大力值壓電石英多分量力傳感器的製作方法

2023-05-25 09:46:11

專利名稱：大力值壓電石英多分量力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於傳感器及其測控領域領域，特別涉及巨型重載設備的六維大力 背景技術傳統中的六維力傳感器，如三垂直筋結構的六維力傳感器、筒形的六維力 傳感器、雙環形六維力傳感器、四垂直筋結構六維力傳感、非徑向三梁結構六維力傳感器、十字結構六維力傳感器、Stewart結構六維力傳感器等，都採用應 變片作為力敏元件測量被測對象表面上承受的六維力，其中有的結構複雜、有 的尺寸大、有的剛度低、有的應變靈敏度低、有的解耦困難，且多用於小力值測 量，也不能滿足動態測量的要求。傳統中的大力值測力傳感器，如附著式大力 值傳感器，具有結構輕巧，工作可靠，維護簡單等優點，但只能用於測量單維 大力。巨型操作設備具有大慣量、多自由度、變剛度等特點，在空載和負載操作 時其動力學特性迥異，容易發生參數失配，造成動態操作過程中的振蕩。在制 造過程中，操作裝備通常是與加工裝備協調操作的，操作裝備的末端執行機構 對製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 因約束造成的載荷劇增或夾持失效。實時六維力測量是實現順應控制和多自由 度協調控制的基礎。重載條件下六維力的動態測量是重載操作裝備控制系統設 計中的關鍵技術。巨型重載操作裝備工作在高溫、重載、衝擊條件下，故上述 的傳統六維力傳感器和傳統大力值傳感器不能滿足大力值六維力測量的要求。 發明內容本發明要解決的技術問題是克服上述裝置的缺欠，設計一種技術性能好，工 作可靠，易於製造、安裝和維修，便於推廣使用的耦合係數小、靈敏度高的大 力值壓電石英多分量力傳感器。本發明的大力值壓電石英多分量力傳感器具有 較高的靜態和動態性能。由於結構簡單，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，可以測量靜態力、動態力和瞬態力。本發明的大力 值壓電石英多分量力傳感器主要用於巨型重載操作機軸上六維力的測量，也可
用於其他機構軸上力和變形的測量，也可用於平面上六維力的測量。本發明的技術方案是大力值壓電石英多分量力傳感器，由傳感器本體和上下開口套筒組成。傳感器的本體由上蓋1、力敏元件2、密封圈3、底座4、內. 六角螺釘5、空心螺釘8組成，上蓋l下表面上開有圓環形凹槽f，底座4上表 面上有圓環形凸槽g，凸槽g上表面上正交放置4組力敏元件2，上蓋l與底座 4通過凹槽f和凸槽g配合，力敏元件2的上表面與凹槽f表面接觸，在上蓋l 的下表面上開有兩個密封圓環槽h、 j，其內各放置有密封圈3、 3'，在上蓋外圓 柱表面上開有螺紋孔，用於安裝空心螺釘8，通過孔b將上蓋l、力敏元件2、 底座4、密封圈33'，用4個預緊螺釘5安裝在一起。力敏元件2由可測量Fp Fy、 Fz三個方向力和M^ My、 Mz三個方向扭矩值的三組石英晶組組成的，其中 一組承受拉壓效應的XO。切型，兩組承受剪切效應的YO。切型，每組石英晶片表 面貼有電極9，石英晶片並聯連接後，通過導線10經空心螺釘8引出體外。力 敏元件2用密封膠密封。上開口套筒6為帶有凹肩的空心圓柱體，在上外圓柱 表面c上勻布有4個通孔a，通過螺栓11將上開口套筒6固定於中間軸13上， 在上開口套筒6上開有缺口k，利用彈性將上開口套筒6與傳感器本體固緊，上 開口套筒6的表面d與上蓋1的上表面接觸。下開口套筒7的表面e'與底座4 的內圓柱表面接觸，下開口套筒7為帶有凹肩的空心圓柱體，在下外圓柱表面c' 上勻布有4個通孔a'，通過螺栓12將下開口套筒7固定於中間軸13上，在下開 口套筒7上開有缺口k，利用彈性將下開口套筒7與傳感器本體固緊，下開口套 筒7的表面d'與底座4的下表面接觸，下開口套筒7的表面e'與底座4的內圓柱 表面接觸。本發明的顯著效果是，結構簡單，剛性好，對稱性好，工藝性好，穩定性 好，製造容易，操作簡單，使用方便，壽命長，成本較低，靈敏度高，易於解 耦，且橫向幹擾小。可用來測量巨型重載操作裝備上軸受到的靜態力、動態力、 瞬態力，也可以作為在線監測裝置或自適應控制系統反饋元件。


