專利名稱：可調分載比壓電式六維力傳感器及其測試方法
技術領域：
本發(fā)明屬于傳感器及其測控領域，特別涉及不同量程范圍內的軸上六維力測量。
背景技術：
六維力測量是傳感測控領域一項關鍵技術，在工程上由于測量力的量程不同，所 選用的六維力傳感器也不同。傳統(tǒng)的六維力傳感器種類繁多，例如四垂直筋結構六維力傳 感器、十字結構六維力傳感器、Stewart結構六維力傳感器、筒形六維力傳感器等，大都采用 應變片作為力敏元件測量被測對象表面上承受的六維力，有的結構復雜、有的尺寸大、有的 剛度低、有的解耦困難，設計完成后只能測量某一特定量程范圍內的力，并多用于小力值測 量，也不能滿足動態(tài)測量要求。而大力值測力傳感器，如附著式大力值傳感器、承重式傳感 器，雖然結構簡單、工作可靠，但是只能用于單維力測量。 工程中所需測量六維力的操作設備各式各樣，所測量力的范圍也各不相同，即使 是同一個設備，在不同工況下，所測力范圍也可能不同，亟需能夠測量變量程力的傳感器。 加工裝備通常要求操作裝備與其協(xié)調操作，操作裝備的末端執(zhí)行機構對制造過程中的工件 變形所造成的位移，需具有力順應性和位置順應性，以避免因約束造成的載荷劇增或夾持 失效，所以，對六維力實時測量也是必須的。然而，上述六維力傳感器多為專用，難以形成產 品，不便于推廣，價格昂貴，均不能滿足變量程六維力的動態(tài)測量，而且，當測量動態(tài)六維大 力時，也不能滿足結構簡單輕巧的要求。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術難題是克服上述傳統(tǒng)六維力傳感器不能適應變量程六維力 測量的缺點，設計一種技術性能好，工作可靠，易于制造、安裝和維修，便于產品化的可適應 測量變量程六維力的可調分載比壓電式六維力傳感器，并介紹其測試方法。本發(fā)明結構簡 單，同一個傳感器可以測量不同量程范圍內的六維力，可以測量靜態(tài)力、動態(tài)力和瞬態(tài)力。 本發(fā)明的可調分載比壓電式六維力傳感器可產品化，以適應工程中測量不同量程范圍力的 要求，大大降低了傳感器的成本；可調分載比壓電式六維力傳感器測試方法操作簡單，安全 可靠。 本發(fā)明的技術方案是l. 一種可調分載比壓電式六維力傳感器，其特征在于，它 包括上蓋(3)、密封且引出導線的4個力敏元件(2)、下體(1)、分載環(huán)(4)、定位環(huán)(5)、4個 預緊螺釘(6)組成；其中，上蓋(3)和下體(1)在垂直于Z方向的截面為圓環(huán)形狀，并在其 上各分別加工出4個均布的上蓋耳翼(p)和4個均布的下體耳翼(d)，在4個上蓋耳翼(p) 上分別有安裝力敏元件(2)的上蓋第一、二、三螺紋孔(c^、^、c"，在上蓋(3)的環(huán)面上有均 勻布置的8個上連接螺紋孔(g)，在4個下體耳翼(d)上有安裝力敏元件(2)的下體第一、 二、三通孔(CpC2、c》，在下體(1)的環(huán)面上有均勻布置的8個下連接螺紋孔(m);下體上表 面(b)上有下體中間凸臺(a)，4個下體耳翼(d)上有4個下體耳翼凸臺(1)，4個下體耳翼 凸臺(1)上相對于坐標系等半徑菱形均勻布置了4個力敏元件(2);定位環(huán)(5)安裝在下體
3上表面(b)上，定位環(huán)內圓柱表面(i)與下體中間凸臺外圓柱表面(j)相配合；分載環(huán)(4) 安裝于下體上表面(b)上，并且分載環(huán)內圓柱表面(f)與定位環(huán)外圓柱表面(n)相配合，分 載環(huán)上表面(k)與力敏元件上表面(e)等高；用4個預緊螺釘(6)通過下體第二通孔(c2)、 上蓋第二螺紋孔(c2)將上蓋(3)、力敏元件(2)、下體(1)安裝在一起，同時，分載環(huán)(4)也 被固定于上蓋(3)與下體(1)之間。 —種可調分載比壓電式六維力傳感器，其采用的測試方法特征是通過調整4個力
敏元件(2)的安裝位置和選用系列模塊化的分載環(huán)(4)、定位環(huán)(5)來調節(jié)4個力敏元件
