CN103175636A - 可分载的压电式多维力测量装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明可分载的压电式多维力测量装置及其制作方法属于压电式传感器领域，特别涉及需要进行三个方向的力测量且三个方向的力在量程上相近，量值在万牛级别的测试装置。本发明采用压电式三向力传感器，并利用在压电式三向力传感器周围合理布置多点膨胀柱销的方法，通过设计膨胀柱销的不同直径来实现不同的分载比；采用均匀分布的四个膨胀柱销在四个锥销的作用下膨胀而实现底座与上盖板的切向刚性连接，实现对作用于上盖板的力的分载；使分载比可调。该装置由底座、压电式三向力传感器、上盖板、四个膨胀柱销、四个锥销、四个紧定螺钉、预紧螺钉组成。该制作方法拓宽了压电式多维力装置的测试应用范围，在机械加工、航空航天领域有广阔的应用空间。

Description

可分载的压电式多维力测量装置及其制作方法

技术领域

本发明属于压电式传感器领域，特别涉及需要进行三个方向的力测量且三个方向的力在量程上相近，量值在万牛级别的测试装置。

背景技术

在一般的、传统的多维力测量领域中，三个方向（笛卡尔坐标系）的力的量程一般在千牛级别及以下，常用的测量方法有以下几种：

A.基于应变片的应变式多维力测量装置

应变式传感器是利用特定材料在变形过程中所发生的物性变化如电阻等为基础制成的，具有质量轻、响应快、体积较小等优势。由于应变片具有结构简单、布片灵活、灵敏度高、稳定性好等特点，基于应变片的各类传感器得到了广泛的应用。而且对于不同量程的测量来说，通常是改变弹性环节的设计，增大或减小弹性环节的刚度，来匹配所测量程的需要。由于它必须具有一定的形变，通常是几十到两万微应变，敏感材料才能产生物性效应，所以应变式传感器一般刚度较低，一般用于模型的静态测力。

B.基于压电效应的多维压电式测试系统

压电式六维力测试装置通常以三组或四组压电式三分力传感器采取一定空间布置的方法来实现。其优点是：高刚度、高固有频率、高灵敏度、稳定性优良。目前已在轨/姿控火箭发动机脉冲推力矢量测量和高频脉冲推力测量等领域应用。由于这类测量领域法向的拉压力量程较大为千牛级别，而切向的两个方向力的量程较小为几十牛，所以对三向力传感器不需做任何分载，即可满足测量要求。伴随着科技的进一步发展，在高频动态力测量领域又出现了新的测量要求，即三个方向需要测量的力的量程均达到了万牛级别。此时传统直接使用三向力传感器的方法已不能采用，而是采用分载的方法。因为三向压电式力传感器在切向的两个方向的测量是以法向的预紧力和摩擦系数来匹配的，预紧力通常在2万牛，摩擦系数在0.1左右，这样造成了切向力的测量量程在2千牛，不能满足此类测量场合的使用要求。实际测量中最常用的分载方法是采用并联分载原理，将三个方向的力全部分载，客观上减小了不需分载的法向力的满量程测量值，从而也降低了法向力的测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术难题是改变传统的压电式多维力测量中切向两个方向量程不能达到万牛级别，而导致某些场合无法应用的难题，发明一种可分载的压电式多维力装置及其制作方法。本制作方法利用在压电式三向力传感器周围合理位置布置多点膨胀柱销的方法，通过设计膨胀柱销的不同直径来实现不同的分载比，从而达到所测力仅为实际作用力的一部分的目的。该装置结构简单，分载比可调，对法向力几乎不分载，从而提高法向力的测量精度的同时，满足两个切向力的测量要求。该装置极大拓宽了压电式多维力测试装置的应用范围，可应用于需要多维力动态测量且量程相对较大的场合，在机械加工、航空航天等领域有广阔的应用空间。

本发明所采用的技术方案是：一种可分载的压电式多维力测量装置的制作方法,其特征是,采用压电式三向力传感器，并利用在压电式三向力传感器周围合理布置多点膨胀柱销的方法，通过设计膨胀柱销的不同直径来实现不同的分载比；采用均匀分布的四个膨胀柱销4在四个锥销6的作用下膨胀而实现底座1与上盖板3的切向刚性连接，实现对作用于上盖板3的力的分载；使分载比可调，而对法向力几乎不分载；具体制作方法步骤如下：

1）先以底座1中心上的带有凸台的表面A为基准，将压电式三向力传感器2的下表面B与之贴合，使压电式三向力传感器2的中心孔C与底座1的中心孔D的轴线一致，并以压电式三向力传感器2的中心孔D的轴线为旋转轴，调整其受力方向和测量方向一致；

