CN115655544A - 用于测量扭矩和轴向力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量扭矩和轴向力的装置，包括，连接支架和力矩测量敏感机构，所述连接支架包括：连接轴，所述连接轴包括沿第一方向依次设置的第一连接部、第二连接部和第三连接部，所述第二连接部的侧面设置有至少一凹槽和至少两个凸台，沿第一方向间隔固定设置在所述凹槽的两侧，所述凸台远离第二连接部的一侧表面形成有贴面；所述力矩测量敏感机构固定设置在至少两个凸台的贴面上，所述力矩测量敏感机构沿第一方向跨过所述凹槽，并与所述连接轴、凸台形成“崖‑桥”力放大结构。本发明形成的“崖‑桥”力放大结构使得粘贴的力矩测量敏感机构获得的应变量更大程度上的增加，进而提高了其灵敏度。

Description

用于测量扭矩和轴向力的装置

技术领域

本发明特别涉及一种用于测量扭矩和轴向力的装置，属于机械技术领域。

背景技术

制造业正逐步采用全自动化***，不仅用与控制设备，而且作为满足当前和未来市场需求 的有效手段。在机械加工过程自动化的主要问题之一是实现一个可靠和有效的***来监测刀具 状态。据报道，使用这些***可以提高10～50％生产水平。刀具状态监测***背后的基本概念是 在加工操作中获得关于刀具状态的实时信息。刀具状态的任何改变都会产生不同的症状和信息。 因此在监测这些症状时，传感器***对于观察和加工过程中产生的各种信号是非常重要的。这 些信号包括扭矩、切削力、振动、声发射、温度等。

在刀具监测***中，铣削和钻孔过程中最常用的信号是切削力和扭矩。目前常采用台式测 力仪来进行测量。但是，由于费用过高，商用测力仪被认为是不适合用于工业过程的监测***。 因此需要一种价格低廉而且可以满足刀具监测***需求的智能连接架。

CN106181578A中公开了一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器，该传感器前端为 刀柄连接标准接口，后端为刀具夹持标准接口，中部的“笼”式结构是在弓形回转一周形成的曲 面的基础上，切割4对两两对称均匀分布的缝隙，使曲面体被分割成8部分，在其中4个部分 上加工出小平台，小平台中心粘贴半导体硅应变片，其中沿轴向、垂直轴向的半导体应变片连 接成惠斯通全桥，用以测量轴向力；沿正负45°轴向粘贴的半导体硅应变片连接成惠普斯全桥， 用于测量加工时刀具受到的扭矩。然而必须指出，这种传感器有一下几种缺点，第一点，该传 感器将整体的连接架分成两部分，分别连接在传感器的前后端，这将造成连接架的固有频率降 低，并且大大降低连接架的刚度；第二点，该种传感器结构复杂，实用性不强，不具备很好的 商业价值；第三点；电路复杂，敏感单元数量太多；第四点：该传感器采用的敏感单元是应变 片，然而应变片为有线元件，且作为敏感单元具有精度不高，测量速度慢，动态响应低等缺点。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于测量扭矩和轴向力的装置，从而克服现有技术中的不 足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种用于测量扭矩和轴向力的装置，包括，

连接支架，用于将施力机构进行扭矩和/或轴向力的传递至待测产品，并且，所述连接支架 包括：

连接轴，所述连接轴包括沿第一方向依次设置的第一连接部、第二连接部和第三连接部， 所述第一连接部能够与施力机构的输出轴固定连接，所述第三连接部能够与待测产品固定连接， 所述第二连接部的侧面设置有至少一凹槽；

至少两个凸台，沿第一方向间隔固定设置在所述凹槽的两侧，所述凸台远离第二连接部的 一侧表面形成有贴面；

力矩测量敏感机构，用于测量所述连接轴承受的扭矩和/或轴向力信号和/或弯矩产生的受 拉信号，所述力矩测量敏感机构固定设置在至少两个凸台的贴面上，并且，所述力矩测量敏感 机构沿第一方向跨过所述凹槽，并与所述连接轴、凸台形成“崖-桥”力放大结构，所述“崖- 桥”力放大结构能够放大所述连接轴受到扭矩或轴向力产生的应变而降低承受弯矩时产生的应 变，所述第一方向为所述连接轴的轴向方向。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

1)本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，将力矩测量敏感机构与连接架 做成了一个整体，提高了该连接架的抗共振能力；

