一种多轴力传感器的制作方法

1.本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种多轴力传感器。


背景技术：

2.多轴力传感器主要包括有上台体、下台体以及位于上台体和下台体之间的多个测力柱，以形成一种弹性体结构。为了获得更高的测量精度及灵敏度，现有的多轴力传感器的测力柱的结构越来越复杂，如采用“工”字型结构的测力柱。“工”字型结构的测力柱，由于结构的限制，需要在上台体和下台体的周壁处分别开设有凹槽，以容置横向设置的测力臂，且由于测力柱一般为多个，因此，开设的凹槽则相应较多，造成多轴力传感器受力易变形、结构不紧凑、且需要额外增加更多的零件来实现密封以防水防尘。


技术实现要素：

3.针对以上不足，本实用新型提供一种多轴力传感器，能够解决现有技术中多轴力传感器存在的易变形、受力后变形大、结构不紧凑、动态响应频率不足等问题。
4.为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
5.一种多轴力传感器，包括有相向设置的上台体和下台体，所述上台体和下台体之间设置有多个测力柱，所述测力柱包括有横向测力臂和竖向测力臂，所述竖向测力臂的一端部与所述横向测力臂的中部相固连，所述横向测力臂的两端部分布与所述上台体的周壁相固连，所述竖向测力臂的另一端部与所述下台体相固连，所述横向测力臂的两端以及竖向测力臂上布置有应变片。
6.进一步地，所述竖向测力臂与所述横向测力臂的正中部相固连并互相垂直以使得所述测力柱形成t型结构；布置于所述横向测力臂的两端部上的应变片关于所述竖向测力臂对称设置；布置于所述竖向测力臂上的应变片位于所述竖向测力臂的中部。
7.进一步地，所述上台体的周壁处开设有第一凹槽，所述第一凹槽的数量与测力柱的数量相一致，所述横向测力臂的两端部分别与所述第一凹槽的两侧槽壁相固连。
8.进一步地，所述第一凹槽为三个以上，均匀分布在所述上台体的周壁处。
9.进一步地，所述下台体朝向上台体的端面处开设有数量与所述第一凹槽相一致的第二凹槽，所述竖向测力臂的另一端部与所述第二凹槽的槽底相固连；所述第二凹槽的深度与所述下台体开设所述第二凹槽位置处的厚度的比值不大于2/5。
10.进一步地，所述横向测力臂的中部设置有加固件，所述竖向测力臂的一端部与所述加固件相固连。
11.进一步地，所述的多轴力传感器还包括有保护外壳，所述保护外壳具有容腔，所述上台体固定安装在所述护外壳的容腔内，所述下台体的外周与所述保护外壳的容腔内壁具有间隙，且当所述上台体和下台体发生形变并过载时，所述下台体的外周能够与所述护外壳的容腔内壁相抵接以避免所述上台体和下台体之间的所述测力柱过载损坏。
12.进一步地，所述保护外壳的容腔内壁和所述下台体的外周侧壁之中的一个绕周向
开设有多个限位孔，另一个绕周向固定设有多个限位件，所述限位件局部位于所述限位孔内且与所述限位孔的孔壁具有间隙，且当所述上台体和下台体发生形变并过载时，所述限位件能够与所述护限位孔的孔壁相抵接以避免所述上台体和下台体的所述测力柱过载损坏。
13.进一步地，所述下台体的外周上绕周向开设有多个下台体销孔，所述限位件为销钉，固定在所述下台体销孔内并局部向外伸出下台体销孔，所述保护外壳的容腔内壁绕周向开设有多个保护壳销孔以形成所述限位孔，所述保护壳销孔贯穿所述保护外壳的侧壁。
14.进一步地，所述保护外壳的容腔内壁绕周向开设有多个保护壳销孔，所述保护壳销孔贯穿所述保护外壳的侧壁，所述限位件为销钉，固定在所述保护壳销孔内并局部向内伸出保护壳销孔，所述下台体的外周上绕周向开设有多个下台体销孔以形成所述限位孔。
15.进一步地，所述横向测力臂的中部设置有加固件，所述竖向测力臂的一端部与所述加固件相固连；所述加固件在远离竖向测力臂的侧面与所述保护外壳的容腔内壁之间具有间隙，且当所述上台体和下台体发生形变并过载时，所述限位件能够与所述护限位孔的孔壁相抵接以避免所述上台体和下台体的所述测力柱过载损坏。
16.进一步地，所述保护外壳在对应于保护壳销孔的位置处套设有保护套；所述保护套与下台体上覆盖有保护环。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
18.1、本实用新型所需的开槽相对较少，下台体无需开槽也即无需切除更多的材料，多轴力传感器受力不易变形、结构更为紧凑，且无需增加过多额外的零件来辅助实现下台体的密封以防水防尘；
