专利名称：可调分载比压电式六维力传感器及其测试方法
技术领域：
本发明属于传感器及其测控领域，特别涉及不同量程范围内的轴上六维力测量。
背景技术：
六维力测量是传感测控领域一项关键技术，在工程上由于测量力的量程不同，所 选用的六维力传感器也不同。传统的六维力传感器种类繁多，例如四垂直筋结构六维力传 感器、十字结构六维力传感器、Stewart结构六维力传感器、筒形六维力传感器等，大都采用 应变片作为力敏元件测量被测对象表面上承受的六维力，有的结构复杂、有的尺寸大、有的 刚度低、有的解耦困难，设计完成后只能测量某一特定量程范围内的力，并多用于小力值测 量，也不能满足动态测量要求。而大力值测力传感器，如附着式大力值传感器、承重式传感 器，虽然结构简单、工作可靠，但是只能用于单维力测量。 工程中所需测量六维力的操作设备各式各样，所测量力的范围也各不相同，即使 是同一个设备，在不同工况下，所测力范围也可能不同，亟需能够测量变量程力的传感器。 加工装备通常要求操作装备与其协调操作，操作装备的末端执行机构对制造过程中的工件 变形所造成的位移，需具有力顺应性和位置顺应性，以避免因约束造成的载荷剧增或夹持 失效，所以，对六维力实时测量也是必须的。然而，上述六维力传感器多为专用，难以形成产 品，不便于推广，价格昂贵，均不能满足变量程六维力的动态测量，而且，当测量动态六维大 力时，也不能满足结构简单轻巧的要求。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服上述传统六维力传感器不能适应变量程六维力 测量的缺点，设计一种技术性能好，工作可靠，易于制造、安装和维修，便于产品化的可适应 测量变量程六维力的可调分载比压电式六维力传感器，并介绍其测试方法。本发明结构简 单，同一个传感器可以测量不同量程范围内的六维力，可以测量静态力、动态力和瞬态力。 本发明的可调分载比压电式六维力传感器可产品化，以适应工程中测量不同量程范围力的 要求，大大降低了传感器的成本；可调分载比压电式六维力传感器测试方法操作简单，安全 可靠。 本发明的技术方案是l. 一种可调分载比压电式六维力传感器，其特征在于，它 包括上盖(3)、密封且引出导线的4个力敏元件(2)、下体(1)、分载环(4)、定位环(5)、4个 预紧螺钉(6)组成；其中，上盖(3)和下体(1)在垂直于Z方向的截面为圆环形状，并在其 上各分别加工出4个均布的上盖耳翼(p)和4个均布的下体耳翼(d)，在4个上盖耳翼(p) 上分别有安装力敏元件(2)的上盖第一、二、三螺纹孔(c^、^、c"，在上盖(3)的环面上有均 匀布置的8个上连接螺纹孔(g)，在4个下体耳翼(d)上有安装力敏元件(2)的下体第一、 二、三通孔(CpC2、c》，在下体(1)的环面上有均匀布置的8个下连接螺纹孔(m);下体上表 面(b)上有下体中间凸台(a)，4个下体耳翼(d)上有4个下体耳翼凸台(1)，4个下体耳翼 凸台(1)上相对于坐标系等半径菱形均匀布置了4个力敏元件(2);定位环(5)安装在下体
3上表面(b)上，定位环内圆柱表面(i)与下体中间凸台外圆柱表面(j)相配合；分载环(4) 安装于下体上表面(b)上，并且分载环内圆柱表面(f)与定位环外圆柱表面(n)相配合，分 载环上表面(k)与力敏元件上表面(e)等高；用4个预紧螺钉(6)通过下体第二通孔(c2)、 上盖第二螺纹孔(c2)将上盖(3)、力敏元件(2)、下体(1)安装在一起，同时，分载环(4)也 被固定于上盖(3)与下体(1)之间。 —种可调分载比压电式六维力传感器，其采用的测试方法特征是通过调整4个力
敏元件(2)的安装位置和选用系列模块化的分载环(4)、定位环(5)来调节4个力敏元件
