專利名稱：：雙彎曲梁結構多軸力傳感器的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種多軸力傳感器，尤其是一種利用兩個彎曲梁的結構作為傳感器的彈性元件的多軸力傳感器。
背景技術：
：現(xiàn)有的應變式多軸力傳感器的結構復雜，整體彈性梁的加工難度大，精度要求高而且不易控制，多個梁帶來的加工和裝配誤差大。有些結構還有互換性差的問題。并且有些還須建立煩瑣的解析方程與模型，使得測試方法復雜，正確性難以保證。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是要提供一種雙彎曲梁結構多軸力傳感器，該傳感器利用兩個彎曲梁的結構作為傳感器的彈性元件，并在相應的截面位置上粘貼電阻應變片完成三個力(x、Y、z軸)與一個扭矩(繞Z軸)測量的傳感器，在主載荷作用下只有對應的彎曲梁產(chǎn)生變形，具有結構簡單，測量精度高，使用方便等特點。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是一種雙彎曲梁結構多軸力傳感器，包括上蓋，底座，連接盤，壓蓋，彈性彎曲梁，貼在彈性彎曲梁上的電阻應變片，其特點是上蓋下面固定連接連接盤，上蓋與底座之間放置二個彈性彎曲梁，且二個彈性彎曲梁水平交叉布置，并用壓蓋固定在底座上。上蓋為圓柱體，其外SD1=(1.31.5)D。，高度H1=D1(1/81/10)，與連接盤連接處凸臺外徑D3=D1/(2.53)，高度H2=B1(22.5)。彈性彎曲梁由為中間測量體和兩端支撐點構成，其中，測量體為矩形，兩端支撐點為圓柱形，測量體高度與寬度相同為B1=riOmm，測量體中間開有寬度為B1的配合槽，配合槽深度B2=B1/^兩端支撐點圓柱的直徑d=B1(1.5^2)，厚度1=3^8mm,彈性彎曲梁的總長L=D1(0.5^0.7)。連接盤為圓柱體，在圓柱體上設有彈性彎曲梁的安裝槽與同上蓋的連接孔，安裝槽的高度與寬度相同為B1,連接盤的高度H2=B1(2^2.5)。壓蓋為圓柱體，在圓柱體上設有四個半圓孔與八個緊固螺栓孔，半圓孔直徑d=Cl1+(0.Γ0.2)mm，八個緊固螺栓孔D11=M2+0.5mm。壓蓋外徑D8=L(1.021.05)，內(nèi)徑D9=D8-(2.22.4)I1,高度H4=(22.5)屯。底座為圓柱體，在圓柱體上設有四個為圓弧形安裝連接塊，四個底座安裝螺栓孔與八個緊固螺栓孔，每個安裝連接塊上開有半圓孔，圓弧形安裝連接塊的兩側夾角為64°，四個安裝連接塊均勻分布，四個安裝連接塊上的八個緊固螺栓孔均勻分布并與中心線夾角16°ο電阻應變片在彈性彎曲梁的中間測量體上的粘貼位置為上、下、左、右的邊緣表面并在同一截面上，而且定位在彈性彎曲梁的中性層的位置上，電阻應變片組成的測量電橋為雙臂半橋的形式。本發(fā)明的有益效果是1.該傳感器的設計是利用兩個彎曲梁的結構作為傳感器的彈性元件，并在相應的截面位置上粘貼電阻應變片完成三個力(x、Y、z軸)與一個扭矩(繞Z軸)測量的傳感器。2.采用組合式的結構，分為上蓋、傳感器彈性體(彎曲梁)、連接盤、壓蓋、底座等構成。3.傳感器彈性體(彎曲梁)采用兩端為圓柱形中間為矩形結構。兩端為圓柱形可以使得一個傳感器彈性體(彎曲梁)在載荷的作用下與上蓋、壓蓋的連接處自由移動，從而保證另一傳感器彈性體(彎曲梁)能很好的承受載荷。4.在主載荷作用下只有對應的彎曲梁產(chǎn)生變形。該結構采用雙彎曲梁的形式，使得在FX或FY軸載荷作用下對應的彎曲梁產(chǎn)生相應的彎曲變形，在梁的相應位置布置的電阻應變片，可以測量其載荷的值。