專利名稱：一種并聯式壓電六維大力傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于傳感器及其測控技術領域，特別涉及基于并聯結構的壓電式六維力傳感器，可用于測量空間三維力分量和力矩分量。
背景技術：
核電、造船、化工、國防等領域的大型構件精確高效制造迫切需要重載操作裝備。 重載制造裝備是制造產業(yè)鏈中的基礎裝備，是國家極端制造能力和制造水平的體現，是國民經濟和國防安全的重要保障。重載操作裝備是在極端載荷條件下作業(yè)的巨型工業(yè)機器人，可實現靈巧的多維力位操作。在制造過程中，操作裝備通常是與加工裝備協調操作的， 操作裝備的末端執(zhí)行機構對于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，以避免因約束沖突造成的載荷劇增或夾持失效。在重載操作裝備操作過程中，六維力測量以及實時力反饋是實現多裝備協調操作控制、力順應控制的基礎，也是研制重載操作裝備及其它重型裝備的技術基礎。六維力傳感器是機器人智能化不可缺少的組成部分。機器人用六維力傳感器成為國內外學者研究的熱點課題，實用新型了多種六維力傳感器。在機器人力傳感器研究中，力敏元件的結構設計是核心關鍵問題，因為結構在一定程度上決定了傳感器性能的優(yōu)劣。目前，國內外六維力傳感器的測量原理主要是采用在復雜的彈性體上粘貼應變片的方式，通過對應變片的輸出信號進行解耦運算得到六維力信號。專利CN2233081Y中公開了一種由盤體結構和筒體結構相結合的一體化六維力/力矩傳感器，專利CN2066134U公開了一種圓筒形上下結構六維力/力矩傳感器，專利CN1013^208A和CN1013^207A中公開了兩種雙層上下結構六維力傳感器，兩者都是Mewart式并聯結構組合件，專利CN1263259 公開的整體預緊平臺式六維力傳感器，這類六維力傳感器有的結構復雜、有的尺寸大、有的剛度低、有的應變靈敏度低、有的解耦困難，加工這類六維力傳感器需要高精度的加工設備，加工難度大，另外，由于這類傳感器的各方向上存在耦合現象，需要對其輸出信號進行復雜的解耦運算才能得到輸出結果，且這類測量范圍較小，多用于小力值測量，也不能滿足動態(tài)測量的要求。專利CN00119096. 2中公開了一種利用厚膜技術，在膜片上燒結厚膜力敏電阻，通過解耦的方式實現對六維力信號的測量方法，這種方法雖然克服了傳統(tǒng)六維力傳感器粘貼應變片方式的絕大部分缺點，但各方向上仍然存在耦合現象，仍然需要對力敏電阻的輸出信號進行進一步的解耦運算才能得到輸出結果。專利CN101013054中公開了一種差動式壓電六維力傳感器和CN101750173A中公開了一種壓電式六維力傳感器，在傳力機構上安裝八個或兩個多維壓電式力傳感器，外力信息通過傳力機構直接施加在各個傳感器上，避免了彈性體對傳感器的影響，無維間耦合， 工藝簡單，但這類六維力傳感器對各個傳感器的安裝精度要求高，對同型號傳感器的一致性也要求較高。專利CN101149300中公開了一種壓電式六維大力傳感器，該結構傳感器可以實現大量程六維力動態(tài)測量，它采用^ewart結構，存在解耦困難的問題，體積大，且對安裝要求精度很高。專利CN10114i^99中公開了一種三維力整體組裝式六維測力傳感器，該結構傳感器調整安裝方便，能測量空間六維大力，但是結構復雜，解耦困難。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是克服上述六維力傳感器結構及解耦的缺陷， 設計一種技術性能好，工作可靠，易于安裝和維修，便于推廣使用的耦合系數小、靈敏度高、 強解耦、高剛性、大測量量程、動態(tài)性能好的壓電式六維力傳感器。