平面仿蛙式并联二维力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种平面二维力传感器，尤其涉及一种平面仿蛙式并联二维力传感器及其制造方法。

背景技术

二维力传感器能够同时测量平面内两个正交方向上力分量的一类力传感器，广泛应用于与结构和非结构环境中需要进行交互力感知的工农业生产场合。

二维力传感器的理想工作状态是加载的X、Y双向力的方向位于同一平面内，或者X、Y双向加载的扭矩在中心线在同一平面内，但是在具体使用过程中，由于X向和Y向加载的力或者扭矩经常不在一个平面内，存在一定的偏差。现有的二维力传感器由于其自身结构形状的问题，这样就不可避免的还会产生扭矩耦合的问题，给检测后的数据运算会带来一定的麻烦，需要通过运算来进行解耦的工作，有必要对二维力传感器的结构进行改进，来降低耦合，减少解耦运算量。

同时现有的二维力传感器的结构形状一般为立体结构，如中国专利申请号201110226610.X，公开了一种二维力传感器，多向开孔，就需要多方向进行切削加工才能完成弹性体的制造，需要多方向定位后才能进行切削结构，加工精度不好保证，制作成本高。

发明内容

本发明的技术方案：一种平面仿蛙式并联二维力传感器，包括弹性体和若干应变片，其特征在于：弹性体包括平行对称布置的两个长度相等的导向梁，在两个导向梁的对称中心面甲位置上分别设有与两个导向梁端部对应的两个固定台，每个固定台两侧分别通过与导向梁垂直布置的弹性梁与导向梁的端部连接，导向梁、弹性梁、固定台合围成方形框甲，在方形框甲内设有一个偏置加载台，该偏置加载台的长度方向与两个固定台同中心面布置，偏置加载台靠近其中一个固定台，在该偏置加载台沿长度方向的两端的两侧面分别设有与导向梁内侧面连接的弹性运动支链，两侧的弹性运动支链关于对称中心面甲对称布置，每侧的两个弹性运动支链平行布置，弹性运动支链的长度方向中心面与对称中心面甲呈夹角α，每个弹性运动支链的两端部设有柔性转动副，该柔性转动副为布置在弹性运动支链两端侧面的两个对称的弧形凹槽，在偏置加载台每侧的四个柔性转动副的中心位于一个平行四边形的四个顶点上，所述的应变片贴在远离偏置加载台的弹性梁上，并对称分部在对称中心面甲两侧。

优选的，所述的导向梁、固定台、弹性梁、偏置加载台、弹性运动支链的厚度相同，并且为一体成型结构。

优选的，所述的导向梁、固定台、弹性梁、偏置加载台、弹性运动支链的相互连接处角部均采用圆弧过渡，所述的夹角α范围在30°至60°之间。

优选的，所述的两个固定台分别为大固定台和小固定台，偏置加载台靠近的为小固定台，远离的为大固定台，在大固定台的两侧分别设有两个弹性梁甲，位于同侧两个弹性梁甲、大固定台、导向梁合围成方形框乙；在小固定台的两侧分别设有一个弹性梁乙。

优选的，所述的大固定台设有四个连接孔甲，在对称中心面甲两侧各两个对称布置，四个连接孔甲中心与大固定台中心重合；所述的小固定台上设有两个连接孔乙，在对称中心面甲两侧各一个对称布置，连接孔乙位于小固定台横向中心轴线上；在对称中心面甲同一侧的两个连接孔甲和一个连接孔乙到对称中心面甲的距离相同。

优选的，所述的偏置加载台上设有四个连接孔丙，在对称中心面甲两侧各两个对称布置，四个连接孔丙的中心到该偏置加载台两端的两对弹性运动支链的中心面交线的距离相同。

优选的，所述的应变片为八个，在对称中心面甲两侧各四个，每侧的四个分别贴在弹性梁甲的在方形框乙内部的侧面，靠近弹性梁甲的端部布置，每侧四个应变片位于一个长方形的四个顶点，每侧四个应变片中心与方形框乙的中心重合。

优选的，所述的应变片为八个，在对称中心面甲两侧各四个；其中两个贴在方形框乙内部靠近导向梁一端的弹性梁甲的侧面，另外两个贴在方形框乙外部靠近大固定台一端的弹性梁甲的侧面，每侧四个应变片位于一个等腰梯形的四个顶点，每侧四个应变片中心与方形框乙的中心重合。