19.2、相对更为完整的下台体的端面能够保证实现四个螺孔和一个销孔的连接结构形式，以符合协作机器人法兰iso标准；
20.3、测力柱为t型结构，t型梁结构刚度强，传感器受力后变形减少，动态响应频率明显提高。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
22.图1为本实用新型的多轴力传感器的结构示意图；
23.图2为本实用新型的多轴力传感器的剖视示意图；
24.图3为本实用新型中上台体、测力柱、下台体以及应变片一个视角下的结构示意图；
25.图4为本实用新型中上台体、测力柱、下台体以及应变片另一个视角下的结构示意图；
26.图5为本实用新型另一种实施例的多轴力传感器的剖视示意图。
27.其中，图中所示标记为：10-上台体；11-第一凹槽；20-下台体；21-第二凹槽；30-测力柱；31-横向测力臂；32-竖向测力臂；33-加固件；40-应变片；50-保护外壳；61-限位孔；62-限位件；63-固定套筒；60-保护套；70-保护环。
具体实施方式
28.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.在本实用新型的描述中 ，需要说明的是，术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二
”ꢀ
等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
31.请参照图1至图4，本实用新型提供一种多轴力传感器，主要包括有相向设置的上台体10和下台体20，上台体10和下台体20之间设置有多个测力柱30，上台体10、下台体20和测力柱30之间形成一种弹性体结构。其中，测力柱30包括有横向测力臂31和竖向测力臂32，竖向测力臂32的一端部与横向测力臂31的中部相固连，横向测力臂31的两端部分布与上台体10的周壁相固连，竖向测力臂32的另一端部与下台体20相固连，横向测力臂31的两端以及竖向测力臂32上布置有应变片40。
32.应变片40布置在横向测力臂31和竖向测力臂32的预定位置上，以当上台体10和下台体20受力时，测力柱30产生形变，进而应变件40发生机械形变，以实现力的检测。本实用新型中，测力柱30包括有横向测力臂31和竖向测力臂32，横向测力臂31的两端部分布与上台体10的周壁相固连，竖向测力臂32的一端部与横向测力臂31的中部相固连，另一端部与下台体20相固连，以此，测力柱30形成一种t型结构，该t型结构的测力柱30，仅需要在上台体10的周壁处设置横向测力臂31，而下台体20的周壁处没有横向测力臂31，则此时，所需的开槽相对较少，下台体20无需开槽也即无需切除更多的材料，多轴力传感器受力不易变形、结构更为紧凑，且无需增加过多额外的零件来辅助实现下台体20的密封以防水防尘；相对更为完整的下台体20的端面能够保证实现四个螺孔和一个销孔的连接结构形式，以符合协作机器人法兰iso标准；同时，测力柱30为t型结构，t型梁结构刚度强，传感器受力后变形减少，动态响应频率明显提高。
33.在优选的实施例中，竖向测力臂32与横向测力臂31的正中部相固连并互相垂直以使得测力柱30形成所述t型结构。布置于横向测力臂31的两端部上的应变片40关于竖向测力臂32对称设置；布置于竖向测力臂32上的应变片40位于竖向测力臂32的中部。应变片40可以位于横向测力臂31和/或竖向测力臂32的一侧，也可以是同时位于横向测力臂31和竖向测力臂32的两侧。可以理解的是，在一些优选的实施例中，应变件40可由若干个应变片通过一定的位置摆放关系构成，其中，应变片40可为电阻应变片，其是基于应变效应制成的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化。应变
片40也可为金属应变片，光学应变片等，不做具体限定。
34.本优选的实施例中，上台体10和下台体20整体均为圆柱状台体结构，当然，可以理解的是，在其他优选的实施例中，上台体10和下台体20的整体结构形状也可以为其他形式，如方形或其他形状。上台体10和下台体20互相正对并平行设置。
35.测力柱30为三个以上，本示例性的实施例中，优选为三个，其他优选的实施例中也可以为四个、五个或更多。多个测力柱30分布在上台体10和下台体20之间，且相应位于上台体10和下台体20的周壁处。多个测力柱30环绕一周均匀分布。