一種并聯式壓電六維大力傳感器，其特征是包括上蓋(1)、力敏元件(2)、導線 (3)、密封圈(4)、(4')、預緊螺釘(5)、下蓋(6)、螺釘孔(7)、(8)、空心螺釘(9)，所述上蓋 (1)下部上開有圓環(huán)形上蓋凹槽(e)，所述下蓋(6)上部設有圓環(huán)形下蓋凸部(f)，所述下蓋凸部(f)上表面上有同圓均布的四組凸臺(10)，所述每個凸臺(10)上分別放置所述力敏元件(2)，所述上蓋(1)與下蓋(6)通過所述上蓋凹槽(e)和下蓋凸部(f)配合，所述力敏元件上表面(b)與所述凹槽表面(a)接觸，在所述上蓋(1)側壁上安裝有所述空心螺釘(9)，所述預緊螺釘(5)通過通孔(j)將上蓋(1)、力敏元件(2)、下蓋(6)固定為一體，所述上蓋上表面(m)、下蓋下表面(η)上分別設置有螺釘孔(7)、(8)。作為對本技術方案的進一步限定，所述力敏元件(2)包括墊片(11)、石英晶片 (12)、電極(13)和導線(3)，所述力敏元件(2)安裝于凸臺上表面(d)上，所述力敏元件(2) 包括12片壓電石英晶片(12)，每個石英晶片(12)表面貼有電極(13)，所述12片石英晶片 (12)并聯連接后通過所述導線(3)經所述空心螺釘(9)引出。作為對本技術方案的進一步限定，所述上蓋上表面(m)上開有5排同圓的螺釘孔 (7)，所述上蓋(1)上設有的內壁(k)和外壁(k')，所述下蓋上表面(i)上開有導線槽(g)， 所述下蓋下表面(η)上開有2排同圓的螺釘孔(8 )。作為對本技術方案的進一步限定，所述每個力敏元件(2)坐標系與傳感器坐標系
保持一致。作為對本技術方案的進一步限定，所述上蓋的下表面(h)上開有兩個密封圓環(huán)槽， 其內各放置有密封圈(4)、(4')，所述密封圈(4)、(4')與所述下蓋的上表面(i)接觸。作為對本技術方案的進一步限定，所述預緊螺釘(5)的數量為4個。與現有技術相比，本實用新型的優(yōu)點和積極效果是本實用新型通過改變傳感器上蓋內、外璧的厚度，實現不同的分載比，達到測量不同量程范圍力的效果。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。由于上蓋和下蓋均開有同圓的螺釘孔， 因此可用于面上和軸上兩種方式受變量程的六維靜態(tài)力、動態(tài)力、瞬態(tài)力的測量，也可以作為在線監(jiān)測裝置或自適應控制系統(tǒng)反饋元件。由于結構簡單，所以該傳感器的成本大大降低，它具有較高的力一電轉換效率，可以測量靜態(tài)力、動態(tài)力和瞬態(tài)力。本傳感器可用于串聯方式的面上空間六維力的測量，也可用于并聯方式的軸上空間六維力的測量，用途廣泛。

圖1為本實用新型下蓋的俯視圖。[0017]圖2為圖1的A-A剖面圖。圖3為圖2的I部分的局部放大圖。圖4為本實用新型下蓋的俯視圖。圖5為本實用新型下蓋的仰視圖。圖6為本實用新型中傳感器的工作三維直角坐標系和各石英晶片的局部坐標系圖。圖7為本實用新型力敏元件結構示意圖。圖8為本實用新型并聯式壓電六維力傳感器裝配示意圖。圖中1-上蓋，2-力敏元件，3-導線，4、4'-密封圈，5_預緊螺釘，6_下蓋，7、 8-螺釘孔，9-空心螺釘，10-凸臺，11-墊片，12-石英晶片，13-電極，a_凹槽表面，b_力敏元件上表面，C-力敏元件下表面，d-凸臺上表面，e-上蓋凹槽，f_下蓋凸部，g_下蓋導線槽，h-上蓋下表面，i-下蓋上表面，j-通孔，k-上蓋內壁，k'-上蓋外壁，m-上蓋上表面， η-下蓋下表面，S1 > s2 > S3、S4 -4組力敏元件。
具體實施方式