一种前面所述的平面仿蛙式并联二维力传感器的制造方法，包括如下步骤：

①.根据所述的弹性体的截面形状制作挤压模具；

②.通过模具挤出成型截面形状与弹性体截面形状相同的条状型材；

③.沿条状型材的横截面切割出厚度合适的弹性体；

④.贴装应变片。

优选的，所述的步骤③和④之间还设有精切削加工步骤，该步骤只包括垂直于弹性体横截面方向的切削加工，不包括其他方向的切削加工，使弹性体横截面形状、尺寸符合设计要求。

本发明的有益技术效果是：

该平面仿蛙式并联二维力传感器及其制造方法，其弹性体关于对称中心面甲两侧对称布置的弹性梁、导向梁、和弹性运动支链分别形成串联的连接，并同时对称并联在偏置加载台的两侧形成并联结构，偏置加载台偏向小固定台一端布置，两侧的弹性运动支链倾斜平行布置，整体形似青蛙，这样的结构设计可同时实现X、Y双向力解耦和减小由于加载的X、Y双向力不在一个平面上造成的耦合问题，降低后面解耦的运算量，平面结构的弹性体，还能降低弹性体的制造难度，减少切削加工及难度，很容易保证加工的精度。

附图说明

图1是平面仿蛙式并联二维力传感器的立体图；

图2是平面仿蛙式并联二维力传感器的俯视图；

图3是平面仿蛙式并联二维力传感器贴应变片后的俯视图之一；

图4是平面仿蛙式并联二维力传感器贴应变片后的俯视图之二；

图5为电脑仿真时的路径标定示意图；

图6为竖直FZ或者Fy＝1000N时路径A上的正弦弹性应变示意图；

图7为竖直FZ或者Fy＝1000N时路径B上的正弦弹性应变示意图；

图8为竖直FZ或者Fy＝1000N时路径C上的正弦弹性应变示意图；

图9为竖直FZ或者Fy＝1000N时路径D上的正弦弹性应变示意图；

图10为施加水平力Fx＝1000N时路径A上的正弦弹性应变示意图；

图11为施加水平力Fx＝1000N时路径B上的正弦弹性应变示意图；

图12为施加水平力Fx＝1000N时路径C上的正弦弹性应变示意图；

图13为施加水平力Fx＝1000N时路径D上的正弦弹性应变示意图；

图14为施加扭矩Mz＝10Nm时路径A上的正弦弹性应变示意图；

图15为施加扭矩Mz＝10Nm时路径B上的正弦弹性应变示意图；

图16为施加扭矩Mz＝10Nm时路径C上的正弦弹性应变示意图；

图17为施加扭矩Mz＝10Nm时路径D上的正弦弹性应变示意图；

图中：1.导向梁、11.方形框甲、2.大固定台、21.连接孔甲、3.弹性梁、31.方形框乙、4.弹性运动支链、41.柔性转动副(两个背对的圆弧槽)、5.偏置加载台、51.连接孔丙、6.小固定台、61.连接孔乙、R1-R8.应变片。

具体实施方式

实施例一：参见图1-3，图中一种平面仿蛙式并联二维力传感器，包括弹性体和若干应变片，其特征在于：弹性体包括平行对称布置的两个长度相等的导向梁，在两个导向梁的对称中心面甲位置上分别设有与两个导向梁端部对应的两个固定台，每个固定台两侧分别通过与导向梁垂直布置的弹性梁与导向梁的端部连接，导向梁、弹性梁、固定台合围成方形框甲，在方形框甲内设有一个偏置加载台，该偏置加载台的长度方向与两个固定台同中心面布置，偏置加载台靠近其中一个固定台，在该偏置加载台沿长度方向的两端的两侧面分别设有与导向梁内侧面连接的弹性运动支链，两侧的弹性运动支链关于对称中心面甲对称布置，每侧的两个弹性运动支链平行布置，弹性运动支链的长度方向中心面与对称中心面甲呈夹角α，每个弹性运动支链的两端部设有柔性转动副，该柔性转动副为布置在弹性运动支链两端侧面的两个对称的弧形凹槽，在偏置加载台每侧的四个柔性转动副的中心位于一个平行四边形的四个顶点上，所述的应变片贴在远离偏置加载台的弹性梁上，并对称分部在对称中心面甲两侧。

所述的导向梁、固定台、弹性梁、偏置加载台、弹性运动支链的厚度相同，并且为一体成型结构。

所述的导向梁、固定台、弹性梁、偏置加载台、弹性运动支链的相互连接处角部均采用圆弧过渡，所述的夹角α范围在30°至60°之间。

所述的两个固定台分别为大固定台和小固定台，偏置加载台靠近的为小固定台，远离的为大固定台，在大固定台的两侧分别设有两个弹性梁甲，位于同侧两个弹性梁甲、大固定台、导向梁合围成方形框乙；在小固定台的两侧分别设有一个弹性梁乙。

