（机械电子工程专业论文）并联式压电六维大力传感器的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 巨型重载操作装备是制造产业链中的基础装备，体现国家极端制造能力和制造水 平，是在极端载荷条件下作业的巨型工业机器人，可实现灵巧的多维力位操作。在重载 操作装备操作过程中，六维力测量以及实时力反馈是实现多装备协调操作控制、力顺应 控制的基础。 大力测量技术是在重型装备的需求驱动下发展起来的，通常称承载能力在1 0 - - 2 0 0 0 k n 范围内的传感器为大力传感器，而重载操作装备中的大力传感器最大额定承载 能力可高达1 0 0 m n 以上。为了实现力反馈控制，要求六维大力测量。因此需要解决大 承载能力和多维力测量之间的矛盾，本文提出对大载荷进行并联分载的方法，并利用压 电石英作为测力敏感元件来实现对巨型重载操作装备操作臂上动态六维力的测量。 首先，本文分析比较了现今的各种大力测量技术以及多维力测量技术，并介绍了压 电测力原理和压电式传感器多维力测量的方法。 其次，分析了压电传感器实现六维大力测量的并联分载原理以及六维力测量原理。 传感器对大载荷的并联分载原理就是利用机构的并联使得传感器敏感元件所受的载荷 与测量装置承受的总载荷成一定的线性比例关系。在测力平面上按照正方形均匀布置石 英敏感元件，并通过实验解耦的方法就可以得出被测六维力各分力的大小和方向。 第三，通过有限元分析以及实验的方法，深入研究了压电式多维力传感器的并联分 载原理，得出各项尺寸变化以及载荷变化时对于传感器各方向分载比的影响。通过实验 分析可知，分载实验装置对各向载荷都有良好的分载性能，并且输出线性也很好，由此 可知利用并联式的分载机构完全能够实现对多维大力的测量。 第四，对压电式六维大力传感器进行了石英晶组设计、传感器壳体设计及其有限元 分析。通过改变传感器有限元模型中的各项尺寸，分析得出尺寸变化对于传感器分载的 影响，同时通过对模型的各向加载得出其输入输出传递矩阵。 最后设计了六维力测量实验装置，通过对装置的各向加载实验，由实验结果知六维 力测量装置能很好的实现对六维力的测量，并且各向输出也有良好的线性。 关键词：压电石英；大力值；并联分载；六维力传感器 并联式压电六维大力传感器的研究 s t u d yo fp a r a l l e lp i e z o e l e c t r i cs i x a x i sh e a v yf o r c es e n s o r a b s t r a c t t h eh u g eh e a v y l o a do p e r a t i o ne q u i p m e n ti st h eb a s i ce q u i p m e n ti nm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yc h a i r l ，e m b o d i e sac o t m t r y sa b i l i t yo fe x t r e m em a n u f a c t u r e ，i ti sak i n do fh u g e i n d u s t r yr o b o tu s e du n d e rt h ec o n d i t i o no fe x t r e m el o a d ，i tc a na c t u a l i z em u l t i - p o s i t i o n a l o p e r a t i o n d u r i n gt h eo p e r a t i o n a lp r o c e s so fo p e r a t i o ne q u i p m e n t , m e a s u r e m e mo fs i x a x i s f o r c ea n dr e a l - t i m ef o r c ef e e d b a c ki st h eb a s eo fc o o p e r a t i v eo p e r a t i o nc o n t r o la n d c o m f o r m a b l ec o n t r o lo fm u l t i p l ee q u i p m e m s 砀et e c h n o l o g yo fh e a v yf o r c em e a s u r e m e md e v e l o p e du n d e rt h en e e do fh e a v y l o a d e q u i p m e n t , a n dc o m m o n l yf o r c e s e n s o r sw h o s ec a r r y i n gc a p a c i t yi si n t h er a n g eo f 10 - 2 0 0 0 k ni sc a l l e dh e a v yf o r c es e n s o r ，w h i l et h er a t e dl o a do