专利名称：框架式三维力传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及传感器技术。
三维力传感器能同时测量三个互相垂直的力分量。当传感器座标系采用直角座标系时，这种传感器可以测量直角座标系的三个力分量。三维力传感器广泛应用于机器人技术，机床装备及各种需测量多维力的场合。通常多维力维间耦合难于排除，精度较低，且多维力传感器体积较大。
本实用新型的目的是，提供一种具有灵敏度高，维间耦合低，体积小，刚性好，动态性能好的三维力传感器。
本实用新型采用三个框架结构构成完整的传感器，每一框架结构测一个力的分量。三个框架结构的力敏感方向互相垂直，与直角座标系X、Y、Z轴一致。每一框架上由二个互相平行的应变梁和与之垂直的二片厚壁组成，形状与火柴盒相似。在薄片与厚片交线中点连线的薄片上贴有四个应变器，应变器接成桥路可测量垂直于薄片的力，三个框架式弹性体间有二处厚壁相连结，余下的二个厚壁即可作为固定端和加力端。固定端和加力端是可互换的。
三个框架结构可以是三个工件，用连接件如螺钉等连接起来；也可以是一整体结构；也可以是其中二个是一个整体与另一个独立的用连结件连结起来。
以下结合
之图1是本实用新型的结构图，图中1、2、3、4、9、10、11、12、17、18、19、20——应变片；5、6、13、14、21、22——厚壁；7、8、15、16、23、24——应变梁；22——基座端；6——加力端，A、B、C——框架。
本实用新型是由A、B、C三个框架式结构组合而成的，每框架上由二个互相平行的应变梁7、8、15、16、23、24和与之垂直的厚壁5、6、13、14、21、22组成；在应变梁7、8、15、16、23、24和厚壁5、6、13、14、21、22直线中点的薄片上贴有应变器1、2、3、4、9、10、11、12、17、18、19、20；A、B、C三个框架式弹性体间A框架的厚壁端5和B框架的厚壁端13相连，B框架的厚壁端14与C框架的厚壁21相连；厚壁14和21是做成一体的。A、B、C三个框架式弹性体的敏感轴互相垂直，与直角座标X、Y、Z轴一致。
本实用新型的三个框架A、B、C去掉一个，如附图1中去掉框架A，则可做成测X，Y分量力的整体结构二维传感器。三个框架结构去掉框架C，则可做成Y，Z分量力的套装式二维传感器。
本实用新型除了如图1所示的结构外，还可以用其它形式将三个框架式弹性结合起来，如附图3所示，对Fz敏感的框架A，装在对Fy敏感器的框架B中，对Fx敏感的框架C的一个厚壁端——作为基座端，而对Fz敏感的框架A的一个厚壁端——作为加力端。
本实用新型框架间的连接，可以应用连接件，也可以是一个整体。每个框架上一般有四个应变片组成一个测力桥路，但框架上应变片的数量可增也可减。
本实用新型三维力传感器，由三个框架A、B、C组成，如图1所示。框架A的敏感轴是Z轴，框架B的敏感轴是Y轴，框架C的敏感轴是X轴，框架结构的一维力传感器具有对一个方向的力敏感，而对其他方向的力和三个方向的力矩不敏感，并且有在这些方向上刚性好，不易变形的特点。以本实用新型中一个框架结构为例，如图2所示，其特点是厚壁5，6比应变梁7、8厚的多。当沿Z轴方向加力于P点时，P点沿Z方向移动，应变片1、2、3、4的电阻发生相应的变化。通过适当的电桥可以测出力的大小和方向。当沿着Y轴方向加力于P点时，框架结构不易变形，应变梁7、8受到剪切力，应变片1、2、3、4受到非敏感方向的拉伸和压缩故电阻不变。而且应变计的贴片位置是在对称轴线上，电阻即使有变化，其变化也相同，桥路也无输出。当在P点上沿X轴向加力时，应变计1、2、3、4同时一致伸长或缩短，故桥路也无输出。对于X方向的力矩，框架结构变形小，在应变片位置应力小，而且应力作用方向不是应变片的敏感方向。对于Y方向的力矩，应变片1、2同时受拉，而3、4同时受压，故桥路无输出。对于Z方向的力矩，应变片1、2、3、4中的每一片一半受位伸，一半受压缩，故它们的阻值不变，而且即使有变化，其变化相同，也不会使桥路产生输出。
本实用新型利用框架式弹性体结构为基本单元结构，并在二处厚壁端相连，共有四个厚壁端用于内部相连，另外二个厚壁端如作为基座和加力端。
总之，本实用新型可以是一整体结构，也可以是二体或三体结构，其框架可大可小，外形可以是细长的，弯曲的或是套装的，加工方便，易于连结，灵敏度高，维间耦合低，刚性好，动态性能好。特别适合与机器人手指做在一直起。本实用新型还可以减少一个框架，做成二维力传感器。
权利要求1.一种三维力传感器，包括应变片、厚壁、基座，其特征在于，是由A、B、C三个框架式结构连接而成a.每框架上由二个互相平行的应变梁(7)、(8)、(15)、(16)、(23)、(24)和与之垂直的厚壁(5)、(6)、(13)、(14)、(21)、(22)组成；b.在应变梁(7)、(8)、(15)、(16)、(23)、(24)和厚壁(5)、(6)、(13)、(14)、(21)、(22)直线中占的薄片上贴有应变器(1)、(2)、(3)、(4)、(9)、(10)、(11)、(12)、(17)、(18)、(19)、(20)；c.A、B、C三个框架式弹性体间，A框架的厚壁端(5)和B框架的厚壁端(13)相连，B框架的厚壁端(14)与C框架的厚壁(21)相连，厚壁(14)和(21)是一体的；d.A、B、C三个框架式弹性体的敏感轴互相垂直，与直角座标X、Y、Z轴一致。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，可以将框架A装在框架B中，组成另一种形式的三维力传感器。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，可以去掉框架A做成二维力传感器。
4.如权利要求2所述的传感器，其特征在于可以去掉框架C做成二维力传感器。
专利摘要本实用新型涉及传感器技术。其结构是采用三个框架式结构构成三维力传感器,三个框架结构的力敏成方向互相垂直,与直角坐标系X、Y、Z轴一致,每一框架上由二个互相平行的应变梁和与之垂直的二片厚壁组成;在薄片与厚片交线中点连线的薄片上贴有应变器;三个框架结构可以去掉一个做成二维力传感器。本实用新型加工方便,易于连结,灵敏度高,维间耦合低,刚性好,动态性能好,特别适合与机器人手指做在一起。
文档编号G01L1/22GK2359684SQ9825114
公开日2000年1月19日 申请日期1998年12月26日 优先权日1998年12月26日
发明者王国泰, 易秀芳, 王理丽 申请人:中国科学院合肥智能机械研究所