輪輻式壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化.pdf

1、隨著近代工業(yè)技術(shù)以及現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展和革新，自動(dòng)化作業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域的重要組成部分。無(wú)論是重載制造裝備，還是工業(yè)上常用的工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手，在其工作過(guò)程中都需要多維靈巧的操作能力和實(shí)時(shí)力反饋功能幫助其實(shí)現(xiàn)正確恰當(dāng)?shù)淖灾鞑僮?，而保證這一功能可以正確實(shí)現(xiàn)的核心結(jié)構(gòu)就是六維力傳感器。高靈敏度的六維力傳感器是機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)的重要組成部分也是不可或缺的部分，六維力傳感器的性能直接決定機(jī)器人的工作效率。
　　本文選用動(dòng)態(tài)測(cè)量性能及力反

2、饋性能較為優(yōu)異的壓電石英作為力敏元件，通過(guò)建模仿真技術(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)合并聯(lián)分載原理及多支點(diǎn)測(cè)量原理設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及機(jī)械手關(guān)節(jié)部分的輪輻式壓電六維力傳感器，并進(jìn)行了性能標(biāo)定及優(yōu)化。
　　首先，本文對(duì)三支點(diǎn)測(cè)量原理，四支點(diǎn)測(cè)量原理及五支點(diǎn)測(cè)量原理等進(jìn)行研究，推導(dǎo)出多支點(diǎn)測(cè)量原理及測(cè)量公式，結(jié)合多支點(diǎn)空間布局原理將四支點(diǎn)布局方式中的十字形布局及正方形布局進(jìn)行結(jié)合，提出一種新型的八支點(diǎn)空間布局方式并對(duì)其測(cè)量原理進(jìn)行了深入研

3、究。
　　其次，本文結(jié)合多支點(diǎn)測(cè)量原理及測(cè)量公式對(duì)力敏元件的疊放布局方式進(jìn)行了深入分析。基于壓電機(jī)理及壓電方程整合出一整套合理的石英晶組疊放布置方式，依據(jù)八支點(diǎn)空間布局原理，設(shè)計(jì)出一種無(wú)耦合現(xiàn)象的六維力測(cè)量方案及測(cè)量公式。
　　再次，本文通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和文獻(xiàn)檢索，考慮機(jī)器人及機(jī)械手臂關(guān)節(jié)尺寸及操作環(huán)境需要，結(jié)合八點(diǎn)支撐式空間布局方案設(shè)計(jì)出一種圓盤式壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)。通過(guò)參數(shù)化建模結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)，得出該結(jié)構(gòu)傳感器的性能指標(biāo)，圓

4、盤式壓電六維力傳感器可以有效完成六維力的測(cè)量，但是存在上下蓋殼體受力不均、力學(xué)傳遞效率較低、質(zhì)量過(guò)大以及固有頻率不足等缺陷?；谳p量化原則結(jié)合力學(xué)傳遞機(jī)理以及并聯(lián)分載原理，對(duì)圓盤式壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將圓盤力學(xué)分載機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)為輪輻式結(jié)構(gòu)，建模并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，輪輻式壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)力學(xué)傳遞性能得到了大幅度改善，上下蓋殼體受力一致，輪輻式并聯(lián)分載機(jī)構(gòu)作用良好，力學(xué)傳遞效率較高，同時(shí)固有頻率和靈

5、敏度也得到極大的提升。輪輻式壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)采用輕量化設(shè)計(jì)，大大降低了傳感器本身重量，減少了安裝后機(jī)器人以及機(jī)械手臂的工作能耗，提升了工作效率。輪輻式壓電六維力傳感器主要特點(diǎn)為:低能耗、高固有頻率、高靈敏度，同時(shí)具有高速測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量功能。
　　最后，本文對(duì)輪輻式壓電六維力傳感器進(jìn)行參數(shù)化建模，建立了力學(xué)模型以及參數(shù)化實(shí)體模型，并對(duì)其進(jìn)行六維力測(cè)量仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)合八支點(diǎn)測(cè)量公式對(duì)其進(jìn)行了性能檢測(cè)與量程合理化分析，計(jì)算出不同載荷下