本發(fā)明屬于壓電傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及測(cè)量不同量程范圍的空間六維力/力矩，具體為一種分載可調(diào)的壓電式六維力傳感器。

背景技術(shù)：

隨著“中國(guó)制造2025”的提出，標(biāo)志著我國(guó)對(duì)智能制造、高端裝備制造等方面的重視。六維力傳感器作為測(cè)量空間六維力/力矩的設(shè)備，已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人、航空航天、海洋工程裝備、重載機(jī)械等方面有著廣泛的應(yīng)用。

六維力傳感器根據(jù)測(cè)力原理的不同可以分為電阻應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式和光電式。目前，應(yīng)用最為廣泛的是應(yīng)變式六維力傳感器，具有功能強(qiáng)、體積小、設(shè)計(jì)靈活、安裝方便、靈敏度高、疲勞壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其自身的測(cè)量原理，導(dǎo)致傳感器的剛度較低、動(dòng)態(tài)性能差，為彌補(bǔ)這一欠缺，壓電式六維力傳感器被納入到研究和研制的日程。與應(yīng)變式六維力傳感器相比，壓電式六維力傳感器有以下特點(diǎn)：利用壓電效應(yīng)原理測(cè)力，具有更高的靈敏度，可測(cè)量較小的六維力/力矩；頻率響應(yīng)快、剛度大，不僅適用于靜態(tài)測(cè)力，還可以動(dòng)態(tài)測(cè)量；載荷范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

目前，已有很多專(zhuān)家學(xué)者研究可分載的壓電式六維力傳感器，如中國(guó)專(zhuān)利cn102288334a“一種并聯(lián)式壓電六維力大力傳感器”和專(zhuān)利cn103196594a“一種輪輻式并聯(lián)壓電六維力傳感器及其測(cè)量方法”中，均通過(guò)自身結(jié)構(gòu)與傳感器并聯(lián)的方式對(duì)傳感器所受載荷分載，但這類(lèi)分載方式僅能測(cè)量一定量程的力，專(zhuān)一性強(qiáng)。

中國(guó)專(zhuān)利cn101793574a公開(kāi)了一種可分載的壓電式多維力測(cè)量裝置，通過(guò)在傳感器上合理布置多點(diǎn)膨脹柱銷(xiāo)，并設(shè)計(jì)同直徑的膨脹柱銷(xiāo)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的分載比。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，但該測(cè)量裝置只能測(cè)三維力，并且法相分載效果差。

中國(guó)專(zhuān)利cn101793574a公開(kāi)了一種可調(diào)分載比壓電式六維力傳感器，其通過(guò)調(diào)整力敏元件的安裝位置和選用系列模塊化的分載環(huán)、定位環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)分載比，可以達(dá)到同一傳感器測(cè)量不同量程六維力的目的。但是該裝置必須保證力敏元件的上表面和分載環(huán)的上表面嚴(yán)格等高，這在實(shí)際加工中很難保證，從而影響測(cè)量精度；另外，當(dāng)力的量程發(fā)生改變時(shí)，需拆卸所有機(jī)構(gòu)，再重新組裝，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且很難保證安裝精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種可分載的壓電式六維力傳感器及其改變分載大小的方法。設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、操作簡(jiǎn)單、易于產(chǎn)品化的用于測(cè)量不同量程范圍力的壓電式六維力傳感器。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種分載可調(diào)的壓電式六維力傳感器，包括底座1、壓電式三向力傳感器2、2個(gè)分載板3、4個(gè)預(yù)緊螺釘4、蓋板5、16個(gè)開(kāi)槽平頭螺釘6和密封膠7；

所述的底座1上表面a設(shè)有一體結(jié)構(gòu)的四個(gè)下凸臺(tái)b，蓋板5的下表面d設(shè)有一體結(jié)構(gòu)、與之對(duì)應(yīng)的上凸臺(tái)c，壓電式三向力傳感器2安裝于下凸臺(tái)b與上凸臺(tái)c之間，并與之貼合；預(yù)緊螺釘4依次通過(guò)蓋板5通孔、壓電式三向傳感器2通孔、底座1螺紋孔將蓋板5、壓電式三向力傳感器2和底座1連接在一起，且保證4個(gè)預(yù)緊螺釘4所受的預(yù)緊力相等，并達(dá)到預(yù)定的預(yù)緊值；

分載板3通過(guò)緊定螺釘6固定在底座1和蓋板5兩側(cè)，緊定螺釘6依次通過(guò)分載板3螺紋孔、蓋板5螺紋盲孔將分載板3、蓋板5連接在一起，緊定螺釘6依次通過(guò)分載板3螺紋孔、底座1螺紋盲孔將分載板3、底座1連接在一起；

