中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100095

一、引言

六維力傳感器一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題之一，專家學(xué)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(lián)邦工學(xué)院通過測量的方式分析六維力傳感器研究的可行性，以應(yīng)變片為敏感元件進(jìn)行設(shè)計(jì)；由于當(dāng)時(shí)還未普及微機(jī)，所以他們采用模擬方法計(jì)算分析該六維力傳感器的信號，實(shí)驗(yàn)證明六維力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)測量三維空間六個(gè)維度的力，但是由于該六維力傳感器結(jié)構(gòu)龐大，未能廣泛應(yīng)用[1-4]。1975年美國專家 P.C.Watson等人設(shè)計(jì)出一種由三根垂直筋構(gòu)成其彈性元件的整體式六維力傳感器，該傳感器不但結(jié)構(gòu)簡單，還具有較強(qiáng)承載能力和抗沖擊性，由于其靈敏度低，維間耦合大等缺點(diǎn)未能廣泛使用[5]。近年來國內(nèi)傳感器研究成果也頗為顯著，黃心漢等研究設(shè)計(jì)出了非徑向型三梁的六維力傳感器[6]，袁哲俊設(shè)計(jì)出垂直筋結(jié)構(gòu)式的六維力傳感器[7]，中科院合肥智能所研究設(shè)計(jì)了十字梁結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)方法進(jìn)行了相關(guān)研究[9]，重慶大學(xué)秦嵐等研究設(shè)計(jì)了平板式壓電型六維力傳感[10]。

常用的六維力傳感器的結(jié)構(gòu)形式可以分為 ：筒式、柱式、環(huán)式、懸臂梁式、十字梁式、倒T型等[11]。傳統(tǒng)的傳感器彈性體結(jié)構(gòu)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(shù)發(fā)展的必然要求。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上提出了一種四柱式結(jié)構(gòu)的六維力傳感器，該傳感器可以感知三維空間坐標(biāo)系下X，Y，Z三個(gè)方向的力FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z和力矩MX，MY，MZ。該結(jié)構(gòu)簡單可靠，具有良好的各向同性特性，單個(gè)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(shè)計(jì)

在六維力傳感器研究中，彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是力傳感器的關(guān)鍵核心問題，因?yàn)閺椥栽慕Y(jié)構(gòu)決定力傳感器的性能優(yōu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，因而，傳感器彈性體的結(jié)構(gòu)選取十分重要。

目前，最常采用的六維力力傳感器結(jié)構(gòu)有八正交梁結(jié)構(gòu)的六維力力傳感器、筒形六維力力傳感器、盒式結(jié)構(gòu)六維力力傳感器和基于斯特沃特（STEWART）平臺結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，同時(shí)采用氬弧焊接密封和內(nèi)部充氮等技術(shù)，使傳感器與外界空氣徹底隔離，具備優(yōu)良的長期穩(wěn)定性。這種傳感器和以上的傳感器比較具有外形結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、剛度大、線性、重復(fù)性和滯后誤差小、蠕變小、適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)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(yōu)點(diǎn)。

傳感器受力為如圖1所示的6個(gè)方向：軸向力FZ、側(cè)向力FX、橫向力FY、主扭矩MZ、側(cè)向扭矩MX、橫向扭矩MY。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，傳感器量程范圍設(shè)計(jì)如下：

三、傳感器應(yīng)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(jìn)行載荷分析，確定結(jié)構(gòu)的尺寸和在單分量力作用下結(jié)構(gòu)變形最大區(qū)域。

設(shè)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(jié)構(gòu)的變形情況。圖2所示中間彩色區(qū)域變形最大（約為350N～160N）遠(yuǎn)大于其他區(qū)域（約為32.5 N）。因此，在綜合受力狀態(tài)下，彩色區(qū)域?yàn)樵搨鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)的靈敏區(qū)域位置，也就確定了應(yīng)變片的粘貼位置。

傳感器的應(yīng)變片粘貼方式如圖3所示：傳感器在橫梁上，共粘貼28個(gè)應(yīng)變片，組成6個(gè)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(jìn)程讀數(shù)表（指示器：8845A；激勵電壓：10VDC）

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

通過力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)和扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對六維力傳感器三個(gè)力值分量和三個(gè)扭矩分量進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定測試，以確定每個(gè)方向的輸出精度；通過力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、疊加機(jī)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(yù)設(shè)指標(biāo)范圍之內(nèi)。

1、單分量測試數(shù)據(jù)

六維力傳感器三個(gè)力值分量（20t、8t、8t）用100t杠桿式力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行測試，三個(gè)扭矩分量（均為1000 Nm）用5000 Nm標(biāo)準(zhǔn)扭矩機(jī)進(jìn)行測試，顯示儀表采用8845A。單分量測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表2 各分量測試方法

2、交叉影響量測試數(shù)據(jù)

交叉影響量是多變量系統(tǒng)及多分量傳感器中普遍存在的問題，多分量傳感器受到設(shè)計(jì)原理、加工制造、布應(yīng)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(jìn)而影響傳感器的測量精度。本試驗(yàn)考慮到實(shí)際測試時(shí)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)的六維力傳感器單個(gè)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(qū)間范圍內(nèi)，基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

五、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡單，對稱性好，剛度大。根據(jù)傳感器的力學(xué)特性分析確定了彈性體的應(yīng)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(yàn)分析，得到了傳感器的單分量精度指標(biāo)和交叉影響量。本文設(shè)計(jì)的六維力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、測量精度高、各分量交叉影響量小等特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)（指示器：8845A；激勵電壓：10VDC）

側(cè)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(fù)荷（Nm） 進(jìn)程讀數(shù)（μV） 進(jìn)程讀數(shù)（μV） 進(jìn)程讀數(shù)（μV） 進(jìn)程讀數(shù)（μV） 進(jìn)程讀數(shù)（μV） 進(jìn)程讀數(shù)（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(fù)荷（Nm） 進(jìn)程讀數(shù) 進(jìn)程讀數(shù)（μV） 進(jìn)程讀數(shù)（μV） 進(jìn)程讀數(shù)（μV） 進(jìn)程讀數(shù)（μV） 進(jìn)程讀數(shù)（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.