可实现高精度和一体化加工的二自由度解耦力传感器制造技术

本发明专利技术提供一种可实现高精度和一体化加工的二自由度解耦力传感器，属于先进制造和精密工程技术领域，包含基础模块和力测量系统。所述力测量系统包括四个压力传感器和四个调节螺栓。所述基础模块是力测量系统的安装基础，还具有力解耦的功能，基础模块包括四个结构相同的解耦平移铰，每个解耦平移铰包含一个U形刚性块、一个解耦刚性块、一个输出刚性块及若干柔性薄片。将力传感器通过调节螺栓固定在位于U形刚性块上的安装孔中。本发明专利技术运用柔顺机构，具有高精度；运用解耦平移铰，能够极大消除机构耦合位移的影响，具有很好的运动解耦特性；整个基础模块由刚性块和薄片组成，结构简单、紧凑，可一体化加工，无需装配。无需装配。无需装配。

【技术实现步骤摘要】
可实现高精度和一体化加工的二自由度解耦力传感器


[0001]本专利技术属于先进制造和精密工程
，涉及一种可实现高精度和一体化加工的二自由度解耦力传感器。

技术介绍

[0002]二自由度解耦力传感器可将平面内任意方向输入力解耦成两个方向的分力并测量出分力大小，目前公布的解耦力传感器多运用多组互不干涉的滑块结构实现力解耦，该方法不仅结构复杂，需要装配，而且由于存在背隙难以实现高精度。
[0003]柔顺机构不像传统刚性机构那样靠运动副来实现全部运动和功能，而主要靠机构中的柔性构件(细杆，薄片等)的变形来实现运动、力和能量的传递和转换。由于降低甚至避免了刚性运动副的使用，因此柔顺机构具有如下优点：装配需求减少，无回程误差，无间隙和磨损，可以实现高精度运动，无摩擦，无噪声，寿命高，无需润滑，运动刚度可调，可用于能量存贮和转化等。因此，柔顺机构可以为实现高精度和一体化加工的解耦力传感器提供参考。

