CN102288334B - 一种并联式压电六维大力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联式压电六维大力传感器，其特征是：包括上盖、力敏元件、导线、密封圈、预紧螺钉、下盖、螺钉孔、空心螺钉，所述上盖下部上开有圆环形上盖凹槽，所述下盖上部设有圆环形下盖凸部，所述下盖凸部上表面上有同圆均布的四组凸台，所述每个凸台上分别放置所述力敏元件，所述上盖与下盖通过所述上盖凹槽和下盖凸部配合，所述力敏元件上表面与所述凹槽表面接触，在所述上盖侧壁上安装有所述空心螺钉，所述预紧螺钉通过通孔将上盖、力敏元件、下盖固定为一体，所述上盖上表面、下盖下表面上分别设置有螺钉孔。

Description

一种并联式压电六维大力传感器

技术领域

本发明属于传感器及其测控技术领域，特别涉及基于并联结构的压电式六维力传感器，可用于测量空间三维力分量和力矩分量。

背景技术

核电、造船、化工、国防等领域的大型构件精确高效制造迫切需要重载操作装备。重载制造装备是制造产业链中的基础装备，是国家极端制造能力和制造水平的体现，是国民经济和国防安全的重要保障。重载操作装备是在极端载荷条件下作业的巨型工业机器人，可实现灵巧的多维力位操作。在制造过程中，操作装备通常是与加工装备协调操作的，操作装备的末端执行机构对于制造过程中的工件变形所造成的位移需具有力顺应性和位置顺应性，以避免因约束冲突造成的载荷剧增或夹持失效。在重载操作装备操作过程中，六维力测量以及实时力反馈是实现多装备协调操作控制、力顺应控制的基础，也是研制重载操作装备及其它重型装备的技术基础。六维力传感器是机器人智能化不可缺少的组成部分。机器人用六维力传感器成为国内外学者研究的热点课题，发明了多种六维力传感器。在机器人力传感器研究中，力敏元件的结构设计是核心关键问题，因为结构在一定程度上决定了传感器性能的优劣。

目前，国内外六维力传感器的测量原理主要是采用在复杂的弹性体上粘贴应变片的方式，通过对应变片的输出信号进行解耦运算得到六维力信号。专利CN2233081Y中公开了一种由盘体结构和筒体结构相结合的一体化六维力/力矩传感器，专利CN2066134U公开了一种圆筒形上下结构六维力/力矩传感器，专利CN101329208A和CN101329207A中公开了两种双层上下结构六维力传感器，两者都是Stewart式并联结构组合件，专利CN1263259公开的整体预紧平台式六维力传感器，这类六维力传感器有的结构复杂、有的尺寸大、有的刚度低、有的应变灵敏度低、有的解耦困难，加工这类六维力传感器需要高精度的加工设备，加工难度大，另外，由于这类传感器的各方向上存在耦合现象，需要对其输出信号进行复杂的解耦运算才能得到输出结果，且这类测量范围较小，多用于小力值测量，也不能满足动态测量的要求。

专利CN00119096.2中公开了一种利用厚膜技术，在膜片上烧结厚膜力敏电阻，通过解耦的方式实现对六维力信号的测量方法，这种方法虽然克服了传统六维力传感器粘贴应变片方式的绝大部分缺点，但各方向上仍然存在耦合现象，仍然需要对力敏电阻的输出信号进行进一步的解耦运算才能得到输出结果。

专利CN101013054中公开了一种差动式压电六维力传感器和CN101750173A中公开了一种压电式六维力传感器，在传力机构上安装八个或两个多维压电式力传感器，外力信息通过传力机构直接施加在各个传感器上，避免了弹性体对传感器的影响，无维间耦合，工艺简单，但这类六维力传感器对各个传感器的安装精度要求高，对同型号传感器的一致性也要求较高。

