一種四柱式結構的六維力傳感器

中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095

一、引言

六維力傳感器一直是國內外研究的熱點課題之一，專家學者對彈性體式六維力傳感器做了大量的研究探索。1974年，瑞士洛桑聯邦工學院通過測量的方式分析六維力傳感器研究的可行性，以應變片為敏感元件進行設計；由于當時還未普及微機，所以他們采用模擬方法計算分析該六維力傳感器的信號，實驗證明六維力傳感器能夠實現同時測量三維空間六個維度的力，但是由于該六維力傳感器結構龐大，未能廣泛應用[1-4]。1975年美國專家 P.C.Watson等人設計出一種由三根垂直筋構成其彈性元件的整體式六維力傳感器，該傳感器不但結構簡單，還具有較強承載能力和抗沖擊性，由于其靈敏度低，維間耦合大等缺點未能廣泛使用[5]。近年來國內傳感器研究成果也頗為顯著，黃心漢等研究設計出了非徑向型三梁的六維力傳感器[6]，袁哲俊設計出垂直筋結構式的六維力傳感器[7]，中科院合肥智能所研究設計了十字梁結構的六維力傳感器[8]，北大陳濱等還對Stewart平臺型六維力傳感器的設計方法進行了相關研究[9]，重慶大學秦嵐等研究設計了平板式壓電型六維力傳感[10]。

常用的六維力傳感器的結構形式可以分為 ：筒式、柱式、環式、懸臂梁式、十字梁式、倒T型等[11]。傳統的傳感器彈性體結構形式限制了它的使用范圍，故而研制高精度的六維力傳感器是傳感器技術發展的必然要求。

本文在現有研究基礎上提出了一種四柱式結構的六維力傳感器，該傳感器可以感知三維空間坐標系下X，Y，Z三個方向的力FX，FY，FZ和力矩MX，MY，MZ。該結構簡單可靠，具有良好的各向同性特性，單個方向測量精度小于0.1% F.S.，多方向交叉影響量小于3% F.S.。

二、六維力傳感器設計

在六維力傳感器研究中，彈性元件的結構設計是力傳感器的關鍵核心問題，因為彈性元件的結構決定力傳感器的性能優劣。影響多分量傳感器精度的因素有很多，其中最主要的因素是維間耦合。解決耦合問題一方面是采取電路或信號處理方法，另一方面是從傳感器自身結構上采取措施。從根本上講，維間耦合程度的主要影響因素是傳感器自身結構，因而，傳感器彈性體的結構選取十分重要。

目前，最常采用的六維力力傳感器結構有八正交梁結構的六維力力傳感器、筒形六維力力傳感器、盒式結構六維力力傳感器和基于斯特沃特（STEWART）平臺結構的六維力力傳感器等。

本文所描述的六維力傳感器采用一體化加工的四柱式結構，同時采用氬弧焊接密封和內部充氮等技術，使傳感器與外界空氣徹底隔離，具備優良的長期穩定性。這種傳感器和以上的傳感器比較具有外形結構簡單、加工容易、剛度大、線性、重復性和滯后誤差小、蠕變小、適合靜態和準靜態測量。另外，它還具有抗偏載能力、體積小、重量輕、便于安裝等一系列優點。

傳感器受力為如圖1所示的6個方向：軸向力FZ、側向力FX、橫向力FY、主扭矩MZ、側向扭矩MX、橫向扭矩MY。根據實際應用需求，傳感器量程范圍設計如下：

三、傳感器應變片的粘貼及電橋組成

利用有限元軟件對六維力傳感器彈性體進行載荷分析，確定結構的尺寸和在單分量力作用下結構變形最大區域。

設定邊界條件為傳感器下表面固定，在上表面均勻施加5×104N（約為5t）的拉力和沿圓周方向均勻施加12350N（約為500Nm）的力矩后傳感器結構的變形情況。圖2所示中間彩色區域變形最大（約為350N～160N）遠大于其他區域（約為32.5 N）。因此，在綜合受力狀態下，彩色區域為該傳感器結構的靈敏區域位置，也就確定了應變片的粘貼位置。

