多轴向力-扭矩传感器制造技术

本发明专利技术涉及具有换能器结构的多轴向力-扭矩传感器，应变量计置于限定的区域中以测量应变，根据应变来计算力和扭矩，并且其中，换能器结构有利地由用辐条连接的两个同心环构成，而换能器结构是平面式机械结构，并且所有应变量计被以测量非径向应变分量的方式应用到换能器结构的同一表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多轴向力-扭矩传感器描述 本专利技术涉及具有换能器结构的多轴向力-扭矩传感器，应变量计置于换能器的一个单个表面的限定的区域中以测量应变，根据应变来计算力和扭矩，并且其中，换能器结构有利地由用辐条连接的两个同心环构成。
技术介绍
多轴向力-扭矩传感器大多数设计成复杂的3维换能器结构，应变量计置于限定的区域中，以测量应变，根据该应变来计算力和扭矩。非常普遍，换能器结构由用辐条(3-4)连接的两个同心环构成。为了得到关于所有六个轴线(3个力、3个扭矩)的信息以及对所有力和扭矩轴线实现相当的敏感度，应变量计必须被置于辐条的不同的侧上，以及还部分地置于同心环上。 传统的换能器几何结构是高度复杂的，从而导致许多加工工作以及因此导致高成本。另外对辐条的不同的侧应用应变量计仅可通过手工来进行，这再次要花费较长的时间且导致高的成本。因此这样的传感器是非常昂贵的，并且这会将它们的使用限制于小量的特别成本不敏感的机器人应用和R&D (每年最多100个一种类型的传感器)。具有可用的低成本多轴向传感器可将这样的传感器的使用扩展到大量应用(每年数百至数千个一种类型的传感器)，例如在机器人中、汽车中、保健装置中等。专利技术目的 使用置于结构的仅一个表面上的应变量计来测量平面式机械结构的三个力和扭矩分量是有挑战性的。这个问题涉及结构的对称属性。本专利技术的一个目的是提供用于力-扭矩换能器的设计，这可由低成本片材金属材料制造，并且可容易加工在仅一个表面上，例如通过使用低成本2自由度CNC机器。换能器结构必须还使得能够优选使用低成本自动工艺将所有应变量计置于同一表面上。该解决方案将使得能够有低成本力-扭矩传感器用于大规模生产。因为本专利技术基于平面式准2维结构，所以换能器可还由片材类型材料制造，并且所有应变测量装置在一个表面上安装在片材的不同的位置处。根据本专利技术的另一个目的，设想使用可能最小的数量的应变测量装置，以进一步限制组装工作且因而限制成本。应变测量装置的优选解决方案是应变量计，但是还有也可适用于这个概念的备选技术，例如压电阻材料、磁阻材料、光学读数器等。如果考虑由将内部盘连接到固定的外部环带上的对称布置的径向辐条构成的传感器，则大体这些辐条包含对称布置的量计，以测量由于在中心施加的力和/或扭矩所引起的径向应变分量。这种结构展示许多对称元素，例如，用于3辐条系统的3折旋转和3个镜像平面。那么不可能获得对3个力和3个扭矩的选择性测量。专利技术描述为了克服对称的这个问题，已经发现，对于平面式机械传感器结构，应变量计必须被应用到换能器结构上，使得测量非径向应变分量。存在两个方式来执行这种测量 A)使用不沿径向对称的辐条。 B)测量非径向应变分量，即，沿着辐条的剪切应变。通过使用相对于径向方向倾斜角度a的辐条来采用A)，针对量计信号获得应变值Si (-Tz)-Si(Tz)。这个使得能够用正确属性表达校准函数tz (S1，…，sN)。这种结构可仍然展现3折(fold)旋转对称元素，但是不再具有包含z轴线的镜像平面。而提供使得能够有Tz检测的结构的方案B)将还导致有超过最小数量的应变量计。这是由于缺乏剪切应变来施加Fz，也就是说，需要额外的量计来测量在最大限度地对称的传感器上的Tz和Fz两者。要清楚，需要至少6个应变量计来测量所有3个力和3个扭矩分量。因此总结，具有正好6个量计的最小系统不可最大程度地对称。所需要的不对称还可通过将应变量计置于偏离辐条轴线的位置上来获得，而非使辐条整个倾斜。