专利名称：左右预紧式并联结构六维力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种力传感器设计制造领域，特别是涉及一种左右预紧式并联结构六维力传感器，可用于测试空间的三维力分量和力矩分量。
背景技术：
随着科学技术的迅速发展，在测量、控制及信息技术等领域对传感器的要求越来越高，传感器技术已成为高新技术的核心之一，在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着十分重要的作用。力传感器是传感器中最基本的一种，由于传统的单向力传感器不能全面地测量多维力和力矩，因此多维力传感器在许多领域得到充分的发展和应用。而六维力与力矩传感器以其能够感知外力和力矩的全部信息而成为最重要的一类传感器，当今世界发达国家对其发展极为重视，视为涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之一，将其列入国家科技发展战略计划之中。
在六维力传感器研究中，力敏感元件的结构设计是其中的关键核心问题，力敏感元件的结构将影响传感器的灵敏度、刚度、动态性能和维间耦合等最关键的因素，在很大程度上决定着传感器性能的优劣。一些学者提出并研究了多种六维力传感器的结构，并取得多项专利，中国专利ZL93224329.0公开了一种具有十字梁结构的六维力传感器，中国专利ZL99102421.4公开了一种具有弹性铰链六维力与力矩传感器，两者皆为一体化结构，具有刚度高、结构紧凑等优点，但各测量敏感部位都存在一定程度的力耦合，无法实现完全解耦，并且从微型传感器到大型的测试平台很难用同样的结构实现。
传统的斯图尔特(Stewart)平台结构六维力传感器，其特点是传感器由各检测构件通过球面副与上下平台联接而成。当受六维外力作用时，不考虑各球面副摩擦及构件自重的情况下，其六个支承构件只承受沿两个球面副中心连线方向的拉力或压力，可实现无应力耦合的六维力测量。应用时可通过测出六个检测构件所受的轴向力，利用标定变换矩阵一一对应的映射到平台上，进而求出平台所受六维外力。其测量原理简单，但存在以下主要问题结构较为复杂；十二个球面副需分别调整和预紧，调整工作量大；传统球面副接触面积很大，摩擦力矩较大，易产生较大的应力耦合和维间耦合并且很难解耦；传统球面副易产生间隙，使得测力平台受力过零性差，当所承受的外力方向改变时，线性度不好，容易产生迟滞现象等。中国专利ZL99102526.1公开的整体预紧平台式六维力传感器，其结构是在传统斯图尔特平台结构的上、下平台之间，增设一个中间预紧支路，利用该预紧支路拉紧上、下平台，对传感器进行整体预紧，同时预紧各球副，消除间隙，提高了传感器的整体刚度，然而此中间预紧式六维力传感器结构在原理上已经是一个超静定结构，并且需要七个检测构件，标定方法较为复杂。
发明内容
针对现有六维力传感器存在的力耦合或标定方法复杂等不足，本发明提供一种左右预紧式并联结构六维力传感器，可同时检测空间的三维力分量和力矩分量，具有结构简单、校准方便、刚度高、模块化程度高等优点，且便于形成精密化和系列化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是所述传感器由左预紧平台、测力平台、右预紧平台、六个检测构件、螺栓-螺母等整体预紧组装而成。六个检测构件分为两组，其中的三个检测构件分布在测力平台的左侧，另外的三个检测构件分布在测力平台的右侧，左右两侧预紧平台通过预紧螺栓-螺母联接，对传感器进行整体预紧，消除各球面副的间隙，提高传感器的整体刚度。六个检测构件采用单向约束的球窝锥头式球面副替代传统的双向约束的球面副与两侧联接；左、右预紧平台各有三个球窝，测力平台左、右两侧各有三个球窝，且位于同一平面的三个球窝分布在同一圆周上；检测构件上附有力敏元件且检测构件两端为锥头结构，力敏元件可选择应变式、压电式等；左右预紧平台联接处通过螺栓-螺母施加联接预紧力。
本发明的有益效果是保持了传统结构斯图尔特平台六维力传感器的优点；取消了传统结构的球铰，结构大为简化，使调整工作量减少，易于实现标准化、通用化；组成球面副的锥头与球窝的接触面积小，使摩擦力矩减小，各弹性构件力敏感部位的应力耦合降低；采用预紧式结构方案，不存在过零问题，非线性和迟滞误差减小，使传感器的刚度增加；该六维力传感器仍为力静定结构，传感器所受外力和测量支路之间的映射关系易于求解，校准方便；传感器由分离元件组装而成，成本低，便于加工制造。
图1是左右预紧式并联结构六维力传感器的结构示意图；图2是左右预紧式并联结构六维力传感器的外形图；图3是左右预紧式并联结构六维力传感器的前视图；图4是左预紧平台的结构示意图；图5是测力平台的结构示意图；图6是球窝锥头式球面副的结构示意图。