(2)所受力的总和与被测轴(11)所受力的比值，具体步骤如下 1)通过对被测轴(11)的受力情况进行分析，确定出合适的分载比； 2)从系列模块化的分载环、定位环中选用一套合适的分载环(4)和定位环(5); 3)确定力敏元件(2)的安装位置，将4个力敏元件(2)分别安装在4个下体第二
通孔c2上，保证4个力敏元件(2)相对于坐标系为菱形均布形式； 4)将定位环(5)安装在下体上表面(b)上，并与下体中间凸台(a)相配合； 5)将分载环(4)安装在下体上表面(b)上，并且分载环内圆柱表面(f)与定位环
外圆柱表面(n)相配合，采用研磨的方式调整分载环上表面(k)与力敏元件上表面(e)等
高； 6)用4个预紧螺钉(6)通过下体第二通孔(c2)、上盖第二螺纹孔(c2)将上盖(3)、 力敏元件(2)、下体(1)安装在一起，同时，也将分载环(4)固定于上盖(3)与下体(1)之 间； 7)将力敏元件的输出导线、电荷放大器、A/D数据采集卡及装有数据采集软件的 计算机依次用导线相连接。 8)当被测轴所受力的量程改变时，依照步骤1) 、2) 、3)重新计算合适的分载比，从 系列模块化的分载环(4)、定位环(5)中选择一套合适的分载环(4)、定位环(5)，重新确定 力敏元件(2)的安装位置后，依照步骤4)、5)、6)、 7)依次执行，实现了同一个传感器能够测量轴上不同量程的六维力。 本发明的显著效果是通过选用系列模块化的分载环、定位环或者调节力敏元件
的安装位置，实现不同的分载比，达到不改变传感器即可测量不同量程范围力的效果。这种
结构避免了由于受力范围不同而换用传感器所带来的麻烦及由此造成的经济损失，对于六
维动态大力值的测量，本发明通过采用小分载比，使结构与其他同类传感器相比更加轻巧。
该传感器结构简单、对称性好，刚性好，工艺性好、稳定性好、制造容易，寿命长，操作简单、
使用方便、成本低，灵敏度高、易于解耦，易于产品化、横向干扰小。可用于一定轴径范围内
的轴受变量程的六维静态力、动态力、瞬态力的测量。
图1为可调分载比压电式六维力传感器结构示意图，图2为图1的俯视图，图3为 可调分载比压电式六维力传感器在测试六维力时的安装示意图。 图中l-下体，2-力敏元件，3-上盖，4-分载环，5-定位环，6-预紧螺钉，7-上连 接螺钉，S-上夹具体，9-下连接螺钉，10-下夹具体，11-被测轴，a-下体中间凸台，b-下体 上表面，c1、 c2、 c3-上盖第一、二、三螺纹孔，Cl、 c2、 c3_下体第一、二、三通孔，d-下体耳翼，
4e_力敏元件上表面，f_分载环内圆柱表面，g_上连接螺纹孔，h-上盖内圆柱表面，i_定位 环内圆柱表面，j-下体中间凸台外圆柱表面，k-分载环上表面，l-下体耳翼凸台，m-下连 接螺纹孔，n-定位环外圆柱表面，o-下体内圆柱表面，p-上盖耳翼。
具体实施例方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的实施，如图1所示，上盖3、下体1的材 料均为不锈钢，分载环4的材料为合金钢，定位环7的材料为塑料。通过选用系列模块中 不同的分载环4、定位环5及调节力敏元件2的安装位置，可以实现的分载比调节范围为 0. 5% _50%，测力量程范围为轴向力为100N-1000000N，横向力为100N-100000N。使用时， 根据所测量力的量程从系列模块化的分载环4、定位环5中选用其中的一套，并从下体第
一、二、三通孔(Cl、C2、C3)中选择其中一个位置，如C2，作为力敏元件2的安装位置，安装时，