(2)所受力的總和與被測軸(11)所受力的比值，具體步驟如下 1)通過對被測軸(11)的受力情況進行分析，確定出合適的分載比； 2)從系列模塊化的分載環(huán)、定位環(huán)中選用一套合適的分載環(huán)(4)和定位環(huán)(5); 3)確定力敏元件(2)的安裝位置，將4個力敏元件(2)分別安裝在4個下體第二
通孔c2上，保證4個力敏元件(2)相對于坐標系為菱形均布形式； 4)將定位環(huán)(5)安裝在下體上表面(b)上，并與下體中間凸臺(a)相配合； 5)將分載環(huán)(4)安裝在下體上表面(b)上，并且分載環(huán)內圓柱表面(f)與定位環(huán)
外圓柱表面(n)相配合，采用研磨的方式調整分載環(huán)上表面(k)與力敏元件上表面(e)等
高； 6)用4個預緊螺釘(6)通過下體第二通孔(c2)、上蓋第二螺紋孔(c2)將上蓋(3)、 力敏元件(2)、下體(1)安裝在一起，同時，也將分載環(huán)(4)固定于上蓋(3)與下體(1)之 間； 7)將力敏元件的輸出導線、電荷放大器、A/D數據采集卡及裝有數據采集軟件的 計算機依次用導線相連接。 8)當被測軸所受力的量程改變時，依照步驟1) 、2) 、3)重新計算合適的分載比，從 系列模塊化的分載環(huán)(4)、定位環(huán)(5)中選擇一套合適的分載環(huán)(4)、定位環(huán)(5)，重新確定 力敏元件(2)的安裝位置后，依照步驟4)、5)、6)、 7)依次執(zhí)行，實現(xiàn)了同一個傳感器能夠測量軸上不同量程的六維力。 本發(fā)明的顯著效果是通過選用系列模塊化的分載環(huán)、定位環(huán)或者調節(jié)力敏元件
的安裝位置，實現(xiàn)不同的分載比，達到不改變傳感器即可測量不同量程范圍力的效果。這種
結構避免了由于受力范圍不同而換用傳感器所帶來的麻煩及由此造成的經濟損失，對于六
維動態(tài)大力值的測量，本發(fā)明通過采用小分載比，使結構與其他同類傳感器相比更加輕巧。
該傳感器結構簡單、對稱性好，剛性好，工藝性好、穩(wěn)定性好、制造容易，壽命長，操作簡單、
使用方便、成本低，靈敏度高、易于解耦，易于產品化、橫向干擾小?？捎糜谝欢ㄝS徑范圍內
的軸受變量程的六維靜態(tài)力、動態(tài)力、瞬態(tài)力的測量。
圖1為可調分載比壓電式六維力傳感器結構示意圖，圖2為圖1的俯視圖，圖3為 可調分載比壓電式六維力傳感器在測試六維力時的安裝示意圖。 圖中l(wèi)-下體，2-力敏元件，3-上蓋，4-分載環(huán)，5-定位環(huán)，6-預緊螺釘，7-上連 接螺釘，S-上夾具體，9-下連接螺釘，10-下夾具體，11-被測軸，a-下體中間凸臺，b-下體 上表面，c1、 c2、 c3-上蓋第一、二、三螺紋孔，Cl、 c2、 c3_下體第一、二、三通孔，d-下體耳翼，
4e_力敏元件上表面，f_分載環(huán)內圓柱表面，g_上連接螺紋孔，h-上蓋內圓柱表面，i_定位 環(huán)內圓柱表面，j-下體中間凸臺外圓柱表面，k-分載環(huán)上表面，l-下體耳翼凸臺，m-下連 接螺紋孔，n-定位環(huán)外圓柱表面，o-下體內圓柱表面，p-上蓋耳翼。
具體實施例方式
結合附圖和技術方案詳細說明本發(fā)明的實施，如圖1所示，上蓋3、下體1的材 料均為不銹鋼，分載環(huán)4的材料為合金鋼，定位環(huán)7的材料為塑料。通過選用系列模塊中 不同的分載環(huán)4、定位環(huán)5及調節(jié)力敏元件2的安裝位置，可以實現(xiàn)的分載比調節(jié)范圍為 0. 5% _50%，測力量程范圍為軸向力為100N-1000000N，橫向力為100N-100000N。使用時， 根據所測量力的量程從系列模塊化的分載環(huán)4、定位環(huán)5中選用其中的一套，并從下體第
一、二、三通孔(Cl、C2、C3)中選擇其中一個位置，如C2，作為力敏元件2的安裝位置，安裝時，