ff o r c es e n s o ru s e do n h e a v y l o a do p e r a t i o ne q m p m e n tm a yr e a c h10 0 m n i no r d e rt oa c t u a l i z e f o r c ef e e d b a c k c o n t r o l ，m e a s u r e m e n to fs i x a x i sh e a v yf o r c ei sn e e d e d n ec o n t r a d i c t i o no fh e a v yl o a da n d m u l t i p l ef o r c em e a s u r e m e ms h o u l db er e s o l v e d am e t h o do fp a r a l l e ll o a dd i s t r i b u t i o ni sp u t f o r w o r di nt h ep a p e r ，a n dp i e z o e l e c t r i cq u a r t zi su s e da sm e a s u r i n gs e n s i t i v ee l e m e n tt o m e a s u r ed y n a m i c6 - a x i sf o r c eo no p e r a t i o ne q u i p m e n t sa r m f i r s t , t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e sa l lk i n d so fh e a v yl o a dm e a s u r i n gt e c h n o l o g i e s a n dm u l t i - a x i sf o r c em e a s u r i n gt e c h n o l o g i e s ，i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fp i e z o e l e c t r i cf o r c e m e a s u r e m e n ta n dm e t h o do fm u l t i - a x i sf o r c em e a s u r e m e n tu s i n gp i e z o e l e c t r i cs e n s o r s e c o n d , t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fp a r a l l e ll o a dd i s t r i b u t i o na n d6 - a x i sf o r c e m e a s u r e m e n to fp i e z o e l e c t r i cs e n s o r t h ep r i n c i p l eo fp a r a l l e ll o a dd i s t r i b u t i o ni su s i n g p a r a l l e lm e c h a n i s mt op r o p o r t i o nt h el o a do ns e n s o r ss e n s i t i v ee l e m e n tt ot h et o t a ll o a d a p p l i e do nm e a s u r e m e n td e v i c e q u a r t zg r o u p sa r ee v e n l ya r r a n g e db ys q u a r eo nm e a s u r i n g p l a n e ，t h ev a l u ea n dd i r e c t i o no fs i x a x i sf o r c ec o u l db eo b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t a l d e c o u p l i n g t h i r d ，埘t ht h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s ，t h ep a p e rs t u d i e s p r i n c i p l eo fp a r a l l e ll o a dd i s t r i b u t i o no fp i e z o e l e c t r i cm u l t i a x i sf o r c es e n s o ri nd e p t h ，a n d f i g u r e so u tt h ei n f l u e n c eo fs e n s o r ss t r u c t u r ed i m e n s i o n so ns e n