计安装过程，换能器模块20尚未安装在换能器31中，而是分离地放置，在空间中旋转90°以使应变计侧面向上，从而易于安装。这允许使用高精度拾放机器和在所有表面上同时安装应变计。在典型的复杂换能器结构中(即，在垂直于第一平面的平面上)，不可能实现此类高精度。随后，通过在换能器31中的焊接、按压、钎焊、热收缩或铆接，安装在侧面形成带有应变计的幅臂的、类似于图4和图5预制的换能器模块20，同时朝向轮幅34有45°角的偏移，即，轮状换能器模块31总共有8个幅臂34和20。应变计16固定在换能器体31的换能器模块的组20的外侧面上，而对于换能器模块的另一个组34，应变计16固定在顶面上，允许在所有轴线方向上测量力和扭矩。备选地，所有换能器模块20安装在如图8中示出可见的、由两个同心环32、33组成的平面换能器环结构中，图8显现出配有应变计的幅轮状换能器体的另一实施例上的俯视图。根据图8中示出的配置，所有换能器模块20通过焊接、按压、钎焊、热收缩或者通过铆接而预制和接合到同心环32、33。同样地，如图7中示出的，应变计备选定位在换能器模块20的外侧上或者在最终安装位置的顶面上，但它们最初是在一个工作步骤中安装的，该步骤在应变计侧面向上时定位所有换能器元件。
图9示出基于优选为钢的金属换能器体的结构，实现6 DOF力/扭矩传感器装配件60的一种可能性。在外环33与内环32之间，以平面六足结构布置了六个梁36。在每个梁36的末端有一个为金属或压阻计之一的应变计16，以测量由于在外环33与内环32之间的力和扭矩的、梁36中的应变。此外，提供无负荷应变计14以补偿应变计16的温度依赖性。做为一种选择，可提供过载保护销38，该销在外环33与负荷件37之间形成机械链接。所有应变计16能够粘结在一个平面中，这使得可能同时粘结所有应变计16，并且甚至当应变计安装在带有接口到机器人控制器需要的测量和通信的所有电子器件的印刷电路板上时也可能同时粘结。图10示出在要直接安装在图7中换能器上的印刷电路板12上的俯视图。印刷电路板配有12个应变计16，这些应变计要同时粘结在图9中的换能器结构上。图10例示了硬的印刷电路板12或柔性印刷电路板12的布局，印刷电路板一侧 (图10A)带有应变计16，另一侧(图10B)带有配线17、电组件18和线缆接触19。为了完美粘结，通过压力脚将印刷电路板12按压靠在换能器上(参见图9)，其中印刷电路板12上每个应变计16上方具有一个触点，印刷电路板优选是柔性的，以适于在印刷电路板12上安装应变计16中的不同。当然，电子器件和配线能够与应变计在同一侧上，由此，在换能器梁36(在图9中) 之间的空间能够用于电子组件。换能器结构能够以低精度机加工制成，或者通过模铸制成， 只有粘结换能器的平面需要具有良好精修(finish)。对于牵引规划(lead through programming)中的使用或做为计算机的6D0F输入器件，换能器只需要处理小的力和扭矩，并且这然后能够通过钢片的激光切割(优选地，水射流引导激光切割)制成。在粘结应变计16前，钢片的表面随后可能需要进行一定的抛光 (比较图9)。最后，图11是在与图9相关，六梁换能器70的备选布置上的俯视图，换能器由通过每个配有应变计16的三对梁沈接合的圆环33和圆盘32形成。如在图7中一样，梁以六足结构布置，但与图7形成对比的是，每个梁对在换能器的内部部分32(而不是如在图9 中一样在外部部分3 相遇。图11示出六梁换能器60或70当然能够以不同方式布置，但为了可能获得带安装在平面中的应变计的6D0F力/扭矩传感器，梁必须采用平面六足模式，其使得可能在3个扭矩分量和3个力分量之间进行区分。在此图中，只使用六个应变计16，这在传感器的准确度和动态范围的要求非至关重要时是可能的。参考列表
10带有pcb和应变计的换能器装配件
11换能器体
12印刷电路板(pcb)