2)本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，在连接轴的应力集中位置，通 过挖槽将力矩测量敏感机构跨槽粘贴，并形成“崖-桥”力放大结构，使得粘贴的力矩测量敏感 机构获得的应变量更大程度上的增加，进而提高了其灵敏度等特性；

3)本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，将力矩测量敏感机构作为 “桥”，使得力矩测量敏感机构不仅可以直接作为传力元件来提高灵敏度，同时还可以实现对 扭矩的测量，由于声表面波直接作为受力元件，因此可以改变结构尺寸来增大受力或减小受力 从而可以较大范围的改变整体的测量范围；

4)本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，“崖-桥”力放大结构受到扭 矩或轴向力产生的较大应变的同时降低了弯矩产生的应变，进一步提高了测量灵敏度的同时也 提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明一典型实施例中提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置的结构示意图；

图2是本发明一典型实施例中提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置的侧视图；

图3本发明一典型实施例中提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置的剖面结构示意图；

图4本发明一典型实施例中“崖-桥”力放大结构的结构示意图；

图5本发明一典型实施例中连接轴设置有凸台处的局部结构示意图；

图6本发明一典型实施例中保护壳的结构示意图；

图7本发明一典型实施例中信息处理机构的结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。 如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例提供了一种用于测量扭矩和轴向力的装置，包括，

连接支架，用于将施力机构进行扭矩和/或轴向力的传递至待测产品，并且，所述连接支架 包括：

连接轴，所述连接轴包括沿第一方向依次设置的第一连接部、第二连接部和第三连接部， 所述第一连接部能够与施力机构的输出轴固定连接，所述第三连接部能够与待测产品固定连接， 所述第二连接部的侧面设置有至少一凹槽；

至少两个凸台，沿第一方向间隔固定设置在所述凹槽的两侧，所述凸台远离第二连接部的 一侧表面形成有贴面；

力矩测量敏感机构，用于测量所述连接轴承受的扭矩和/或轴向力信号和/或弯矩产生的受 拉信号，所述力矩测量敏感机构固定设置在至少两个凸台的贴面上，并且，所述力矩测量敏感 机构沿第一方向跨过所述凹槽，并与所述连接轴、凸台形成“崖-桥”力放大结构，所述“崖-桥”力 放大结构能够放大所述连接轴受到扭矩或轴向力产生的应变而降低承受弯矩时产生的应变，所 述第一方向为所述连接轴的轴向方向。

在一具体实施方式中，所述凹槽为沿所述连接轴的周向方向连续设置的环形凹槽；

在一具体实施方式中，所述凹槽是自所述连接轴的表面沿第二方向凹陷形成的，且所述凹 槽的深度为所述连接轴半径的0.05-0.15倍，其中，所述第二方向为所述连接轴的径向方向。

在一具体实施方式中，所述凹槽于第一方向上的宽度为力矩测量敏感机构于第一方向上的 尺寸的1/3-1/2。

在一具体实施方式中，所述凸台于第二方向上的高度为连接轴半径的0.3-0.4倍。

在一具体实施方式中，相邻两个所述凸台之间于第一方向上的间距小于力矩测量敏感机构 于第一方向上的长度。

在一具体实施方式中，所述相邻两个所述凸台之间于第一方向上的间距为力矩测量敏感机构 于第一方向上的尺寸的1/3-1/2，且所述间距大于凹槽于第一方向上的宽度。

在一具体实施方式中，每一贴面的面积为所述力矩测量敏感机构正投影面积的1/4-1/3，优 选的，所述力矩测量敏感机构与凸台的接触面积为自身正投影面积的1/2-2/3。

在一具体实施方式中，所述用于测量扭矩和轴向力的装置包括至少两个所述力矩测量敏感 机构，每一所述凸台上设置有至少两个贴面，每一力矩测量敏感机构的两端分别固定设置在一 贴面上。

在一具体实施方式中，至少两个所述力矩测量敏感机构镜像对称设置。

在一具体实施方式中，所述第一连接部、第二连接部和第三连接部的径向截面的面积和形 状相同。

在一具体实施方式中，所述连接支架还包括产品固定机构，所述产品固定机构与所述第三 连接部固定连接，并用于夹持固定待测产品。

在一具体实施方式中，所述产品固定机构包括筒夹和螺纹紧固件，所述筒夹与所述第三连 接部固定连接且具有一夹持空间，所述螺纹紧固件套设置在所述筒夹上且与所述筒夹螺纹连接， 通过旋拧所述螺纹紧固件能够改变所述筒夹的夹持空间的尺寸。