s o r sl o a dd i s t r i b u t i o nr a t i oi n e a c hd i r e c t i o n b ym e a n so fe x p e r i m e n t s ，l o a dd i s t r i b u t i o ne x p e r i m e n t a ld e v i c ep e r f o r m sw e l l i nl o a dd i s t r i b u t i o na n dl i n eo u t p u t a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fa n a l y s e sa n de x p e r i m e n t s ，i t c o u l db ek n o w nt h a tt h ep a r a l l e ll o a dd i s t r i b u t i o nm e c h a n i s mi s q u a l i f i e dt o m e a s u r e m u l t i a x i sh e a v yf o r c e 大连理工大学硕士学位论文 f o u r t h ，t h i sp a p e rd e s i g n st h eq u a r t zg r o u p sa n db o d ys t r u c t u r eo fp i e z o e l e c t r i cs i x - a x i s h e a v yf o r c es e n s o r ，a n da n a l y z e st h es t r u c t u r ew i t ha n s y s b yc h a n g i n gd i m e n s i o n so f s e n s o r sf i r f i t ee l e m e n tm o d e l ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e n s o r sl o a dd i s t r i b u t i o nr a t i oa n di t s d i m e n s i o n sh a sb e e nk n o w n a n dl o a di sa p p l i e do ne a c hd i r e c t i o no fs e n s o r m o d e l ，t h e t r a n s f e rf u n c t i o no fi n p u ta n do u t p u th a sb e e ng o t f i n a l l y ，as i x a x i sf o r c em e a s u r i n ge x p e r i m e n t a ld e v i c ei sd e s i g n e d ，a n d al o a di sa p p l i e d 0 ne a c hd i r e c t i o no ft h ed e v i c e 1 1 1 er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i sd e v i c ec a l ld o w e l li nm e a s u r i n gs i x a x i sf o r c ea n dl i n eo u t p u t k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i cq u a r t z ；h e a v yf o r c e ；p a r a l l e ll o a dd i s t r i b u t i o n ；s i x _ a x i sf o r c e s e n s o r 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：羞送式压电盍维太左笾盛墨鲍珏壅 作者签名：盛垒鱼垂日期：趁堡年丝月生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源及意义 现代高新科技需要先进的动态测试技术与设备，而压电测试技术也正是随着国防尖 端技术的需要而发展起来的一种动态测试方法。近几十年压电测试技术有了飞速的发 展，它已被有效的应用于军事工程、宇航工程、轻重工业部门等领域的静、动态力的测 试系统中 1 1 。 巨型重载制造装备是制造产业链中的基础装备，国家极端制造能力和制造水平的体 现，国民经济和国防安全的重要保障。极端条件下大型复杂构件的制造依赖于巨型重载 制造装备，包括以自由锻造机、模锻水压机、重型机床等为代表的重载加工装备和以锻 造操作机、大型变位机等为代表的重载操作装备。与加工装备相比，重载操作装备的特 点是载荷大、惯量大、自由度多、多维力位操控能力强。操作装备与加工装备协调作业， 可以大大提高制造能力、制造精度、生产效率和材料利用率，降低能耗。