傳感器的應變片粘貼方式如圖3所示：傳感器在橫梁上，共粘貼28個應變片，組成6個電橋，共有6路輸出信號，測量電路全部采用直流對稱全橋測量電路，供橋電壓皆為10V。

表1 傳感器單分量測試進程讀數表（指示器：8845A；激勵電壓：10VDC）

四、實驗數據及分析

通過力標準機和扭矩標準機對六維力傳感器三個力值分量和三個扭矩分量進行單獨標定測試，以確定每個方向的輸出精度；通過力標準機、扭矩標準機、疊加機和杠桿砝碼等形式測試六維力傳感器的交叉影響量，以確定傳感器交叉影響量是否在預設指標范圍之內。

1、單分量測試數據

六維力傳感器三個力值分量（20t、8t、8t）用100t杠桿式力值標準機進行測試，三個扭矩分量（均為1000 Nm）用5000 Nm標準扭矩機進行測試，顯示儀表采用8845A。單分量測試數據如表1所示。

表2 各分量測試方法

2、交叉影響量測試數據

交叉影響量是多變量系統及多分量傳感器中普遍存在的問題，多分量傳感器受到設計原理、加工制造、布應變片等因素的影響，傳感器各種分量信號與傳感器輸出信號之間存在著不同程度的交叉影響量，進而影響傳感器的測量精度。本試驗考慮到實際測試時標準裝置可能會對六維力傳感器的交叉影響量帶來一定影響，故各分量選用測試方法如表2所示，試驗數據如表3所示。

3、實驗結果分析

通過試驗驗證，本文所設計的六維力傳感器單個分量精度較高，其中主方向FZ精度為0.05%F.S.，其它分量的精度為0.1%F.S.；各分量間交叉影響量較小，在0.1%F.S.～3%F.S.區間范圍內，基本達到預期設計要求。

五、結束語

本文設計了一種具有自解耦功能的四柱式六維力傳感器。該傳感器結構簡單，對稱性好，剛度大。根據傳感器的力學特性分析確定了彈性體的應變片粘貼和組橋方式，提出了各測量橋路的最佳貼片位置。最后通過試驗分析，得到了傳感器的單分量精度指標和交叉影響量。本文設計的六維力傳感器具有結構簡單可靠、測量精度高、各分量交叉影響量小等特點，具有較好的應用前景。

表3 試驗數據（指示器：8845A；激勵電壓：10VDC）

側向扭矩（MX）MX方向加載 MY方向 MZ方向 FX 方向 FY方向 FZ方向負荷（Nm） 進程讀數（μV） 進程讀數（μV） 進程讀數（μV） 進程讀數（μV） 進程讀數（μV） 進程讀數（μV）0-654 -1701 -254 4863 1084 1475 200 -1926 -1706 -277 4828 1076 1492 400 -3200 -1717 -296 4774 1101 1510 600 -4474 -1733 -314 4706 1124 1526 800 -5743 -1748 -336 4632 1165 1539 1000 -7011 -1763 -345 4555 1200 1553交叉影響量 1%F.S.1%F.S.1%F.S.0.5%F.S.1%F.S.橫向扭矩（MY）MY方向加載 MX方向 MZ方向 FX方向 FY方向 FZ方向負荷（Nm） 進程讀數 進程讀數（μV） 進程讀數（μV） 進程讀數（μV） 進程讀數（μV） 進程讀數（μV）0-1093 -95 -307 4882 1203 1475 200 173 -91 -330 4857 1180 1486 400 1437 -89 -352 4788 1150 1492 600 2704 -89 -374 4695 1121 1500 800 3967 -88 -392 4592 1083 1512 1000 5228 -89 -415 4500 1040 1521交叉影響量 0.1%F.S.1%F.S.1.5%F.S.1.5%F.S.1%F.S.