36.在优选的实施例中，上台体10的周壁处开设有第一凹槽11，第一凹槽11的数量与测力柱30的数量相一致，横向测力臂31的两端部分别与第一凹槽11的两侧槽壁相固连，且不与第一凹槽11的内壁相连，此时，横向测力臂31整体位于第一凹槽11内。第一凹槽11可以贯穿上台体10，也可以不贯穿。在示例性的实施例中，为了减少上台体10的整体厚度，上台体10在制备时厚度较小，此时，第一凹槽11完全贯穿上台体10，以使得第一凹槽11具有足够的空间容置横向测力臂31。
37.竖向测力臂32的另一端部可以直接与下台体20朝向上台体10的端面相连接。但是，为了进一步地减少上台体10和下台体20的整体体积，使得结构更为紧凑，上台体10和下台体20应尽可能地靠近。基于此，在优选的实施例中，下台体20朝向上台体10的端面处开设有数量与第一凹槽11相一致的第二凹槽21，第二凹槽21与第一凹槽11正对设置，竖向测力臂32的另一端部与第二凹槽21的槽底相固连，此时竖向测力臂32局部位于第二凹槽21，从而能够保持竖向测力臂32长度的情况下使得上台体10和下台体20进一步地靠近。
38.为了保证下台体20的整体结构，保证下台体20强度以及能够给下台体20的端面足够的位置开设螺孔和销孔，以及避免下台体20过度开槽而影响密封进而影响防水防尘，第二凹槽21的深度不宜过深，应在一个合理的范围内。示例性地，在优选的实施例中，第二凹槽21的深度与下台体20开设第二凹槽21位置处的厚度的比值不大于2/5。
39.本优选的实施例中，横向测力臂31的中部设置有加固件33，竖向测力臂32的一端部与加固件33相固连。加固件33的整体厚度要厚于横向测力臂31的厚度，加固件33用于在进行测量时，使得加固的位置对力的变化比较不敏感，而在未设置有加固件33的地方对力的变化比较敏感，增加测量的灵敏度和精度。
40.本实用新型中，横向测力臂31与上台体10、以及竖向测力臂32与下台体20连接的位置处圆弧过渡，而当设置有加固件33时，横向测力臂31和竖向测力臂32与加固件33连接的位置处圆弧过渡，通过圆弧过渡，够增强连接的可靠性，避免在连接处开裂或断裂，同时能够使得连接位置对力的变化比较不敏感，此时相应地设置应变片40的位置对力的变化比较敏感，增加测量的灵敏度和精度。
41.本实用新型的多轴力传感器，还包括有保护外壳50，保护外壳50具有容腔并使得保护外壳50形成一个具有敞口的空腔结构，上台体10和下台体20容置在保护外壳50内，上台体10固定安装在护外壳50的容腔内，下台体20的外周与保护外壳50的容腔内壁具有间隙，且当上台体10和下台体20发生形变并过载时，下台体20的外周能够与保护外壳50的容腔内壁相抵接以避免上台体10和下台体20之间的测力柱30过载损坏。下台体20位于保护外壳50的容腔内，且下台体20的外周与保护外壳50的容腔内壁具有间隙以保证具有一定的空间以使得上台体10和下台体20受力时测力柱30产生形变。而保护外壳50的容腔内壁又具有
限位作用，以当上台体10和下台体20发生形变并过载时，下台体20的外周能够与保护外壳50的容腔内壁相抵接而无法继续形变，从而能够避免上台体10和下台体20之间的测力柱30过载损坏。
42.可以理解的是，下台体20的外周与保护外壳50的容腔内壁之间的间隙大小应合理，一方面需要有足够的间隙给上台体10和下台体20发生形变，另一方面需要在上台体10和下台体20发生形变并过载时，能够使得下台体20的外周能够及时保护外壳50的容腔内壁相抵接以避免继续形变而产生过载损坏。下台体20的外周与保护外壳50的容腔内壁之间的间隙在各个位置处相一致，在一种示例性的优选实施例中，下台体20整体为圆柱状台体结构，此时，保护外壳50的容腔也为圆形容腔，且两者同轴设置。
43.本实用新型中，下台体20是完整的，其外周侧壁连续，因此，下台体20与保护外壳50的容腔内壁之间均具有360
°
周向的、一致的、微少的间隙，当传感器过载时，这个间隙可提供360
°
的过载保护。而现有的下台体的外周侧壁不连续的多轴力传感器，即使是设置保护外壳50以实现过载限位，也因外周侧壁不连续而无法实现对每个工况（力加载点）都能提供保护。