譬如意大利为 1 2 6 0 0 吨水压机配备1 5 0 吨米锻造操作机，生产效率提高2 5 ，加工余量减少1 0 ，降 低能耗2 0 ；日本室兰制作所9 0 年代为四台水压机配备操作机后，生产效率提高1 8 5 倍。作为世界制造强国，德国不仅数控机床的制造能力居世界前列，在巨型重载多自由 度操作装备制造方面也具有显著的技术优势。建国以来，我国的重载制造装备技术水平 有了长足的进步，目前拥有万吨级以上的自由锻造机3 台，居世界第3 位，并具备了万 吨级自由锻造机的自主设计与制造能力。此外，我国装备的最大模锻水压机达到3 万吨， 居世界先进行列。但相比之下，我国在多自由度重载操作装备方面的研究十分薄弱，现 有的6 0 0 0 吨以上的自由锻造机均未配备操作机；我国目前装备的多自由度焊接变位机 最大承载能力为1 0 0 吨，远低于世界先进水平1 8 1 0 吨。操作装备技术落后严重影响我 国大型复杂构件的制造能力、制造质量和制造效率。譬如我国锻件材料利用率为 5 0 5 5 ，而韩国为6 0 6 5 ，日本则高达7 0 7 5 。 巨型操作装备具有大惯量、多自由度、变刚度等特点，在空载和负载操作时其动力 学特性迥异，容易发生参数失配，造成动态操作过程中的振荡。此外，在重载和非连续 工况条件下，装备的频响特性差，易出现时滞、死区等典型的非线性特性。由于重载操 作装备驱动单元多( 冗余输入) ，且在产品制造过程中与重型加工装备协调操作，因此 须采用有效的同步或协调控制方法，保证过约束系统的约束相容性，避免因约束冲突造 成的偏载、卡死等奇异力学行为。 并联式压电六维人力传感器的研究 多维力传感器在自动化上厂中是最重要的传感器之一1 2 1 。在生产制造过程中，操作 装备通常是与加工装备协调操作的，操作装备的末端执行机构对于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，以避免因约束冲突造成的载荷剧增或夹 持失效。实时六维力测量是实现顺应控制和多自由度协调控制的基础。而在对重达上百 吨的大型构件制造过程中，重载操作装备所需的操作载荷也是1 0 0 k n 军1 0 0 m n 量级的 大力值。因此要求六维力传感器也必须能实现对大力值的测量。 1 2 课题的研究背景 传感与测量是控制系统的重要组成部分。在重载操作装各操作过程中，六维力测量 以及实时力反馈是实现多装备协调操作控制、力顺应控制的基础。大力测量技术是在重 型装备的需求驱动下发展起来的，通常称承载能力在1 0 2 0 0 0 k n 范围内的传感器为大 力传感器p j ，而重载制造装备中的大力传感器最大额定承载能力可高达1 0 0 m n 以上。 在重载操作装备中，为了实现力反馈控制，要求六维大力测量。如何解决大承载能力和 多维力测量之间的矛盾，仍有待研究和探索。大力分流测量技术和具有并联分流传力方 式的大力传感器设计思想源自上世纪6 0 年代，此后苏、美、加、德等国先后研制了附 着式大力传感器_ 4 j 。1 9 8 0 年我国自行研制成功附着式大力传感器以来，己在轧钢机械等 重型制造装备中得到广泛应用。 当前国内外广泛采用的大力传感器主要足电阻应变式和压磁式两大类。按照技术类 型主要分为支承式、附着式、圆筒式、轮辐式等几类”j 。 ( 1 ) 支撑式测试技术 支承式重型大力传感器直接安装在被测装备力线上。传感器与被测力构件串联连 接，被测力直接作用在传感器上，从而测出力值。由于其承载面积、几何尺寸、重量和 价格均随被测力值的加大而激增。而且也为工程应用、维修和备件供应造成不便。尤其 是支承式传感器需占j j 一定的工作空间。势必增加装备幅度。而对于许多己有的设备而 言，由于没有预研位置，采用支承式大力传感器时 往不得不以压缩设备的有效t 作空 间为代价。 譬葛 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 附着式测试技术 力学传感器形体的大小由其固有的承载能力和直接承受的载荷量值所决定。在巨大 力值的测量中，当使传感器直接承受的力值为与被测大力值有确定比例关系的微小分量 时，则相对于直接承受全部被测大力值时的传感器而言，实际所用的传感器必然是轻型 或微型化了的大力传感器，按上述思路实现的轻型大力传感器就是附着式大力传感器。 如图1 2 所示为附着式测力方式及其等效刚度模型，被测力柱与测力杆在结构上为 并联连接，被测力柱刚度为砭，测力杆等效刚度为墨。设总力值为f ，被测力柱与测力 杆承担的载荷分别为足、只。根据被测力柱和测力杆在并联区域变形一致的协调条件， 可得出： f = f z + f s c只 ( 1 1 ) - 二= - 二 k z k s 则有 c = 去f ( 1 2 ) 令七= 乏j 毫，则当测力杆刚度k 远小于被测力柱刚度尼时，有七丢 1 0 1 3 q m 以上) 1 7 - 1 9 】。压电测力传感器 有极其广泛的应用，从简单的压电测力垫圈到复杂的车削铣削测力仪和火箭推力测力系 统，压电测试技术都发挥了其独特的效能。图1 7 为美国1 9 9 6 年的一个压电石英式六分 量测力传感器的专利的图示。