专利CN101149300中公开了一种压电式六维大力传感器，该结构传感器可以实现大量程六维力动态测量，它采用Stewart结构，存在解耦困难的问题，体积大，且对安装要求精度很高。专利CN101149299中公开了一种三维力整体组装式六维测力传感器，该结构传感器调整安装方便，能测量空间六维大力，但是结构复杂，解耦困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述六维力传感器结构及解耦的缺陷，设计一种技术性能好，工作可靠，易于安装和维修，便于推广使用的耦合系数小、灵敏度高、強解耦、高刚性、大测量量程、动态性能好的压电式六维力传感器。

一种并联式压电六维大力传感器，其特征是：包括上盖(1)、力敏元件(2)、导线(3)、密封圈(4、4′)、预紧螺钉(5)、下盖(6)、螺钉孔(7、8)、空心螺钉(9)，所述上盖(1)下部上开有圆环形上盖凹槽(e)，所述下盖(6)上部设有圆环形下盖凸部(f)，所述下盖凸部(f)上表面上有同圆均布的四组凸台(10)，所述每个凸台(10)上分别放置所述力敏元件(2)，所述上盖(1)与下盖(6)通过所述上盖凹槽(e)和下盖凸部(f)配合，所述力敏元件上表面(b)与所述上盖凹槽表面(a)接触，在所述上盖(1)侧壁上安装有所述空心螺钉(9)，所述预紧螺钉(5)通过通孔(j)将上盖(1)、力敏元件(2)、下盖(6)固定为一体，所述上盖上表面(m)、下盖下表面(n)上分别设置有螺钉孔(7)、(8)，所述力敏元件(2)包括垫片(11)、石英晶片(12)、电极(13)和导线(3)，所述力敏元件(2)安装于凸台上表面(d)上，所述力敏元件(2)包括12片压电石英晶片(12)，每个石英晶片(12)表面贴有电极(13)，所述12片石英晶片(12)并联连接后通过所述导线(3)经所述空心螺钉(9)引出，每组力敏原件采用12片压电石英晶片，12个所述压电石英晶片两两并联组成可测量Fx、Fy、Fz三个方向的力值的六组石英晶组，其中两组承受拉压效应的X0°切型，四组承受剪切效应的Y0°切型，每组石英晶片(12)表面贴有电极，12片石英晶片并联连接后，通过一组导线经空心螺钉(9)引出体外，经力敏元件的拉压效应、剪切效应将作用力自动分解为F_x、F_y、F_z三个方向力和M_x、M_y、M_z三个方向扭矩的输出，产生相对应的电荷量,经电荷放大器放大变成相应的电压信号后,分别以电压U_x1～U_x4，U_y1～U_y4，U_z1～U_z4，U_x1′～U_x4′，U_y1′～U_y4′，U_z1′～U_z4′输出，其中，U_x1～U_x4为四个力敏元件的拉压效应在X方向上产生的电压信号，U_y1～U_y4为四个力敏元件的拉压效应在Y方向上产生的电压信号，U_z1～U_z4为四个力敏元件的拉压效应在Z方向上产生的电压信号，U_x1′～U_x4′为四个力敏元件的剪切效应在X方向上产生的电压信号，U_y1′～U_y4′为四个力敏元件的剪切效应在Y方向上产生的电压信号，U_z1′～U_z4′为四个力敏元件的剪切效应在Z方向上产生的电压信号,通过信号调理及A/D数据采集卡将模拟信号变成数字信号，以F_x1～F_x4，F_y1～F_y4，F_z1～F_z4，F_x1′～F_x4′，F_y1′～F_y4′，F_z1′～F_z4′方式输入计算机。

作为对本技术方案的进一步限定，所述上盖上表面(m)上开有5排同圆的螺钉孔(7)，所述上盖(1)上设有的内壁(k)和外壁(k′)，所述下盖上表面(i)上开有导线槽(g)，所述下盖下表面(n)上开有2排同圆的螺钉孔(8)。

