一種壓電式六維力傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于六維壓電式傳感器領域，涉及一種高精度、高靈敏度、六維力測量的基于Stewart結構和并聯分載原理設計的重載荷測量傳感器。
【背景技術】
[0002]六維測力傳感器能夠測量空間三維力和力矩的大小，在測量空間力學信息時具有測力信息豐富，測力精度高的特點，應用在航空航天、醫學、國防科技等領域的操作裝備的精密控制、多指靈巧手和機器人力反饋等領域。基于Stewart結構的六維力傳感器是一種十分優越的六維力傳感器，其承載能力強、精度高、響應快、靈敏度高等獨特優點，倍受設計者和使用者的青睞，迄今已廣泛應用于機器人、航空(如飛機起落的沖擊力測試)、航天(火箭模型發射力測試、航天器對接時六維力測試)、汽車(撞擊試驗)和造船等領域。近年來，大測力范圍、大量程的六維測力傳感器已成為目前急需的高科技產品之一，特別是對于應用在航空航天領域的推力實驗、試飛實驗和風洞實驗所急需的大測力范圍、大噸位的六維測力傳感器。當今世界許多國家對其研制工作非常重視，視為涉及國家安全、經濟發展和科技進步的關鍵技術之一，并將其列入國家科技發展戰略計劃之中。目前的六維力傳感器，測力范圍都比較小，無法實現大力值測量。在重載操作裝備中，為了實現力反饋控制，要求六維大力的高精度的測量，而目前沒有投入實際應用的高靈敏度重載傳感器，已經投入使用的六維力傳感器存在著測量量程較小的問題。本實用新型所提出的基于Stewart結構的壓電式六維大力傳感器可有效解決對六維大力傳感器的高精度、高靈敏度、大承載力和簡單實用的要求。
【發明內容】
[0003]本實用新型要解決的技術問題是通過將Stewart結構、壓電技術與并聯分載原理結合應用到空間六維力的測量，實現大載荷力的多維測量，以壓電石英晶組作為力敏元件，提高測量的實時性、準確性和靈敏度，將其應用于極端制造技術中的重載操作裝備中，解決了重載操作裝備無法進行六維大力測量的難題。
[0004]本實用新型采用的技術方案:本實用新型所述的傳感器是一種基于Stewart結構的壓電式六維力傳感器，具體的由上平臺、下平臺、六只上桿球鉸、六只連接桿上桿、六組一維壓電石英傳感器、六只連接桿下桿、六只下桿球鉸組成，六只上桿球鉸和六只下桿球鉸通過每個球鉸座四只固定螺釘固定在上平臺和下平臺，連接桿上桿的末端有凸臺I和定位圓柱凸臺，連接桿下桿的末端有凸臺2、放置壓電石英晶組凹槽和與定位圓柱凸臺配合用于定位壓電石英晶組的定位凹槽，一維壓電石英傳感器由凸臺1、定位圓柱凸臺、凸臺2、放置壓電石英晶組的凹槽、定位凹槽、六只均布固定螺釘和壓電石英晶組組成，壓電石英晶組由四片xy型壓電石英晶片、兩組xy引出電極和一接地電極組成，每組xy引出電極包括四片形狀相同的xy引出電極以及與其通過導電膠黏合連接的壓電石英晶片，每片石英晶片都有定位孔。本實用新型采用了四片xy型壓電石英晶片構成的晶組提高了傳感器的響應速度和靈敏度，采用球鉸固定有效提高了傳感器承載能力，采用石英晶組和彈性承載體并聯的設計方法有效提高了傳感器測量量程，也可以通過改變下連桿與石英晶組并聯壁厚度，使傳感器獲得不同的測量量程，結合使用Stewart并聯機構具有的高剛度、結構緊湊、力映射關系明確等特點，使得傳感器具有高剛度、高靈敏度、結構簡單緊湊、響應速度快、映射關系明確、測量量程大等優點。
【附圖說明】
[0005]圖1為基于Stewart結構壓電式六維力傳感器裝配圖主視圖，其中I為上平臺、2為下平臺、3為六只上桿球鉸、4為六只連接桿上桿、5為六組一維壓電石英傳感器、6為六只連接桿下桿、7為六只下桿球鉸，六只上桿球鉸3和六只下桿球鉸7是通過每個球鉸由四只固定螺釘固定在上平臺I和下平臺2。
[0006]圖2為六組一維壓電石英傳感器剖視圖，其中是凸臺1，a 2是定位圓柱凸臺，b !是凸臺2，b2是放置壓電石英晶組的凹槽，b 3是定位凹槽，8是固定螺釘，每一組一維壓電石英傳感器有六只固定螺釘，9是壓電石英晶組。
[0007]圖3為壓電石英晶組結構圖，其中9p92、93、94是四片xy型壓電石英晶片，10 n102是兩組xy引出電極，11是一接地電極，每組xy引出電極是由四片形狀相同的xy引出電極組成，每片石英晶片都有定位孔。
[0008]圖4為單片石英晶片和四片形狀相同的xy引出電極示意圖，其中％為壓電石英晶片，12 (C)UO2 (d)、102 (e)、102 (f)為四片形狀相同的xy引出電極。
