壓電式六維大力傳感器的製作方法

2023-06-06 14:07:56

專利名稱：壓電式六維大力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於壓電式傳感器領域，特別涉及大承載能力的前提下實現多維力 測量的大力分流測量技術和具有並聯分流傳力方式的大力傳感器。
背景技術：
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。大力測量技術是在重型裝備的需求驅動下發展起來的，通常稱承載能力在10 2000kN範圍內的傳感器為大力傳感器，而重 載製造裝備中的大力傳感器最大額定承載能力可高達100MN以上。支承式重型 大力傳感器的製造工藝複雜，技術難度大，只有少數國家有規模生產，國內少 量重型裝備所用的支承式大力傳感器主要是國外進口產品，且大部分重型設備 至今尚無大力測控裝置。由於支承式重型大力傳感器的承載面積、幾何尺寸和 重量均隨被測力的增大而激增，不便安裝和維護。大力分流測量技術和具有並 聯分流傳力方式的大力傳感器設計思想源自上世紀60年代，此後蘇、美、力口、德等國先後研製了附著式大力傳感器。我國北方工業大學沈久珩教授自行研製 成功附著式大力傳感器，專利號為86 1 05879，但只能實現一維大力測量。而 目前的多維力傳感器，測力範圍都比較小，無法實現大力值測量。在重載操作 裝備中，為了實現力反饋控制，要求六維大力測量，當前的重載操作裝備中尚 無六維大力測量傳感器，僅通過測量液壓缸壓力來實現力的反饋，實時性較差。 本發明所提出的六維大力傳感器滿足了重載操作機對六維大力測量的需要。發明內容本發明要解決的技術問題是通過將並聯分載與六維力測量相結合的方式實 現大載荷力的多維測量，並且以壓電石英作為敏感元件，提高測量的實時性， 將其應用於鍛壓操作機等重載操作裝備中，解決了重載操作裝備無法進行六維 大力測量的難題。本發明採用的技術方案壓電式六維大力傳感器由上平臺1、下平臺2、機械手手臂3、四隻上平臺連接螺栓4、六隻上杆球鉸5、六隻連接杆上杆6、四 只上下杆連接螺栓7、四隻上下杆連接螺母8、六組壓電石英晶片9、六隻連接
杆下杆IO、六隻下杆球鉸ll、四隻下平臺連接螺栓12、四個上平臺凸臺a、四 個下平臺凸臺b、六個連接杆凸臺C和六個連接杆凹槽d組成，四隻上平臺連接螺栓4分別安裝在上平臺1的四個凸臺上，上平臺1通過這四隻上平臺連接螺 栓4與機械手手臂3上部相連，四隻下平臺連接螺栓12分別安裝在下平臺2的 四個凸臺上，下平臺2通過這四隻下平臺連接螺栓12與機械手手臂3上部相連， 上杆球鉸5與上平臺1鉸鏈連接，下杆球鉸11與下平臺2鉸鏈相連；連接杆上 杆6 —端為上杆球鉸5，另一端有一個凹槽c，連接杆下杆10 —端為下杆球鉸 11，另一端有一個凸臺d,將壓電石英晶片9嵌於連接杆上杆6的凹槽c內，連 接杆下杆10的凸臺d與連接杆上杆6的凹槽c相配合，通過四隻上下杆連接螺 栓7和上下杆連接螺母8將連接杆上杆6和連接杆下杆10安裝在一起。本發明的顯著效果是採用並聯分載結構設計的壓電式六維大力值傳感器， 該傳感器具有分載效果好、安裝操作方便、精度高、穩定性好、結構簡單等特 點，適用於重載操作裝備中的六維大力值實時測量，可提高重載操作機機械手 的力順應性和靈活性。


