CN1112577C - 整体预紧平台式六维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型六维力传感器。属于力传感器设计制造领域。该六维力传感器包括上平台，下平台，六个沿两个平台周边分布的支撑杆和一个联结两个平台中心的螺旋机构，六个支撑杆通过钢球式球面副或圆锥式球面副与两个平台相联，中间的螺旋机构通过反向球面副与两个平台相联。中间支路可对传感器进行整体预紧，消除各球面副的间隙，提高整体刚度。
Description
本发明涉及一种六维力传感器。属于力传感器设计制造领域。
在多维力传感器研究中，力敏感元件的结构设计是力传感器的关键核心问题，因为力敏感元件的结构决定力传感器的性能优劣。国内和国际上有许多学者研究多维力传感器的力敏感元件结构设计问题。到目前人们提出和应用的六维力传感器有：三垂直筋结构的六维力传感器，筒形六维力传感器，双环形六维力传感器，四垂直筋结构的六维力传感器，盒式结构六维力传感器，十字结构六维力传感器，圆柱形六维力传感器，双头形六维力传感器，三梁结构的六维力传感器，八垂直筋结构的六维力传感器，以及基于斯图尔特(Stewart)平台结构的六维力传感器等。
以上所列举的六维力传感器，除基于斯图尔特(Stewart)平台结构的六维力传感器外，其特点是传感器为整体式，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，并且无法实现完全解耦。
而人们研究过的采用传统球面副的斯图尔特(Stewart)平台结构六维力传感器，其特点是传感器由各构件是通过运动副联接而成。由机构学分析可知，斯图尔特(Stewart)平台结构为静定结构(机构自由度为0)。当上、下平台受六维外力作用时，由于每个支路的两端均为球面副，如果不考虑摩擦，其六个支承构件(支路)只承受沿两个球面副中心连线方向的压力或拉力，没有力耦合。应用时测出六个支承构件(支路)的轴向应变并换算成力，并经一个满秩的六维变换矩阵一一对应地映射到平台上，求出上、下平台所受六维外力。但这种传感器采用传统结构的球面副作为联接副，因此：(1)此类力传感器的结构复杂，并且结构大，几乎不可能做到微型化；(2)12个球面副需要分别调整和预紧，调整工作量大，并且各预紧力很难一致；(3)球面副的接触面积大，预紧后摩擦力矩较大，产生一定的力耦合；(4)球面副预紧后，只消除了自身的间隙，但没有显著增加传感器整体的刚度，尤其当六个支承构件(支路)的受力有拉压变化时，其工作可靠性会降低，测量误差也会增加。因此该类传感器几乎没有实际应用。
为克服传统结构斯图尔特(Stewart)平台六维力传感器的缺点，有人发明了一种采用弹性球铰的斯图尔特(Stewart)平台结构六维力传感器，用弹性球铰替代传统球面副，将传感器设计加工成一体形式。虽然在原理上其性能有很大改进，但其各测量敏感部位也都存在力耦合，并且也无法实现完全解耦。
本发明的整体预紧平台式六维力传感器是在传统斯图尔特(Stewart)平台结构的上、下平台之间，增设一个由两个反向球面副和一个螺旋机构组成的预紧支路。并在每个支路上用单向约束的钢球式球面副或圆锥式球面副替代传统的双向约束的球面副。
该整体预紧平台式六维力传感器既没有力的耦合，又具有结构简单、刚度高、灵敏度高、精度高、调整简单等优点，并可实现六维力传感器的微型化和精密化。
图1为整体预紧平台式六维力传感器的结构原理示意图；
图2为反向球面副结构原理示意图；
图3为钢球式球面副结构原理示意图；
图4为圆锥式球面副结构原理示意图。
参照图1，本发明的整体预紧平台式六维力传感器是由上平台1、下平台2，六个支承构件3、4、5、6、7、8，两个具有相反旋向螺纹的构件9、10和螺母11组成。其中构件1和构件2通过钢球式球面副或圆锥式球面副A、a、B、b、C、c、D、d、E、e、F、f分别与构件3、4、5、6、7和8联接，构件1和构件2分别通过反向球面副G、g与构件9、10联接，构件9、10与构件11通过螺旋副联接。
参照图2，反向球面副的构件1上开有一带球窝或锥窝(用细点划线表示的部分)的园孔，构件2为一带柄的圆球，球柄穿过构件1上的园孔，圆球与球窝或锥窝相配，在预紧力作用下封闭并预紧。
参照图3，钢球式球面副是由带有球窝或锥窝(用细点划线表示的部分)的构件1、构件3和钢球2在预紧力作用下封闭并预紧。
参照图4，圆锥式球面副是由带有圆锥头的构件1及带有锥形孔的构件2组成。构件1的圆锥头为球形，构件2的锥形孔的底部为球窝形。构件1的球头与构件2球窝在预紧力作用下封闭并预紧。
根据机构学分析，由两个反向球面副和构件9、10及螺母11组成的预紧支路带来一个约束，因此可利用预紧支路上的螺旋拉紧上、下平台，对传感器进行整体预紧，同时预紧各球副，消除间隙，大大提高传感器的整体刚度。由于每个支路(六个支承分支和一个预紧分支)的两端均为球面副，同理从理论上讲，如果不考虑摩擦，每个分支也只承受沿两个球副中心连线方向的压力或拉力，没有力耦合。
应用时分别测出3-8上的轴向应变并换算成力，并经一个满秩的六维变换矩阵一一对应地映射到平台上，求出上、下平台所受六维外力和预紧支路所受力的合力。测出预紧支路的所受力后，则可通过简单计算，求出上、下平台所受六维外力。
增设预紧支路后，使应用钢球式球面副或圆锥式球面副替代传统结构的球面副成为可能，这样既简化了球面副的结构，又可以大大减小预紧后球面副的摩擦力矩(能够减小到可以忽略的程度)，提高传感器的灵敏度和精度，实现传感器的微型化和精密化。
因此整体预紧平台式六维力传感器既保持了斯图尔特(Stewart)平台结构无力耦合的重要性能，又克服了传统斯图尔特(Stewart)平台结构的结构复杂、结构大、球面副调整工作量大、预紧力不一致、预紧后球面副摩擦力矩大、整体刚度低等致命缺点。
整体预紧平台式六维力传感器的发明为设计制造既无力耦合，又具有结构简单、刚度高、灵敏度高和精度高等优点，可实现微型化和精密化的六维力传感器奠定了基础。
参照图1，本发明的最佳实施方案为：
全部构件均采用金属构件，A、a、B、b、C、c、D、d、E、e、F、f均同时为钢球式球面副或均同时为圆锥式球面副，G、g为反向球面副。构件9，10，11上的螺旋均采用普通密纹左右旋螺纹。
Claims (1)
1.一种六维力传感器，该六维力传感器包括上平台，下平台，六个沿两个平台周边分布的支撑杆和一个联结两个平台中心的螺旋机构，六个支撑杆通过钢球式球面副或圆锥式球面副与两个平台相联，中间的螺旋机构通过反向球面副与两个平台相联。
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