44.在优选的实施例中，请参照图1至图4，保护外壳50的容腔内壁绕周向开设有多个限位孔61，多个限位孔61均匀分布，下台体20的外周上绕周向设有多个限位件62，限位件62凸伸出下台体20的外周并位于限位孔61内且与限位孔61的孔壁具有间隙，且当上台体10和下台体20发生形变并过载时，限位件62能够与护限位孔61的孔壁相抵接以避免上台体10和下台体20的测力柱30过载损坏。
45.限位件62与限位孔61的孔壁具有间隙，以保证具有一定的空间以使得上台体10和下台体20受力时测力柱30能够产生形变。而限位孔61的孔壁又具有限位作用，以当上台体10和下台体20发生形变并过载时，限位件62能够与限位孔61的孔壁相抵接而无法继续形变，从而能够避免上台体10和下台体20之间的测力柱30过载损坏。可以理解的是，限位件62与限位孔61的孔壁之间的间隙大小应合理，一方面需要有足够的间隙给上台体10和下台体20发生形变，另一方面需要在上台体10和下台体20发生形变并过载时，能够使得限位件62与限位孔61的孔壁及时相抵接以避免继续形变而产生过载损坏。
46.在一种示例性的实施例中，如图2所示，下台体20的外周上绕周向开设有下台体销孔，限位件62为销钉，固定在下台体销孔内并局部向外伸出下台体销孔，护外壳50的容腔内壁绕周向开设有多个保护壳销孔以形成限位孔61，保护壳销孔贯穿保护外壳50的侧壁。贯穿保护外壳50的侧壁的保护壳销孔能够便于为销钉的限位件62进入并下台体销孔并通过过盈配合固定在下台体销孔内，也即便于限位件62的安装固定。优选的实施例中，限位件62为圆柱状销钉，相应的，下台体销孔为圆形销孔，限位件62与下台体销孔同轴设置。
47.在另一种示例性的实施例中，请参照图5，保护外壳50的容腔内壁绕周向开设有多个保护壳销孔，保护壳销孔贯穿保护外壳50的侧壁，限位件62为销钉，固定在保护壳销孔内并局部向内伸出保护壳销孔，下台体20的外周上绕周向开设有多个下台体销孔以形成限位孔61。优选的实施例中，限位件62为圆柱状销钉，相应的，保护壳销孔为圆形销孔，限位件62与保护壳销孔同轴设置。本优选的实施例中，限位件62通过套筒状的固定套筒63固定在保护外壳50上，固定套筒63优选采用不锈钢材质，以具有一定的强度，限位件62的一端部固定套在固定套筒63内，固定套筒63套入保护壳销孔内并实现过盈配合，从而实现限位件62固
定在保护外壳50上。
48.不管是在保护外壳50的容腔内壁开设限位孔61、下台体20的外周上设置限位件62，还是在下台体20的外周侧壁开设限位孔61、保护外壳50的容腔内壁上设置限位件62，都能够有助于限位孔61和限位件62的加工或安装固定，也有助于实现限位孔61和限位件62的对中，以助于实现全方位、全角度的过载防护。
49.进一步地，测力柱30上具有加固件33，加固件33在远离竖向测力臂32的侧面与保护外壳50的容腔内壁之间具有间隙，且当上台体10和下台体20发生形变并过载时，限位件62能够与护限位孔61的孔壁相抵接以避免上台体10和下台体20的测力柱30过载损坏。同理的，加固件33在远离竖向测力臂32的侧面与保护外壳50的容腔内壁之间的间隙大小应合理，加固件33与保护外壳50的容腔内壁之间具有间隙能够保证有足够的间隙给上台体10和下台体20发生形变，且能够在上台体10和下台体20发生形变并过载时，加固件33在远离竖向测力臂32的侧面能够及时保护外壳50的容腔内壁相抵接以避免继续形变而产生过载损坏。通过该设置，能够有效避免测力柱30的过载损坏，尤其是对与竖向测力臂32的延伸方向相一致的载荷，配合限位件62和限位孔61，其过载保护效果明显。
50.本实用新型的多轴力传感器，通过下台体20的外周与保护外壳50的容腔内壁之间的配合、限位件62与护限位孔61的孔壁之间的配合以及加固件33与保护外壳50的容腔内壁之间的配合等，能够有效避免上台体10和下台体20之间的测力柱30发生过载损坏。
51.保护外壳50在对应于保护壳销孔的位置处套设有保护套60，保护套60能够套设住保护壳销孔孔口以实现密封，达到防水防尘的目的。保护套60与下台体20上覆盖有保护环70，保护环70覆盖在保护套60与下台体20的连接位置处以实现密封，达到防水防尘的目的。保护套60和保护环70可以为柔性的橡胶、硅胶，或者是液态胶水凝固后形成的具有柔性的膜状的固态结构，当然也可以为其他材质。
52.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。