[发明专利]整体预紧双层上下对称八杆并联结构六维力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种力传感器设计制造领域，特别是涉及一种整体预紧双层上下对称八杆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

传感器在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着重要作用，传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一。六维力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，可用于监测方向和大小不断变化的力和测量加速度或惯性力等。它广泛应用于精密装配、自动磨削、轮廓跟踪、双手协调、零力示教等作业中，同时在机器人、航空、航天、机械加工及汽车等领域中也有重要的应用价值。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，并取得多种专利技术，如：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弹性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，提高传感器的整体刚度，然而整个结构通过中间预紧支路预紧封闭，所需预紧力较大，且预紧支路结构较为复杂，很难保证其只承受沿轴线方向的作用力，使得测量精度受到影响。

发明内容

为了克服现有六维力传感器存在的上述不足，本发明提供一种整体预紧双层上下对称八杆并联结构六维力传感器，该传感器不仅能够检测三维空间的力与力矩，同时还具有结构简单、刚度大、校准方便、精度高、经济性好和模块化程度高等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该传感器由底座、测力平台、预紧平台、十六个球窝座、八个检测构件和预紧螺栓组成，球窝座通过螺栓连接到底座、测力平台和预紧平台上，八个检测构件两端锥头与球窝座上的球窝相连，采用单向约束的球窝锥头式球面副替代传统双向约束的球面副，这样检测构件分为两组，其中的四个检测构件分布在测力平台的上侧，另外的四个分布在测力平台的下侧，预紧平台和底座通过预紧螺栓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。检测构件的两端为锥形球头，其中部装有力敏元件，力敏元件可选择应变式或压电式。

本发明的有益效果是：该传感器结构简单、测量原理简便；取消了传统结构的球铰，结构大为简化，调整工作量大为减少，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；采用整体预紧式结构方案，不存在过零问题，非线性和迟滞误差将减小，使传感器的刚度增加；该传感器的测力平台上下两侧均分布有检测构件，可使测力平台承受更大的颠覆力矩；该预紧方式简单、可靠，可有效提高预紧效果，进而保证传感器的测量精度；传感器由分离元件组装而成，成本低，便于加工制造，实现模块化、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。

附图说明

图1是整体预紧双层上下对称八杆并联结构六维力传感器的结构示意图；

图2是检测构件与球窝座连接示意图；

图3是球窝锥头式球面副的结构示意图。