在一具体实施方式中，所述连接支架还包括传动轴，所述传动轴分别与所述第三连接部、 产品固定机构固定连接。

在一具体实施方式中，所述传动轴与所述筒夹固定连接，所述连接轴、传动轴、筒夹同轴 设置。

在一具体实施方式中，所述连接支架还包括保护壳，所述保护壳套设置在所述连接轴上且 与所述连接轴固定连接，所述保护壳与所述连接轴之间围合形成一收容空间，所述凸台和力矩 测量敏感机构被封装在所述收容空间内。

在一具体实施方式中，所述连接支架还包括主动轴，所述主动轴与所述连接轴的第一连接 部固定连接，所述主动轴用于与施力机构的输出轴固定连接，并且，所述主动轴的直径大于所 述连接轴的直径。

在一具体实施方式中，所述主动轴与所述连接轴同轴设置。

在一具体实施方式中，所述连接支架还包括夹持轴，所述夹持轴同轴固定设置在所述主动 轴的一端。

在一具体实施方式中，所述保护壳的一端与所述连接轴固定连接，另一端与所述夹持轴固 定连接。

在一具体实施方式中，所述用于测量扭矩和轴向力的装置还包括：信息处理机构，所述信 息处理机构设置在所述收容空间内，且与所述力矩测量敏感机构，并至少用于根据力矩测量敏 感机构采集的信息计算出扭矩值。

如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说 明，在如下实施例中，均以所述主动轴、夹持轴、连接轴以及传动轴整体呈圆柱形结构为例进 行说明。

请参阅图1-图3，一种用于测量扭矩和轴向力的装置，包括连接支架、力矩测量敏感机构 16和信息处理机构10，所述力矩测量敏感机构16固定设置在所述连接支架上，所述力矩测量 敏感机构16与所述信息处理机构10电连接。

在本实施例中，所述连接支架用于分别与待测产品和施力机构连接，并将施力机构进行扭 矩和/或轴向力的传递至待测产品，用于测量所述连接轴4承受的扭矩和/或轴向力信号和/或弯 矩产生的受拉信号，所述信息处理机构10用于接收力矩测量敏感机构16采集的信息，并以此 计算出扭矩值。

在本实施例中，所述连接支架包括主动轴1、夹持轴2、保护壳3、连接轴4和传动轴5；

所述主动轴1、连接轴4和传动轴5沿第一方向同轴设置且依次固定连接，所述主动轴1与 施力机构的驱动轴固定连接并作为扭矩或轴向力的输入，所述夹持轴2设置在所述主动轴1上 并用于固定连接主动轴1与施力机构的驱动轴，所述力矩测量敏感机构16固定设置在所述连接 轴4上，所述传动轴5与待测产品固定连接，并作为扭矩或轴向力的输出，所述夹持轴2同轴 设置在所述主动轴1上，并用于，所述保护壳3分别与所述夹持轴2、连接轴4固定连接，并在 所述保护壳3与连接轴4之间围合形成一收容空间，所述力矩测量敏感机构16被封装在所述收 容空间内。

在本实施例中，所述主动轴1、夹持轴2、保护壳3、连接轴4和传动轴5可以是一体设置 的。

在本实施例中，可以通过扳手等工具卡在所述夹持轴2上的孔洞上，并施加扭矩，从而将 连接支架拧紧固定在施力机构的驱动轴上或者将其取下。

在本实施例中，所述连接轴4包括沿第一方向依次设置的第一连接部、第二连接部和第三 连接部，所述第一连接部与主动轴1固定连接，所述第三连接部与传动轴5固定连接，所述第 一连接部的直径小于所述主动轴1的直径，在所述第一连接部与主动轴1的连接处形成台阶结 构，也可以理解为直径变化结构，此处为应力集中位置，所述第二连接部的表面设置有至少一 凹槽7和至少两个凸台11，至少两个凸台11沿第一方向间隔固定设置在所述凹槽7的两侧，且 所述凸台11远离第二连接部的一侧表面形成有贴面8，所述力矩测量敏感机构16的两端分别与 凹槽7两侧的凸台11上的贴面固定连接，并且，所述力矩测量敏感机构16沿第一方向跨过所 述凹槽7，并与所述连接轴4、凸台11形成”崖-桥”力放大结构，所述”崖-桥”力放大结构能够放 大所述连接轴4受到扭矩或轴向力产生的应变而降低承受弯矩时产生的应变，具体来说，力矩 测量敏感机构16跨过凹槽7，不仅能够增大”崖-桥”力放大结构的力放大特性，还能有较高的抗 弯矩能力。