在图1中，1.测力平台，2.右预紧平台，3.检测构件，4.螺栓，5.螺母，6.左预紧平台。
具体实施例方式
左右预紧式并联结构六维力传感器(见图1)，由左预紧平台6、测力平台1、右预紧平台2、六个检测构件3以及螺栓4和螺母5组成。左预紧平台6为半敞开式壳体构件，左预紧平台6的左侧板内表面分布着三个球窝，三个球窝均匀分布在同一圆周上，圆周以左侧板内侧矩形平面几何中心为圆心。左预紧平台6两侧板的凸缘上开设有螺栓孔，左预紧平台底板两侧边缘也开设有螺栓孔。右预紧平台2与左预紧平台6的结构相同且相互对称的半敞开式壳体构件，右预紧平台2的右侧板内侧分布着三个球窝，三个球窝均匀分布在同一圆周上，圆周以右侧板内侧矩形平面几何中心为圆心，右预紧平台两侧板的凸缘上开设有螺栓孔，右预紧平台底板两侧边缘也开设有螺栓孔。测力平台1由立板和横板组成，立板与横板垂直且位于横板的中部，测力平台1立板的左右两侧分布着三个球窝，三个球窝均匀分布在同一圆周上；左、右两侧预紧平台内侧球窝所在圆周的圆心以及测力平台立板左、右两侧球窝所在圆周的圆心在同一条直线上；六个检测构件分为两组，其中的三个检测构件分布在测力平台1立板的左侧，另外的三个检测构件分布在测力平台1立板的右侧；检测构件3通过球窝锥头式球面副与左预紧平台6、右预紧平台2和测力平台1联接；检测构件3上装有力敏元件，检测构件3两端为锥头结构，力敏元件可选择应变式、压电式等；左预紧平台6、右预紧平台2联接处通过螺栓4、螺母5施加联接预紧力。
本发明的左右预紧式并联结构六维力传感器，结构简单、测量原理简便；消除了各球面副的间隙，大大降低了各球面副的摩擦力矩，减小了非线性和迟滞误差；由分离元件组装而成，成本低廉、经济性好，便于加工制造，易于形成精密化和系列化，从微型传感器到大型的测试平台都可以用同样的结构实现。可应用于机器人、航空航天领域等各种需要六维力测量的领域。
权利要求
1.一种左右预紧式并联结构六维力传感器，包括螺栓(4)和螺母(5)，其特征是左预紧平台(6)为半敞开式壳体构件，右预紧平台(2)与左预紧平台(6)的结构相同且相互对称，六个检测构件(3)分成两组分别分布在测力平台(1)立板的两侧，左、右预紧平台(6，2)通过联接螺栓(4)、螺母(5)将检测构件(3)及中间测力平台(1)预紧封闭，六个检测构件(3)与测力平台(1)和左、右预紧平台(6，2)皆通过球窝锥头式球面副联接。
2.根据权利要求1所述的左右预紧式并联结构六维力传感器，其特征是左预紧平台6的左侧板内表面分布着三个球窝，三个球窝均布在同一圆周上，该圆周以左侧板内侧矩形平面几何中心为圆心，左预紧平台6两侧板的凸缘上开有螺栓孔，左预紧平台底板两侧边缘也开有螺栓孔。
3.根据权利要求1所述的左右预紧式并联结构六维力传感器，其特征是右预紧平台2的右侧板内侧分布着三个球窝，三个球窝均布在同一圆周上，该圆周以右侧板内侧矩形平面几何中心为圆心，右预紧平台两侧板的凸缘上开有螺栓孔，右预紧平台底板两侧边缘也开有螺栓孔。
4.根据权利要求1所述的左右预紧式并联结构六维力传感器，其特征是测力平台(1)立板的左右两侧各分布三个球窝，三个球窝均布在同一圆周上。
5.根据权利要求2、3、4所述的左右预紧式并联结构六维力传感器，其特征是左、右两侧预紧平台(6，2)内侧球窝所在圆周的圆心以及测力平台(1)立板左、右两侧球窝所在圆周的圆心在同一条直线上。
6.根据权利要求1所述的左右预紧式并联结构六维力传感器，其特征是六个检测构件(3)分为两组，其中一组检测构件(3)分布在测力平台1立板的左侧，另一组检测构件(3)分布在测力平台1立板的右侧。
7.根据权利要求6所述的左右预紧式并联结构六维力传感器，其特征是检测构件3两端为锥头结构，其上装有力敏元件。
全文摘要
本发明公开一种左右预紧式并联结构六维力传感器。其特征是左预紧平台(6)为半敞开式壳体构件，右预紧平台(2)与左预紧平台(6)的结构相同且相互对称，六个检测构件(3)分成两组分别分布在测力平台(1)立板的两侧，左、右预紧平台(6，2)通过联接螺栓(4)、螺母(5)将检测构件(3)及中间测力平台(1)预紧封闭，六个检测构件(3)与测力平台(1)和左、右预紧平台(6，2)皆通过球窝锥头式球面副联接。该传感器结构简单、测量原理简便；消除了各球面副的间隙，降低了各球面副的摩擦力矩，减小了非线性和迟滞误差；成本低、便于加工制造，易于形成精密化和系列化。可应用于机器人、航空航天等各种需要六维力检测的场合。
文档编号G01L1/20GK101038221SQ20071006152
公开日2007年9月19日 申请日期2007年2月10日 优先权日2007年2月10日
发明者姚建涛, 侯雨雷, 鹿玲, 赵永生 申请人:燕山大学