其六个圆柱形石英晶体按照s t e w a r t 平台六根支撑柱的空 间布置内嵌入传感器弹性体中，并通过螺钉预紧。 厂 1 ) 上盖，2 ) 石英晶体，3 ) 下盖 图1 j 7 ：压电式六维力传感器 f i g 1 7 p i e z o e l e c t r i c6 - a x i sf o r c es e n s o r 并联式压电六维大力传感器的研究 直接输出型简言之就是六维空问力由测力元件直接检测或经简单计算求得，无需对 输出进行复杂的解耦计算。 图1 8s t e w a r t 平台的结构 1 ) 上平台，2 ) 弹性支撑臂，3 ) 下平台 f i g 1 8 s t r u c t u r eo fs t e w a r t 1 ) u p p e rp l a t e ，2 ) e l a s t i cb a r , 3 ) l o w e rp l a t e 间接输出型检测的六维输出力与传感器检测到的每一个力分量和力矩分量相关，需 要通过各分力的耦合才能得到六维输出力。基于s t e w a r t 平台的六维力力矩传感器是个 典型的耦合型检测传感器，它具有承载能力强、刚性好，误差不积累等独特优点。但其 结构不紧凑，存在耦合误差，需要标定时利用标定矩阵加以减少和消除。图1 8 所示是 一种s t e w a r t 平台结构形式。 1 3 课题的主要研究内容 本课题属于国家9 7 3 计划巨型重载操作装备的基础科学问题中的子课题，为重载大 惯量装备的快速高精度协调控制，课题编号为2 0 0 6 c b 7 0 5 4 0 6 。利用大连理工大学机械 学院传感测控研究所多年对压电力传感器的研究成果，在现有的理论体系下并结合项目 的需要，重点研究六维大力值压电石英测力装置的并联分载问题，并且对压电石英六维 力传感器进行初步的设计及实验分析。 大连理工大学硕士学位论文 2 压电六维大力传感器的测量原理设计 本章主要讲述压电六维大力传感器所设计的基础原理，包括压电石英传感器的测力 原理、实现大力值测量的并联分载技术原理以及实现六维力测量的技术原理。 2 1 压电石英传感器测力原理 2 1 1 压电石英晶体的特性 石英晶体俗称水晶，化学成分为s i 0 2 ，熔点为1 7 5 0 ，密度为2 6 5 1 0 3 k g m 3 ， 莫氏硬度为7 。它不仅是较好的光学材料，而且是重要的压电材料。自从它被发现一百 多年来，各国学者对它进行了广泛的研究，主要是利用它来进行各种谐振器、力传感器、 气敏传感器、生物传感器和加速度计的研制，其中石英晶体的各种切型及它们的振动模 式、频率温度系数和相关的电极布置理论得到了充分的研究。在常压下不同温度时，石 英晶体结构是不同的，在温度低于5 7 3 时，是a 石英晶体；温度在5 7 3 8 7 0 时， 是1 3 石英晶体；温度在8 7 0 1 4 7 0 时是磷石英；温度达到1 4 7 0 * c 就转变成方石英。( i t 石英和b 石英晶体都具有压电效应，用于制造压电元器件的都是叶石英晶体。 本设计选择q 石英晶体为传感器的力敏元件，是因为它具有不用人工极化、稳定性 好、居里温度高、机械强度、绝缘电阻高以及线性好、固有频率很高等一系列优点，而 且特别适合用于力的实时动态测量。 2 1 2 压电石英力传感器 压电石英力传感器主要利用根据压电石英的压电效应矩阵而得出的对不同方向载 荷敏感的各种切型晶片，其中使用最多的是对纵向载荷敏感的x o 。切型晶片和对剪切 载荷敏感的y o 。切型晶片。为提高压电传感器的灵敏度并且简化传感器结构，一般都 采用同一切型的两片晶片对装构成一个单元晶组，再根据测力的需要设计组合晶组。 2 2 并联分载原理 为实现对操作机轴上的空间大载荷进行动态测量，像支撑式重型大力传感器那样直 接把载荷作用在压电石英晶组上是肯定不可行的。由于压电石英的最大承载能力为 1 3 k g f m m z ，即使用大尺寸的晶片，比如中心孔径为9 m m 边长为3 0 m m 的晶片，其所 能承受的极限载荷约为1 2 5 f ，而巨型操作机的操作载荷可达几百吨，显然利用支撑式的 方式是不可取的。传感器必须利用分载机构，使得直接作用在力敏元件石英上的载荷在 其可承受的范围之内。 并联式压电六维大力传感器的研究 对大力值的分载测量原理类似于对直流大电流的分流测量原理【2 1 2 2 】。 ( 1 ) 直流大电流的分流测量 在用电流表对直流大电流进行测量时，不可能直接对大电流进行测量，因此用电路 上的并联分流原理，即以与总电流值有确切比率的并联微小电流分量来度量总线上的总 电流大小。如图2 1 为大电流分流测量的物理模型【1 5 1 。 - f d f i f 图2 1 直流大电流分流测量物理模型 f i g 2 1 t h ep h y s i c a lm o d a lo f h e a v yd i r e c tc u r r e n tm e a s u r e m e n t 在图2 1 中，电蹯主回路中的电流i 等于流过分流电阻r d 的电流乃和流过检流计 r m 的电流厶之和，即 i = i d + l( 2 1 ) 且由并联电路分流原理 l = 舍l ( 2 2 ) 则可得 h 鲁+ 1 ) l ( 2 3 ) 一般情况下，有r d ，2 2 m m ，考虑空间尺寸的限制，则选取盖板1 的厚度为h t = 2 2 m m 。 