在本实施例中，所述凹槽7为沿所述连接轴4的周向方向连续设置的环形凹槽，可以理解 为，所述凹槽7是自所述连接轴4的表面沿第二方向凹陷形成的。

在本实施例中，所述凹槽7的深度为所述连接轴4半径的0.05-0.15倍，通过Ansys有限元 仿真验证发现，在这种尺寸下，扭矩对力矩测量敏感机构产生的应变会增大，同时可保证整个 装置的整体的结构刚度和自然频率，所述第二方向为所述连接轴4的径向方向。

在本实施例中，所述凹槽7于第一方向上的宽度为力矩测量敏感机构16于第一方向上的尺 寸的1/3-1/2。，在第一方向上，所述凹槽7的宽度小于力矩测量敏感机构16的尺寸(可以理解 为长度)，力矩测量敏感机构16的于凹槽7两侧粘贴固定部分的尺寸是自身尺寸是1/2-2/3，通 过使凹槽在该宽度尺寸下才能形成“崖”-“桥”结构，同时保证扭矩产生的应变集中在力矩测量敏 感机构16的中心区域，即与凹槽7对应的区域，从而提高扭矩测量的灵敏度，通过Ansys有限 元仿真验证获悉，在此结构和尺寸设置下能保证扭对力矩测量敏感机构16产生的应变较大。

在本实施例中，所述凸台11为与所述连接轴4同轴设置在环形凸台，所述凸台11于第二 方向上的高度为连接轴4半径的0.3-04倍，优选为0.35倍，基于如此设计，可以保证在扭矩对 力矩测量敏感机构16所产生的应变不减小的情况下，大幅度降低弯矩对力矩测量敏感机构16 所产生的应变，同时也保证装置整体结构的自然频率。

在本实施例中，相邻两个所述凸台11之间于第一方向上的间距小于力矩测量敏感机构16 于第一方向上的长度，但大于凹槽于第一方向上的宽度，优选的，所述相邻两个所述凸台11之 间于第一方向上的间距为力矩测量敏感机构16于第一方向上的尺寸的1/3-1/2。

在本实施例中，所述凸台11可以是与所述连接轴4一体成型设置的，所述凹槽7可以被视 为设置在所述凸台11的内部，或者理解为所述凹槽7被所述凸台11包裹。

在本实施例中，所述用于测量扭矩和轴向力的装置可以包括两个力矩测量敏感机构16，两 个所述凸台11上设置有两组贴面，每组贴面包括两个贴面，同一组贴面所包含的两个贴面分别 沿第一方向设置在两个不同的凸台11上，且该两组贴面是镜像对称分布的，相应地，两个力矩 测量敏感机构16也是径向对称设置在连接轴4上。

在本实施例中，所述”崖-桥”力放大结构中的“桥”是由用力矩测量敏感机构16来充当，即力 矩测量敏感机构16的首尾两端固定，中间悬空，示例性的，所述力矩测量敏感机构16的厚度 为0.3-1mm，宽度为4-10mm，长度为3-6mm，需要说明的是，所述力矩测量敏感机构16的长 度是沿第一方向上的尺寸，宽度是沿连接轴周向方向上的尺寸，厚度是指沿第二方向上的尺寸。

在本实施例中，每一贴面8的面积为所述力矩测量敏感机构16正投影面积(该正投影面积 是指力矩测量敏感机构在贴面所在平面上的正投影)的1/4-1/3，优选的，所述力矩测量敏感机 构16与凸台11的接触面积为自身正投影面积的1/2-2/3，通过Ansys仿真测试验证，在该尺寸 设计下，可以保证力矩测量敏感机构16中间区域能受到较大的集中力，形成较大的应变，提高 整体测量的灵敏度，同时还能保证稳定的结合强度。