先將定位環(huán)5套于下體中間凸臺a上，保證定位環(huán)5與下體上表面b接觸并與下體中間凸 臺外圓柱表面j配合，然后將分載環(huán)4安裝于下體上表面b上，并且分載環(huán)內圓柱表面(f) 與定位環(huán)外圓柱表面(n)相配合，再將力敏元件2安裝于下體第二通孔q處，通過研磨的方 法保證分載環(huán)上表面k與力敏元件上表面e嚴格等高，然后安裝上蓋3，通過4個預緊螺釘6 將上蓋3、4個力敏元件2、下體1連接在一起，同時也將分載環(huán)4固定于上蓋3與下體1之 間。根據被測軸11的軸徑選用合適的夾具，然后將組裝后的傳感器固定于被測軸11上，如 圖3所示，具體過程為，通過8個上連接螺釘7將上蓋3與上夾具體8剛性連接，通過8個 下連接螺釘9將下體1與下夾具體10剛性連接，然后將傳感器和上夾具體8、下夾具體10 套于被測軸11上，再依次分別將下夾具體10與被測軸11固定、上夾具體8與被測軸11固 定，其中，上蓋內圓柱表面h與被測軸11不能接觸，下體內圓柱表面o與被測軸11不能接 觸。將力敏元件2的輸出導線、電荷放大器、A/D數據采集卡及裝有數據采集軟件的計算機 依次用導線相連接。當被測軸11受力時，由上夾具體8、下夾具體10作用到傳感器上，通過 傳感器的彈性環(huán)節(jié)作用在力敏元件2、分載環(huán)4上，其中作用在力敏元件2上的力經過其本 身的拉壓效應、剪切效應、扭轉效應將作用力自動分解為Fx、Fy、Fz三個方向力和Mx、My、Mz 三個方向力矩輸出，產生相應的電荷量，經電荷放大器放大變成相應的電壓信號后，分別以 電壓輸出，再經信號調理及A/D數據采集卡將模擬信號變成數字信號輸入計算機，通過相 應軟件處理得出空間矢量力各主要參數，最后由終端顯示、記錄、打印等，測量六維力完畢。
實施例一 被測軸徑為1000mm，受軸向力1000000N，橫向力100000N，根據力敏元 件所允許的受力范圍并考慮安全系數，確定合適的分載比為0.5%，選用系列模塊化的分 載環(huán)4、定位環(huán)5中分載最大的一套，力敏元件2安裝在下體第一通孔Cl處，選用內徑為 1000mm、夾緊力足夠的一套夾具，然后依次分別安裝定位環(huán)5、分載環(huán)4、力敏元件2，通過研 磨的方法保證力敏元件上表面e與分載環(huán)上表面k等高，并用預緊螺釘6將上蓋3、力敏 元件2、下體1通過下體第一通孔q、上蓋第一螺紋孔c1連接，其中，預緊螺釘的預緊力為 12000N，再通過8個上連接螺釘7將上蓋3與上夾具體8剛性連接，通過8個下連接螺釘9 將下體1與下夾具體10剛性連接，然后將傳感器和上夾具體8、下夾具體10套于被測軸11 上，再依次將下夾具體10、上夾具體7與被測軸11固定，最后將力敏元件2引出的導線經電 荷放大器、A/D數據采集卡連接到計算機上，開始對被測軸11上六維力進行測量。
實施例二 被測軸徑為100mm，受軸向力為IOON，橫向力為100N時，計算得出合適的分載比為50%，因為軸受力較小，所以不需要用分載環(huán)4分載，而且為了提高傳感器的靈 敏度，選擇力敏元件2的安裝位置為下體第三通孔c3，即離被測軸11最近的位置，并采用內 徑為100mm的夾具一套，然后將4個力敏元件2安裝在下體第三通孔c3處，并用預緊螺釘6 將上蓋3、力敏元件2、下體1通過下體第三通孔q、上蓋第三螺紋孔c3連接，其中，預緊螺釘 的預緊力為12000N，再通過8個上連接螺釘7將上蓋3與上夾具體8剛性連接，通過8個下 連接螺釘9將下體1與下夾具體10剛性連接，然后將傳感器和上夾具體8、下夾具體10套 于被測軸11上，再依次將下夾具體10、上夾具體8與被測軸11固定，最后將力敏元件2引 出的導線經電荷放大器、A/D數據采集卡連接到計算機上，開始對被測軸11上六維力進行 本發(fā)明通過調節(jié)分載比，達到同一個傳感器測量一定軸徑范圍內的軸上不同量程 六維力的目的，剛度好、靈敏度高、成本低，易于產品化，其測試方法操作簡單、使用方便、安
全可靠。
權利要求
