一种压电式六维力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于六维压电式传感器领域，涉及一种高精度、高灵敏度、六维力测量的基于Stewart结构和并联分载原理设计的重载荷测量传感器。
【背景技术】
[0002]六维测力传感器能够测量空间三维力和力矩的大小，在测量空间力学信息时具有测力信息丰富，测力精度高的特点，应用在航空航天、医学、国防科技等领域的操作装备的精密控制、多指灵巧手和机器人力反馈等领域。基于Stewart结构的六维力传感器是一种十分优越的六维力传感器，其承载能力强、精度高、响应快、灵敏度高等独特优点，倍受设计者和使用者的青睐，迄今已广泛应用于机器人、航空(如飞机起落的冲击力测试)、航天(火箭模型发射力测试、航天器对接时六维力测试)、汽车(撞击试验)和造船等领域。近年来，大测力范围、大量程的六维测力传感器已成为目前急需的高科技产品之一，特别是对于应用在航空航天领域的推力实验、试飞实验和风洞实验所急需的大测力范围、大吨位的六维测力传感器。当今世界许多国家对其研制工作非常重视，视为涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之一，并将其列入国家科技发展战略计划之中。目前的六维力传感器，测力范围都比较小，无法实现大力值测量。在重载操作装备中，为了实现力反馈控制，要求六维大力的高精度的测量，而目前没有投入实际应用的高灵敏度重载传感器，已经投入使用的六维力传感器存在着测量量程较小的问题。本实用新型所提出的基于Stewart结构的压电式六维大力传感器可有效解决对六维大力传感器的高精度、高灵敏度、大承载力和简单实用的要求。
【发明内容】
[0003]本实用新型要解决的技术问题是通过将Stewart结构、压电技术与并联分载原理结合应用到空间六维力的测量，实现大载荷力的多维测量，以压电石英晶组作为力敏元件，提高测量的实时性、准确性和灵敏度，将其应用于极端制造技术中的重载操作装备中，解决了重载操作装备无法进行六维大力测量的难题。
[0004]本实用新型采用的技术方案:本实用新型所述的传感器是一种基于Stewart结构的压电式六维力传感器，具体的由上平台、下平台、六只上杆球铰、六只连接杆上杆、六组一维压电石英传感器、六只连接杆下杆、六只下杆球铰组成，六只上杆球铰和六只下杆球铰通过每个球铰座四只固定螺钉固定在上平台和下平台，连接杆上杆的末端有凸台I和定位圆柱凸台，连接杆下杆的末端有凸台2、放置压电石英晶组凹槽和与定位圆柱凸台配合用于定位压电石英晶组的定位凹槽，一维压电石英传感器由凸台1、定位圆柱凸台、凸台2、放置压电石英晶组的凹槽、定位凹槽、六只均布固定螺钉和压电石英晶组组成，压电石英晶组由四片xy型压电石英晶片、两组xy引出电极和一接地电极组成，每组xy引出电极包括四片形状相同的xy引出电极以及与其通过导电胶黏合连接的压电石英晶片，每片石英晶片都有定位孔。本实用新型采用了四片xy型压电石英晶片构成的晶组提高了传感器的响应速度和灵敏度，采用球铰固定有效提高了传感器承载能力，采用石英晶组和弹性承载体并联的设计方法有效提高了传感器测量量程，也可以通过改变下连杆与石英晶组并联壁厚度，使传感器获得不同的测量量程，结合使用Stewart并联机构具有的高刚度、结构紧凑、力映射关系明确等特点，使得传感器具有高刚度、高灵敏度、结构简单紧凑、响应速度快、映射关系明确、测量量程大等优点。
【附图说明】
[0005]图1为基于Stewart结构压电式六维力传感器装配图主视图，其中I为上平台、2为下平台、3为六只上杆球铰、4为六只连接杆上杆、5为六组一维压电石英传感器、6为六只连接杆下杆、7为六只下杆球铰，六只上杆球铰3和六只下杆球铰7是通过每个球铰由四只固定螺钉固定在上平台I和下平台2。
[0006]图2为六组一维压电石英传感器剖视图，其中是凸台1，a 2是定位圆柱凸台，b !是凸台2，b2是放置压电石英晶组的凹槽，b 3是定位凹槽，8是固定螺钉，每一组一维压电石英传感器有六只固定螺钉，9是压电石英晶组。
[0007]图3为压电石英晶组结构图，其中9p92、93、94是四片xy型压电石英晶片，10 n102是两组xy引出电极，11是一接地电极，每组xy引出电极是由四片形状相同的xy引出电极组成，每片石英晶片都有定位孔。
[0008]图4为单片石英晶片和四片形状相同的xy引出电极示意图，其中％为压电石英晶片，12 (C)UO2 (d)、102 (e)、102 (f)为四片形状相同的xy引出电极。
