專利名稱：三維力整體組裝式六維測力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于六維力傳感器領(lǐng)域，特別涉及大力測量時用三維力石英晶片組 整體組裝形式來實現(xiàn)六維大力測量。
背景技術(shù)：
隨著我國極端制造能力的不斷增強，對大力測量技術(shù)的需求也變得越來越 迫切，尤其在巨型重載操作裝備中，更需要多維大力傳感器對機械手所受的六 維力進行快速準(zhǔn)確的反饋，以實現(xiàn)多裝備協(xié)調(diào)操作控制、力順應(yīng)控制。重載制造裝備中，被測力量值較大，可達100MN以上。目前確定大力的方法主要還是 依靠直接測量，如支承式重型大力傳感器，但該傳感器制造工藝復(fù)雜，技術(shù)難 度大。國內(nèi)少量重型裝備所用的支承式大力傳感器主要是國外進口產(chǎn)品，且大 部分重型設(shè)備至今尚無大力測控裝置。由于支承式重型大力傳感器的承載面積、 幾何尺寸和重量均隨被測力的增大而激增，不便安裝和維護。大力分流測量技 術(shù)和具有并聯(lián)分流傳力方式的大力傳感器設(shè)計思想源自上世紀60年代，此后蘇、 美、力Q、德等國先后研制了稱作應(yīng)變桿或引申計的附著式大力傳感器。我國北 方工業(yè)大學(xué)沈久珩教授自行研制成功附著式大力傳感器，專利號為86 1 05879， 但該附著式大力傳感器只能實現(xiàn)一維大力測量，不能進行六維力同時測量。六維力傳感器是近20年國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門話題之一，到目前為止提出 的六維力傳感器主要有以下幾種形式，如筒形結(jié)構(gòu)、十字梁結(jié)構(gòu)、垂直筋結(jié)構(gòu)、 stewart結(jié)構(gòu)以及雙頭式結(jié)構(gòu)等。但這些六維力傳感器測量范圍相對較小，目前 尚無六維大力測量研究的報道。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對大部分重型設(shè)備至今尚無大力測控裝置的 難題，提供一種將三維力石英晶片組進行整體組裝，通過多個三維力石英晶片 組組合實現(xiàn)六維大力測量的六維大力傳感器，解決了重載操作裝備無法進行六 維大力測量的難題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是.三維力整體組裝式測力傳感器由下端內(nèi)套筒1、上端內(nèi)套筒9、外套筒8、機械手手臂12、三維力石英晶片組底座6、三維力石
英晶片組端蓋5、三維力石英晶片組測X向力石英晶片2、三維力石英晶片組測y向力石英晶片3、三維力石英晶片組測z向力石英晶片4組成，下端內(nèi)套筒l 和上端內(nèi)套筒9形狀為圓筒形，圓筒外壁有四個矩形凸臺，每個凸臺上各有一 個螺紋通孔，外套筒8為圓筒形，在圓筒外壁上部和下部各有四個矩形凸臺， 凸臺上各有一個螺紋通孔，上端內(nèi)套筒9裝在機械手與手臂連接處，下端套筒l 裝在機械手手臂12的下部，石英晶片組由測x向力石英晶片、測y向力石英晶 片和測z向力石英晶片組成，石英晶片組放置在三維力石英晶片組底座6和三 維力石英晶片組端蓋5之間，用內(nèi)六角連接螺栓7將封裝好的三維力石英晶片 組分兩組固定在上端內(nèi)套筒9和下端內(nèi)套筒1上，外套筒位于最外側(cè)，通過外 套筒連接螺栓10與各個三維力石英晶片組端蓋相連。三維力整體組裝式六維測力傳感器的八個石英晶片組分別安裝在下內(nèi)套筒 1、上內(nèi)套筒9和外套筒之間，每四個三維力石英晶片組組成一個十字梁型傳感班 益。本發(fā)明的顯著效果是采用兩組上下布局的三維力石英晶片組構(gòu)成六維大力 測量機構(gòu)，實現(xiàn)了六維大力測量，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、精度高、調(diào)整安裝方便， 適用于各種大型重載操作裝備的六維大力值測量。


圖1為三維力整體組裝式六維測力傳感器裝配圖主視圖 圖2為三維力整體組裝式六維測力傳感器裝配圖俯視圖 圖3為三維力整體組裝式六維測力傳感器裝配圖左視圖 圖4為三維力石英晶片組分解示意圖 圖5為三維力整體組裝式六維測力傳感器示意圖其中，l為下端內(nèi)套筒，2為三維力石英晶片組測x向力石英晶片，3為三 維力石英晶片組測y向力石英晶片，4為三維力石英晶片組測z向力石英晶片， 5為三維力石英晶片組端蓋，6三維力石英晶片組底座，7為三維力石英晶片組 內(nèi)六角連接螺栓，8為外套筒，9為上端內(nèi)套筒，10為外套筒連接螺栓，11為 內(nèi)套筒連接螺栓，12為機械手手臂。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施，本發(fā)明設(shè)計的三維力整體組裝