其次，分载环壁厚c 对于分载情况也有很大的影响。 对于z 向载荷，分载比匕与分载环2 的刚度& 有关系，局越大则分载比如越小， 分载装置的分载效果越好。 对于横向( x 、载荷，分载装置就等同于分载环2 的弯曲刚度k w 2 与传感器的弯曲 刚度k w 3 并联，如下图所示。 大连理工大学硕士学位做 则有横向分载比为 旧 k 。 图35 传感器横向弹性模型 f i g3 5t a n g e n t i e ds t i f f n e s s m o d e lo f s e a t s o r 。：鲁；譬：每 1 e 只2 + c 3 丘耽+ 岛3 、。 由式( 3 3 ) 可知在传感器刚度一定的情况下，横向分载比 与分载环的刚度 凰2 成反比。盖板1 的厚度日以及传感器3 的高度飓是一定的，则影响。和b 的尺寸 主要有分载环2 的壁厚c 。 在a n s y s 中建立分析模型单元采用s o l i d 4 5 ，盖板1 以及分载环2 弹性模量为 21 x 1 0 ”p a ，泊松比为0 2 9 ，传感器为压电石英，弹性模量7 0 5 6 1 0 1 0 p a ，泊松比0 1 6 。 有限元模型如图36 所示。 桶 图36 传感器分载机构有限元网格划分 f i g3 6 f i n i t ee l e m e n t m o d e lo f l o a dd i s t r i b u t i o n m e e h a n i s r a 并驻式压电六维大力传感器的研究 改变分载环2 的壁厚尺寸c 的值，分两个载荷步：第一个载荷步在盖板上部中心位 置处施加z 向载荷2 0 0 0 0 n ：第二个载荷步在盖板上部施加x 向载荷8 0 0 n 。经过分析， 分别得f b 传感器3 上表面承受的z 向、x 向载荷丘与足。分析结果如表32 及图37 所示。 表32 分载环壁厚c 的变化及其对应的传惑器承受的载荷 t a b3 2t h e l o a da p p l i e do ns e n s o r v a r i e d w i t h l o a d d i s t r i b u t i o nr i n g s w a l l t h i c k n e s s c 图37 分载环壁厚变化对传感器承载的影响 f i g3 7 t h e i n f l u e n c e o f v a r i a t i o no f l o a dd i s t r i b u t i o nr i n g s w a l i t h i c k n e s so ns e t l s o r s l o a d 睁鼍 圈38 分裁装胃z 向加载自限元分析的等效应力分布 7 1 838 8 5 。”。i 。8 。4 1 5 1 。“! 。“1 8 。! 。“。”2 3 。6 1 。8 。“8 9 9 1 。 一 毛馨州瞄eh琶掌 大连理工大学硕士学位论文 由上分析可知，在盖板1 中心位置施加z 向载荷时，当分载环壁厚c 大到一定数值 时，它的变化对传感器承载的影响就很小了。分析结果显示，当c 大于l o m m 时，分载 置中传感器的承载就基本保持不变了，同时由图3 8 中的装置有限元分析的等效应力分 布情况也可看出，分载环主要为其内部有较大应力，即主要由其内部起分载作用，而外 面部分则作用不明显。因此若从增大分载装置的分载能力，减小分载比以及减少用料来 考虑，c = 1 0 m m 就为最优的选择。 综合上述分析，可以知道认为影响分载装置分载比的尺寸因素中，虽然盖板l 厚度 日和分载环2 壁厚c 的数值越大则分载装置的分载效果越好，但也并不意味着这两个 尺寸越大越好，实际应用中往往还需要考虑测试装置的外形空间尺寸限制和整体重量限 制的问题。经过之前的分析知这两个尺寸都是在一定的数值范围内才对载荷的分载比， 有较大的影响，超出一定的范围时，它们的影响就很小了。得出这种结果，对于我们以 后研究六维大力传感器有着很大的指导作用，能够使我们以较小的尺寸重量的传感器获 得合适的分载效果。 3 1 2 分载实验装置的线性分析 线性系统具有可叠加性的特点，因此若分载装置具有良好的线性，则能更有利的对 测试装置进行静态以及动态标定。 在a n s y s 中建立的有限元模型上施加一定的载荷，进行瞬态分析。在模型中的盖 板l 中心施加一个z 向载荷，5 0 k n ，分十个载荷子步，经过分析计算可得到对应的 传感器承受的z 向载荷变化。如图3 9 所示。 o1 02 03 04 05 0 z 向加载载荷f z k n 图3 9 分载实验装置z 向载荷加载情况 f i g 3 9 t h eo u t p u t so f e x p e r i m e n t a ld e v i c ew h e nz a x i sl o a di sa p p l i e d 4 2 o 8 6 4 2 o 至sn耀辐匣n似憾稚镣啦 并联式压电六维大力传感器的研究 分载实验装置z 向载荷的线性度为0 0 1 8 ，可见装置在z 向线性度非常好。 