先将定位环5套于下体中间凸台a上，保证定位环5与下体上表面b接触并与下体中间凸 台外圆柱表面j配合，然后将分载环4安装于下体上表面b上，并且分载环内圆柱表面(f) 与定位环外圆柱表面(n)相配合，再将力敏元件2安装于下体第二通孔q处，通过研磨的方 法保证分载环上表面k与力敏元件上表面e严格等高，然后安装上盖3，通过4个预紧螺钉6 将上盖3、4个力敏元件2、下体1连接在一起，同时也将分载环4固定于上盖3与下体1之 间。根据被测轴11的轴径选用合适的夹具，然后将组装后的传感器固定于被测轴11上，如 图3所示，具体过程为，通过8个上连接螺钉7将上盖3与上夹具体8刚性连接，通过8个 下连接螺钉9将下体1与下夹具体10刚性连接，然后将传感器和上夹具体8、下夹具体10 套于被测轴11上，再依次分别将下夹具体10与被测轴11固定、上夹具体8与被测轴11固 定，其中，上盖内圆柱表面h与被测轴11不能接触，下体内圆柱表面o与被测轴11不能接 触。将力敏元件2的输出导线、电荷放大器、A/D数据采集卡及装有数据采集软件的计算机 依次用导线相连接。当被测轴11受力时，由上夹具体8、下夹具体10作用到传感器上，通过 传感器的弹性环节作用在力敏元件2、分载环4上，其中作用在力敏元件2上的力经过其本 身的拉压效应、剪切效应、扭转效应将作用力自动分解为Fx、Fy、Fz三个方向力和Mx、My、Mz 三个方向力矩输出，产生相应的电荷量，经电荷放大器放大变成相应的电压信号后，分别以 电压输出，再经信号调理及A/D数据采集卡将模拟信号变成数字信号输入计算机，通过相 应软件处理得出空间矢量力各主要参数，最后由终端显示、记录、打印等，测量六维力完毕。
实施例一 被测轴径为1000mm，受轴向力1000000N，横向力100000N，根据力敏元 件所允许的受力范围并考虑安全系数，确定合适的分载比为0.5%，选用系列模块化的分 载环4、定位环5中分载最大的一套，力敏元件2安装在下体第一通孔Cl处，选用内径为 1000mm、夹紧力足够的一套夹具，然后依次分别安装定位环5、分载环4、力敏元件2，通过研 磨的方法保证力敏元件上表面e与分载环上表面k等高，并用预紧螺钉6将上盖3、力敏 元件2、下体1通过下体第一通孔q、上盖第一螺纹孔c1连接，其中，预紧螺钉的预紧力为 12000N，再通过8个上连接螺钉7将上盖3与上夹具体8刚性连接，通过8个下连接螺钉9 将下体1与下夹具体10刚性连接，然后将传感器和上夹具体8、下夹具体10套于被测轴11 上，再依次将下夹具体10、上夹具体7与被测轴11固定，最后将力敏元件2引出的导线经电 荷放大器、A/D数据采集卡连接到计算机上，开始对被测轴11上六维力进行测量。
实施例二 被测轴径为100mm，受轴向力为IOON，横向力为100N时，计算得出合适的分载比为50%，因为轴受力较小，所以不需要用分载环4分载，而且为了提高传感器的灵 敏度，选择力敏元件2的安装位置为下体第三通孔c3，即离被测轴11最近的位置，并采用内 径为100mm的夹具一套，然后将4个力敏元件2安装在下体第三通孔c3处，并用预紧螺钉6 将上盖3、力敏元件2、下体1通过下体第三通孔q、上盖第三螺纹孔c3连接，其中，预紧螺钉 的预紧力为12000N，再通过8个上连接螺钉7将上盖3与上夹具体8刚性连接，通过8个下 连接螺钉9将下体1与下夹具体10刚性连接，然后将传感器和上夹具体8、下夹具体10套 于被测轴11上，再依次将下夹具体10、上夹具体8与被测轴11固定，最后将力敏元件2引 出的导线经电荷放大器、A/D数据采集卡连接到计算机上，开始对被测轴11上六维力进行 本发明通过调节分载比，达到同一个传感器测量一定轴径范围内的轴上不同量程 六维力的目的，刚度好、灵敏度高、成本低，易于产品化，其测试方法操作简单、使用方便、安
全可靠。
权利要求