当进行施加轴向扭矩Tz时，S卩，扭矩向量分量垂直于传感器平面，这将导致在对称地等效的量计上有相同的传感器信号。具体而言，在各个辐条上的径向应变分量独立于Tz的正负号，即，形式上，这些信号从Si (-Tz)扩展到Si (Tz)，其中i=l，…，N遍及所有N个量计。在应变量计信号方面返回Tz分量的校准函数tz (Si，…，Sn)具有正负号的变化，从Tz变到_TZ。在上面的关系Si (-Tz) = Si (Tz)的情况下，这个明显是不可能的。因此总结，这种结构不可检测轴向扭矩分量。该情形对于轴向力分量Fz是不同的从Fz变到-FJf改变信号的正负号，由于信号径向应变Si (-Fz) -Si(Fz)的原因，这使得能够设定校准函数fz(Si, -,Sn)。这个取决于基本事实应变量计在+Fz处被“压缩”，因为辐条在+z方向上弯曲，而应变量计在辐条在-Z方向上弯曲时在-Fz处“伸展”。在Tz的情况下，辐条在平行于其上安装传感器的同一平面的方向上弯曲，并且对于+1；和-Tz获得相同的“压缩”。为了绕过如今制造的力/扭矩传感器的这个问题，传感器安装在辐条的2个正交的侧上。在一些情况下，看起来能够基于对称的群理论以及它们的表示建立理论，以严格地证明上面的论点。关键因素将是力是矢量数量，而扭矩是所谓的“伪”矢量，其与正常的矢量相比在镜像对称下表现不同。根据本专利技术的一个另外的解决方案是由用辐条连接的两个同心环构成的平面式结构，它们第一眼看类似于现有技术。不同之处在于整个结构具有均匀的、相当有限的厚度，使得如果提供了例如钢或铝制成的适当的片材材料，则仅例如通过低成本激光或水射流切割或通过冲孔而非普通的复杂的铣削工艺来加工出轮廓。如果必须测量少于6个轴线或者如果正在使用特定的应变测量，则辐条的轴线不必穿过换能器的中心，但是它可以穿过。对于完全6轴线测量，辐条轴线优选相对于径向方向倾斜，从而导致有非对称结构。倾斜角可在0° (径向)和90° (切向)之间变化，优选在30°和60°之间变化。辐条的数量可为最少3个，其中，对不同的方向上的力和扭矩的敏感度通过改变辐条和环宽度以及改变整个换能器厚度来定制。结构的厚度优选为恒定的，但是厚度的改变也是可行的(例如减小应变量计后部的厚度，以局部地增大敏感度)。应变量计的数量可为每个辐条最少两个，可高达四个，它们具有限定的径向距离和周向距离。在换能器由片材制造的情况下，应变量计还可应用到片材的两个表面上和/或环结构上。优选选项是使用非径向辐条(换能器不对称)，在辐条上具有轴向应变量计。备选解决方案是在径向辐条上使用非径向应变测量(换能器对称，应变测量不对称)，例如剪切应变或横向应变测量。两者的组合也是可行的。应变量计可为箔应变量计或半导体应变量计或薄膜溅射应变量计。优选解决方案为半导体应变量计。还可应用备选应变测量装置(例如压电阻材料、光学读出器、磁致伸缩材料等)。优选地，应变量计预先组装在载体箔上，载体箔包括完整的配线(电连接)且还可 能包括电子构件(例如电力供应、放大)，使得所有应变量计(和电子器件)可在一个步骤中以精确和可再现的定向安装。在薄膜溅射工艺中，可使用与应变量计相同的技术来应用所有电连接。备选地，可使用专利申请PCT/EP2009/000811中描述的安装方式，即，整个电路预先制造在柔性PCB上而具有间隙，应变量计安装到间隙中且接触PCB。针对力和扭矩的特定组合，对于不同的辐条几何结构可堆叠两个这样的平面式传感器，以有定制的敏感度。本专利技术的这些和另外的特征以及其具体优点和本专利技术的改进是权利要求的主题。借助于本专利技术的描述所附的图，将阐述和说明本专利技术的具体优点和有利的实施例。图I显示根据现有技术的沿径向对称的辐条轮，其中各个辐条配备有一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：P萨茨，M韦茨科，P克里普纳，T布罗加德，M罗斯，
申请(专利权)人：ABB股份公司，
类型：发明
国别省市：