13用于应变计的间隙
14补偿应变计
15安装在换能器体的侧面上的应变计(难以触及)
16安装在换能器体的顶面上的应变计(易于触及)
9
17pcb上的电导体18用于应变计的引线连接器19线缆连接器20应变计在不同外表面上的空间中的几个换能器的装配件21压脚22垫23分隔器，在换能器体上支撑pcb25设备，换能器安装工具30常规的单片换能器装配件31单片基换能器元件(由32、33、34或36组成)32内部负荷引入盘/环33外部负荷引入环3431的整体径向轮辐36换能器的梁元件(任意定向)37用于过载保护的负荷元件38用于过载保护的负荷销39用于过载销38的间隙40模块式换能器装配件41安装孔50模块式换能器装配件60带有六足结构和基于pcb的应变计装配件的换能器(包括80)70带有备选六足结构的换能器80带有集成应变计和如在60中使用的电子组件的pcb
权利要求
1.一种多轴线力/扭矩传感器装配件，包括每个都由应变计(16)构成的至少两个传感器的组，每个应变计相对彼此以确定的角度和距离布置，并且每个应变计都固定到优选为金属体的换能器体(10)，所述换能器体直接或间接与印刷电路板(PCB) (12)机械接触， 所述印刷电路板配备有用于每个应变计(16)的间隙(13)，并配备有位于所述印刷电路板 (12)的剩余区域上的、相关联的电子组件(18)和配线(17)，所述印刷电路板将监测在所述传感器的测量方向上的压应力和拉应力。
2.如权利要求1所述的传感器装配件，其中，所述印刷电路板(1 中所述间隙(13)的位置和对齐对应于所述应变计(16)的、计划的位置和对齐。
3.如前面权利要求至少之一所述的传感器装配件，其中，通过结合制成所述应变计 (16)到所述印刷电路板(12)的接合。
4.如前面权利要求至少之一所述的传感器装配件，其中，所述应变计(16)至少部分地是半导体应变计。
5.如前面权利要求至少之一所述的传感器装配件，其中，将加速度传感器额外地施加到所述印刷电路板。
6.如前面权利要求至少之一所述的传感器装配件，其中，所述印刷电路板(12)由柔性材料构成。
7.如前面权利要求至少之一所述的传感器装配件，其中，通过彼此在不同角度布置的至少六个传感器的组合，已获得六自由度力/扭矩传感器装配件00)。
8.如前面权利要求至少之一所述的传感器装配件，其中，所述应变计(16)布置在所述印刷电路板(12)上预制的Wheatstone电路中。
9.如前面权利要求至少之一所述的传感器装配件，其中，所述换能器体(11)具有的环结构(31)包括两个同心环(32，33)和至少三个梁(36)，优选是以平面六足结构布置的六个梁(36)，以及其中传感器(16)固定到每个所述梁(36)且在共同的平面中。
10.如权利要求1到9至少之一所述的传感器装配件，其中，所述换能器体(11)具有辐轮(31)结构，并且所述传感器(16)固定到所述轮和辐臂(34)。
11.如前面权利要求至少之一所述的传感器装配件，其中，所有应变计(16)在共同的平面中对齐。(Torgny 增加多一个权利要求，在其中所述传感器在直到4个平面中对齐)
12.如前面权利要求至少之一所述的传感器装配件，其中，所述传感器装配件用于机器人控制。
13.如前面权利要求至少之一所述的传感器装配件，其中，所述应变计(16)接合到柔性印刷电路板(12)，所述印刷电路板在空间中任意弯曲以供使用。
14.如前面权利要求至少之一所述的传感器装配件，其中，所述应变计(16)和所述电触点(18)通过涂层来保护。
15.用于组装如前面权利要求至少之一所述的多轴线力/扭矩传感器装配件的方法， 其中，所述传感器每个都由应变计(16)构成，所述方法包括以下步骤 以确定的布置在换能器体(11)的平面测量表面上定位所述应变计(16)； 借助于粘合剂将所述应变计(16)固定到所述换能器体(11)； 借助于电结合将所述计连接到相应导体。
