CN101149299A - 三维力整体组装式六维测力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种三维力整体组装式六维测力传感器，属于六维力传感器领域，特别涉及用三维力石英晶片组整体组装形式来实现六维大力测量，三维力整体组装式六维测力传感器由下端内套筒、上端内套筒、外套筒、机械手手臂、三维力石英晶片组底座、三维力石英晶片组端盖、三维力石英晶片组组成，上端内套筒装在机械手与手臂连接处，下端内套筒装在机械手手臂的下部，将封装好的三维力石英晶片组分两组固定在上下端内套筒上，外套筒通过外套筒连接螺栓与各石英晶片组端盖相连。本发明采用两组上下布局的三维力石英晶片组构成六维大力测量机构，实现了六维大力测量，该传感器结构简单、精度高、调整安装方便，适用于各种大型重载操作装备的六维大力值测量。
Description
技术领域
本发明属于六维力传感器领域，特别涉及大力测量时用三维力石英晶片组整体组装形式来实现六维大力测量。
背景技术
随着我国极端制造能力的不断增强，对大力测量技术的需求也变得越来越迫切，尤其在巨型重载操作装备中，更需要多维大力传感器对机械手所受的六维力进行快速准确的反馈，以实现多装备协调操作控制、力顺应控制。重载制造装备中，被测力量值较大，可达100MN以上。目前确定大力的方法主要还是依靠直接测量，如支承式重型大力传感器，但该传感器制造工艺复杂，技术难度大。国内少量重型装备所用的支承式大力传感器主要是国外进口产品，且大部分重型设备至今尚无大力测控装置。由于支承式重型大力传感器的承载面积、几何尺寸和重量均随被测力的增大而激增，不便安装和维护。大力分流测量技术和具有并联分流传力方式的大力传感器设计思想源自上世纪60年代，此后苏、美、加、德等国先后研制了称作应变杆或引申计的附着式大力传感器。我国北方工业大学沈久珩教授自行研制成功附着式大力传感器，专利号为86 1 05879，但该附着式大力传感器只能实现一维大力测量，不能进行六维力同时测量。
六维力传感器是近20年国内外学者研究的热门话题之一，到目前为止提出的六维力传感器主要有以下几种形式，如筒形结构、十字梁结构、垂直筋结构、stewart结构以及双头式结构等。但这些六维力传感器测量范围相对较小，目前尚无六维大力测量研究的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对大部分重型设备至今尚无大力测控装置的难题，提供一种将三维力石英晶片组进行整体组装，通过多个三维力石英晶片组组合实现六维大力测量的六维大力传感器，解决了重载操作装备无法进行六维大力测量的难题。
本发明采用的技术方案是：三维力整体组装式测力传感器由下端内套筒1、上端内套筒9、外套筒8、机械手手臂12、三维力石英晶片组底座6、三维力石英晶片组端盖5、三维力石英晶片组测x向力石英晶片2、三维力石英晶片组测y向力石英晶片3、三维力石英晶片组测z向力石英晶片4组成，下端内套筒1和上端内套筒9形状为圆筒形，圆筒外壁有四个矩形凸台，每个凸台上各有一个螺纹通孔，外套筒8为圆筒形，在圆筒外壁上部和下部各有四个矩形凸台，凸台上各有一个螺纹通孔，上端内套筒9装在机械手与手臂连接处，下端套筒1装在机械手手臂12的下部，石英晶片组由测x向力石英晶片、测y向力石英晶片和测z向力石英晶片组成，石英晶片组放置在三维力石英晶片组底座6和三维力石英晶片组端盖5之间，用内六角连接螺栓7将封装好的三维力石英晶片组分两组固定在上端内套筒9和下端内套筒1上，外套筒位于最外侧，通过外套筒连接螺栓10与各个三维力石英晶片组端盖相连。
三维力整体组装式六维测力传感器的八个石英晶片组分别安装在下内套筒1、上内套筒9和外套筒之间，每四个三维力石英晶片组组成一个十字梁型传感器。
本发明的显著效果是采用两组上下布局的三维力石英晶片组构成六维大力测量机构，实现了六维大力测量，该传感器结构简单、精度高、调整安装方便，适用于各种大型重载操作装备的六维大力值测量。
附图说明
图1为三维力整体组装式六维测力传感器装配图主视图
图2为三维力整体组装式六维测力传感器装配图俯视图
