一种拉压双向解耦并联三维力传感器的制造方法
【专利摘要】一种拉压双向解耦并联三维力传感器，其外框上设有加载板，加载板上设有中心连线为正三角形的三个螺母，与螺母啮合的支撑螺柱下端与测力板连接，测力板侧面设有三个中心线互成120°夹角的水平调整螺栓，其螺栓头位于外框外，在测力板上还设有中心连线也呈正三角形的三个垂向调整螺栓，其下端置于外框底板上。上述测力板与外框之间设有四条测力支链，其中设在测力板侧面的三条水平测力支链结构相同，它们的中心线在同一水平面上，并交于测力板上的一点且互成120°夹角，在测力板下面设有中心线与三条水平测力支链中心线垂直并过其交点的垂向测力支链。本发明维间耦合小，测量精度高，结构简单紧凑，装配调试方便，易于实现三维拉压力的双向解耦测量。
【专利说明】一种拉压双向解耦并联三维力传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多维力传感器。
【背景技术】
[0002]多维力传感器研制的关键是力敏感元件的结构设计，为此人们已提出了一些实现方案，例如，专利ZL93224329.0公开了一种具有十字梁结构的六维力传感器，采用一体化结构，具有刚度高、结构紧凑等优点。专利ZL200810025591.2公开了一种正交串联线弹性体式六维力传感器结构，具有结构简单、易于微型化等优点，但传感器结构均具有一定程度的维间耦合。多维测力传感器在测量多维力时维间耦合是普遍存在的现象，这严重影响了传感器的测量精度。目前，普遍使用的三维力传感器是在单维力传感器基础上通过增加多组贴片而制成，大都存在着维间耦合现象，因此为达到准确测量的目的，需采用复杂的解耦技术以减小维间耦合误差，当前维间解耦问题已成为多维力传感器技术发展的关键与瓶颈所在。专利ZL200810019550.2公开了一种气浮式多维力传感器及多维力测量方法，该传感器在原理上可实现解耦测量，但需建立在难以实现的对气体精确控制的基础上。专利ZL201210117654.3公开了一种使用一维力传感器组合成的三维力传感器，其采用钢球解耦实现了压向力解耦测量，但不能实现拉向力的解耦测量。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种维间耦合小，测量精度高，可以实现拉压力解耦测量，结构简单、成本较低的拉压双向解耦并联三维力传感器。
[0004]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:拉压双向解耦并联三维力传感器主要包括有螺母、支撑螺柱、加载板、外框、测力板和四条测力支链。其中外框为下端封闭的多棱柱形壳体或架体，该外框的截面有三个边的垂直平分线相交于一点并互成120°夹角，最好外框截面为正六边形或由等长的三个长边和等长的三个短边相间连接组成的六边形。外框上端开口设有将其覆盖的端盖即加载板，该加载板上设三个带槽的通孔，三个通孔中心连线为正三角形。上述通孔槽内设有螺母，与螺母啮合的支撑螺柱上端穿过通孔并且加载板置于螺柱的凸台上，用于支撑加载板，支撑螺柱下端与设在测力板上对应的螺孔螺纹连接。上述设在外框内的测力板为与外框、加载板平行的平板块，一端与该测力板侧面接触的水平调整螺栓与外框上三个中心线延长线交于一点且互成120°夹角的螺孔通过螺纹连接，螺栓头位于外框外，通过该三个水平调整螺栓调整测力板的水平位置并固定，使测力板侧中心线与外框中心线重合。在测力板上还设有另外三个螺孔，该三个螺孔的中心线也呈正三角形。