所述的大固定台设有四个连接孔甲，在对称中心面甲两侧各两个对称布置，四个连接孔甲中心与大固定台中心重合；所述的小固定台上设有两个连接孔乙，在对称中心面甲两侧各一个对称布置，连接孔乙位于小固定台横向中心轴线上；在对称中心面甲同一侧的两个连接孔甲和一个连接孔乙到对称中心面甲的距离相同。

所述的偏置加载台上设有四个连接孔丙，在对称中心面甲两侧各两个对称布置，四个连接孔丙的中心到该偏置加载台两端的两对弹性运动支链的中心面交线的距离相同。

该传感器的弹性体关于对称中心面甲两侧对称布置的弹性梁、导向梁、和弹性运动支链分别形成串联的连接，并同时对称并联在偏置加载台的两侧形成并联结构，偏置加载台偏向小固定台一端布置，两侧的弹性运动支链倾斜平行布置，整体形似青蛙，这样的结构设计一方面能够减小由于加载的X、Y双向力不在一个平面上造成的耦合问题，降低后面解耦的运算量，平面结构的弹性体，还能降低弹性体的制造难度，减少切削加工，很容易保证加工的精度。

所述的应变片为八个，在对称中心面甲两侧各四个，每侧的四个分别贴在弹性梁甲的在方形框乙内部的侧面，靠近弹性梁甲的端部布置，每侧四个应变片位于一个长方形的四个顶点，每侧四个应变片中心与方形框乙的中心重合。

本实施例在有限元软件仿真的过程展示参见图5-17，根据图5-17的仿真数据得出下表1：

表1在单维力/力矩载荷作用下应变片粘贴点处的输出应变

表1第1列中的位置：表示应变片在路径上沿路径方向上的粘贴位置，因应变片在弹性梁上感知的应变呈线性分布，因此仅选取了应变片粘贴一个位置点进行说明。其中1με：表示微应变＝10

具体来说：

(1)施加Fx＝1000N时

全桥桥路1输出：ε

全桥桥路2输出：ε

满量程耦合应变0.67/422.91＝0.16％F.S.

(2)施加Fy＝1000N时

全桥桥路1输出：ε

全桥桥路2输出：ε

满量程耦合应变：0.255/1243.3＝0.02％F.S.

根据定义路径上的应变值、应变片粘贴位置和贴片组桥方案1，可以得到测量力Fx的全桥桥路1和测量Fy或Fz的桥路彼此间耦合输出较小。

(3)施加MZ＝10Nm时

全桥桥路1输出：ε

耦合应变0.17/422.91＝0.04％F.S.

全桥桥路2输出：εFy＝(ε

耦合应变：0.00375/1243.3＝0.00％F.S.

根据定义路径上的应变值、应变片粘贴位置和贴片组桥方案1，可以得到测量力Fx的全桥桥路1和测量Fy或Fz的桥路对扭矩Mz的耦合输出较小。

实施例二：参见图1、2、4，图中一种平面仿蛙式并联二维力传感器，实施例二与实施例一基本相同，相同之处不重述，不同之处为，实施例二中的所述的应变片为八个，在对称中心面甲两侧各四个；其中两个贴在方形框乙内部靠近导向梁一端的弹性梁甲的侧面，另外两个贴在方形框乙外部靠近大固定台一端的弹性梁甲的侧面，每侧四个应变片位于一个等腰梯形的四个顶点，每侧四个应变片中心与方形框乙的中心重合。

实施例三：基于实施例一或者实施例二的平面仿蛙式并联二维力传感器的制造方法，包括如下步骤：

①.根据所述的弹性体的截面形状和尺寸制作挤压模具；

②.通过模具挤出成型截面形状与弹性体截面形状和尺寸相同的条状型材；

③.沿条状型材的横截面切割出厚度合适的弹性体；

④.贴装应变片。

由于该传感器的弹性体的结构中各个组成部分均布置在同一平面上，并且各个孔也是在垂直与该平面的方向上布置，在垂直于弹性体的平面的侧向没有任何结构需要切削加工，这样就能采用型材切片的工艺路线进行制造，若型材挤出时的尺寸精度满足设计要求，就可以省去切削加工的过程，简化工艺，降低生产成本。

实施例四：实施例四与实施例三基本相同，相同之处不重述，不同之处为，实施例四中所述的步骤③和④之间还设有精切削加工步骤，该步骤只包括垂直于弹性体横截面方向的切削加工，不包括其他方向的切削加工，使弹性体横截面形状、尺寸符合设计要求。

本实施主要是针对型材挤出时尺寸精度不足的情况，由于在垂直于弹性体的平面的侧向没有任何结构需要切削加工，因此该步骤只包括垂直于弹性体横截面方向的切削加工，这样在切削加工时对定位基准的要求降低，同时只需一个轴向的切削刃具就能完成加工，降低加工的难度和成本。