在本实施例中，所述力矩测量敏感机构可以是电容式、压电式、电阻式等传感器。

在本实施例中，所述力矩测量敏感机构可以通过粘贴等方式固定在凸台11的贴面8上的。

在本实施例中，请参阅图4和图5，所述力矩测量敏感机构16固定粘贴在凸台上，从整体 上看，力矩测量敏感机构16跨槽粘贴在上下两个贴面8上，既力矩测量敏感机构两端固定、中 间悬空，形成“桥”，同时可以发现，由于凹槽7位于凸台11内部，凸台11本身又带有一定的槽 深，从而使得整体的凹槽深度(即凹槽7本身的深度和两个凸台11之间的间隙)进一步加深， 因此“崖-桥”力放大结构的特性也进一步得以增大，更重要的是凸台具有较强的抗弯矩能力，所 以力矩测量敏感机构16在由于“崖-桥”力放大结构受到扭矩或轴向力产生的较大应变的同时降低 了弯矩产生的应变，同时在对称的贴面上粘贴相同的力矩测量敏感机构16，可对弯矩进行补偿， 提高整体的测量精度。

在本实施例中，请参阅图3，所述连接轴4上设置有卡扣环9，所述保护壳3上设置有与所 述卡扣环9相对应的卡扣槽12，所述连接轴4的卡扣环9对应嵌设在所述保护壳3内的卡扣槽 12内，从而实现所述保护壳3与连接轴4的连接。

在本实施例中，所述卡扣环9可以是所述连接轴4的局部沿第二方向限向外凸伸形成的卡 扣凸起，示例性的，所述卡扣环9是与连接轴4同轴设置在环形构件；相应地，所述卡扣槽12 是所述保护壳3的局部沿第二方向向内凹陷形成的，所述卡扣槽12为环形槽；可以理解的，所 述卡扣环9也可设置在保护壳上，所述卡扣槽12也可以设置在连接轴上。

在本实施例中，所述夹持轴2上还设置有限位槽15，所述保护壳3上还设置有限位凸台14， 所述限位凸台14嵌设在所述限位槽15内，从而实现保护壳3和夹持轴2的连接；当保护壳3安 装在连接轴上时，通过限位凸台14嵌设在夹持轴2上的限位槽15中，以保证保护壳3不与连接 轴发生相对转动。

在本实施例中，所述限位凸台14和所述限位槽15均是环形结构，可以理解的，所述限位 凸台14也可以设置在夹持轴上，所述限位槽15也可以设置在保护壳上。

在本实施例中，在第二方向上，所述保护壳3与连接轴4之间的间距大于凸台11的高度， 以为力矩测量敏感机构16保留安装空间。

在本实施例中，所述保护壳3可以包括依次连接设置的第一部分、第二部分和第三部分， 所述第一部分和第三部分均沿第一方向延伸设置，所述第一部分和第三部分分别与所述第二部 分的两端固定且呈角度设置，且所述第一部分和第三部分设置在所述第二部分的同一侧，所述 第一部分的长度大于第三部分的长度，从而使所述保护壳3整体呈J型，其中，所述第一部分 与所述夹持轴2连接，第三部分与连接轴4连接。

在本实施例中，请参阅图3和图7，所述信息处理机构10也设置在所述收容空间内，具体 的，所述信息处理机构10可以固定设置在保护壳3上，示例性的，所述信息处理机构10可以 通过过盈配合的方式固定在保护壳3的第二部分上，或者，所述信息处理机构10可以通过粘贴 的方式固定在第二部分上，其中，所述信息处理机构10包括环形的电路板等，其是通过市购获 得的。

在本实施例中，请参阅图1和图3，所述连接支架还包括产品固定机构，所述产品固定机构 与所述传动轴5固定连接，并用于夹持固定待测产品。

在本实施例中，所述产品固定机构包括筒夹13和螺纹紧固件6，所述筒夹13与所述传动轴 5固定连接且具有一夹持空间，所述螺纹紧固件6套设置在所述筒夹13上且与所述筒夹13螺纹 连接，通过旋拧所述螺纹紧固件6能够改变所述筒夹13的夹持空间的尺寸，示例性的，所述螺 纹紧固件6可以是螺母等，通过旋拧螺纹紧固件使得筒夹13收紧或张开以达到待测产品的固定 或取出。

在本实施例中，所述待测产品可以是刀具等。

具体的，在以所述用于测量扭矩和轴向力的装置进行作业时，施力机构将扭矩动力输入到 与之相连的主动轴1上，经过连接轴4再到转动轴5将扭矩输出至待测产品上实现扭矩的传输， 在连接轴4上粘贴力矩测量敏感机构用来监测扭矩和轴向力。