该螺孔与垂向调整螺栓顶部螺纹连接，该垂向调整螺栓下端置于外框底板上，通过该三个垂向调整螺栓调整测力板的高度并固定，使测力板侧壁上的安装螺孔中心线与水平测力支链安装孔在同一条直线上。上述测力板与外框之间设有四条测力支链，其中设在测力板侧面的三条水平测力支链结构相同，它们的中心线在同一水平面上，并交于测力板上的一点且互成120°夹角，在测力板下面设中心线与三条水平测力支链中心线垂直并过其交点的垂向测力支链。最好垂向测力支链的中心线与测力板的中心线重合。上述三条水平测力支链主要包括压头A、球杆A、套筒A、一维拉压力传感器A、锁紧螺母A和传感器安装螺钉A。其中，设在测力板侧壁上的三个安装螺孔分别与一个水平测力支链同中心线，每个安装螺孔各与一个水平压头A的小直径端螺纹连接，该水平压头A的大直径端外周面设有螺纹，其与圆槽形水平套筒A内槽壁螺纹连接，该水平压头A的大直径端面为内凹的弧面，其与水平球杆A的球头相接触，该由球头和直杆部分组成的水平球杆A其球头与套筒A底部的锥形通孔相切，调整套筒A可使压头与球杆同轴线。该水平球杆A的直杆部分为螺杆，其与由安装螺钉A固定在外框内的一维拉压力传感器A中心螺孔螺纹连接，螺杆端部伸到外框与其对应的通孔外，由水平锁紧螺母A锁紧其与外框的相对位置。该水平球杆A直杆部分端顶设内六角凹槽，用于调整水平压头A与水平球杆A球头的间隙。
[0005]垂向测力支链中心线与设在测力板侧面的三条水平测力支链中心线垂直并过其交点。该垂向测力支链主要包括锁紧螺母B、螺筒、锁紧螺母C、球杆B、套筒B、压头B、一维拉压力传感器B和传感器安装螺钉B。在测力板上设有与垂向测力支链中心线重合的螺孔，该螺孔与具有等螺距内外螺纹的螺筒螺纹连接，该螺筒伸到测力板外面的部分设有锁紧螺母C，用该螺母锁紧螺筒与测力板相对位置。在螺筒内设有与其螺纹连接的竖直球杆B的直杆部分，该由球头和直杆部分组成的竖直球杆B其直杆伸到螺筒外面的部分设有锁紧螺母B，用该螺母锁紧螺筒与竖直球杆B的相对位置。该竖直球杆B直杆部分端顶设内六角凹槽，用于调整竖直压头B与竖直球杆B球头的间隙。该竖直球杆B的球头位于圆槽形竖直套筒B内且与竖直套筒B顶部的锥形通孔相切。该竖直套筒B内槽壁与竖直压头B的大直径端外周面螺纹连接，竖直球杆B的球头则与竖直压头B的大直径端面的内凹弧面相接触。该竖直压头B的直杆部分为螺杆，其与一维拉压力传感器B中心螺孔螺纹连接，该一维拉压力传感器B由安装螺钉B固定在外框底板上。
[0006]本发明的工作原理:水平测力支链中的球杆A的球头分别与压头A的内凹弧面、套筒A的锥形孔相切，可以实现球杆A球头的微小滚动，进而实现分支内拉压力的解耦测量。垂向测力支链中球杆B的球头分别与压头B的内凹弧面、套筒B的锥形孔相切，可以实现球杆B球头的微小滚动，进而实现分支内拉压力的解耦测量。
[0007]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0008]1、用4个一维拉压力传感器组合成拉压双向解耦并联三维力传感器，测力支链内采用球头与内凹弧面和锥形孔滚动接触，滚动摩擦代替了传统的滑动摩擦，减小了摩擦力，实现了拉压双向机械解耦，其维间耦合小，测量精度高。
[0009]2、结构简单紧凑，装配调试方便，易于实现三维拉压力的解耦测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明立体示意图；
[0011]图2为本发明立体局剖示意图；
[0012]图3为本发明俯视局剖示意图；
[0013]图4为本发明主视局剖示意图；
[0014]图5为本发明水平测力支链剖面示意图；
[0015]图6为本发明垂向测力支链剖面示意图。