由硅膠粘合劑形成的密封圈7對(duì)壓電式三向力傳感器2密封，起到防潮、隔熱的目的；

所述的分載板3的厚度為6㎜～15㎜，通過(guò)改變分載板3的厚度，進(jìn)而改變分載板3的分載效果，使傳感器的量程可調(diào)。

所述的分載板3為“回”字形結(jié)構(gòu)，中間切除部分的寬度為0～15㎜、長(zhǎng)度為0～130㎜。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明所提出的一種可調(diào)分載比的并聯(lián)式壓電六維力傳感器是先將蓋板、壓電式三向力傳感器和底座固定為一體，當(dāng)測(cè)量不同量程力時(shí)只需更換系列模塊化的分載板即可，這樣避免了由于每次裝卸壓電式三向力傳感器都要檢測(cè)四個(gè)壓電傳感器的工作狀態(tài)是否相同的工作，有力保證了安裝精度，操作簡(jiǎn)單、使用方便。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種分載可調(diào)的壓電式六維力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的a-a剖面圖。

圖3為本發(fā)明一種分載可調(diào)的壓電式六維力傳感器對(duì)比的整體示意圖。

圖4為壓電式六維力傳感器標(biāo)定流程圖。

圖中：1底座；2壓電式三向力傳感器；3分載板；4預(yù)緊螺釘；5蓋板；

6緊定螺釘；7密封圈；a底座上表面；b下凸臺(tái)；c上凸臺(tái)；d蓋板下表面。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)的具體實(shí)施方式。

實(shí)施例

底座1、蓋板5的材料均為30crmnsi，分載板的材料為超高強(qiáng)鋼f141，所選的預(yù)緊螺釘4為內(nèi)六角圓柱頭螺釘，緊定螺釘6為開(kāi)槽平頭螺釘。4個(gè)壓電式傳感器2按矩形布局，采用“回”字形結(jié)構(gòu)的分載板3。

安裝時(shí)，壓電式三向力傳感器2安裝于下凸臺(tái)b與上凸臺(tái)c之間，并與之貼合；預(yù)緊螺釘4依次通過(guò)蓋板5通孔、壓電式三向傳感器2通孔、底座1螺紋孔將蓋板5、壓電式三向力傳感器2和底座1連接在一起，且保證4個(gè)預(yù)緊螺釘4所受的預(yù)緊力相等，并達(dá)到預(yù)定的預(yù)緊值；由硅膠粘合劑形成的密封圈7對(duì)壓電式三向力傳感器2密封，起到防潮、隔熱的目的；分載板3通過(guò)緊定螺釘6固定在底座1和蓋板5兩側(cè)；將壓電式三向力傳感器2的輸出導(dǎo)線依次連接電荷放大器、a/d數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)設(shè)備。

壓電式傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)而工作的，其將外界力/力矩轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，并不是直接輸出外界力/力矩，故需對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定、解耦，得出輸入載荷與輸出電壓之間的關(guān)系。釆用逐級(jí)加載法，分別施加六個(gè)單方向的力/力矩對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，其具體標(biāo)定流程如圖4所示。

根據(jù)回歸直線方程和標(biāo)定曲線，對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法計(jì)算及解耦，可以得到壓電式風(fēng)洞天平的標(biāo)定矩陣c。作用在傳感器上的六維力/力矩分量與傳感器輸出的電壓量之間的關(guān)系可歸納為：

f＝cu

當(dāng)蓋板5上作用力發(fā)生量級(jí)上改變時(shí)，更換分載板即可?？煞州d的壓電式六維力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)性能好，改變分載大小的方法操作簡(jiǎn)單、成本低廉、使用方便。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種分載可調(diào)的壓電式六維力傳感器，屬于壓電傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及測(cè)量不同量程范圍的空間六維力/力矩。本發(fā)明采用在蓋板與底座的側(cè)面剛性連接分載板的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)作用于蓋板上的力的分載；通過(guò)更換系列模塊化的分載板來(lái)改變分載板的分載效果，使傳感器的量程可調(diào)。該方法拓寬了六維力傳感器的測(cè)量范圍，操作簡(jiǎn)單、使用方便、成本低廉。

技術(shù)研發(fā)人員：楊睿;李盼;任宗金;錢(qián)衛(wèi);孫士勇;郭鋒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.03
技術(shù)公布日：2017.08.18