作为对本技术方案的进一步限定，所述每个力敏元件(2)坐标系与传感器坐标系保持一致。

作为对本技术方案的进一步限定，所述上盖的下表面(h)上开有两个密封圆环槽，其内各放置有密封圈(4、4′)，所述密封圈(4、4′)与所述下盖的上表面(i)接触。

作为对本技术方案的进一步限定，所述预紧螺钉(5)的数量为4个。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过改变传感器上盖内、外璧的厚度，实现不同的分载比，达到测量不同量程范围力的效果。该传感器结构简单、对称性好，刚性好，工艺性好、稳定性好、制造容易，寿命长，操作简单、使用方便、成本低，灵敏度高、易于解耦，易于产品化、横向干扰小。由于上盖和下盖均开有同圆的螺钉孔，因此可用于面上和轴上两种方式受变量程的六维静态力、动态力、瞬态力的测量，也可以作为在线监测装置或自适应控制系统反馈元件。由于结构简单，所以该传感器的成本大大降低，它具有较高的力－电转换效率，可以测量静态力、动态力和瞬态力。本传感器可用于串联方式的面上空间六维力的测量，也可用于并联方式的轴上空间六维力的测量，用途广泛。

附图说明

图1为本发明下盖的俯视图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为图2的I部分的局部放大图。

图4为本发明下盖的俯视图。

图5为本发明下盖的仰视图。

图6为本发明中传感器的工作三维直角坐标系和各石英晶片的局部坐标系图。

图7为本发明力敏元件结构示意图。

图8为本发明并联式压电六维力传感器装配示意图。

图中：1-上盖，2-力敏元件，3-导线，4、4′-密封圈，5-预紧螺钉，6-下盖，7、8-螺钉孔，9-空心螺钉，10-凸台，11-垫片，12-石英晶片，13-电极，a-凹槽表面，b-力敏元件上表面，c-力敏元件下表面，d-凸台上表面，e-上盖凹槽，f-下盖凸部，g-下盖导线槽，h-上盖下表面，i-下盖上表面，j-通孔，k-上盖内壁，k′-上盖外壁，m-上盖上表面，n-下盖下表面，s₁、s₂、s₃、s₄-4组力敏元件。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细说明。

参见图1－图8，所述上盖1下表面上开有圆环形凹槽e，所述下盖6上表面上有圆环形凸部f，所述凸部f上表面上有同圆均布的四组凸台10，所述每个凸台10上分别放置所述力敏元件2，所述上盖1与下盖6通过所述上盖凹槽e和下盖凸部f配合，所述力敏元件2的上表面b与所述凹槽表面a接触，在所述上盖1的上盖下表面h上开有两个密封圆环槽，其内各放置有密封圈4、4′，所述密封圈4、4′与所述下盖6的下盖上表面i接触，在所述上盖1外圆柱外侧壁上安装所述空心螺钉9，4个预紧螺钉5通过通孔j将上盖1、力敏元件2、下盖6固定为一体，所述上盖上表面m、下盖下表面n上分别设置有螺钉孔7、8。

所述上盖1上表面m上开有5排同圆的螺钉孔7，所述上盖1下侧设有的内壁k和外壁k′，所述下盖上表面i上开有导线槽g，所述下盖下表面n上开有2排同圆的螺钉孔8。

所述4组力敏元件2坐标系与传感器坐标系保持一致。

所述力敏元件2包括垫片11、石英晶片12、电极13和导线3，所述力敏元件2安装于凸台上表面d上，所述力敏元件2使用12片压电石英晶片12，组成可测量F_x、F_y、F_z三个方向的力值的六组石英晶组，每组石英晶片12表面贴有电极13，12片石英晶片12并联连接后，通过所述一组导线3经空心螺钉9引出体外。

上盖1、下盖6的材料均为不锈钢，密封圈4、4′的材料为聚四氟乙烯。通过改变弹性环节内壁k、外壁k′的壁厚，可以实现串联方式不同的分载比，分载比调节范围为10％—100％，将传感器进行并联联结使用后，可明显提高传感器的测力量程范围，分载比调节范围为1％—50％，测力量程范围为轴向力为100N—2000000N,横向力为100N—100000N。力敏元件2包括垫片11、石英晶片12、电极13、导线3，力敏元件下表面c安装于凸台上表面d上，力敏元件2使用12片压电石英晶片12，12个所述压电石英晶片12两两并联组成可测量F_x、F_y、F_z三个方向的力值的六组石英晶组，其中两组承受拉压效应的X0°切型，四组承受剪切效应的Y0°切型，每组石英晶片12表面贴有电极13，12片石英晶片12并联连接后，通过一组导线3经空心螺钉9引出体外。