[0016]图中:1.螺母、2.加载板、3.测力板、4.水平调整螺栓、5.外框、6.支撑螺柱、7.垂向调整螺栓、8.水平测力支链、8-1.压头Α、8-2.套筒Α、8-3.球杆Α、8_4.—维拉压力传感器Α、8-5.锁紧螺母Α、8-6.传感器安装螺钉Α、9.垂向测力支链、9-1.锁紧螺母Β、9_2.锁紧螺母C、9-3.螺筒、9-4.球杆B、9-5.套筒B、9_6.压头B、9_7.—维拉压力传感器B、9_8.传感器安装螺钉B。
【具体实施方式】
[0017]在图1、图2、图3和图4所示的一种拉压双向解耦并联三维力传感器的示意图中，外框为下端封闭的正六棱柱形壳体，该外框的截面有三个边的垂直平分线相交于一点并互成120°夹角。外框上端开口设有将其覆盖的端盖即加载板，该加载板上设三个带槽的通孔，三个通孔中心连线为正三角形。上述通孔槽内设有螺母，与螺母啮合的支撑螺柱上端穿过通孔并且加载板置于螺柱的凸台上，支撑螺柱下端与设在测力板上对应的螺孔螺纹连接。上述设在外框内的测力板为与外框、加载板平行的平板块，一端与该测力板侧面接触的水平调整螺栓与外框上三个中心线延长线交于一点且互成120°夹角的螺孔通过螺纹连接，螺栓头位于外框外，通过该三个水平调整螺栓调整测力板的水平位置并固定，使测力板侧中心线与外框中心线重合。在测力板上还设有另外三个螺孔，该三个螺孔的中心线也呈正三角形。该螺孔与垂向调整螺栓顶部螺纹连接，该垂向调整螺栓下端置于外框底板上。上述测力板与外框之间设有四条测力支链，其中设在测力板侧面的三条水平测力支链结构相同，它们的中心线在同一水平面上，并交于测力板上的一点且互成120°夹角，在测力板下面设中心线与三条水平测力支链中心线垂直并过其交点的垂向测力支链。垂向测力支链的中心线与测力板的中心线重合。在图5所示的本发明水平测力支链剖面示意图中，三条水平测力支链主要包括压头A、球杆A、套筒A、一维拉压力传感器A、锁紧螺母A和传感器安装螺钉A。其中，设在测力板侧壁上的三个安装螺孔分别与一个水平测力支链同中心线，每个安装螺孔各与一个水平压头A的小直径端螺纹连接，该水平压头A的大直径端外周面设有螺纹，其与圆槽形水平套筒A内槽壁螺纹连接，该水平压头A的大直径端面为内凹的弧面，其与水平球杆A的球头相接触，该由球头和直杆部分组成的水平球杆A其球头与套筒底部的锥形通孔相切。该水平球杆A的直杆部分为螺杆，其与由安装螺钉A固定在外框内的一维拉压力传感器A中心螺孔螺纹连接，螺杆端部伸到外框与其对应的通孔外，由水平锁紧螺母A锁紧其与外框的相对位置。该水平球杆A直杆部分端顶设内六角凹槽。在图6所示的本发明垂向测力支链剖面示意图中，垂向测力支链中心线与设在测力板侧面的三条水平测力支链中心线垂直并过其交点。该垂向测力支链主要包括锁紧螺母B、螺筒、锁紧螺母C、球杆B、套筒B、压头B、一维拉压力传感器B和传感器安装螺钉B。在测力板上设有与垂向测力支链中心线重合的螺孔，该螺孔与具有等螺距内外螺纹的螺筒螺纹连接，该螺筒伸到测力板外面的部分设有锁紧螺母C，用该螺母锁紧螺筒与测力板相对位置。在螺筒内设有与其螺纹连接的竖直球杆B的直杆部分，该由球头和直杆部分组成的竖直球杆B其直杆伸到螺筒外面的部分设有锁紧螺母B，该竖直球杆B直杆部分端顶设内六角凹槽，该竖直球杆B的球头位于圆槽形竖直套筒B内且与竖直套筒B顶部的锥形通孔相切。该竖直套筒B内槽壁与竖直压头B的大直径端外周面螺纹连接，竖直球杆B的球头则与竖直压头B的大直径端面的内凹弧面相接触。该竖直压头B的直杆部分为螺杆，其与一维拉压力传感器B中心螺孔螺纹连接，该一维拉压力传感器B由安装螺钉B固定在外框底板上。