【具体实施方式】
[0009]以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。如图1和图2所示，本实用新型中的基于Stewart结构压电式六维力传感器包括上平台1、下平台2、六只上杆球铰3、六只连接杆上杆4、六组一维压电石英传感器5，六只连接杆下杆6、六只下杆球铰7，六只上杆球铰3和六只下杆球铰7是通过每个球铰由四只固定螺钉固定在上平台I和下平台2，下平台2的直径大于上平台I的直径，六个支路一维压电石英传感器5按对称结构均布连接于上下平台1、2之间，每个支路呈相同的仰角，采用球形铰链连接，连接杆可视为二力杆，仅受轴向的拉压力，连接杆受到的拉压力由每组压电石英晶组9测出。
[0010]本实用新型中一维压电石英传感器5半剖结构如图2，包括连接杆上杆末端的凸台Ia1、定位圆柱凸台a2、连接杆下杆的凸台21^、放置压电石英晶组凹槽b2、定位凹槽b3、固定螺钉8和压电石英晶组9。石英晶组9被安置在凹槽b2ft，通过定位圆柱凸台a2和定位凹槽b3和六只均布固定螺钉8固定在凹槽b 2内，并施加一定的预紧力。
[0011]本实用新型石英晶组9由四片相同的xy型压电石英晶片V92、93、94和两组xy引出电极1p 12和一接地电极11组成，每组xy引出电极是由四片形状相同的xy引出电极两面涂抹导电胶后贴在压电石英晶片上，每片石英晶片都有定位孔，安装时以xy型石英晶片％输出电荷为的一面为基准，并将四片相同形状的xy引出电极12 (C)、102 (d)、12 (e)、102 (f)两面涂抹导电胶后，均匀的布置在该面上，再将xy切型的第二个石英晶片92输出电荷为的一面，按照石英晶片的45度倒角为基准对齐，粘贴在引出电极另一面，组成一组xy型石英晶组(9ρ92)，置于特制的设备中预压至胶干，以同样的方法制备另一组xy型压电石英晶组(93、94)，然后以其中一组压制好的xy型压电石英晶组(9p92)为基准，将接地电极11两面涂抹导电胶后粘附于其面上，然后将另一组xy型压电石英晶组(93、94)粘附到接地电极11的另一面。
【主权项】
1.一种压电式六维力传感器，其特征在于，所述传感器是一种基于Stewart结构的压电式六维力传感器，具体的由上平台(1)、下平台(2)、六只上杆球铰(3)、六只连接杆上杆(4)、六组一维压电石英传感器(5)、六只连接杆下杆(6)、六只下杆球铰(7)组成，六只上杆球铰(3)和六只下杆球铰(7)通过每个球铰座四只固定螺钉固定在上平台(I)和下平台(2)，连接杆上杆(4)的末端有凸台I Ca1)和定位圆柱凸台(a2)，连接杆下杆(6)的末端有凸台2 (K)、放置压电石英晶组凹槽(b2)和与定位圆柱凸台(a2)配合用于定位压电石英晶组的定位凹槽(b3)，一维压电石英传感器(5)由凸台I (a:)、定位圆柱凸台(a2)、凸台2 (h)、放置压电石英晶组的凹槽(b2)、定位凹槽(b3)、六只均布固定螺钉(8)和压电石英晶组(9)组成，压电石英晶组(9)由四片xy型压电石英晶片(9p92、93、94)、两组xy引出电极(1(^12)和一接地电极(11)组成，每组xy引出电极包括四片形状相同的xy引出电极以及与其通过导电胶黏合连接的压电石英晶片，每片石英晶片都有定位孔。
【专利摘要】一种压电式六维力传感器基于Stewart结构设计，由上平台、下平台、六只上杆球铰、六只连接杆上杆、六组压电式一维传感器、六只连接杆下杆、六只下杆球铰组成，上下平台通过连接杆、上下杆球铰、压电式一维传感器组成的传感器分支连接在一起，六组一维压电石英晶组分别通过六只均布螺钉固定在上下连杆之间组成的凹槽内，压电石英晶组由四片xy型压电石英晶片、两组xy引出电极和一接地电极组成，每组xy引出电极包括四片形状相同的xy引出电极以及与其通过导电胶黏合连接的压电石英晶片。本实用新型由于利用了实现大量程载荷的测量，具有高灵敏度和高精度，且结构简单，安装使用方便，稳定性好的特点，可应用在大力值载荷的测量方面。
【IPC分类】G01L5/16
【公开号】CN204924531
【申请号】CN201520259660
【发明人】李玉钦, 李映君, 崔焕勇, 张增明, 韩彬彬, 田娜, 王海燕
【申请人】济南大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年4月27日