以下結合附圖和優(yōu)選實施例對本實用新型作更進一步的詳細說明。參見圖1 一圖8，所述上蓋1下表面上開有圓環(huán)形凹槽e，所述下蓋6上表面上有圓環(huán)形凸部f，所述凸部f上表面上有同圓均布的四組凸臺10，所述每個凸臺10上分別放置所述力敏元件2，所述上蓋1與下蓋6通過所述上蓋凹槽e和下蓋凸部f配合，所述力敏元件2的上表面b與所述凹槽表面a接觸，在所述上蓋1的上蓋下表面h上開有兩個密封圓環(huán)槽，其內各放置有密封圈4、4'，所述密封圈4、4'與所述下蓋6的下蓋上表面i接觸， 在所述上蓋1外圓柱外側壁上安裝所述空心螺釘9，4個預緊螺釘5通過通孔j將上蓋1、力敏元件2、下蓋6固定為一體，所述上蓋上表面m、下蓋下表面η上分別設置有螺釘孔7、8。所述上蓋1上表面m上開有5排同圓的螺釘孔7，所述上蓋1下側設有的內壁k和外壁k'，所述下蓋上表面i上開有導線槽g，所述下蓋下表面η上開有2排同圓的螺釘孔 8。所述4組力敏元件2坐標系與傳感器坐標系保持一致。所述力敏元件2包括墊片11、石英晶片12、電極13和導線3，所述力敏元件2安裝于凸臺上表面d上，所述力敏元件2使用12片壓電石英晶片12，組成可測量Fx、Fy、Fz三個方向的力值的六組石英晶組，每組石英晶片12表面貼有電極13，12片石英晶片12并聯連接后，通過所述一組導線3經空心螺釘9引出體外。上蓋1、下蓋6的材料均為不銹鋼，密封圈4、4'的材料為聚四氟乙烯。通過改變彈性環(huán)節(jié)內壁k、外壁k'的壁厚，可以實現串聯方式不同的分載比，分載比調節(jié)范圍為10%— 100%，將傳感器進行并聯聯結使用后，可明顯提高傳感器的測力量程范圍，分載比調節(jié)范圍為1%—50%，測力量程范圍為軸向力為100N— 2000000N,橫向力為100N— 100000N。力敏元件2包括墊片11、石英晶片12、電極13、導線3，力敏元件下表面c安裝于凸臺上表面d 上，力敏元件2使用12片壓電石英晶片12，12個所述壓電石英晶片12兩兩并聯組成可測量Fx、Fy、Fz三個方向的力值的六組石英晶組，其中兩組承受拉壓效應的X0°切型，四組承受剪切效應的Y0°切型，每組石英晶片12表面貼有電極13，12片石英晶片12并聯連接后，通過一組導線3經空心螺釘9引出體外。安裝時，先將4組石英晶片12組成的力敏元件2均勻布置在下蓋6凸部f圓周上 4個凸臺10上，保證力敏元件2的下表面c與凸臺10的上表面d配合，4組力敏元件2的敏感方向必須與傳感器的坐標系保持一致。然后安裝上蓋1，通過4個預緊螺釘5將上蓋1、4 個力敏元件2、下蓋6通過通孔j連接在一起，保證力敏元件2的上表面b與凹槽表面a接觸，上蓋下表面h與下蓋上表面i接觸，在上蓋下表面h上開有兩個密封圓環(huán)槽，其內各放置有密封圈4、4'。當傳感器上蓋1受力時，通過傳感器上的彈性環(huán)節(jié)(內壁k和外壁k')作用在力敏元件2上，經力敏元件2的拉壓效應、剪切效應將作用力自動分解為Fx、Fy、Fz三個方向力和Mx、My、Mz三個方向扭矩的輸出，產生相對應的電荷量，經電荷放大器放大變成相應的電壓信號后，分別以電壓 L L，Uyl Uy4，Uzl Uz4，-Ux4' , Uyl' -Uy4' , Uzl' Uz4'輸出，其中，1 1為四個力敏元件的拉壓效應在X方向上產生的電壓信號，Uyl Uy4 為四個力敏元件的拉壓效應在Y方向上產生的電壓信號，Uzl Uz4為四個力敏元件的拉壓效應在Z方向上產生的電壓信號，Uxl' Ux4‘為四個力敏元件的剪切效應在X方向上產生的電壓信號，I/ Uy4'為四個力敏元件的剪切效應在Y方向上產生的電壓信號，Uzl‘ Uz4'為四個力敏元件的剪切效應在Z方向上產生的電壓信號，通過信號調理及A/D數據采集卡將模擬信號變成數字信號，以Fxl Fx4，Fyl Fy4，Fzl Fz4，Fxl‘ Fx4'，Fyl' Fy4'， Fzl ‘ Fz4'方式輸入計算機，通過計算機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。