本发明实施例提供的用于测量扭矩和轴向力的装置的工作原理包括：

使用时，将主动轴1与施力机构(例如驱动电机等)的驱动轴连接，传动轴5内部连接筒 夹13，外部连接螺纹紧固件6，将刀具等待测产品***到筒夹13中，转动螺纹紧固件6使刀具 固定；

施力机构的驱动轴转动时将扭矩输入到主动轴1，经过连接轴4传送到转动轴5，最终输出 至刀具等待测产品；在连接轴4受到扭矩时，至少两个凸台11之间发生错位，使得粘贴在凸台 11的贴面8上的力矩测量敏感机构受到剪切应力，同时由于存在凹槽7，形成“崖-桥”力放大结 构而使得剪切应力增大，最终力矩测量敏感机构获得较大的剪切应变，并输出较高的信号，信 息处理机构10负责接收信号，最终根据信号与扭矩的关系计算出扭矩值。

具体来说，由于连接架在工作时会受到一定的弯矩，弯矩会对力矩测量敏感机构16的输出 频率造成影响，使得测量不准确，但是基由本发明中的连接架含有凸台，因此具有较强的抗弯 矩能力，并且通过使力矩测量敏感机构16对称布置，可以将弯矩进行补偿，从而大大降低了弯 矩的影响，从而提高整体的测量精度，在本实施例中，所述力矩测量敏感机构16对称布置就是 力矩测量敏感机构16在装置整体结构的正面和背面、左面和右面对称设置，类似一个长方体的 顶面和底面的对称；当连接架受到轴向力时，凸台之间发生挤压，使得含有单个声表面波谐振 器的敏感力矩测量敏感机构受到正应力并输出信号，根据信号与力的关系可求出轴向力的大小， 其中的保护壳可以保护力矩测量敏感机构不受外界切削液、灰尘等的影响。

在以本发明实施例提供的用于测量扭矩和轴向力的装置进行扭矩和轴向力测量过程中的弯 矩补偿公式为：

当连接架受扭矩且同时受弯矩时，对称的两个力矩测量敏感机构的输出分别为：

f₁＝f₀+f_n+f_m

f₂＝f₀+f_n-f_m

f_o＝(f₁+f₂)/2＝f₀+f_n

其中，f₁为第一个力矩测量敏感机构的输出，f₂为与其相对称的另一个力矩测量敏感机构的 输出，f₀为力矩测量敏感机构的初始值，fn为扭矩产生的输出，f_m为弯矩产生的输出，f_o为总的 输出，正负号代表受压和受拉，由公式可见，通过求和的方法可以进行弯矩补偿，降低弯矩产 生的影响。

根据材料力学可知，连接轴表面上的剪切应变为：

ε＝16T/(πd^3K)

其中，K＝E/(2(1+μ))，是与材料弹性模量E和泊松比μ有关的常数，因此根据力矩测量 敏感机构的输出值，与应变值相互推算即可得到所测的扭矩值。

本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，在连接架上实现力的放大，在连 接架断面直径变换位置进行挖槽，来提高力矩测量敏感机构的灵敏度，并且在挖槽的位置制作 凸台，力矩测量敏感机构跨槽粘贴在凸台的铣面上，使刀架与力矩测量敏感机构之间形成了“崖 -桥”力放大结构，既力矩测量敏感机构就是“桥”，使得力矩测量敏感机构既可以做为传力元件 从而提高灵敏度，也可以实现对扭矩/轴向力的测量，改变“崖-桥”的尺寸可以获得更大量程测量 范围，而传统的应变片仅仅是作为一种测量元件，不能在该结构中使用，同时由于凸台具有抗 弯矩能力，因此在测量扭矩时弯矩的影响会降低。在一对对称的贴面上粘贴2个力矩测量敏感 机构，用来测量扭矩，弯矩的影响通过凸台的抗弯矩能力以及对称结构的弯矩补偿来进行降低， 另一对对称的贴面上粘贴上对轴向力敏感，扭矩不敏感的力矩测量敏感机构来测量轴向力，同 样对称结构可获得轴向力上的弯矩补偿，这样的结构使得本发明装置具有测量精度高、灵敏度 高，低交叉干扰和响应时间快等优点。