图3为三维力整体组装式六维测力传感器装配图左视图
图4为三维力石英晶片组分解示意图
图5为三维力整体组装式六维测力传感器示意图
其中，1为下端内套筒，2为三维力石英晶片组测x向力石英晶片，3为三维力石英晶片组测y向力石英晶片，4为三维力石英晶片组测z向力石英晶片，5为三维力石英晶片组端盖，6三维力石英晶片组底座，7为三维力石英晶片组内六角连接螺栓，8为外套筒，9为上端内套筒，10为外套筒连接螺栓，11为内套筒连接螺栓，12为机械手手臂。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的具体实施，本发明设计的三维力整体组装式六维大力传感器，采用两组上下布局的三维力石英晶片组构成六维大力测量机构，图1为三维整体组装式力六维力传感器主视图，主要包括八只压电式三维力石英晶片组，其中，每个三维力石英晶片组可以测三个互相垂直方向的力，包括一片可测拉压的压电石英晶片和两片可测剪切的压电石英晶片，两只连接机械手手臂的内套筒，一只连接各三维力石英晶片组的外套筒。上端内套筒9和下端内套筒1分别安装在机械手手臂12上端和下端，用内六角连接螺栓7将封装好的八个三维力石英晶片组分两组固定在上端内套筒9和下端内套筒1上，通过外套筒连接螺栓10将外套筒装配到各个三维力石英晶片组端盖5上。重载设备机械手工作时，对机械手手臂两个内套筒之间的部分进行受力分析，以手臂轴线方向作为Z轴，Z轴正向指向机械手，两个互相垂直的传感器方向定为X轴和Y轴，当机械手对手臂的作用力沿Z轴方向时，手臂沿Z轴方向变形带动三维力石英晶片组，三维力石英晶片组受到剪切力，因为主要力量都由手臂来承担，所以三维力石英晶片组受到的剪切力相对较小，但二者之间存在固定比例关系，根据剪切力与Z轴受力之间的比例关系，求得Z轴受力，当机械手对手臂的作用力沿X方向时，手臂沿X轴方向发生弯曲，X轴方向上的传感器受到拉压力，Y轴方向上的传感器受到剪切力，根据该剪切力和拉压力的合力与X轴方向上受到的机械手作用力的比例关系，得到机械手在X轴方向上受到的力，同理可测得Y轴方向上受到的力。当机械手对手臂的作用力为Z轴方向上的扭矩时，各个传感器都受到沿顺时针或逆时针的剪切力，石英晶片到机械手手臂轴线的距离与剪切力的乘积即为手臂对传感器在Z方向上的扭矩，根据比例关系求得机械手对手臂作用的扭矩。当机械手对手臂的作用力为X轴方向上的扭矩时，Y轴方向上的传感器受到剪切力，石英晶片到机械手手臂轴线的距离与剪切力的乘积即为手臂对传感器在X方向上的扭矩，根据比例关系得到机械手在X轴方向上对手臂作用的扭矩，同理可测得Y轴方向上的扭矩，从而实现了六维大力的测量。
Claims (2)
1.一种三维力整体组装式六维测力传感器，其特征在于，三维力整体组装式测力传感器由下端内套筒(1)、上端内套筒(9)、外套筒(8)、机械手手臂(12)、三维力石英晶片组底座(6)、三维力石英晶片组端盖(5)、三维力石英晶片组测x向力石英晶片(2)、三维力石英晶片组测y向力石英晶片(3)、三维力石英晶片组测z向力石英晶片(4)组成，下端内套筒(1)和上端内套筒(9)形状为圆筒形，圆筒外壁有四个矩形凸台，每个凸台上各有一个螺纹通孔，外套筒(8)为圆筒形，在圆筒外壁上部和下部各有四个矩形凸台，凸台上各有一个螺纹通孔，上端内套筒(9)装在机械手与手臂连接处，下端套筒(1)装在机械手手臂(12)的下部，石英晶片组由测x向力石英晶片、测y向力石英晶片和测z向力石英晶片组成，石英晶片组放置在三维力石英晶片组底座(6)和三维力石英晶片组端盖(5)之间，用内六角连接螺栓(7)将封装好的三维力石英晶片组分两组固定在上端内套筒(9)和下端内套筒(1)上，外套筒(8)位于最外侧，通过外套筒连接螺栓(10)与各个三维力石英晶片组端盖(5)相连。
2.根据权利要求1所述的三维力整体组装式六维测力传感器，其特征是，八个三维力石英晶片组分别安装在下内套筒(1)、上内套筒(9)和外套筒之间，每四个三维力石英晶片组组成一个十字梁型传感器。
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