一种防过载型传感器弹性体及六轴力传感器的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种防过载型传感器弹性体及六轴力传感器。


背景技术：

2.目前，六轴力传感器已经被广泛的运用在工业自动化、机器人及汽车测试等诸多领域，其作用是能够实时测量xyz三个方向所受到的力和力矩。
3.在专利cn215573512u中描述了“一种自带过载保护结构的六维力传感器”，在传感器受力梁的末端增加了线切割槽，从而实现限位作用，但在实际的应用过程中，存在以下缺陷：其文中所设置的线切割槽一般宽度不小于0.18mm，而传感器正常使用的变形量大多在0.10mm以内，所以当保护装置起作用时，实际上传感器已经超量程使用，存在过载，造成了不可逆损伤，只能保护至传感器不被完全破坏撕裂。
4.鉴于上述问题，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期设计一种防过载型传感器弹性体及六轴力传感器。


技术实现要素：

5.本发明中提供了一种防过载型传感器弹性体及六轴力传感器，可有效解决背景技术中的问题。
6.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种防过载型传感器弹性体，为一体成型结构，包括：刚性边界块、刚性边界环、三根主形变梁和三根防过载辅助梁；所述刚性边界块设置于由所述刚性边界环围设的空间内，外壁与所述刚性边界环内壁形成环形空间，各所述主形变梁和防过载辅助梁围绕设定轴线均匀的分布于所述环形空间内，且对所述刚性边界环和刚性边界块进行连接；其中，所述防过载辅助梁上设置有沿所述设定轴线长度方向贯通的线切割槽，所述线切割槽在垂直于所述设定轴线方向上的截面包括平行的两边界线，两条所述边界线之间的距离小于等于0.18mm；所述边界线为曲线、至少两条直线的组合线条、直线和曲线的组合线条中的一种，且为轴对称图形或中心对称图形。
7.进一步地，在所述设定轴线方向的一侧，所述刚性边界块相对于所述刚性边界环向外凸出；且在相反的方向上，所述刚性边界环相对于所述刚性边界块向外凸出。
8.进一步地，所述刚性边界环的内壁上设置有环形的限位面，所述限位面与所述设定轴线垂直。
9.进一步地，所述刚性边界块的外壁上设置有环形的安装面，所述安装面与所述设
定轴线垂直。
10.进一步地，所述主形变梁上设置有沿所述设定轴线方向贯通的形变空腔。
11.一种采用如上所述的防过载型传感器弹性体的六轴力传感器，还包括过载保护板、第一端盖、第二端盖和若干应变敏感元件；所述过载保护板与所述刚性边界块相对于所述刚性边界环向内缩进的一端固定连接，在所述主形变梁在设定轴线方向上的形变到达设定值时与所述限位面接触；所述第一端盖供所述刚性边界块凸出于所述刚性边界环的部分贯穿，且与所述刚性边界环一端固定连接，贯穿位置与所述刚性边界块间隔设置；所述第二端盖与所述刚性边界环的另一端固定且密封连接；所述第一端盖、第二端盖和所述刚性边界环之间形成对所述主形变梁和防过载辅助梁进行容纳的安装腔体，所述应变敏感元件与所述主形变梁的表面贴合设置。
12.进一步地，所述第一端盖与所述刚性边界块之间设置有柔性密封结构。
13.一种采用如上所述的防过载型传感器弹性体的六轴力传感器，还包括第一端盖、第二端盖和若干应变敏感元件；所述第一端盖供所述刚性边界块凸出于所述刚性边界环的部分贯穿，且与所述刚性边界环一端固定连接，所述第一端盖内侧与所述安装面间隔设置，在所述主形变梁在设定轴线方向上的形变到达设定值时，所述第一端盖与所述安装面接触；所述第二端盖与所述刚性边界环的另一端固定且密封连接；所述第一端盖、第二端盖和所述刚性边界环之间形成对所述主形变梁和防过载辅助梁进行容纳的安装腔体，所述应变敏感元件与所述主形变梁的表面贴合设置。
