一种压电式六维力传感器的制作方法

本发明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：

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。本发明所提出的基于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。

技术实现要素：

本发明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敏感元件，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。

本发明采用的技术方案：基于Stewart结构的压电式六维力传感器由上平台1、下平台2、六只上杆球铰3、六只连接杆上杆4、六组一维压电石英晶传感器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是通过每个球铰座四只固定螺钉固定在上平台1和下平台2，上连接杆4的末端有凸台a₁和定位圆柱凸台a₂，下连接杆6的末端有凸台b₁、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b₃，一维压电石英晶传感器5是由凸台a₁、定位圆柱凸台a₂、凸台b₁、放置压电石英晶组凹槽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是由四片xy型压电石英晶片（9₁、9₂、9₃、9₄）、两组xy引出电极（10₁、10₂）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。

本发明采用了四片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，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

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1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1和下平台2。

图2为六组一维压电石英传感器剖视图，其中a₁是上连杆凸台，a₂是定位圆柱凸台，b₁是下连杆凸台，b₂是放置压电石英晶组凹槽，b₃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，9是压电石英晶组。

图3为压电石英晶组结构图，其中9₁、9₂、9₃、9₄是四片xy型压电石英晶片，10₁、10₂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。

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9₁为压电石英晶片，10₂（c）、10₂（d）、10₂（e）、10₂（f）为四片形状相同的xy引出电极。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。如图1和图2所示，本发明中的基于Stewart结构压电式六维力传感器由上平台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是通过每个球铰由四只固定螺钉固定在上平台1和下平台2，下平台2的直径大于上平台1的直径，六个支路一维压电石英传感器5按半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。

本发明中一维压电石英传感器5半剖结构如图2，包括上连杆末端凸台a₁、定位圆柱凸台a₂、下连杆凸台b₁、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b₂内，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b₂内，并施加一定的预紧力。

本发明石英晶组9有四片相同的xy型压电石英晶片9₁、9₂、9₃、9₄和两组xy引出电极（10₁、10₂）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9₁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10₂（c）、10₂（d）、10₂（e）、10₂（f）两面涂抹导电胶后，均匀的布置在布置在该面上，再将xy切型的第二个石英晶片9₂输出电荷为“-”的一面，按照石英晶片的大倒角为基准对齐，黏贴在引出电极另一面，组成一组xy型石英晶组，至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，然后以其中一组压制好的xy型压电石英晶组为基准，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型压电石英晶组粘附到接地电极11的另一面。