16.用于组装如前面权利要求1到14至少之一所述的多轴线力/扭矩传感器装配件的方法，其中，所述传感器每个都由应变计(16)构成，所述方法包括以下步骤 在所述印刷电路板上定位所述应变计 连接所述应变计 在所述换能器上以正确的位置和定向定位所述印刷电路板 固定所述应变计 固定所述印刷电路板。
17.用于组装如前面权利要求1到14至少之一所述的多轴线力/扭矩传感器装配件的方法，其中，所述传感器每个都由应变计(16)构成，所述方法包括以下步骤 提供单片换能器结构或模块式换能器结构，定位时用于应变计施加的所有表面在一个平面中 将预制的Pcb施加到所述换能器 在包括电连接的所述Pcb的间隙中所述换能器体(多个体)的测量表面上，定位和结合应变计和电组件 在模块式换能器的情况下，在空间中布置和固定所述换能器部分，以实现多轴线测量能力。
18.如权利要求17或18所述的用于组装传感器装配件的方法，其中，提供了装备有用于容纳所述应变计(16)的间隙(13)的印刷电路板(12)，用于被层压到所述换能器体 (11)。
19.如前面权利要求17到19至少之一所述的用于组装传感器装配件的方法，其中，通过拾放机器完成所述应变计(16)在所述换能器(11)上或在所述印刷电路板(1 上的所述定位。
20.如前面权利要求17到20至少之一所述的用于组装传感器装配件的方法，其中，提供所述印刷电路板(12)，用于容纳所述应变计(16)的所述电触点(18)。
21.如前面权利要求17到21至少之一所述的用于组装传感器装配件的方法，其中，所述应变计(16)的电接触(18)通过配线结合制成。
22.如前面权利要求18到22至少之一所述的用于组装传感器装配件的方法，其中，将柔性印刷电路板(1 施加到多于一个的换能器体(11)，其中在第一步骤中，在一个平面中施加所有应变计(16)，并且在第二步骤中，所述换能器体(11)随后任意定位在已经安装所有相关连接的空间中，并且所述柔性印刷电路板(1 通过弯曲顺应不同平面的导向。
23.如前面权利要求17到23至少之一所述的用于组装传感器装配件的方法，其中，在安装所述应变计(16)的过程期间，安装所述传感器的所有其它电气和/或电子组件(18)。
24.如前面权利要求17到23至少之一所述的用于组装传感器装配件的方法，其中，精确标记要插入任何应变计的位置。
25.用于组装如权利要求14所述的传感器装配件的方法，其中，通过在所述换能器 (11)上或在所述印刷电路板(1 上激光标记生成标记，完成对要插入应变计(16)的任何位置的所述标记。
26.如权利要求沈所述的用于组装传感器装配件的方法，其中，由拾放机器的控制装置识别任何激光标记。
全文摘要
本发明涉及一种多轴线力/扭矩传感器装配件，包括每个都由应变计(16)构成的至少两个传感器的组，每个应变计相对彼此以确定的角度和距离布置，并且每个应变计固定到优选是金属体的换能器体(10)，换能器体直接或间接与印刷电路板(PCB)(12)机械接触，印刷电路板配备有用于每个应变计(16)的间隙(13)并配备有位于印刷电路板(12)的剩余区域上的相关联的电子组件(18)和配线(17)，印刷电路板将监测在传感器的测量方向上的压应力和拉应力。此外，它涉及一种用于组装根据前面权利要求至少之一的多轴线力/扭矩传感器装配件的方法，其中，传感器每个都由应变计(16)构成，方法包括以下步骤以确定的布置在换能器体(11)的平面测量表面上定位应变计(16)；借助于粘合剂将应变计(16)固定到换能器体(11)，并借助于电结合将计连接到相应导体。
文档编号G01L1/22GK102317750SQ200980156353
公开日2012年1月11日 申请日期2009年2月6日 优先权日2009年2月6日
发明者M·韦茨科, P·克里普纳, P·萨茨, T·布罗加尔德 申请人:Abb股份公司