14.进一步地，所述第一端盖外部设置有柔性密封结构，对所述第一端盖和所述刚性边界块之间的间隙进行密封。
15.进一步地，还包括嵌入式电路，设置于所述安装腔体内，且与所述刚性边界块固定连接。
16.通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：本发明中通过三根防过载辅助梁以及在其上开设线切割槽，且将槽体宽度控制在0.18mm以内，有效保护了传感器在除在设定轴线以外的其他方向上发生过载，避免破坏性损伤，增加传感器的安全性。采用上述弹性体的六轴力传感器当主形变梁在设定轴线方向上的形变量达到设定值时，同样可实现在设定轴线方向上的过载保护，安全性得到进一步的提升。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为实施例一中防过载型传感器弹性体在第一角度下的结构示意图；图2为实施例一中防过载型传感器弹性体的正视图；图3为实施例一中防过载型传感器弹性体在第二角度下的结构示意图（建立对应
坐标系）；图4为实施例一中防过载型传感器弹性体在垂直于设定轴线方向上的截面图；图5为图4中b处的局部放大图；图6为图1中a处的局部放大图；图7为（a）~(f)六种边界线的形状示意图；图8为图2中i-i处的剖视图；图9为实施例一中防过载型传感器弹性体在第三角度下的结构示意图；图10为图8中c处的局部放大图；图11为图9中d处的局部放大图；图12为图1中e处的局部放大图；图13为图8中f处的局部放大图；图14为实施例二中六轴力传感器的分解示意图；图15为实施例二中六轴力传感器的剖视图；图16为图15中g处的局部放大图；图17为实施例三中六轴力传感器的分解示意图；图18为实施例三中六轴力传感器的剖视图；图19为实施例三中六轴力传感器的结构示意图；图20为实施例四中六轴力传感器的分解示意图；图21为实施例四中六轴力传感器的剖视图；附图标记：1、刚性边界块；11、安装面；12、密封槽；2、刚性边界环；21、限位面；3、主形变梁；31、形变空腔；4、防过载辅助梁；41、边界线；5、设定轴线；6、过载保护板；7、第一端盖；8、第二端盖；9、应变敏感元件；10、柔性密封结构；101、嵌入式电路。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
20.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
21.实施例一如图1~13所示，一种防过载型传感器弹性体，为一体成型结构，包括：刚性边界块1、刚性边界环2、三根主形变梁3和三根防过载辅助梁4；刚性边界块1设置于由刚性边界环2围设的空间内，外壁与刚性边界环2内壁形成环形空间，各主形变梁3和防过载辅助梁4围绕设定轴线5均匀的分布于环形空间内，且对刚性边界环2和刚性边界块1进行连接；其中，防过载辅助梁4上设置有沿设定轴线5长度方向贯通的线切割槽，线切割槽在垂直于设定轴线5方向上的截面包括平行的两边界线41，两条边界线41之间的距离小于等于0.18mm；边界线41为曲线、至少两条直线的组合线条、直线和曲线的组合线条中的一种，且为轴对称图形或中心对称图形。
22.如图1和2所示，展示了本发明中防过载型传感器弹性体的结构形式，通过三根防过载辅助梁4的设置，有效的解决了背景技术中的问题，通过在防过载辅助梁4上开设线切割槽，且将槽体宽度控制在0.18mm以内，有效保护了传感器在除在设定轴线5以外的其他方向上发生过载，避免破坏性损伤，增加传感器的安全性。弹性体一体式加工完成，避免了因为弹性体本身的装配导致的精度不良，一体式加工有效的提升了精度。