一种可调分载比压电式六维力传感器，其特征在于，它包括上盖(3)、密封且引出导线的4个力敏元件(2)、下体(1)、分载环(4)、定位环(5)、4个预紧螺钉(6)组成；其中，上盖(3)和下体(1)在垂直于Z方向的截面为圆环形状，并在其上各分别加工出4个均布的上盖耳翼(p)和4个均布的下体耳翼(d)，在4个上盖耳翼(p)上分别有安装力敏元件(2)的上盖第一、二、三螺纹孔(c1、c2、c3)，在上盖(3)的环面上有均匀布置的8个上连接螺纹孔(g)，在4个下体耳翼(d)上有安装力敏元件(2)的下体第一、二、三通孔(c1、c2、c3)，在下体(1)的环面上有均匀布置的8个下连接螺纹孔(m)；下体上表面(b)上有下体中间凸台(a)，4个下体耳翼(d)上有4个下体耳翼凸台(l)，4个下体耳翼凸台(l)上相对于坐标系等半径菱形均匀布置了4个力敏元件(2)；定位环(5)安装在下体上表面(b)上，定位环内圆柱表面(i)与下体中间凸台外圆柱表面(j)相配合；分载环(4)安装于下体上表面(b)上，并且分载环内圆柱表面(f)与定位环外圆柱表面(n)相配合，分载环上表面(k)与力敏元件上表面(e)等高；用4个预紧螺钉(6)通过下体第二通孔(c2)、上盖第二螺纹孔(c2)将上盖(3)、力敏元件(2)、下体(1)安装在一起，同时，分载环(4)也被固定于上盖(3)与下体(1)之间。
2. 如权利要求1所述的一种可调分载比压电式六维力传感器，其采用的测试方法特征 是，通过调整4个力敏元件(2)的安装位置和选用系列模块化的分载环(4)、定位环(5)来 调节4个力敏元件(2)所受力的总和与被测轴(11)所受力的比值，具体步骤如下1) 通过对被测轴(11)的受力情况进行分析，确定出合适的分载比；2) 从系列模块化的分载环、定位环中选用一套合适的分载环(4)和定位环(5);3) 确定力敏元件(2)的安装位置，将4个力敏元件(2)分别安装在4个下体第二通孔 q上，保证4个力敏元件(2)相对于坐标系为菱形均布形式；4) 将定位环(5)安装在下体上表面(b)上，并与下体中间凸台(a)相配合；5) 将分载环(4)安装在下体上表面(b)上，并且分载环内圆柱表面(f)与定位环外圆 柱表面(n)相配合，采用研磨的方式调整分载环上表面(k)与力敏元件上表面(e)等高；6) 用4个预紧螺钉(6)通过下体第二通孔(c》、上盖第二螺纹孔(c2)将上盖(3)、力 敏元件(2)、下体(1)安装在一起，同时，也将分载环(4)固定于上盖(3)与下体(1)之间；7) 将力敏元件的输出导线、电荷放大器、A/D数据采集卡及装有数据采集软件的计算 机依次用导线相连接。8) 当被测轴所受力的量程改变时，依照步骤1)、2)、3)重新计算合适的分载比，从系列 模块化的分载环(4)、定位环(5)中选择一套合适的分载环(4)、定位环(5)，重新确定力敏 元件(2)的安装位置后，依照步骤4)、5)、6)、7)依次执行，实现了同一个传感器能够测量轴 上不同量程的六维力。
全文摘要
本发明一种可调分载比压电式六维力传感器及其测试方法属于传感器及其测控领域，特别涉及不同量程范围内的轴上六维力测量。六维力传感器包括上盖、密封且引出导线的4个力敏元件、下体、分载环、定位环、4个预紧螺钉组成。采用的测试方法是通过调整4个力敏元件的安装位置和选用系列模块化的分载环、定位环来调节4个力敏元件所受力的总和与被测轴所受力的比值。本发明通过调节分载比，达到同一个传感器测量一定轴径范围内的轴上不同量程六维力的目的；刚度好、灵敏度高、成本低，易于产品化，其测试方法操作简单、使用方便、安全可靠。
文档编号G01L3/00GK101793574SQ20101012896
公开日2010年8月4日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者张军, 房庆华, 李映君, 贾振元, 钱敏 申请人:大连理工大学