圖1為發明結構示意圖，圖2為上、下開口套筒6、 7的結構示意圖。圖中 1—上蓋，2—力敏元件，3 —密封圈，3'—密封圈，4—底座，5 —內六角螺釘，6 一上開口套筒，7—下開口套筒，8 —空心螺釘，9一電極，IO—電極引線，ll一 螺栓，12—螺栓，13 —中間軸，a—通孔，b—螺紋孔，c一上開口套筒螺栓連接
外表面，d—與傳感器本體承載端面接觸的上開口套筒軸肩面，e —與傳感器本 體內徑接觸的上開口套筒表面，c'一下開口套筒螺栓連接外表面，d'—與傳感器 本體底面接觸的下開口套筒軸肩面，e'—與傳感器本體內徑接觸的下開口套筒表 面，k—開口套筒缺口。圖3為發明的立體效果圖。
具體實施方式
結合附圖詳細說明本發明的實施，如圖1所示，傳感器本體材料為不鏽鋼， 上開口套筒6和下開口套筒7材料為合金鋼。彈性環節的幾何參數選擇應保證 各相剛度相同。使用時，先將下開口套筒7安裝於中間軸13上，用螺栓12固 緊，然後將傳感器本體套於中間軸13上，利用下開口套筒7的彈力將傳感器本 體固緊，再將上開口套筒6套在中間軸13上，利用彈力固緊傳感器本體，然後 用螺栓11將上開口套筒6固定於中間軸13上。當軸上受力時，由上開口套筒6、 下開口套筒7作用到傳感器本體上，通過傳感器上的彈性環節作用在力敏元件2 上，經力敏元件2的拉壓效應、剪切效應、扭轉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後，分別以電壓Uxl Ux4， Uyl Uy4， Uzl Uz4， UMxl UMx4， UMyl UMy4， UM^ U^4輸出，通過信號調理及A/D數據採集卡將 模擬信號變成數位訊號輸入計算機，通過計算機相應軟體處理得出空間矢量力 各主要參數，最後，由終端顯示、記錄、列印等。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 15000N。裝配時為保證各向間 橫向幹擾最小原則，對力敏元件2的位置要進行精確調試。本發明使用方便， 精確可靠。
權利要求
1、一種大力值壓電石英多分量力傳感器，其特徵在於它是由傳感器本體和上下開口套筒組成的，其傳感器的本體由上蓋(1)、力敏元件(2)、密封圈(3)、底座(4)、內六角螺釘(5)、空心螺釘(8)組成，上蓋(1)下表面上開有圓環形凹槽(f)，底座(4)上表面上有圓環形凸槽(g)，凸槽(g)上表面上正交放置4組力敏元件(2)，上蓋(1)與底座(4)通過凹槽(f)和凸槽(g)配合，力敏元件(2)的上表面與凹槽(f)表面接觸，在上蓋(1)的下表面上開有兩個密封圓環槽(h)(j)，其內各放置有密封圈(3)、(3′)，在上蓋外圓柱表面上開有螺紋孔，用於安裝空心螺釘(8)，通過孔(b)將上蓋(1)、力敏元件(2)、底座(4)、密封圈(3)(3′)，用4個預緊螺釘(5)安裝在一起，上開口套筒(6)為帶有凹肩的空心圓柱體，在上外圓柱表面(c)上勻布有4個通孔(a)，通過螺栓(11)將上開口套筒(6)固定於中間軸(13)上，在上開口套筒(6)上開有缺口(k)，利用彈性將上開口套筒(6)與傳感器本體固緊，上開口套筒(6)的表面(d)與上蓋(1)的上表面接觸，下開口套筒(7)的表面(e′)與底座(4)的內圓柱表面接觸，下開口套筒(7)為帶有凹肩的空心圓柱體，在下外圓柱表面(c′)上勻布有4個通孔(a′)，通過螺栓(12)將下開口套筒(7)固定於中間軸(13)上，在下開口套筒(7)上開有缺口(k)，利用彈性將下開口套筒(7)與傳感器本體固緊，下開口套筒(7)的表面(d′)與底座(4)的下表面接觸，下開口套筒(7)的表面(e′)與底座(4)的內圓柱表面接觸。
2、 根據權利要求1中所述的大力值壓電石英多分量力傳感器，其特徵在於 力敏元件(2)由可測量Fx、 Fy、 Fz三個方向的力和Mx、 My、 Mz三個方向的扭 矩值的三組石英晶組組成的，其中一組承受拉壓效應的XO。切型，兩組承受剪切 效應的YO。切型，每組石英晶片表面貼有電極(9)，石英晶片並聯連接後，通過 導線(10)經空心螺釘(8)引出體外，力敏元件(2)用密封膠密封。
全文摘要
本發明設計一種大力值壓電石英多分量力傳感器，屬於傳感器及其測控領域。它是由上蓋、底座、力敏元件、預緊螺釘、空心螺釘和密封圈組成的傳感器本體與兩個開口套筒組成的。傳感器本體中的力敏元件為石英晶片，四組石英晶組相對於坐標系呈正方形對稱布置，安裝於上蓋與底座凹凸槽之間，靠過盈量預緊。傳感器結構簡單，性能好，成本低，具有高剛度、高靈敏度、高固有頻率、線性好、耦合係數小、橫向幹擾小等優良特點，可及時而準確地測出六維靜態力、動態力、瞬時力。本傳感器，主要用於巨型重載設備軸上六維力的測量，也可用於其它軸上六維力的測量，用途廣泛。
文檔編號G01L1/16GK101149301SQ20071015793
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
發明者孫寶元, 軍 張, 李映君, 賈振元, 敏 錢 申請人:大連理工大學