而另一個梁由于不產(chǎn)生變形，即無測量值。當FZ或MZ作用時，兩個彎曲梁同時變形，同樣在梁的相應位置布置的電阻應變片，可以測量其載荷的值。5.由于采用了兩個彎曲梁的結構，避免了整體梁的加工精度問題與由多個梁帶來的加工和裝配誤差。6.通過簡單的分析電路或檢測程序可以區(qū)別對應的載荷性質，無須建立煩瑣的解析方程與模型，使得測試方法更為簡單與正確。7.適當調整應變片的組橋方式可以將四軸力增加為六軸力測量，既三組坐標的力與扭矩。8.傳感器的標定十分方便。圖1是本發(fā)明的結構主視圖；圖2是圖1的左視圖；圖3是圖1的俯視圖；圖4是圖1中沿A-A的剖視圖；圖5是上蓋的主剖視圖；圖6是圖5的俯視圖；圖7是彈性彎曲梁的主視圖；圖8是圖7的俯視圖；圖9是圖7的左視圖；圖10是連接盤主視圖；圖11是圖10的俯視圖；圖12是壓蓋的主視圖；圖13是圖12的俯視圖；圖14是底座的主視圖；圖15是圖14的俯視圖；圖16是載荷坐標與貼片位置示意圖。具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1至圖4所示，本發(fā)明的雙彎曲梁結構多軸力傳感器，包括上蓋1，底座2，連接盤3，壓蓋4，彈性彎曲梁5，貼在彈性彎曲梁上的電阻應變片。上蓋1下面固定連接連接盤3，上蓋1與底座2之間放置二個彈性彎曲梁5，且二個彈性彎曲梁5水平交叉布置，并用壓蓋4固定在底座2上。本發(fā)明的雙彎曲梁型多軸力傳感器結構特點與工作原理該傳感器的設計是利用兩個彎曲梁的結構作為傳感器的彈性元件，并在相應的截面位置上粘貼電阻應變片完成三個力(X、Y、Z軸)與一個扭矩(繞Z軸)測量的傳感器。其結構特點是在主載荷作用下只有對應的彎曲梁產(chǎn)生變形。彎曲梁采用測量體為矩形，用于應變片的粘貼。兩端支撐點為圓柱形，用于承受載荷并在非對應載荷的作用時不產(chǎn)生約束。中間的配合槽是將兩個彎曲梁相互配合在一起。上蓋1與底座2分別安置在對應的構件上。其上設有安裝螺栓孔。壓蓋4的作用是將彎曲梁5與與底座2連接在一起。螺栓擰緊后底座壓蓋4與底座2形成的圓孔與彎曲梁5的圓柱體留有一定的間隙。連接盤3用于將底座2與彎曲梁5—起與上蓋1連接。該結構采用雙彎曲梁的形式，使得在&或？^由載荷作用下對應的彎曲梁產(chǎn)生相應的彎曲變形，在彎曲梁5的相應位置布置的電阻應變片，可以測量其載荷的值。而另一個彎曲梁5則不產(chǎn)生變形，即無測量值。當Fz或禮作用時，兩個彎曲梁5同時變形，同樣在彎曲梁5的相應位置布置的電阻應變片，可以測量其載荷的值。如圖5，6所示，傳感器上蓋1為圓柱體。其外徑由被測受力件大小決定，外SD1=(1.31.5)Dq。Dq為外部受力構件的截面尺寸。安裝螺栓孔中心圓位置D2=(Di+Dd/2，高度H1=D1(1/81/10)。與傳感器連接盤連接處凸臺外徑D3=D1/(2.53)，高度H2=B1(2^2.5)0安裝螺栓M1=D1(1/81/10)。安裝螺栓孔D4=廣1.2)mm。與傳感器連接盤連接處螺栓孔中心圓位置D5=D3/(1.3^1.5)。與傳感器連接盤連接處螺栓M2=D1/(810)。與傳感器連接盤連接處螺栓孔％=112+(廣1.2)mm。與傳感器連接盤連接處螺栓沉孔D7=D6+(1.52)mm，深度H3=H1(0.30.5)。由鋁合金或鋼材制成。如圖7至圖9所示，傳感器彈性彎曲梁5采用測量體為矩形，兩端支撐點為圓柱形。彎曲梁高度與寬度相同，BiZ^lOmm。中間的配合槽的寬度B1，深度B2=B/2。公差配合h7。彎曲梁兩端支撐點圓柱的直徑Cl=B1(LSl)tjl=3、mm。彎曲梁的總長L=D1(0.5^0.7)0常用的傳感器彈性體材料。