安装时，先将4组石英晶片12组成的力敏元件2均匀布置在下盖6凸部f圆周上4个凸台10上，保证力敏元件2的下表面c与凸台10的上表面d配合，4组力敏元件2的敏感方向必须与传感器的坐标系保持一致。然后安装上盖1，通过4个预紧螺钉5将上盖1、4个力敏元件2、下盖6通过通孔j连接在一起，保证力敏元件2的上表面b与凹槽表面a接触，上盖下表面h与下盖上表面i接触，在上盖下表面h上开有两个密封圆环槽，其内各放置有密封圈4、4′。

当传感器上盖1受力时，通过传感器上的弹性环节(内壁k和外壁k′)作用在力敏元件2上，经力敏元件2的拉压效应、剪切效应将作用力自动分解为F_x、F_y、F_z三个方向力和M_x、M_y、M_z三个方向扭矩的输出，产生相对应的电荷量,经电荷放大器放大变成相应的电压信号后,分别以电压U_x1～U_x4，U_y1～U_y4，U_z1～U_z4，U_x1′～U_x4′，U_y1′～U_y4′，U_z1′～U_z4′输出，其中，U_x1～U_x4为四个力敏元件的拉压效应在X方向上产生的电压信号，U_y1～U_y4为四个力敏元件的拉压效应在Y方向上产生的电压信号，U_z1～U_z4为四个力敏元件的拉压效应在Z方向上产生的电压信号，U_x1′～U_x4′为四个力敏元件的剪切效应在X方向上产生的电压信号，U_y1′～U_y4′为四个力敏元件的剪切效应在Y方向上产生的电压信号，U_z1′～U_z4′为四个力敏元件的剪切效应在Z方向上产生的电压信号,通过信号调理及A/D数据采集卡将模拟信号变成数字信号，以F_x1～F_x4，F_y1～F_y4，F_z1～F_z4，F_x1′～F_x4′，F_y1′～F_y4′，F_z1′～F_z4′方式输入计算机,通过计算机相应软件处理得出空间矢量力各主要参数，最后,由终端显示、记录、打印等。其中力敏元件2装入传感器时的过盈量一般取为0.3～0.5mm，预紧力为8000～20000N。装配时为保证各向间横向干扰最小原则，对力敏元件2的位置要进行精确调试。本发明使用方便，精确可靠。

所以，当外力作用在施力平台中心时，本六维力传感器的输出为:

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=F_{x_1}+F_{x_2}+F_{x_3}+F_{x_4}\\ F_y=F_{y_1}+F_{y_2}+F_{y_3}+F_{y_4}\\ F_z=F_{z_1}+F_{z_2}+F_{z_3}+F_{z_4}\\ M_x=-F_{z_1}\′d+F_{z_2}\′d+F_{z_3}\′d-F_{z_4}\′d\\ M_y=-F_{z_1}\′d-F_{z_2}\′d+F_{z_3}\′d+F_{z_4}\′d\\ M_z=(F_{x_1}\′d-F_{x_2}\′d-F_{x_3}\′d)+(F_{y_1}\′d+F_{y_2}\′d-F_{y_3}\′d-F_{y_4}\′d)\end{array}\right.$