【权利要求】
1.一种拉压双向解耦并联三维力传感器，主要包括有螺母、支撑螺柱、加载板、外框、测力板和四条测力支链，其特征在于:外框为下端封闭的多棱柱形壳体或架体，该外框的截面有三个边的垂直平分线相交于一点并互成120°夹角，外框上端开口设有将其覆盖的加载板，该加载板上设三个带槽的通孔，三个通孔中心连线为正三角形，上述通孔槽内设有螺母，与螺母啮合的支撑螺柱上端穿过通孔并且加载板置于螺柱的凸台上，支撑螺柱下端与设在测力板上对应的螺孔螺纹连接，上述设在外框内的测力板为与外框、加载板平行的平板块，一端与该测力板侧面接触的水平调整螺栓与外框上三个中心线延长线交于一点且互成120°夹角的螺孔通过螺纹连接，螺栓头位于外框外，在测力板上还设有另外三个螺孔，该三个螺孔的中心线也呈正三角形，该螺孔与垂向调整螺栓顶部螺纹连接，该垂向调整螺栓下端置于外框底板上，上述测力板与外框之间设有四条测力支链，其中设在测力板侧面的三条水平测力支链结构相同，它们的中心线在同一水平面上，并交于测力板上的一点且互成120°夹角，在测力板下面设中心线与三条水平测力支链中心线垂直并过其交点的垂向测力支链。
2.根据权利要求1所述的拉压双向解耦并联三维力传感器，其特征在于:上述三条水平测力支链主要包括压头A、球杆A、套筒A、一维拉压力传感器A、锁紧螺母A和传感器安装螺钉A，设在测力板侧壁上的三个安装螺孔分别与一个水平测力支链同中心线，每个安装螺孔各与一个水平压头A的小直径端螺纹连接，该水平压头A的大直径端外周面设有螺纹，其与圆槽形水平套筒A内槽壁螺纹连接，该水平压头A的大直径端面为内凹的弧面，其与水平球杆A的球头相邻，该由球头和直杆部分组成的水平球杆A其球头与套筒底部的锥形通孔相切，该水平球杆A的直杆部分为螺杆，其与由安装螺钉A固定在外框内的一维拉压力传感器A中心螺孔螺纹连接，螺杆端部伸到外框与其对应的通孔外，由水平锁紧螺母A锁紧其与外框的相对位置，该水平球杆A直杆部分端顶设内六角凹槽。
3.根据权利要求1所述的拉压双向解耦并联三维力传感器，其特征在于:垂向测力支链中心线与设在测力板侧面的三条水平测力支链中心线垂直并过其交点，该垂向测力支链主要包括锁紧螺母B、螺筒、锁紧螺母C、球杆B、套筒B、压头B、一维拉压力传感器B和传感器安装螺钉B，在测力板上设有与垂向测力支链中心线重合的螺孔，该螺孔与具有等螺距内外螺纹的螺筒螺纹连接，该螺筒伸到测力板外面的部分设有锁紧螺母C，在螺筒内设有与其螺纹连接的竖直球杆B的直杆部分，该由球头和直杆部分组成的竖直球杆B其直杆伸到螺筒外面的部分设有锁紧螺母B，该竖直球杆B直杆部分端顶设内六角凹槽，该竖直球杆B的球头位于圆槽形竖直套筒B内且与竖直套筒B顶部的锥形通孔相切，该竖直套筒B内槽壁与竖直压头B的大直径端外周面螺纹连接，竖直球杆B的球头则与竖直压头B的大直径端面的内凹弧面相接触，该竖直压头B的直杆部分为螺杆，其与一维拉压力传感器B中心螺孔螺纹连接，该一维拉压力传感器B由安装螺钉B固定在外框底板上。
4.根据权利要求1所述的拉压双向解耦并联三维力传感器，其特征在于:外框截面为正六边形或由等长的三个长边和等长的三个短边相间连接组成的六边形。
5.根据权利要求1或3所述的拉压双向解耦并联三维力传感器，其特征在于:垂向测力支链的中心线与测力板的中心线重合。
【文档编号】G01L5/16GK104236781SQ201410451751
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】赵延治, 翁大成, 牛智, 段连国, 杨真真 申请人:燕山大学