如圖10，11所示，傳感器連接盤3為圓柱體，在圓柱體上設有彎曲梁的安裝槽與同上蓋的連接孔。安裝槽的高度與寬度相同為I。公差配合H7。連接盤的外徑D3。連接盤的高度H2=B1(2^2.5)。螺紋孔M2,由鋁合金或鋼材制成。如圖12，13所示，壓蓋4為圓柱體。在圓柱體上設有四個半圓孔與八個緊固螺栓孔。半圓孔直徑d=Cl1+(0.Γ0.2)mm。八個緊固螺栓孔D11=M2+0.5mm。與底座安裝連接塊配鉆。底座壓蓋外徑D8=L(1.021.05)。底座壓蓋內(nèi)徑D9=D8-(2.22.4).I115底座壓蓋高度H4=(2^2.5)d10八個緊固螺栓孔中心圓Dltl=(D8+D9)/2。與中心線夾角32°，并由鋁合金或鋼材制成。如圖14，15所示，底座2在圓柱體上設有四個沿圓周均勻分布為圓弧形安裝連接塊、四個底座安裝螺栓孔與八個緊固螺栓孔。底座外徑Dp安裝螺栓孔中心圓位置D2。螺栓孔大小D4。高度H5=2H2。安裝連接塊設有四個半圓孔。半圓孔直徑d。安裝連接塊外徑D8。安裝連接塊內(nèi)徑D9。安裝連接塊高度氏=2!12。。安裝連接塊八個緊固螺栓孔均勻分布并與中心線夾角16°。緊固螺栓孔中心圓位置Dltl。緊固螺栓孔位置與中心線夾角64°。底座高度Hp由鋁合金或鋼材制成。如圖16所示，電阻變形梁應變片的粘貼位置傳感器彈性彎曲梁5是傳感器的核心元件.它直接承受載荷的全部。而電阻應變片就是利用變形梁的變形將應變量轉換成電量來進行測試的。所以應變片的粘貼位置的選擇是十分重要的。根據(jù)力學原理可以知道，一個矩形梁在受到彎曲力作用時，其正應力的大小沿截面的高度呈線性變化。中性軸上各點為零，上、下邊緣處各點為最大。利用這一特點在應變片的粘貼位置的選擇為上、下、左、右的邊緣表面并在同一截面上，而且定位在梁的中性層的位置上。測量電橋為雙臂半橋的形式。(I)Fz力——通過力學分析可以知道在Fz力的作用下，兩個傳感器彈性體(彎曲梁)均沿著Z方向產(chǎn)生彎曲變形，A方向上的上、下表面產(chǎn)生最大拉、壓應力，而B方向上的左、右兩片由于在中性層上所以應力為零。因此X、Y兩個梁只有A面上的應變片有輸出。⑵FY力——通過力學分析可以知道在FY力的作用下，傳感器彈性體(彎曲梁)Y沿著Z方向產(chǎn)生彎曲變形，B方向上的左、右表面產(chǎn)生最大拉、壓應力，而A方向上的兩片由于在中性層上所以應力為零。因此Y梁只有B面上的應變片有輸出。而傳感器彈性體(彎曲梁)X由于兩端的圓形頭部在Y向可以自由移動，(無約束)，因此不受FY作用。(3)FX力——通過力學分析可以知道在FX力的作用下，傳感器彈性體(彎曲梁)1沿著χ方向產(chǎn)生彎曲變形，B方向上的左、右表面產(chǎn)生最大拉、壓應力，而A方向上的兩片由于在中性層上所以應力為零。因此X梁只有B面上的應變片有輸出。而傳感器彈性體(彎曲梁)Y由于兩端的圓形頭部在X向可以自由移動，(無約束)，因此不受FX作用。(4)MZ力矩——通過力學分析可以知道在MZ力矩的作用下，兩個傳感器彈性體(彎曲梁)均沿著繞Z方向轉動產(chǎn)生的彎曲變形，B方向上的左、右表面產(chǎn)生最大拉、壓應力，而A方向上的上、下兩片由于在中性層上所以應力為零。因此X、Y兩個梁只有B面上的應變片有輸出。