在实验装置盖板1 上施加z 向载荷，净2 0 k n 作为预载，然后在x 向施加载荷， 肛2 k n 。在第一个载荷步施加e ，第二个载荷步内施加以，并分为1 0 个载荷子步，分 析计算，结果如图3 1 0 所示。 z h “ 枢 锚 厘 g 削 瞄 稚 镣 啦 图3 1 0 分载装置x 向加载情况 f i g 3 1 0 t h eo u t p u t so f e x p e r i m e n t a ld e v i c ew h e nx - a x i sl o a di sa p p l i e d 由计算结果可知，在0 2 k n 载荷范围内x 向线性不好，线性度为1 0 7 8 ，分析原 因为模型接触面间的摩擦系数设为0 1 ，在x 向载荷较大接近2 k n 时，接触面间产生轻 微的滑移，使得装置各部分的受力发上扰动，表现为输出的非线性增大；在0 , - , 1 6 k n 载 荷范围内模型接触面间还处于完全弹性变形状态，故x 向输出线性较好，线性度为 4 7 5 。因此，x 向载荷的取值有一定的限制，不能过大，否则实验装置的线性度会很 j z lo 分载实验装置对横向载荷( x 、y ) 的测量是需要事先在轴向z 施加一定的预载荷， 因此不同的z 向预载荷对于横向的输出应该会有一定的影响。利用a n s y s 对模型进行 有限元分析，得出在不同的z 向预载条件下x 向输出的变化，x 向加载载荷都为1 0 0 0 n ， 并分5 个载荷子步分析。分析结果如图3 1 l 所示。 大连理工大学硕士学位论文 z 啬 【 枢 辎 叵 盆 似 幅 稚 趱 啦 x 向载荷f x n - - - 4 1 , - - - 1 0 1 d q 预载 + 1 2 5 k n 预载 + 1 5 k n 预载 * 1 7 5 l ( n 预载 + 2 0 l 【n 预载 图3 1 1 不同预载条件下x 向输出的情况 f i g 3 11 t h eo u t p u t so f x - a x i sw h e nd i f f e r e n tp r e - l o a di sa p p l i e d 表3 3 不同预载条件下x 向的线性度 t a b 3 1 3t h el i n e a r i t i e so f x - a x i sw h e nd i f f e r e n tp r e - l o a di sa p p l i e d 由分析结果可知，不同z 向预载也会对横向的输出产生影响。不同的预载荷则x 向的线性度不同，预载越大x 向线性越好，并且在x 向载荷较小时线性较好，越大则 非线性越大。这种结果也与前面的对横向输出线性分析结果相同，即z 向预载荷越大， 则横向输出的线性区域越大。 由此得出，为了使分载实验装置有较好的输出线性度，应该在装置强度及其他条件 允许的情况下施加尽量大的z 向预载。 3 1 3 分载实验装置的各向量程计算 分载实验装置横向( ) ( ，y ) 载荷的可取值大小主要与盖板1 和分载环2 、传感器3 接触 面间的摩擦系数以及实验装置z 向施加的预紧力大小有关。 盖板1 与分载环2 材料都为4 5 钢，之间的摩擦系数为，2 = 0 1 5 ；一般认为石英晶片 与金属的摩擦系数为i u l 3 = o 1 。设实验装置z 向施加的预紧力大小为，则由z 向载荷 分载比匕可分别得出分载环2 与传感器3 所承受的预紧力大小。 并联式压电六维大力传感器的研究 f p r c 2 = ( 1 一乞) ( 3 4 ) ，= 乞 ( 3 5 ) ，朋32 乞，胛 p ) j 则分载环2 与传感器3 所能提供的最大静摩擦力分别为 乃2 = 1 t 1 2 f p r e 2 ( 3 6 ) f f 3 = 朋3 3 ( 3 7 ) ， 2 朋3 ，删3 u ，j 则可得 孕：_ 1 1 2 f p , e 2 ：丝尘型 ( 3 8 ) 一= ：一= = 一 i j o - f ，31 3 j k 3 1 3 。 当在实验装置横向施加一个载荷b ，可由分载比如得出分载环2 与传感器3 所受到 的x 向载荷大小。 e ：= ( 1 - r ，) e ( 3 9 ) c 3 = 只 ( 3 1 0 ) 则有分载环2 与传感器3 的x 向载荷的比值为 孕：旦 ( 3 1 1 ) t 3 。 把各向数值分别代入式( 3 8 ) 和式( 3 1 1 ) ，若 垒 鱼 f f 3 f d 大连理工大学硕士学位论文 则传感器3 先于分载环2 与盖板1 的接触面间产生滑移，则横向载荷应该以传感器 3 与盖板1 之间的最大静摩擦力如为计算依据。 e 一乃3 ( 3 1 4 ) 联合上述式可以得出 e 嗽盟k( 3 1 5 )j m 戤一腓。， ，l 实验装置的z 向载荷的取值范围主要与分载环2 以及传感器3 的抗压强度有关，同 时还必须考虑事先施加的预载作用。4 5 钢的抗压强度 a 4 y = 2 5 5 m p a ，石英晶片的抗压 强度为【妒1 3 0 m p a 。