式六維大力傳感器，采用兩組上下布局的三維力石英晶片組構(gòu)成六維大力測量 機構(gòu)，圖1為三維整體組裝式力六維力傳感器主視圖，主要包括八只壓電式三 維力石英晶片組，其中，每個三維力石英晶片組可以測三個互相垂直方向的力， 包括一片可測拉壓的壓電石英晶片和兩片可測剪切的壓電石英晶片，兩只連接 機械手手臂的內(nèi)套筒， 一只連接各三維力石英晶片組的外套筒。上端內(nèi)套筒9 和下端內(nèi)套筒1分別安裝在機械手手臂12上端和下端，用內(nèi)六角連接螺栓7將封裝好的八個三維力石英晶片組分兩組固定在上端內(nèi)套筒9和下端內(nèi)套筒1上， 通過外套筒連接螺栓10將外套筒裝配到各個三維力石英晶片組端蓋5上。重載設(shè)備機械手工作時，對機械手手臂兩個內(nèi)套筒之間的部分進行受力分析，以手臂軸線方向作為Z軸，Z軸正向指向機械手，兩個互相垂直的傳感器方向定為X 軸和Y軸，當(dāng)機械手對手臂的作用力沿Z軸方向時，手臂沿Z軸方向變形帶動 三維力石英晶片組，三維力石英晶片組受到剪切力，因為主要力量都由手臂來 承擔(dān)，所以三維力石英晶片組受到的剪切力相對較小，但二者之間存在固定比 例關(guān)系，根據(jù)剪切力與Z軸受力之間的比例關(guān)系，求得Z軸受力，當(dāng)機械手對 手臂的作用力沿X方向時，手臂沿X軸方向發(fā)生彎曲，X軸方向上的傳感器受 到拉壓力，Y軸方向上的傳感器受到剪切力，根據(jù)該剪切力和拉壓力的合力與X 軸方向上受到的機械手作用力的比例關(guān)系，得到機械手在X軸方向上受到的力， 同理可測得Y軸方向上受到的力。當(dāng)機械手對手臂的作用力為Z軸方向上的扭 矩肘，各個傳感器都受到沿順時針或逆時針的剪切力，石英晶片到機械手手臂 軸線的距離與剪切力的乘積即為手臂對傳感器在Z方向上的扭矩，根據(jù)比例關(guān) 系求得機械手對手臂作用的扭矩。當(dāng)機械手對手臂的作用力為X軸方向上的扭 矩時，Y軸方向上的傳感器受到剪切力，石英晶片到機械手手臂軸線的距離與 剪切力的乘積即為手臂對傳感器在X方向上的扭矩，根據(jù)比例關(guān)系得到機械手 在X軸方向上對手臂作用的扭矩，同理可測得Y軸方向上的扭矩，從而實現(xiàn)了 六維大力的測量。
權(quán)利要求
1.一種三維力整體組裝式六維測力傳感器，其特征在于，三維力整體組裝式測力傳感器由下端內(nèi)套筒(1)、上端內(nèi)套筒(9)、外套筒(8)、機械手手臂(12)、三維力石英晶片組底座(6)、三維力石英晶片組端蓋(5)、三維力石英晶片組測x向力石英晶片(2)、三維力石英晶片組測y向力石英晶片(3)、三維力石英晶片組測z向力石英晶片(4)組成，下端內(nèi)套筒(1)和上端內(nèi)套筒(9)形狀為圓筒形，圓筒外壁有四個矩形凸臺，每個凸臺上各有一個螺紋通孔，外套筒(8)為圓筒形，在圓筒外壁上部和下部各有四個矩形凸臺，凸臺上各有一個螺紋通孔，上端內(nèi)套筒(9)裝在機械手與手臂連接處，下端套筒(1)裝在機械手手臂(12)的下部，石英晶片組由測x向力石英晶片、測y向力石英晶片和測z向力石英晶片組成，石英晶片組放置在三維力石英晶片組底座(6)和三維力石英晶片組端蓋(5)之間，用內(nèi)六角連接螺栓(7)將封裝好的三維力石英晶片組分兩組固定在上端內(nèi)套筒(9)和下端內(nèi)套筒(1)上，外套筒(8)位于最外側(cè)，通過外套筒連接螺栓(10)與各個三維力石英晶片組端蓋(5)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力整體組裝式六維測力傳感器，其特征是，八個 三維力石英晶片組分別安裝在下內(nèi)套筒(l)、上內(nèi)套筒(9)和外套筒之間，每四 個三維力石英晶片組組成一個十字梁型傳感器。
全文摘要
一種三維力整體組裝式六維測力傳感器，屬于六維力傳感器領(lǐng)域，特別涉及用三維力石英晶片組整體組裝形式來實現(xiàn)六維大力測量，三維力整體組裝式六維測力傳感器由下端內(nèi)套筒、上端內(nèi)套筒、外套筒、機械手手臂、三維力石英晶片組底座、三維力石英晶片組端蓋、三維力石英晶片組組成，上端內(nèi)套筒裝在機械手與手臂連接處，下端內(nèi)套筒裝在機械手手臂的下部，將封裝好的三維力石英晶片組分兩組固定在上下端內(nèi)套筒上，外套筒通過外套筒連接螺栓與各石英晶片組端蓋相連。本發(fā)明采用兩組上下布局的三維力石英晶片組構(gòu)成六維大力測量機構(gòu)，實現(xiàn)了六維大力測量，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、精度高、調(diào)整安裝方便，適用于各種大型重載操作裝備的六維大力值測量。
文檔編號G01L1/16GK101149299SQ200710157929
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月1日
發(fā)明者巍 劉, 盛 林, 王永青, 王福吉, 賈振元, 磊 趙 申請人:大連理工大學(xué)