當傳感器承受Z方向的載荷Fz時，輸出信號為IAl-(-1Α2)+1Α3-(-1Α4)+2Α1-(-2Α2)+2Α3-(-2Α4)當傳感器承受Y方向的載荷Fγ時，輸出信號為2Β1-(-2Β2)+2Β3-(-2Β4)當傳感器承受X方向的載荷Fx時，輸出信號為1Β1-(-1Β2)+1Β3-(-1Β4)當傳感器承受繞Z方向旋轉的載荷禮時，輸出信號為2Β1-(-2Β2)+2Β4-(-2Β3)+IBl-(-1Β2)+1Β4-(-1Β3)，與Fy和Fx載荷作用時比較<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>由表可以得知在Fx與Fy作用下的B3、B4與Mz作用下的B3、B4在輸出有著極性上的區(qū)別，因此可以用簡單的分析電路或檢測程序加以判斷。權利要求一種雙彎曲梁結構多軸力傳感器，包括上蓋(1)，底座(2)，連接盤(3)，壓蓋(4)，彈性彎曲梁(5)，貼在彈性彎曲梁上的電阻應變片，其特征在于所述上蓋(1)下面固定連接連接盤(3)，上蓋(1)與底座(2)之間放置二個彈性彎曲梁(5)，且二個彈性彎曲梁(5)水平交叉布置，并用壓蓋(4)固定在底座(2)上。2.根據(jù)權利要求1所述的雙彎曲梁結構多軸力傳感器，其特征在于所述上蓋(1)為圓柱體，其外SD1=(1.31.5)D。，高度H1=D1(1/81/10)，與連接盤(3)連接處凸臺外徑D3=D1/(2.53)，高度H2=B1(22.5)。3.根據(jù)權利要求1所述的雙彎曲梁結構多軸力傳感器，其特征在于所述彈性彎曲梁(5)由為中間測量體和兩端支撐點構成，其中，測量體為矩形，兩端支撐點為圓柱形，測量體高度與寬度相同為&=riOmm，測量體中間開有寬度為&的配合槽，配合槽深度化=B/2，兩端支撐點圓柱的直徑d=B1(1.52)，厚度1=3、mm，彈性彎曲梁的總長L=D1(0.50.7)。4.根據(jù)權利要求1所述的雙彎曲梁結構多軸力傳感器，其特征在于所述連接盤(3)為圓柱體，在圓柱體上設有彈性彎曲梁(5)的安裝槽和與上蓋(1)連接的孔，安裝槽的高度與寬度相同為B1,連接盤的高度H2=B1(22.5)。5.根據(jù)權利要求1所述的雙彎曲梁結構多軸力傳感器，其特征在于所述壓蓋(4)為圓柱體，在圓柱體上設有四個半圓孔與八個緊固螺栓孔，半圓孔直徑d=^+(0.Γ0.2)mm,八個緊固螺栓孔D11=M2+0.5mm；壓蓋外徑D8=L(1.021.05)，內(nèi)徑D9=D8-(2.22.4).I1,高度H4=(2^2.5)屯。6.根據(jù)權利要求1所述的雙彎曲梁結構多軸力傳感器，其特征在于所述底座(2)為圓柱體，在圓柱體上設有四個為圓弧形安裝連接塊，四個底座安裝螺栓孔與八個緊固螺栓孔，每個安裝連接塊上開有半圓孔，圓弧形安裝連接塊的兩側夾角為64°，四個安裝連接塊均勻分布，四個安裝連接塊上的八個緊固螺栓孔均勻分布并與中心線夾角16°。7.根據(jù)權利要求1所述的雙彎曲梁結構多軸力傳感器，其特征在于所述電阻應變片在彈性彎曲梁(5)的中間測量體上的粘貼位置為上、下、左、右的邊緣表面并在同一截面上，而且定位在彈性彎曲梁(5)的中性層的位置上，電阻應變片組成的測量電橋為雙臂半橋的形式。全文摘要本發(fā)明涉及一種雙彎曲梁結構多軸力傳感器，包括上蓋，底座，連接盤，壓蓋，彈性彎曲梁，貼在彈性彎曲梁上的電阻應變片。上蓋下面固定連接連接盤，上蓋與底座之間放置二個彈性彎曲梁，且二個彈性彎曲梁水平交叉布置，并用壓蓋固定在底座上。該傳感器利用兩個彎曲梁的結構作為傳感器的彈性元件，并在相應的截面位置上粘貼電阻應變片完成三個力(X、Y、Z軸)與一個扭矩(繞Z軸)測量的傳感器，在主載荷作用下只有對應的彎曲梁產(chǎn)生變形，具有結構簡單，測量精度高，使用方便等特點。文檔編號G01L1/22GK101825507SQ20101018398公開日2010年9月8日申請日期2010年5月25日優(yōu)先權日2010年5月25日發(fā)明者楊斐,沈旭棟,石鋼,胡颯英,黃雷申請人:上海應用技術學院