2）上盖板3的中心带有凸台的表面E与压电式三向力传感器2的上表面F贴合，旋转上盖板3使上盖板3的四个柱型销孔G与底座1的四个柱形销孔H的轴线一致；

3）将四个膨胀柱销4分别插入上盖板3的四个柱型销孔G和底座1的四个柱形销孔H中；四个锥销6分别插入四个膨胀柱销4的中心锥孔J中；

4）将四个紧定螺钉5分别旋入四个膨胀柱销4的螺纹K中；预紧螺钉7穿过底座1的中心孔D和压电式三向力传感器2的中心孔C，与上盖板3的中心螺纹孔N螺纹配合，完成制作。

一种可分载的压电式多维力测量装置的制作方法，其特征是, 采用该制作方法制作的测量装置由底座1、压电式三向力传感器2、上盖板3、四个膨胀柱销4、四个紧定螺钉5、四个锥销6和预紧螺钉7组成；压电式三向力传感器2安装在底座1的中心凸台上，预紧螺钉7穿过上盖板3的中心螺纹孔N将底座1、压电式三向力传感器2和上盖板3固定在一起；对压电式三向力传感器（2）实施预紧；在膨胀柱销4的端面L上，向下垂直方向开十字形细切口，宽度0.2mm，不贯穿。

本发明的显著效果是：所发明的一种可分载的大量程压电式多维力测量装置通过加入可膨胀柱销的方法实现切向力方向的分载，而不对法向力的测量进行分载，从而突破了传统的压电式力测量中切向力测量量程不能太大的限制；通过改变膨胀柱销的直径尺寸，可实现不同的分载比，极大拓宽了测量范围；可膨胀柱销的使用增大了销与孔之间的结合面，客观上降低了普通柱销与孔之间的装配技术要求。该测量装置结构简单、工艺性好、稳定好、便于封装、成本小。

附图说明

图1为可分载的大量程压电式多维力装置的半剖视图，图2为可分载的大量程压电式多维力装置俯视图，图3为膨胀柱销的半剖图，图4为膨胀柱销俯视图。其中：1-底座，2-压电式三向力传感器，3-上盖板，4-膨胀柱销，5-紧定螺钉，6-锥销，7-预紧螺钉,A-底座1中心带有凸台的表面，B-压电式三向力传感器2的下表面，C-三向力传感器2的中心孔，D-底座1的中心孔，E-上盖板3的中心带有凸台的表面，F-压电式三向力传感器2的上表面，G-上盖板3的柱型销孔，H-底座1的柱形销孔，J-膨胀柱销4的中心锥孔，K-膨胀柱销4的螺纹，L-膨胀柱销4的上端面，M-膨胀柱销4的下端面，N-上盖板3的中心螺纹孔。

图5为切向y向分载效果，其中：1表示未分载时的输出；2表示膨胀柱销直径为10mm时的输出；3表示膨胀柱销直径为12mm时的输出；横轴坐标的单位是牛顿，纵轴坐标的单位是毫伏。

图6 为切向x向分载效果，其中：1表示未分载时的输出；2表示膨胀柱销直径为10mm时的输出；3表示膨胀柱销直径为12mm时的输出；横轴坐标的单位是牛顿，纵轴坐标的单位是毫伏。

图7为法向z向分载效果，其中：1表示未分载时的输出；2表示膨胀柱销直径为10mm时的输出；3表示膨胀柱销直径为12mm时的输出；横轴坐标的单位是牛顿，纵轴坐标的单位是毫伏。

具体实施方式

结合技术方案和附图详细说明本发明的实施。如图1、图2、图3、图4所示，以底座1中心带有凸台的表面A为基准，将压电式三向力传感器2的下表面B与底座1中心带有凸台的表面A贴合，在贴合过程中注意将压电式三向力传感器2的中心孔C与底座1的中心孔D的轴线保持一致，并将压电式三向力传感器2沿其中心孔C的轴线旋转，调整其受力方向与自身的测量方向一致，此时可采用胶合的方法将压电式三向力传感器2的位置固定。将上盖板3的中心带有凸台的表面E与压电式三向力传感器2的上表面F贴合，旋转上盖板3使上盖板3的四个柱型销孔G与底座1的四个柱形销孔H的轴线一致，同时轻轻托起上盖3，避免用力过大造成压电式三向力传感器2的脱位。将四个膨胀柱销4分别插入四个上盖板3的柱型销孔G中，并贯穿到四个底座1的柱形销孔H中，设计中使膨胀柱销4的外径略小于销孔G和H的内径。借助外力将四个锥销6分别插入四个膨胀柱销4的中心锥孔J中，并保持外力作用的力值基本相当，这样可迫使四个膨胀柱销4膨胀而挤压到四个上盖板3的柱型销孔G和四个底座1的柱形销孔H中，形成过盈配合。为避免锥销6在外力作用下窜动，影响膨胀柱销4与销孔G、H的配合，将四个紧定螺钉5分别旋到四个膨胀柱销4的螺纹K中。最后，将预紧螺钉7穿过底座1的中心孔D、压电式三向力传感器2的中心孔C，与上盖板3的中心螺纹孔N螺纹配合，对压电式三向力传感器2实施预紧。