一種可調分載比壓電式六維力傳感器，其特征在于，它包括上蓋(3)、密封且引出導線的4個力敏元件(2)、下體(1)、分載環(huán)(4)、定位環(huán)(5)、4個預緊螺釘(6)組成；其中，上蓋(3)和下體(1)在垂直于Z方向的截面為圓環(huán)形狀，并在其上各分別加工出4個均布的上蓋耳翼(p)和4個均布的下體耳翼(d)，在4個上蓋耳翼(p)上分別有安裝力敏元件(2)的上蓋第一、二、三螺紋孔(c1、c2、c3)，在上蓋(3)的環(huán)面上有均勻布置的8個上連接螺紋孔(g)，在4個下體耳翼(d)上有安裝力敏元件(2)的下體第一、二、三通孔(c1、c2、c3)，在下體(1)的環(huán)面上有均勻布置的8個下連接螺紋孔(m)；下體上表面(b)上有下體中間凸臺(a)，4個下體耳翼(d)上有4個下體耳翼凸臺(l)，4個下體耳翼凸臺(l)上相對于坐標系等半徑菱形均勻布置了4個力敏元件(2)；定位環(huán)(5)安裝在下體上表面(b)上，定位環(huán)內圓柱表面(i)與下體中間凸臺外圓柱表面(j)相配合；分載環(huán)(4)安裝于下體上表面(b)上，并且分載環(huán)內圓柱表面(f)與定位環(huán)外圓柱表面(n)相配合，分載環(huán)上表面(k)與力敏元件上表面(e)等高；用4個預緊螺釘(6)通過下體第二通孔(c2)、上蓋第二螺紋孔(c2)將上蓋(3)、力敏元件(2)、下體(1)安裝在一起，同時，分載環(huán)(4)也被固定于上蓋(3)與下體(1)之間。
2. 如權利要求1所述的一種可調分載比壓電式六維力傳感器，其采用的測試方法特征 是，通過調整4個力敏元件(2)的安裝位置和選用系列模塊化的分載環(huán)(4)、定位環(huán)(5)來 調節(jié)4個力敏元件(2)所受力的總和與被測軸(11)所受力的比值，具體步驟如下1) 通過對被測軸(11)的受力情況進行分析，確定出合適的分載比；2) 從系列模塊化的分載環(huán)、定位環(huán)中選用一套合適的分載環(huán)(4)和定位環(huán)(5);3) 確定力敏元件(2)的安裝位置，將4個力敏元件(2)分別安裝在4個下體第二通孔 q上，保證4個力敏元件(2)相對于坐標系為菱形均布形式；4) 將定位環(huán)(5)安裝在下體上表面(b)上，并與下體中間凸臺(a)相配合；5) 將分載環(huán)(4)安裝在下體上表面(b)上，并且分載環(huán)內圓柱表面(f)與定位環(huán)外圓 柱表面(n)相配合，采用研磨的方式調整分載環(huán)上表面(k)與力敏元件上表面(e)等高；6) 用4個預緊螺釘(6)通過下體第二通孔(c》、上蓋第二螺紋孔(c2)將上蓋(3)、力 敏元件(2)、下體(1)安裝在一起，同時，也將分載環(huán)(4)固定于上蓋(3)與下體(1)之間；7) 將力敏元件的輸出導線、電荷放大器、A/D數據采集卡及裝有數據采集軟件的計算 機依次用導線相連接。8) 當被測軸所受力的量程改變時，依照步驟1)、2)、3)重新計算合適的分載比，從系列 模塊化的分載環(huán)(4)、定位環(huán)(5)中選擇一套合適的分載環(huán)(4)、定位環(huán)(5)，重新確定力敏 元件(2)的安裝位置后，依照步驟4)、5)、6)、7)依次執(zhí)行，實現(xiàn)了同一個傳感器能夠測量軸 上不同量程的六維力。
全文摘要
本發(fā)明一種可調分載比壓電式六維力傳感器及其測試方法屬于傳感器及其測控領域，特別涉及不同量程范圍內的軸上六維力測量。六維力傳感器包括上蓋、密封且引出導線的4個力敏元件、下體、分載環(huán)、定位環(huán)、4個預緊螺釘組成。采用的測試方法是通過調整4個力敏元件的安裝位置和選用系列模塊化的分載環(huán)、定位環(huán)來調節(jié)4個力敏元件所受力的總和與被測軸所受力的比值。本發(fā)明通過調節(jié)分載比，達到同一個傳感器測量一定軸徑范圍內的軸上不同量程六維力的目的；剛度好、靈敏度高、成本低，易于產品化，其測試方法操作簡單、使用方便、安全可靠。
文檔編號G01L3/00GK101793574SQ20101012896
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權日2010年3月17日
發(fā)明者張軍, 房慶華, 李映君, 賈振元, 錢敏 申請人:大連理工大學