圖l為壓電式六維大力傳感器裝配圖主視圖，其中，l為上平臺，2為下平 臺，3為機械手手臂，4為上平臺連接螺栓，5為上杆球鉸，6為連接杆上杆，7 為上下杆連接螺栓，8為上下杆連接螺母，9為壓電石英晶片，10為連接杆下杆， ll為下杆球鉸，12為下平臺連接螺栓，a為上平臺凸臺，b為下平臺凸臺。圖2為壓電式六維大力傳感器裝配圖俯視圖，其中，l為上平臺，2為下平 臺，a為上平臺凸臺，b為下平臺凸臺。圖3為連接杆放大示意圖，其中，c為連接杆上杆凹槽，d為連接杆下杆凸 臺，7為上下杆連接螺栓，8為上下杆連接螺母，9為壓電石英晶片。圖4為壓電式六維大力傳感器示意5為壓電式六維大力傳感器系統圖具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本發明的具體實施，上下平臺各通過四隻連接螺栓 與機械手手臂3剛性連接，將壓電石英晶片9嵌於連接杆上杆6的凹槽c內， 通過上下杆連接螺栓7和螺母8將連接杆上下杆安裝在一起，連接杆與上下平 臺採用球形鉸鏈連接。機械手工作時，機械手的作用力主要由手臂承擔，少部分力分載到各個連接杆上，實現了大力分流，由於是球形鉸鏈連接，因此連接 杆可視為二力杆，僅受軸向的拉壓力，連接杆受到的拉壓力通過每根杆上安裝 的一組壓電石英晶片9被測出，以下平臺2作為固定平臺，以上平臺1作為動 平臺，設要測的機械手對手臂作用的六維力為^[《^,，《,MrM,Mj，各個杆上測得的力用向量表示為7=[./;，/2,/3,/4,/5,//，機械手手臂對上平臺中心的作用力F' = [Cv',Fz',M/,My',<'| ，將上平臺6個球鉸點坐標分別記為 6,AAAAA，它們對固定坐標系的空間位置5以矢量表示，下平臺6個球鉸點 坐標分別為SpA，^A，^,A，對固定坐標系的位置以矢量巧表示，設第i杆軸線 對固定坐標系的單位線矢Si， $, ^S+eS。,，S^ =1，5,*5。, =0,SQ, 二&xS,，式中，S,=dz￡L， s。,=3,xS=;|^，根據力螺旋理論得到該並聯機構的力平衡方程 (F';M') = ./;$,+/2$2+/3$3+/4$4+/5$5+./6$6，將其寫成矩陣形式為P、[G"7，則根據已測得的各杆受力7=[/;,/2，/;",/5，/6]7，得到上平臺受到的六維力^'。將測得的各杆受力/帶入公式A"^-，得到各個杆的變形量(A/,，A/2,A/，,，A/4,A/^/J，由位姿正解，得到上平臺位姿增量(A、AA,《,《，《)，以上平臺中心點的位移 (~, 《 ,,《)作為邊界條件，對上下平臺之間的機械手手臂進行受力分析， 得到上平臺中心點所受六維力P"， ^"為機械手對手臂的作用力^與並聯機構對 手臂作用力的合力，即P"^-f'，根據求得的，'和/^'可得到機械手對手臂的作用力F:F"+戸。
權利要求
1.一種壓電式六維大力傳感器，其特徵在於，壓電式六維大力傳感器由上平臺(1)、下平臺(2)、機械手手臂(3)、四隻上平臺連接螺栓(4)、六隻上杆球鉸(5)、六隻連接杆上杆(6)、四隻上下杆連接螺栓(7)、四隻上下杆連接螺母(8)、六組壓電石英晶片(9)、六隻連接杆下杆(10)、六隻下杆球鉸(11)、四隻下平臺連接螺栓(12)、四個上平臺凸臺(a)、四個下平臺凸臺(b)、六個連接杆凸臺(c)和六個連接杆凹槽(d)組成，四隻上平臺連接螺栓(4)分別安裝在上平臺(1)的四個凸臺上，上平臺(1)通過這四隻上平臺連接螺栓(4)與機械手手臂(3)上部相連，四隻下平臺連接螺栓(12)分別安裝在下平臺(2)的四個凸臺上，下平臺(2)通過這四隻下平臺連接螺栓(12)與機械手手臂(3)上部相連，上杆球鉸(5)與上平臺(1)鉸鏈連接，下杆球鉸(11)與下平臺(2)鉸鏈相連；連接杆上杆(6)一端為上杆球鉸(5)，另一端有一個凹槽(c)，連接杆下杆(10)一端為下杆球鉸(11)，另一端有一個凸臺(d)，將壓電石英晶片(9)嵌於連接杆上杆(6)的凹槽(c)內，連接杆下杆(10)的凸臺(d)與連接杆上杆(6)的凹槽(c)相配合，通過四隻上下杆連接螺栓(7)和上下杆連接螺母(8)將連接杆上杆(6)和連接杆下杆(10)安裝在一起。
全文摘要
本發明屬於壓電式傳感器領域，特別涉及大承載能力的前提下實現多維力測量的大力分流測量技術和具有並聯分流傳力方式的大力傳感器，壓電式六維大力傳感器由上平臺、下平臺、機械手手臂、六隻上杆球鉸、六隻連接杆上杆、六組壓電石英晶片、六隻連接杆下杆、六隻下杆球鉸組成，上下平臺各通過四隻連接螺栓與機械手手臂相連，將壓電石英晶片嵌於凹槽內，凸臺與凹槽配合，通過四隻上下杆連接螺栓和上下杆連接螺母將上杆和下杆連接在一起。本發明的顯著效果是採用並聯分載結構設計的壓電式六維大力值傳感器，該傳感器具有分載效果好、安裝操作方便、精度高、穩定性好、結構簡單等特點，適用於重載操作裝備中的六維大力值實時測量。
文檔編號G01L1/16GK101149300SQ20071015793
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月1日 優先權日2007年11月1日
發明者巍 劉, 盛 林, 王永青, 王福吉, 賈振元, 磊 趙 申請人:大連理工大學