其中力敏元件2裝入傳感器時的過盈量一般取為0.3 0. 5mm，預緊力為8000 20000N。裝配時為保證各向間橫向干擾最小原則，對力敏元件2的位置要進行精確調試。本實用新型使用方便，精確可靠。所以，當外力作用在施力平臺中心時，本六維力傳感器的輸出為
權利要求1.一種并聯式壓電六維大力傳感器，其特征是包括上蓋(1)、力敏元件(2)、導線(3)、 密封圈(4 )、( 4 ‘)、預緊螺釘(5 )、下蓋(6 )、螺釘孔(7 )、( 8 )、空心螺釘(9 )，所述上蓋(1)下部上開有圓環(huán)形上蓋凹槽(e)，所述下蓋(6)上部設有圓環(huán)形下蓋凸部(f)，所述下蓋凸部 (f)上表面上有同圓均布的四組凸臺(10)，所述每個凸臺(10)上分別放置所述力敏元件 (2)，所述上蓋(1)與下蓋(6)通過所述上蓋凹槽(e)和下蓋凸部(f)配合，所述力敏元件上表面(b)與所述凹槽表面(a)接觸，在所述上蓋(1)側壁上安裝有所述空心螺釘(9)，所述預緊螺釘(5)通過通孔(j)將上蓋(1)、力敏元件(2)、下蓋(6)固定為一體，所述上蓋上表面 (m)、下蓋下表面(η)上分別設置有螺釘孔(7)、(8)。
2.根據權利要求1所述并聯式壓電六維大力傳感器，其特征是所述力敏元件(2)包括墊片(11)、石英晶片(12)、電極(13)和導線(3)，所述力敏元件(2)安裝于凸臺上表面 (d)上，所述力敏元件(2)包括12片壓電石英晶片(12)，每個石英晶片(12)表面貼有電極 (13)，所述12片石英晶片(12)并聯連接后通過所述導線(3)經所述空心螺釘(9)引出。
3.根據權利要求1所述并聯式壓電六維大力傳感器，其特征是所述上蓋上表面(m)上開有5排同圓的螺釘孔(7)，所述上蓋(1)上設有的內壁(k)和外壁(k')，所述下蓋上表面 (i)上開有導線槽(g)，所述下蓋下表面(η)上開有2排同圓的螺釘孔(8)。
4.根據權利要求1所述并聯式壓電六維大力傳感器，其特征是所述每個力敏元件(2) 坐標系與傳感器坐標系保持一致。
5.根據權利要求1一 4之一所述并聯式壓電六維大力傳感器，其特征是所述上蓋的下表面(h)上開有兩個密封圓環(huán)槽，其內各放置有密封圈(4)、(4'),所述密封圈(4)、 (4')與所述下蓋的上表面(i)接觸。
6.根據權利要求1一 4之一所述并聯式壓電六維大力傳感器，其特征是所述預緊螺釘(5)的數量為4個。
專利摘要本實用新型公開了一種并聯式壓電六維大力傳感器，其特征是包括上蓋、力敏元件、導線、密封圈、預緊螺釘、下蓋、螺釘孔、空心螺釘，所述上蓋下部上開有圓環(huán)形上蓋凹槽，所述下蓋上部設有圓環(huán)形下蓋凸部，所述下蓋凸部上表面上有同圓均布的四組凸臺，所述每個凸臺上分別放置所述力敏元件，所述上蓋與下蓋通過所述上蓋凹槽和下蓋凸部配合，所述力敏元件上表面與所述凹槽表面接觸，在所述上蓋側壁上安裝有所述空心螺釘，所述預緊螺釘通過通孔將上蓋、力敏元件、下蓋固定為一體，所述上蓋上表面、下蓋下表面上分別設置有螺釘孔。
文檔編號G01L1/16GK202153166SQ20112027034
公開日2012年2月29日 申請日期2011年7月28日 優(yōu)先權日2011年7月28日
發(fā)明者張如劍, 李映君, 李長春, 王桂從, 艾長勝, 馬汝建 申請人:濟南大學