本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，力矩测量敏感机构是在连接架的 基础上改变连接架的尺寸制作形成的，这样就把力矩测量敏感机构与连接架做成了一个整体， 并且力矩测量敏感机构部分的结构简单，易于加工，而且在保证刚度的前提下大大提高了整体 的灵敏度和测量精度，通过仿真可得出，改进后的连接架与原连接架固有频率近似相等，也说 明了该连接架有很好的抗共振能力。

本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，在连接轴的应力集中位置，通过 挖槽将力矩测量敏感机构跨槽粘贴，并形成“崖-桥”力放大结构，凹槽上下两侧的连接轴形成两 个“断崖”，而跨槽粘贴的力矩测量敏感机构形成了连接两“断崖”的“桥”，当连接架受到扭矩或 轴向力时通过“崖”-“桥”-“崖”这样的传输形式进行扭矩或轴向力的传递，使得粘贴的力矩测量敏 感机构获得的应变量更大程度上的增加，提高了其灵敏度等特性。

本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，将力矩测量敏感机构作为“桥”， 使得力矩测量敏感机构不仅可以直接作为传力元件来提高灵敏度，同时还可以实现对扭矩的测 量，由于声表面波直接作为受力元件，因此可以改变结构尺寸来增大受力或减小受力从而可以 较大范围的改变整体的测量范围。

本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，在连接轴的凹槽位置制作凸台， 将力矩测量敏感机构粘贴在凸台上，利用凸台的抗弯矩能力可以降低弯矩对测量值产生的影响， 同样由于凸台与凸台之间有一定距离，从整体上看，凹槽位于凸台内部，可以发现整体的凹槽 深度进一步加深，因此“崖-桥”力放大结构的特性也进一步得以增大，更重要的是，凸台具有较 强的抗弯矩能力，因此力矩测量敏感机构在因为“崖-桥”力放大结构受到扭矩或轴向力产生的较 大应变的同时降低了弯矩产生的应变，最终的结果就是增大灵敏度的同时也提高了测量精度。

本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，由于力矩测量敏感机构的尺寸大 于单个凸台上贴面的尺寸，所以力矩测量敏感机构的粘贴将会是粘贴在至少两个凸台上，而相 邻两个凸台之间有一定距离且凹槽在其内部，因此，凸台、凹槽与力矩测量敏感机构形成“崖- 桥”力放大结构，而力矩测量敏感机构上的声表面波谐振器正好位于该结构的中心位置，因此可 以获得更大的应变，从而提高了整体的灵敏度。

本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，力矩测量敏感机构粘贴在凸台上 时是两个相同的力矩测量敏感机构径向对称设置，当连接架工作时受到弯矩的影响，一个力矩 测量敏感机构输出的信号不仅包括扭矩或者轴向力的信号也包括弯矩产生的受拉信号，同样另 一个测得的信号不仅包括扭矩或者轴向力的信号也包括弯矩产生的受压信号，如此一来，将两 个力矩测量敏感机构的输出信号相加即可获得弯矩的补偿，进一步提高了测量精度。

本发明实施例提供的一种用于测量扭矩和轴向力的装置，保护壳不仅可以保护连接架上的 力矩测量敏感机构，同时也可以将环形电路板安装在保护壳内，因此就不需要再在连接架上进 行结构改进用于安装环形电路板，从而可以降低成本，且更易于加工。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的 人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精 神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于测量扭矩和轴向力的装置，其特征在于，包括，

连接支架，用于将施力机构进行扭矩和/或轴向力的传递至待测产品，并且，所述连接支架包括：

连接轴(4)，所述连接轴4包括沿第一方向依次设置的第一连接部、第二连接部和第三连接部，所述第一连接部能够与施力机构的输出轴固定连接，所述第三连接部能够与待测产品固定连接，所述第二连接部的侧面设置有至少一凹槽(7)；

至少两个凸台(11)，沿第一方向间隔固定设置在所述凹槽(7)的两侧，所述凸台(11)远离第二连接部的一侧表面形成有贴面(8)；

力矩测量敏感机构(16)，用于测量所述连接轴(4)承受的扭矩和/或轴向力信号和/或弯矩产生的受拉信号，所述力矩测量敏感机构(16)固定设置在至少两个凸台(11)的贴面(8)上，并且，所述力矩测量敏感机构(16)沿第一方向跨过所述凹槽(7)，并与所述连接轴、凸台形成“崖-桥”力放大结构，所述“崖-桥”力放大结构能够放大所述连接轴受到扭矩或轴向力产生的应变而降低承受弯矩时产生的应变，所述第一方向为所述连接轴(4)的轴向方向。