技术实现思路

[0004]本申请提供一种解耦力传感器，同时满足高精度，二维交叉轴运动解耦，可以一体化加工，以及结构紧凑的特点。
[0005]为实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：
[0006]一种可实现高精度和一体化加工的二自由度解耦力传感器，包含基础模块1和力测量系统2。所述的基础模块1是力测量系统2的安装基础，还具有力解耦的功能。所述的力测量系统2包括4个压力传感器201和4个调节螺栓202，压力传感器201用于将压力信号转化为电信号，调节螺栓202用于固定压力传感器201并进行预紧调节。
[0007]所述的压力传感器201为圆柱体，在圆柱体两端面之间施加力的作用，压力传感器201便可将压力值转化为电信号通过线缆输出。
[0008]所述的基础模块1包括4个结构完全一致的解耦平移铰3，分别是解耦平移铰A301，解耦平移铰B302，解耦平移铰C303，解耦平移铰D304，每个解耦平移铰包含1个U形刚性块3001，1个解耦刚性块3004，1个输出刚性块3007以及若干柔性薄片。
[0009]所述的U形刚性块3001为一带缺口3011的不完整矩形框，整体呈“U”字形，矩形框的框缘具有一定的宽度与厚度，使得整个U形刚性块3001具有较大刚度，不易发生弹性变形。所述的U形刚性块3001为对称结构，缺口3011位于框的一条边上。此处所述的边为具有宽度与厚度的矩形框的框缘，为便于理解采用几何“边”的说法，后文中出现类似说明不再赘述。为便于说明，定义缺口3011所在边的方向为Y轴方向，垂直于缺口3011所在边的边朝向为X方向，按右手定则确定Z轴的方向，则U形刚性块3001的“U”字形位于XY平面内，“U”字的法向为Z轴方向，缺口截面平行于XZ平面。所述的缺口截面为缺口3011所在边被截去缺口3011后形成的剖面。定义U形刚性块3001中缺口所在边逆时针方向经过的三条边分别为边
a3008、边b3009、边c3010(边c3010也为中部横梁)。其中边a3008和边c3010平行于X轴方向，边b3009平行于Y轴方向。所述的边b3009中心位置设置有用于安装压力传感器的孔，孔上设置有槽用于压力传感器线缆通过。
[0010]所述的解耦刚性块3004为一矩形刚性块，其置于U形刚性块3001内部且有2组相对面分别与XY平面和XZ平面平行，称与XZ平面平行的两个面为端面。解耦刚性块3004的两端面分别和U形刚性块3001的缺口截面重合，故可以通过两柔性薄片(3002，3005)将U形刚性块3001和解耦刚性块3004相连。所述的重合关系为所在平面重合，并非构件直接通过面连接到一起，下文类似表述同义。所述的柔性薄片(3002,3005)为矩形薄片且与XZ平面平行，其最窄面与XY平面平行或重合，其中柔性薄片A3002连接U形刚性块3001缺口截面和与之重合的解耦刚性块3004端面，柔性薄片B3005连接U形刚性块3001的另一缺口截面和与之重合的解耦刚性块3004另一端面。
[0011]所述的输出刚性块3007为一矩形刚性块，其空间朝向与解耦刚性块3004一致且置于U形刚性块3001的缺口3011内，输出刚性块3007两端面与缺口截面之间存在一定空隙，因此输出刚性块3007能在缺口中沿Y轴方向移动。输出刚性块3007通过两柔性薄片(3003,3006)与解耦刚性块3004相连，所述的柔性薄片(3003,3006)为矩形薄片且平行于XZ平面，其最窄面与XY平面平行或重合。其中柔性薄片C一端连接输出刚性块3007端面，另一端连接到解耦刚性块3004朝向缺口的表面，柔性薄片D连接输出刚性块3007的另一端面和解耦刚性块3004朝向缺口的表面。进一步地，解耦平移铰3所有构件在Z轴方向上厚度相等。
[0012]所述解耦平移铰3为一平面机构，XY平面为该解耦平移铰3的所在平面。由于柔性薄片只能在其自由度方向弯曲，解耦平移铰3的输出刚性块3007只能沿Y轴方向有移动的自由度，由于有解耦刚性块3004的存在，解耦平移铰的输出刚性块3007在沿Y轴移动时，几乎不会产生绕Z轴的耦合位移，相比于一般的平行四边形柔顺平移铰具有良好的解耦特性。
[0013]将2个相同的解耦平移铰A301和B302在空间中成直角布置，具体位置关系如下：二者所在平面互相垂直；解耦平移铰A301的边c3010同时也是解耦平移铰B302的边c3010；解耦平移铰A301的缺口朝向与解耦平移铰B302的缺口朝向相反。如果再依次将解耦平移铰C303加入其中使得其与解耦平移铰B302成直角布置(位置关系与前述相同)，将解耦平移铰D304加入其中使得其与解耦平移铰C303成直角布置(位置关系与前述相同)，解耦平移铰D304也会与解耦平移铰A301成直角布置，则4个解耦平移铰围成立方体的4个侧面，其中解耦平移铰A301和C303缺口朝向一致，解耦平移铰B302和D304缺口朝向一致。
[0014]将上述4个解耦平移铰中A301和C303的输出刚性块3007用刚性梁连接成一整体，B302和D304的输出刚性块3007用刚性梁连接成一整体，将得到的整体称为接口刚性块305，基础模块1有两个接口刚性块305，且两个接口刚性块305成空间垂直关系，称接口刚性块305和压力传感器201安装孔靠近的两较长侧面为长侧面，另一朝向外侧的较长侧面为顶面，此处所述外侧为远离基础模块1所在区域向外的方向。
[0015]所述的基础模块1通过接口刚性块305与机架相连，另一接口刚性块305作为测量力输入端。
[0016]将力传感器201通过调节螺栓202固定在位于边b3009上的安装孔中。具体的：压力传感器1塞入安装孔中，然后拧入调节螺栓202，使压力传感器的一个端面紧贴接口刚性块305的长侧面，同时压力传感器201的另一端面被调节螺栓顶住，因此每个接口刚性块305的
两长侧面被两压力传感器顶住。当输入一平行于接口刚性块305顶面的力时，由于基础模块1的解耦特性，输入力会被解耦成两个分别平行于两接口刚性块305的力，两个分力分别导致位于两接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可实现高精度和一体化加工的二自由度解耦力传感器，其特征在于，所述的二自由度解耦力传感器包括基础模块(1)和力测量系统(2)；所述的基础模块(1)是力测量系统(2)的安装基础，具有力解耦的功能；所述的力测量系统(2)包括4个压力传感器(201)和4个调节螺栓(202)，压力传感器(201)用于将压力信号转化为电信号，调节螺栓(202)用于固定压力传感器(201)并进行预紧调节；所述的基础模块(1)包括4个结构完全一致的解耦平移铰(3)，分别是解耦平移铰A(301)，解耦平移铰B(302)，解耦平移铰C(303)，解耦平移铰D(304)，每个解耦平移铰包含1个U形刚性块(3001)，1个解耦刚性块(3004)，1个输出刚性块(3007)以及若干柔性薄片；所述的U形刚性块(3001)为一带缺口(3011)的不完整矩形框，整体呈“U”字形；所述的U形刚性块(3001)为对称结构，缺口(3011)位于框的一条边上，U形刚性块(3001)的中部横梁上设有安装孔；定义缺口(3011)所在边的方向为Y轴方向，垂直于缺口(3011)所在边的边朝向为X方向，按右手定则确定Z轴的方向，则U形刚性块(3001)的“U”字形位于XY平面内，“U”字的法向为Z轴方向，缺口截面平行于XZ平面；定义U形刚性块(3001)中缺口所在边逆时针方向经过的三条边分别为边a(3008)、边b(3009)、边c(3010)，边b(3009)中心位置设置有用于安装压力传感器的孔，孔上设置有槽用于压力传感器线缆通过；所述的解耦刚性块(3004)为一矩形刚性块，其置于U形刚性块(3001)内部，解耦刚性块(3004)的两端面分别和U形刚性块(3001)的缺口截面重合，通过两柔性薄片((3002)，(3005))将U形刚性块(3001)和解耦刚性块(3004)相连；所述的柔性薄片((3002),(3005))为矩形薄片且与XZ平面平行；所述的输出刚性块(3007)为一矩形刚性块，其空间朝向与解耦刚性块(3004)一致且置于U形刚性块(3001)的缺口(3011)内，输出刚性块(3007)两端面与缺口截面之间存在一定空隙，即输出刚性块(3007)能在缺口中沿Y轴方向移动；输出刚性块(3007)通过两柔性薄片((3003),(3006))与解耦刚性块(3004)相连，所述的柔性薄片((3003),(3006))为矩形薄片且平行于XZ平面，其中柔性薄片一端连接输出刚性块(3007)端面，另...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海洋，冷初阳，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：