量程计算一般是按照晶片的强度条件来进行的。若加载z 向载荷 为e ，则晶片承载为乃。 巴= 乞c ( 3 1 6 ) 晶片允许承载为乃： 乃- - h ，a ， ( 3 1 7 ) 其中4 为晶片的有效承载面积，妒1 8 2 - x * 5 5 2 = 2 2 8 9 7 m m 2 。 则为了安全测量，需要满足的条件是 兄2( 3 1 8 ) 其中口为过载系数，取a = 1 2 。 即有 乞c 比( 3 1 9 a ) c 业( 3 1 9 b ) 3 2 压电式力传感器的分载实验结果与分析 压电式力传感器的分载实验装置主要有压电石英式三向力传感器，分载环，上盖， 江苏联能电子公司生产的y e 5 8 5 0 型电荷放大器三台，d a t at r a n s l a t i o n 公司生产 的d t 9 8 0 0 系列高速数据采集卡以及与其匹配的d e w e s o f t 6 数据采集软件。该数据采集 并联式压电六维大力传感器的研究 系统适用于各种应用领域的数据采集、数据记录和瞬态信号记录等，有高达1 6 个高速 采集通道，具有对不同信号源以及各自不同的采样频率进行同时采集和存储功能等优 点。 3 2 1分载实验的实验过程 由前面分析可知，分载装置的输出主要与上盖1 、分载环2 的尺寸和预载有关。 实验用a e 5 8 5 0 型电荷放大器，实验输入载荷与输出电压的关系式为： = f a 。i s o s ( 3 2 。) 式中：u o ( r 放大器输出电压( m v ) 卜- 瑜入外载荷( 么【厂一电荷放大器输出放大( m v n ) & 厂_ 传感器灵敏度( p c m ) 一放大器传感器灵敏度( p c m ) 为了实验数据记录处理的方便，经常需要对传感器测试系统进行“归一化”调节， 使得电荷放大器各向输出的电压沂( m v ) 数值上与对应方向的输入载荷尺相等。即 警：孕：1 ，如：l m v n ( 3 2 1 ) f a us o u 、i 则有 s q s2 ( 3 2 2 ) 传感器分载比为 厂= 普告专专 2 3 ， ff s n f s n s ns ， 、 其中s q 为三向力传感器的灵敏度。由上式可知，传感器的分载比，等于放大器传感 器灵敏度与三向力传感器的灵敏度s q2 _ l p , 。其中放大器传感器灵敏度就为整个测试 装置的灵敏度，则测出整个测试装置的灵敏度以及三向力传感器的灵敏度，在通过式 ( 3 2 3 ) 就可得出测试装置的分载比的大小。 由上可知，为取得分载实验装置的各向分载比，可通过以下步骤： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) a e 5 8 5 0 型电荷放大器的输出电荷放大设为l m v u n i t ，传感器灵敏度设为 l p c u n i t ，下限频率设为l 档，上限频率设为1 0 0 k h z ； ( 2 ) 直接在压电三向力传感器上逐步施加载荷，信号通过电荷放大器输出，由数据 采集软件得到对应的电压输出。由此可得到三向力传感器在x 、y 、z 三个方向上单位 输入载荷对应的电压输出，即传感器电压灵敏度； ( 3 ) 在分载实验装置z 向逐步加载载荷，同步骤2 ，也可得出实验装置z 向的输入 输出情况，同时得出其z 向的电压灵敏度，代入式( 4 2 3 ) ，由传感器z 向电压灵敏度比 上分载实验装置z 向电压灵敏度可以得z 向分载比； ( 4 ) 在分载实验装置z 向加载一定的预载，逐步在x 向加载载荷，得出分载实验 装置x 向的电压灵敏度，再由式( 4 2 3 ) 得出x 向的分载比； ( 5 ) 同步骤4 ，即可得出y 向分载比。 3 2 2 分载实验的实验结果 具体的分载实验装置尺寸取上盖厚度h l = 2 2 m m ，分载环高度h z = 1 3 m m ，分载环下 部凸台高h = l m m ，压电式三向力传感器高度h 0 = 1 2 m m 。如图3 1 2 所示。 图3 1 2 实际分载实验装置结构简图 1 ) 加载块，2 ) 上盖，3 ) 压电三向力传感器，4 ) 分载环 f i g 3 1 2 s t r u c t u r eo fa c t u a ll o a dd i s t r i b u t i o nd e v i c e 1 ) l o a db l o c k , 2 ) u p p e rb o d y ，3 ) p i e z o e l e c t r i ct h r e e a x i sf o r c es e n s o r 4 ) l o a dd i s t r i b u t i o nr i n g 并联式压电六维大力传感器的研究 为方便配凑z 向尺寸关系，在上盖上增加了高为h = - l m m 的凸台。在理想情况下， 应该使得高度尺寸满足关系式：h z = h o + h 。但实际上由于机 - r 精度方面的影响，比如 上盖与传感器以及分载环接触面的粗糙度、平面度误差、上盖凸台高度h 和分载环高度 飓尺寸的误差等等，使这三个尺寸不能严格符合这个等式，如图3 1 3 所示为