23.本发明中，参见图3所展示的坐标系，该坐标系以设定轴线5作为z轴，在上述实施例中，所指的“其他方向”即为上述坐标系中除了z轴以外的其他方向。
24.在上述实施例中，在由图3中x轴和y轴所组成的平面内，主形变梁3和防过载辅助梁4之间形成60
°
的夹角，该夹角的形成，使得主形变梁3所发生的形变均会在防过载辅助梁4上产生不同程度的形变体现，而上述形变体现使得线切割槽的侧壁至少发生局部贴合，从而达到限制过载的目的。
25.其中，本发明中边界线41作为轴对称图形或中心对称图形的各种线条形式，均需实现的是在防过载辅助梁4所发生的在除z轴以外的方向上的形变，均可使得线切割槽两侧壁因相对位置的变化而发生至少局部的贴合。
26.在图4中体现了整个防过载型传感器弹性体在垂直于设定轴线5方向上的截面图，从对其进行局部放大的图5中可明确边界线41的位置，而从图6中可明确线切割槽的两侧壁。针对边界线41为曲线的形式，如图7中（a）和（b）所示，展示了两种具体的方式，包括了关于轴对称的曲线形式，如弧线；以及关于中心对称的曲线形式，如s型曲线，当然，以上两种曲线均为单一平滑过渡的曲线，当边界线41由两条曲线组成时，即便中间具有较为明显的拐点时，也在本发明的保护范围内。而针对边界线41为至少两条直线的组合线条的形式，如图7中（c）和（d）所示，同样也展示了两种具体的方式，包括了关于轴对称的帽型线条；以及关于中心对称的z型线条。针对边界线41为直线和曲线组合线条的形式，则一般被认定为异形的线条形式，图7中（e）和（f）所示的两种方式，分别展示了轴对称和中心对称的形式。图7中的六种线条形式仅仅展示了本发明中的部分实施例，其他能够实现本发明技术目的的线条形式也均在本发明的保护范围内。
27.在使用的过程中，刚性边界块1和刚性边界环2分别与不同的外部结构体连接，从而在其中一个外部结构体通过整个弹性体带动另一个外部结构体运动的过程中，使得主形变梁3和防过载辅助梁4发生形变而感知轴力，因此，为了便于与外部结构体的安装，作为上述实施例的优选，在设定轴线5方向的一侧，刚性边界块1相对于刚性边界环2向外凸出；且在相反的方向上，刚性边界环2相对于刚性边界块1向外凸出。
28.其中，刚性边界块1相对于刚性边界环2凸出部分用于与其中一个外部结构体建立连接，而刚性边界块1因缩进而使得刚性边界环2内部所产生的空间则用于线束及其他结构等的安装。
29.作为上述实施例的优选，刚性边界环2的内壁上设置有环形的限位面21，限位面21与设定轴线5垂直，用于对相对于刚性边界块1引出的外置结构进行限位，外置结构与刚性边界块1固定连接。在上述实施例中，实现了除z轴以外方向上的限位，这显然在使用中还是存在风险的，为了进一步的完善整个产品的使用性能，本发明中进行了上述优化，如图8~11所示，设置了用于进行图3中z轴方向防过载的限位结构，当然，此限位结构对相对于弹性体的外置结构起限位作用，由于防过载是相对于刚性边界块1和刚性边界环2之间的相对位置
而导致的形变梁形变而言的，因此上述外置结构需要与刚性边界块1固定设置，从而通过与刚性边界环2的接触而起到限位的作用。
30.其中，优选限位面21设置于刚性边界环2相对于刚性边界块1凸出的部分的内壁上，此种优化方式可更加便于外置结构的结构设计及安装。
31.在使用过程中，由于刚性边界块1需要与外部结构体固定连接，因此当弹性体应用于具体的传感器产品结构中时，也必然需要向外引出，此种结构下使得传感器产品的密封性难以得到保证，为了解决此问题，作为弹性体的一种优选方式，如图12和13所示，刚性边界块1的外壁上设置有环形的安装面11，安装面11与设定轴线5垂直。