其中，d为两个相邻的力敏元件中心之间的距离。

根据以上分析可以看出，本传感器力分量和力矩分量测量使用不同的石英晶组，因此不需对传感器的输出信号进行复杂的解耦运算就可以得到输出结果。

本发明通过4组力敏元件进行完全解耦，来测量面上和轴上两种方式受变量程的六维静态力、动态力、瞬态力的目的，也可以作为在线监测装置或自适应控制系统反馈元件，动态性能好、刚度好、灵敏度高、成本低，易于产品化，其测试方法操作简单、使用方便、安全可靠。本发明对压电力敏元件在六维大力测量技术上的发展具有参考价值，可广泛应用于极端环境下多维时变大载荷的实时精确测量，可为提高大型构件的制造精度、生产效率和材料利用率，规划和调整加工工艺提供重要的技术保障，对提升我国重载制造装备的高精度、高效、节能制造能力和水平具有重要的工程实用价值。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种并联式压电六维大力传感器，其特征是：包括上盖(1)、力敏元件(2)、导线(3)、密封圈(4、4′)、预紧螺钉(5)、下盖(6)、螺钉孔(7)、(8)、空心螺钉(9)，所述上盖(1)下部上开有圆环形上盖凹槽(e)，所述下盖(6)上部设有圆环形下盖凸部(f)，所述下盖凸部(f)上表面上有同圆均布的四组凸台(10)，所述每个凸台(10)上分别放置所述力敏元件(2)，所述上盖(1)与下盖(6)通过所述上盖凹槽(e)和下盖凸部(f)配合，所述力敏元件上表面(b)与所述上盖凹槽表面(a)接触，在所述上盖(1)侧壁上安装有所述空心螺钉(9)，所述预紧螺钉(5)通过通孔(j)将上盖(1)、力敏元件(2)、下盖(6)固定为一体，所述上盖上表面(m)、下盖下表面(n)上分别设置有螺钉孔(7、8)，所述力敏元件(2)包括垫片(11)、石英晶片(12)、电极(13)和导线(3)，所述力敏元件(2)安装于凸台上表面(d)上，所述力敏元件(2)包括12片压电石英晶片(12)，每个石英晶片(12)表面贴有电极(13)，所述12片石英晶片(12)并联连接后通过所述导线(3)经所述空心螺钉(9)引出，每组力敏原件采用12片压电石英晶片，12个所述压电石英晶片两两并联组成可测量Fx、Fy、Fz三个方向的力值的六组石英晶组，其中两组承受拉压效应的X0°切型，四组承受剪切效应的Y0°切型，每组石英晶片(12)表面贴有电极，12片石英晶片并联连接后，通过一组导线经空心螺钉(9)引出体外，经力敏元件的拉压效应、剪切效应将作用力自动分解为F_x、F_y、F_z三个方向力和M_x、M_y、M_z三个方向扭矩的输出，产生相对应的电荷量,经电荷放大器放大变成相应的电压信号后,分别以电压U_x1～U_x4，U_y1～U_y4，U_z1～U_z4，U_x1′～U_x4′，U_y1′～U_y4′，U_z1′～U_z4′输出，其中，U_x1～U_x4为四个力敏元件的拉压效应在X方向上产生的电压信号，U_y1～U_y4为四个力敏元件的拉压效应在Y方向上产生的电压信号，U_z1～U_z4为四个力敏元件的拉压效应在Z方向上产生的电压信号，U_x1′～U_x4′为四个力敏元件的剪切效应在X方向上产生的电压信号，U_y1′～U_y4′为四个力敏元件的剪切效应在Y方向上产生的电压信号，U_z1′～U_z4′为四个力敏元件的剪切效应在Z方向上产生的电压信号,通过信号调理及A/D数据采集卡将模拟信号变成数字信号，以F_x1～F_x4，F_y1～F_y4，F_z1～F_z4，F_x1′～F_x4′，F_y1′～F_y4′，F_z1′～F_z4′方式输入计算机。

2.根据权利要求1所述并联式压电六维大力传感器，其特征是：所述上盖上表面(m)上开有5排同圆的螺钉孔(7)，所述上盖(1)上设有的内壁(k)和外壁(k′)，所述下盖上表面(i)上开有导线槽(g)，所述下盖下表面(n)上开有2排同圆的螺钉孔(8)。

3.根据权利要求1所述并联式压电六维大力传感器，其特征是：所述每个力敏元件(2)坐标系与传感器坐标系保持一致。

4.根据权利要求1－3之一所述并联式压电六维大力传感器，其特征是：所述上盖的下表面(h)上开有两个密封圆环槽，其内各放置有密封圈(4、4′)，所述密封圈(4、4′)与所述下盖的上表面(i)接触。

5.根据权利要求1－3之一所述并联式压电六维大力传感器，其特征是：所述预紧螺钉(5)的数量为4个。