【具體實施方式】
[0009]以下結合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。如圖1和圖2所示，本實用新型中的基于Stewart結構壓電式六維力傳感器包括上平臺1、下平臺2、六只上桿球鉸3、六只連接桿上桿4、六組一維壓電石英傳感器5，六只連接桿下桿6、六只下桿球鉸7，六只上桿球鉸3和六只下桿球鉸7是通過每個球鉸由四只固定螺釘固定在上平臺I和下平臺2，下平臺2的直徑大于上平臺I的直徑，六個支路一維壓電石英傳感器5按對稱結構均布連接于上下平臺1、2之間，每個支路呈相同的仰角，采用球形鉸鏈連接，連接桿可視為二力桿，僅受軸向的拉壓力，連接桿受到的拉壓力由每組壓電石英晶組9測出。
[0010]本實用新型中一維壓電石英傳感器5半剖結構如圖2，包括連接桿上桿末端的凸臺Ia1、定位圓柱凸臺a2、連接桿下桿的凸臺21^、放置壓電石英晶組凹槽b2、定位凹槽b3、固定螺釘8和壓電石英晶組9。石英晶組9被安置在凹槽b2ft，通過定位圓柱凸臺a2和定位凹槽b3和六只均布固定螺釘8固定在凹槽b 2內，并施加一定的預緊力。
[0011]本實用新型石英晶組9由四片相同的xy型壓電石英晶片V92、93、94和兩組xy引出電極1p 12和一接地電極11組成，每組xy引出電極是由四片形狀相同的xy引出電極兩面涂抹導電膠后貼在壓電石英晶片上，每片石英晶片都有定位孔，安裝時以xy型石英晶片％輸出電荷為的一面為基準，并將四片相同形狀的xy引出電極12 (C)、102 (d)、12 (e)、102 (f)兩面涂抹導電膠后，均勻的布置在該面上，再將xy切型的第二個石英晶片92輸出電荷為的一面，按照石英晶片的45度倒角為基準對齊，粘貼在引出電極另一面，組成一組xy型石英晶組(9ρ92)，置于特制的設備中預壓至膠干，以同樣的方法制備另一組xy型壓電石英晶組(93、94)，然后以其中一組壓制好的xy型壓電石英晶組(9p92)為基準，將接地電極11兩面涂抹導電膠后粘附于其面上，然后將另一組xy型壓電石英晶組(93、94)粘附到接地電極11的另一面。
【主權項】
1.一種壓電式六維力傳感器，其特征在于，所述傳感器是一種基于Stewart結構的壓電式六維力傳感器，具體的由上平臺(1)、下平臺(2)、六只上桿球鉸(3)、六只連接桿上桿(4)、六組一維壓電石英傳感器(5)、六只連接桿下桿(6)、六只下桿球鉸(7)組成，六只上桿球鉸(3)和六只下桿球鉸(7)通過每個球鉸座四只固定螺釘固定在上平臺(I)和下平臺(2)，連接桿上桿(4)的末端有凸臺I Ca1)和定位圓柱凸臺(a2)，連接桿下桿(6)的末端有凸臺2 (K)、放置壓電石英晶組凹槽(b2)和與定位圓柱凸臺(a2)配合用于定位壓電石英晶組的定位凹槽(b3)，一維壓電石英傳感器(5)由凸臺I (a:)、定位圓柱凸臺(a2)、凸臺2 (h)、放置壓電石英晶組的凹槽(b2)、定位凹槽(b3)、六只均布固定螺釘(8)和壓電石英晶組(9)組成，壓電石英晶組(9)由四片xy型壓電石英晶片(9p92、93、94)、兩組xy引出電極(1(^12)和一接地電極(11)組成，每組xy引出電極包括四片形狀相同的xy引出電極以及與其通過導電膠黏合連接的壓電石英晶片，每片石英晶片都有定位孔。
【專利摘要】一種壓電式六維力傳感器基于Stewart結構設計，由上平臺、下平臺、六只上桿球鉸、六只連接桿上桿、六組壓電式一維傳感器、六只連接桿下桿、六只下桿球鉸組成，上下平臺通過連接桿、上下桿球鉸、壓電式一維傳感器組成的傳感器分支連接在一起，六組一維壓電石英晶組分別通過六只均布螺釘固定在上下連桿之間組成的凹槽內，壓電石英晶組由四片xy型壓電石英晶片、兩組xy引出電極和一接地電極組成，每組xy引出電極包括四片形狀相同的xy引出電極以及與其通過導電膠黏合連接的壓電石英晶片。本實用新型由于利用了實現大量程載荷的測量，具有高靈敏度和高精度，且結構簡單，安裝使用方便，穩定性好的特點，可應用在大力值載荷的測量方面。
【IPC分類】G01L5/16
【公開號】CN204924531
【申請號】CN201520259660
【發明人】李玉欽, 李映君, 崔煥勇, 張增明, 韓彬彬, 田娜, 王海燕
【申請人】濟南大學
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年4月27日