32.通过此处安装面11的设置，可在将整个弹性体安装于传感器产品后，实现更好的密封，此处的密封也可通过外置的柔性密封结构而提升效果，安装面11的设置提供了对柔性密封结构的安装位置，当需要时，开设密封槽12也是允许的，从而对柔性密封结构进行安装；柔性密封结构用于对相对于刚性边界环2引出的外置盖体和刚性边界块1之间的间隙进行密封，外置盖体与刚性边界环2固定连接。当然，上述的柔性密封结构是一种隐藏于传感器产品中的密封形式，是一种较为优化的方式，而其他的局部外置，或者完全外置的柔性密封结构也均在本发明的保护范围内。
33.在上述优化结构中，当柔性密封结构安装到位后，需要保证的是凸出于安装面11，从而才能够实现与外置盖体的贴合，从而保证密封的效果；而且需要强调的是，柔性密封结构的使用还需要使得安装面11与外置盖体之间形成间隙，从而保证刚性边界块1和刚性边界环2之间可发生相对位置的变化，从而允许主形变梁3和防过载辅助梁4之间的形变可实现。上述实施中柔性密封结构的设置不仅能防尘，还可以防水喷溅，在内部封闭处理完善的情况下，最高可达ip67。
34.作为上述实施例的优选，主形变梁3上设置有沿设定轴线5方向贯通的形变空腔31。本发明中的形变空腔31截面形状包括但不限于方形、圆形、葫芦型等，主变形梁3上的形变空腔31主要用于为将主变形梁3的变形形式转换为单边固定的形式，避免双边完全固定的效果，影响传感器的变形效果。
35.实施例二如图14和15所示。
36.一种采用如实施例一中所述的防过载型传感器弹性体的六轴力传感器，还包括过载保护板6、第一端盖7、第二端盖8和若干应变敏感元件9；过载保护板6与刚性边界块1相对于刚性边界环2向内缩进的一端固定连接，在主形变梁3在设定轴线5方向上的形变到达设定值时与限位面21接触；第一端盖7供刚性边界块1凸出于刚性边界环2的部分贯穿，且与刚性边界环2一端固定连接，贯穿位置与刚性边界块1间隔设置；第二端盖8与刚性边界环2的另一端固定且密封连接；第一端盖7、第二端盖8和刚性边界环2之间形成对主形变梁3和防过载辅助梁4进行容纳的安装腔体，应变敏感元件9与主形变梁3的表面贴合设置。
37.本发明中，提供了一种采用上述实施例中的防过载型传感器弹性体的六轴力传感器，通过过载保护板6的设置，使得在原本保护传感器在除在设定轴线5以外的其他方向上发生过载情况的基础上，进一步的实现了设定轴线5方向上的防过载。
38.具体地，当主形变梁3在设定轴线5方向上的形变量达到设定值时，过载保护板6与限位面21接触，从而实现形变极限的限定而达到过载保护的目的。其中，第一端盖7的贯穿
位置与刚性边界块1间隔设置是必要的，间隙位置如图16所示，展示了一种间隙形式，其存在避免在此处形成对形变的阻碍，过载保护板6与弹性体的间距根据实际设计进行调整，简单方便的对传感器进行过载保护，要求间隙量在传感器设计的最大变形范围内。
39.为了实现过载保护板6更好的固定，如图15所示，可在过载保护板6的中心设置局部的凸出位置，在刚性边界块1的中心设置对应的凹陷位置，通过凸出位置插入凹陷位置内且贴合的方式实现更好的固定，当然，除此之外还需要设置连接件对二者进行固定，通过对凸出位置长度的控制，可实现过载保护板6与刚性形变块1之间的间隙调节。
40.其中，第一端盖7和第二端盖8的设置，使得最终形成的传感器整体获得相对的密封，当然，为了进一步的保证密封效果，作为上述实施例的优选，第一端盖7与刚性边界块1之间设置有柔性密封结构10。从而在第二端盖8与刚性边界环2密封连接的基础上，使得整个安装腔体内能够实现有效的密封，当然，此处的密封结构安装位置并不做具体的限定，但需要满足的是，柔性需要到达设定的程度，从而避免对各个形变梁之间的形变造成影响。
41.其中，柔性密封结构10可通过设置在刚性边界块1外围且与限位面21平行的安装位置进行安装，从而有效的压合在第一端盖7与刚性边界块1之间，为了保证安装效果，可局部的嵌设于安装位置或者第一端盖7内。