2.根据权利要求1所述用于测量扭矩和轴向力的装置，其特征在于：所述凹槽(7)为沿所述连接轴的周向方向连续设置的环形凹槽；

和/或，所述凹槽(7)是自所述连接轴(4)的表面沿第二方向凹陷形成的，且所述凹槽(7)的深度为所述连接轴(4)半径的0.05-0.15倍，所述第二方向为所述连接轴(4)的径向方向；

和/或，所述凹槽(7)于第一方向上的宽度为力矩测量敏感机构(16)于第一方向上的尺寸的1/3-1/2。

3.根据权利要求2所述用于测量扭矩和轴向力的装置，其特征在于：所述凸台(11)于第二方向上的高度为连接轴(4)半径的0.3-0.4倍；

和/或，相邻两个所述凸台(11)之间于第一方向上的间距小于力矩测量敏感机构(16)于第一方向上的长度；

优选的，所述相邻两个所述凸台(11)之间于第一方向上的间距为力矩测量敏感机构(16)于第一方向上的尺寸的1/3-1/2，且所述间距大于凹槽于第一方向上的宽度。

4.根据权利要求3所述用于测量扭矩和轴向力的装置，其特征在于：每一贴面(8)的面积为所述力矩测量敏感机构(16)正投影面积的1/4-1/3，优选的，所述力矩测量敏感机构(16)与凸台(11)的接触面积为自身正投影面积的1/2-2/3；

和/或，所述用于测量扭矩和轴向力的装置包括至少两个所述力矩测量敏感机构(16)，每一所述凸台(11)上设置有至少两个贴面(8)，每一力矩测量敏感机构(16)的两端分别固定设置在一贴面(8)上；

优选的，至少两个所述力矩测量敏感机构(16)镜像对称设置。

5.根据权利要求1所述用于测量扭矩和轴向力的装置，其特征在于：所述第一连接部、第二连接部和第三连接部的径向截面的面积和形状相同。

6.根据权利要求1所述用于测量扭矩和轴向力的装置，其特征在于：所述连接支架还包括产品固定机构，所述产品固定机构与所述第三连接部固定连接，并用于夹持固定待测产品；

优选的，所述产品固定机构包括筒夹(13)和螺纹紧固件(6)，所述筒夹(13)与所述第三连接部固定连接且具有一夹持空间，所述螺纹紧固件(6)套设置在所述筒夹(13)上且与所述筒夹(13)螺纹连接，通过旋拧所述螺纹紧固件(6)能够改变所述筒夹(13)的夹持空间的尺寸。

7.根据权利要求6所述用于测量扭矩和轴向力的装置，其特征在于：所述连接支架还包括传动轴(5)，所述传动轴(5)分别与所述第三连接部、产品固定机构固定连接；

优选的，所述传动轴(5)与所述筒夹(13)固定连接，所述连接轴(4)、传动轴(5)、筒夹(13)同轴设置。

8.根据权利要求1所述用于测量扭矩和轴向力的装置，其特征在于：所述连接支架还包括保护壳(3)，所述保护壳(3)套设置在所述连接轴(4)上且与所述连接轴(4)固定连接，所述保护壳(3)与所述连接轴(4)之间围合形成一收容空间，所述凸台(11)和力矩测量敏感机构(16)被封装在所述收容空间内。

9.根据权利要求8所述用于测量扭矩和轴向力的装置，其特征在于：所述连接支架还包括主动轴(1)，所述主动轴(1)与所述连接轴(4)的第一连接部固定连接，所述主动轴(1)用于与施力机构的输出轴固定连接，并且，所述主动轴(1)的直径大于所述连接轴(4)的直径；

优选的，所述主动轴(1)与所述连接轴(4)同轴设置；

和/或，所述连接支架还包括夹持轴(2)，所述夹持轴(2)同轴固定设置在所述主动轴(1)的一端；

优选的，所述保护壳(3)的一端与所述连接轴(4)固定连接，另一端与所述夹持轴(2)固定连接。

10.根据权利要求8所述用于测量扭矩和轴向力的装置，其特征在于，还包括：信息处理机构(10)，所述信息处理机构(10)设置在所述收容空间内，且与所述力矩测量敏感机构(16)，并至少用于根据力矩测量敏感机构(16)采集的信息计算出扭矩值。

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