该可分载的大量程压电式多维力装置具体的测量数学模型如下所述:笛卡尔坐标系下该测量装置测量的三个方向的力，可用如式（1）所示的方程来表示。

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{xs}}=F_x-\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{xi}}\\ f_{\mathrm{ys}}=F_y-\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{yi}}\\ f_{\mathrm{zs}}=F_z-f_m\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，f_xs、f_ys、f_zs为压电式三向力传感器的输出；F_x、F_y、F_z为被测量；f表示被分载的力，i代表序号；其中x,y表示切向，z表示法向。

对于f_xi、f_yi，其理论计算可根据刚体的弹性变形理论得到，如式（2）所示。

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{xi}}=\frac{F_x}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{\mathrm{xi}}+k_{\mathrm{xs}}}{k}_{\mathrm{xi}}\\ f_{\mathrm{yi}}=\frac{F_y}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{k}_{\mathrm{yi}}+k_{\mathrm{ys}}}{k}_{\mathrm{yi}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，k代表刚度，角标s表示传感器，x、y表示切向方向。

对于式（1）中的法向分载力f_m,其主要是克服膨胀柱销的轴向静摩擦力，相对较小，与切向的刚性分载比较可忽略不计。同时由式（2）可知，在剪切方向如果各销的切向刚度与压电式传感器的切向刚度相当，那么分载可达80%以上，因此分载的效果相当可观。况且可根据实际需要选取合适的膨胀柱销的直径，从而实现切向分载比可调。

实施例1，取膨胀柱销的外径分别为10mm和12mm，得到的分载效果如图5、图6、图7所示。可知，切向Y向在膨胀柱销10mm和12mm时的分载为80%和85%，切向X向在膨胀柱销10mm和12mm时的分载为60%和70%，而法向Z向进分载有限，仅为10%。而且分载后各输出的线性度非常好。

可分载的大量程压电式多维力测量装置制作工艺简单，使用方便，便于封装、尺寸较小。对于采用多组三向力传感器的六维力测试装置来说，可以对每个传感器采取该方法进行分载，便于做成大量程的六维力测试装置，可广泛用于机械加工、航空航天等力测量项目。

Claims (2)

1.一种可分载的压电式多维力测量装置的制作方法,其特征是,采用压电式三向力传感器，并利用在压电式三向力传感器周围合理布置多点膨胀柱销的方法，通过设计膨胀柱销的不同直径来实现不同的分载比；采用均匀分布的四个膨胀柱销（4）在四个锥销（6）的作用下膨胀而实现底座（1）与上盖板（3）的切向刚性连接，实现对作用于上盖板（3）的力的分载；使分载比可调，而对法向力几乎不分载；具体制作方法步骤如下：

1）先以底座（1）中心上的带有凸台的表面（A）为基准，将压电式三向力传感器（2）的下表面（B）与之贴合，使压电式三向力传感器（2）的中心孔（C）与底座（1）的中心孔（D）的轴线一致，并以压电式三向力传感器（2）的中心孔（D）的轴线为旋转轴，调整其受力方向和测量方向一致；

2）上盖板（3）的中心带有凸台的表面（E）与压电式三向力传感器（2）的上表面（F）贴合，旋转上盖板（3）使上盖板（3）的四个柱型销孔（G）与底座（1）的四个柱形销孔（H）的轴线一致；

3）将四个膨胀柱销（4）分别插入上盖板（3）的四个柱型销孔（G）和底座（1）的四个柱形销孔（H）中；四个锥销（6）分别插入四个膨胀柱销（4）的中心锥孔（J）中；

4）将四个紧定螺钉（5）分别旋入四个膨胀柱销（4）的螺纹（K）中；预紧螺钉（7）穿过底座（1）的中心孔（D）和压电式三向力传感器（2）的中心孔（C），与上盖板（3）的中心螺纹孔（N）螺纹配合，完成制作。

2.根据权利要求1所述的一种可分载的压电式多维力测量装置的制作方法,其特征是, 采用该制作方法制作的测量装置由底座（1）、压电式三向力传感器（2）、上盖板（3）、四个膨胀柱销（4）、四个紧定螺钉（5）、四个锥销（6）和预紧螺钉（7）组成；压电式三向力传感器（2）安装在底座（1）的中心凸台上，预紧螺钉（7）穿过上盖板（3）的中心螺纹孔（N）将底座（1）、压电式三向力传感器（2）和上盖板（3）固定在一起，对压电式三向力传感器（2）实施预紧；在膨胀柱销（4）的端面（L）上，向下垂直方向开十字形细切口，宽度0.2mm，不贯穿。

Images