[发明专利]多轴载荷单元

说明书

本发明涉及一种用来传递和测量沿三正交轴方向的直线力和绕三正交轴的力矩的载荷单元，更具体地说，是公开了一种具有一刚性中心轮毂，一与中心轮毂同心的刚性环圈和在中心轮毂与环圈之间延伸的辐射状部件的集中载荷单元体，该载荷单元体具有改进的性能和特性，可轻易调整载荷单元的灵敏性。

转换器或者用以确定沿三正交轴的力或绕三正交轴的力矩的载荷单元是公知的。两个这样的载荷单元在美国专利第4,640,138号和4,821,582号中公开过。美国专利第4,640,138号中阐明了一个多轴载荷敏感转换器，其具有由一对轴向隔开的十字头连接的内部和外部部件。该十字头由与内部部件成整体的臂组成并且由柔性带圈与外部部件相连，柔性带圈与安装在外部部件上的带圈末端有纵向长度。十字头的臂安装在所连带圈的中心。载荷表示为该十字头臂弯曲的函数。

美国专利第4,821,582号阐述的是一个载荷转换器，其用来测量在三轴上的直线力和绕其中两轴的力矩。该转换器具有由载荷敏感十字头臂或剪切梁连接的内部和外部结构。十字头外端与外部长度相连，当内部结构受沿垂直于十字头平面的轴线方向的力时，该外部长度为刚性。

另外的集中载荷单元在英国专利GB2096777A中阐述过。这些载荷单元包含一个中心轮毂部分和一个环圈元件部分，四个辐射状辐元件将轮毂元件与环圈元件连接起来，并且有适当的应变计粘贴在这些部件上。具有这样结构的现有的载荷单元在GB2096777A里讨论过，但是它并不能测量绕通过轮辐的轴所用的力矩。英国专利GB2096777A公开了一个实心轮辐，该轮辐具有主杆元件和末端元件，每个末端元件的宽度小于相应的主干元件的宽度。每个末端减少的宽度足够小，以致于受到作用在轮辐方向上的扭力就可以使之变形弯曲。

因此，迫切需要改进了的载荷单元，既容易制造，又可以测量多个方向的力和力矩的分量。

用来传递力和力矩的截荷单元包含一个整体结构，其具有一个刚性中心轮毂和一个与中心轮毂同心的环圈，至少三个辐射状管子沿相应的纵向轴从中心轮毂延伸到环圈，柔性元件把辐射状管子和环圈连接起来，每个柔性元件顺从于与之相应的纵向轴线的每个相应的辐射状管子的位移。

该发明的另一方面是具有一个刚性中心轮毂和一个与之同心的刚性环圈以及多个沿相应纵向轴从中心轮毂到环圈径向延伸的辐射状管子。每个管子在垂直于纵向轴的截面内具有一个非矩形外表面，并且包括多个厚度减少以便集中应力的分隔开的壁元件。

该发明的再一个方面是一种制造在多个方向上传递力和力矩的载荷单元体的方法。本方法包括以下步骤：用一块材料，制成一个整体结构，其包含一个刚性中心轮毂，一个与轮毂同心的刚性环圈，至少三个从中心轮壳延伸到环圈的辐射状部件，其中柔性元件在到环圈的每个辐射状管子未端之间延伸并顺从于沿着每个辐射状管子的相应的纵向轴的相应的辐射状部件的位移；并且在每个辐射状部件内沿着轴线形成一个孔，其中载荷单元的灵敏度可以表示为在辐射状部件上形成的孔的直径的函数。最好，制造的步骤还包括在环圈上打一缝孔，且与每个相应的在辐射状部件内的孔成一直线。

该发明的再一方面是一种用于在正交坐标系内传感力和力矩的载荷单元，其包括一个载荷单元体和多个传感电路。载荷单元体包括一个刚性中心部件，一个刚性环圈，及多个径向延伸且连接中心部件和环圈的辐射状部件。多个传感电路安装在多个辐射状部件上。每个辐射状部件包含一个第一传感电路以提供一个第一输出信号，该信号响应在一个第一方向上通过相应的辐射状部件施加于中心部件和环圈之间的第一力。每个辐射状部件也包括一个第二传感电路以提供一个第二输出信号，其响应在一个第二方向上通过相应的辐射状部件施加于中心部件与环圈之间的第二力。其中第二方向基本垂直于第一方向。

图1是本发明的载荷单元的透视图。

图2是一个载荷单元的一侧正视图，去掉一部分以显示一个辐射状管子的剖面。

图3是载荷单元的一侧正视图，去掉一部分以显示另一个辐射状管子的剖面。

图4是载荷单元一侧的正视图，该载荷单元安装在轮圈上，如剖面所示。

图5是该发明载荷单元的第二个实施例的俯视图。

图6是图5所示的载荷单元的剖视图。

图7是第二实施例的俯视图，其具有安装板和连结件的滑环。

图8是一控制器的总方框图。

图9是比例及几何变换电路的方框图。

图10是一种正交矩阵变换电路一部分的电路图。

图11是坐标变换电路的电路图。

图12是载荷单元一侧正视图，去掉一部分以显示另一辐射状管子的剖面。