42.为了实现上述柔性化的目的，作为一种优选的方式，可将柔性密封结构10设置为具有空心腔体的结构，且在内部填充气体，从而在主形变梁3和防过载辅助梁4发生任何方向的形变时，均可通过气体在空心腔体内的重新分配而快速的实现适应性的密封，降低对于第一端盖7相对于刚性边界块1之间相对运动的阻力。本实施例中的第一端盖7即为上述实施例一中的外置盖体，过载保护板6即为上述实施例一中的外置结构。
43.实施例三如图17~19所示，一种采用实施例一中所述的防过载型传感器弹性体的六轴力传感器，还包括第一端盖7、第二端盖8和若干应变敏感元件9；第一端盖7供刚性边界块1凸出于刚性边界环2的部分贯穿，且与刚性边界环2一端固定连接，第一端盖7内侧与安装面11间隔设置；在主形变梁3在设定轴线5方向上的形变到达设定值时，第一端盖7与安装面11接触；第二端盖8与刚性边界环2的另一端固定且密封连接；第一端盖7、第二端盖8和刚性边界环2之间形成对主形变梁3和防过载辅助梁4进行容纳的安装腔体，应变敏感元件9与主形变梁3的表面贴合设置。
44.本实施例中，提供了一种相对于上述实施例二，而改变设定轴线5方向上过载保护位置的具体实施方式，将第一端盖7赋予包括密封及限位两项功能，相对于上述实施例二中设置独立的过载保护板6的形式，可获得更小的产品体积。
45.具体地，当主形变梁3在设定轴线5方向上的形变量达到设定值时，第一端盖7与安装面11接触，从而实现形变极限的限定而达到过载保护的目的。
46.作为本实施例的优选，第一端盖7外部设置有柔性密封结构10，对第一端盖7和刚性边界块1之间的间隙进行密封。此处的柔性密封结构10需要适应第一端盖7和刚性边界块1的结构设置，当然，足够的柔性也是需要保证的。采用柔性密封结构10可以在达到密封需求的同时，最大限度的降低其对传感器形变的影响。柔性密封结构10刚度低密封性好，可以在提升传感器防护等级的同时，确保传感器的测量精度。
47.实施例四
在上述实施例二或者实施例三的基础上，作为优选的方式，如图20和21所示，还包括嵌入式电路101，设置于安装腔体内，且与刚性边界块1固定连接。
48.弹性体在多轴力作用下会产生微量变形，其上的应变敏感元件9可以实时测量该变形，并转换为毫伏级电压信号，通过在弹性体内嵌入高精度的电路，可以实时采集毫伏级电压信号并转换为数字信号，通过实时迭代解耦，输出弹性体实际所受的力值，具有较高的抗干扰能力和长距离传输。集成嵌入式电路101，可以更好的应用于多个工业环境，直接提供数字信号，增强了产品的普适性，采用数字信号，可以实现长距离传输，不低于50-100m的传输距离，改变了模拟信号在5m之后就会出现明显受干扰的问题，数字电路实时存储与采集，可以有限的处理数据结果，让最原始的数据能够保留在电路板内部，不会因为数据传输而出现丢失。
49.以上述实施例二中的结构形式为例，详细描述本发明中采用嵌入式电路101后的一种结构形式的六轴力传感器的装配过程：在生产过程中，首先将应变敏感元件9粘贴于主形变梁3上，然后通过焊线组桥的形式，对应变敏感元件9采用引线与嵌入式电路101连接，嵌入式电路101板可通过螺钉等连接件固定到刚性边界块1上，随后可连接防水线缆以及引线接头，本发明中的传感器引线接头，采用新型的结构形式，做了防护设计，确保引线接头接缝尽可能少，可以用油脂进行密封，可以有效的防水浸入。
50.完成上述装配后，将过载保护板6与刚性边界块1连接安装，过载保护板6中可设置有螺钉孔位，与传感器弹性体上的螺纹孔等结构匹配安装，且将嵌入式电路101设置于过载保护板6与刚性边界块1之间为较佳的方式。
51.最后将柔性密封结构10放入密封槽12中，并通过螺钉等固定第一端盖7；上述过程完成后，同样地，通过螺钉等结构固定第二端盖8即可。
52.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。