力及其作用部位压差传感器及定位系统的研究.doc

燕山大学硕士学位论文力及其作用部位压差传感器及定位系统的研究姓名：张前申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：孙旭光20070401燕山大学工学硕士学位论文，；燕山大学硕士学位论文原创性说明本人郑重声明：此处所提交的硕士论文力及其作用部位压差传感器及定位系统的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字欢前日期：晰朗燕山大学硕士学位论文使用授权书力及其作用部位压差传感器及定位系统的研究系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：欢韵日期：砷年月扣日导师签名：割、千拉弋日期：柳年岁月卜日第】章绪论第章绪论课题的背景和意义气动技术发展概况气动技术是一门正在蓬勃发展的新技术，气动元件足气动技术中最重要的组成部分，用气动元件组成的传动和控制系统已广泛应用于国民经济各部门的成套设备和自动化生产线上。气动技术是以压缩气体（例如压缩空气或惰性气体和热气体）为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过程自动化的一门技术。它包含气压传功和气动控制两方面的内容，】。人类对空气进行利用，以其为传递能量的介质可追溯到几千年以前。但真正对其性质和基本原理进行系统的研究也是从本世纪开始，形成以气压传功系统动力学和气动控制系统理论为主要内容的一门学科一气动系统理论。目前，气动和液压足两种较为普遍应用的传动和控制方式，两者有许多相同点，也有许多不同点。气动技术真正为全世界各个工业部门所接受并广泛应用，是由于日益迫切的生产自动化和操作程序合理化的需要，也是由于气动技术具有以下许多优点：（）气动技术以空气为工作介质，空气随处可取，且粘性小，在管内流动阻力小，便于集中供气和远距离输送，因而，大多数工厂有方便的压缩空气气源。作为工作介质的压缩空气的物理性质。使气动技术在广泛的各种应用中有安全、方便和费用低的优点。压缩空气没有产生火花的危险，因此，它适于有易燃或爆炸潜在危险的工况。（）气动元件结构简单，价格低廉，用过的空气可囱大气排放，处理方便、不必使用回收管道。（）气动系统清洁，即使有泄漏，也不会像液压系统那样污染产品和环境，不受电磁干扰，电子系统则有之。燕山大学学硕士学位论文（）气动系统维护不复杂也不需要特殊的培训和试验设备。（）适应性强，现有的设备可方便的改为气动传动，气缸可以直接安装在要求出力的地方。（）便于进行能量储存，可以进行应急或系统需要用。（）气压传动本身有过载保护性能。气动执行元件能长期在满负荷下工作，在过载时会自动停止。（）气动元件运动速度高。普通气缸的运动速度一般为一，有的高达，高速气缸可达。据调查资料表明，目前气动装置在控制装置中占很重要的地位。现将其应用概述为以下几个方面。（）绝大多数具有管道生产流程的各部门往往采用气动控制。例如：石油加工、气体加工、化工、肥料、有色金属冶炼烧结，特别是在食品工业由于采用气动不会污染而得到广泛的应用。（）在轻工业中，电动控制和气动控制装置大体相等。在我国，已广泛用于纺织机械、自行车、手表、缝纫机等行业中。在交通运输中，列车的制动闸、货车的包装与装卸、仓库管理、车辆门窗的开闭等。（）在航空工业中，也得到广泛的应用。五十年代以前为减轻飞机的重量几乎全部用电子控制代替了气动装置，也随着喷气技术的支展，严重的问题不是“音障”（音速障碍）而是“热障”，当在度高温下工作时，电子控制装置已不能承受，必须用气动装置了。同样在火箭和导弹的自动装置中，由于飞行速度不断提高，温度也越来越高，所以气动控制装置在这些部门也逐渐被广泛采用。气动除能承受高温外还能承受很大的加速度。（）鱼雷的自动控制装置大多是气动的，因为以压缩空气作动力能源体积小、重量轻。（）在机械工业领域中也得到厂泛应用。例如：机床的程序控制、组合机床、轴承加工、汽车、农机等。此外在机械加工工艺的铸造、锻压、冲压等设备也都普遍应用。至于气动测量技术和各种风动工等当然也是气动技术应用领域的一个重要侧面了。第章绪论用射流元件组装的计算机虽然运算速度有一定的局限性，但在特定条件下还足有需要和可行的。当然，气动技术也有其缺点：（）生产压缩空气的费用高。（）由于空气的可压缩性大，使得工作部件运动速度稳定性差，要获得精确的进给运动是困难的。（）由于气压传动的工作压力远低于液压传动的工作压力，气动执行元件输出的力小。（）气动工作介质无润滑性能。气体排放时噪声大，需加消声器。（）气动信号的传递速度远比电信号低，而且有较大的延迟和失真，因而气动控制技术不宜用于高速传递和处理信息的复杂系统，而且气动信号的传送距离也受到限制。尽管气动技术上有一些缺点，但它的优点还是主要的；所以气动技术能在各个工业部门中得到日益广泛的应用。而气动元件更是一种经济实用的机械化、自动化的理想元件。现在，气动技术和电子电器、液压技术一样都成为自动化生产过程的有效技术之一，在国民经济建设中起着越来越大的作用。气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到年，却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广，发展最快，也最容易接收及重视的技术之一，气动技术已成为各个行业不可缺少的一部分。在国外，气动被称为“廉价的自动化技术”。微电子加气动技术的应用已成为现代化的一个重要标志。据统计：在工业发达国家中，全部自动化流程中约有装有气动系统。的包装机、的铸造和焊接设备、的自动操作机、的锻压设备和洗衣设备、的采煤机械、的纺织机械、制鞋业、木材加工、食品机械、的工业机器人由气压系统。美、日、德等国的气动元件销售平均每年增长超过。许多工业发达国家的气动元件产值己接近液压元件的产值，且仍以较大的速度发展。完全可以想象，类同“家用电器”，将来会出现“家用气动”这样的名词为人们熟知【】。气动技术由几个主要的历史发展阶段。至年代初，大多数元件从液燕山大学学硕上学位论文压元件改造或演变过来，体积很大。年代，开始构成工业控制系统，应用成体系，不再与风动技术相提并论。在年代，由于与电子技术的结合应用，在自动化领域得到广泛的推广。年代则是集成化、微型化的时代。年代末本世纪初，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，重复精度达的模块化气动机械手，低速平稳运行及高速运动的不同气缸相继问世。在与计算机、电气、传感、通讯等技术相结合的基础上产生了智能气动这一概念（气动比例与伺服、智能阀岛、模块化机械手。气动伺服定位技术可使气缸在高速运动情况下实现任意点自动定位。智能阀岛技术十分理想的解决了整个自动化生产线的分散与集中控制问题。现代气动的发展趋势是微型化、集成化、模块化、智能化【“。气动测量技术的发展气动测量是以空气作为介质，法国的量仪公司于年首先研制成功第一参气动量仪，从平面度和喷口面积的测量发展到长度尺寸的测量，其适用范围不断扩大。第二次世界大战大大促进了气动量仪的发展，气动测量系统能适用于炮孔、雷管和弹壳的检测，因此在工业中获得了广泛的应用。与此同时，改善气动量仪性能的研究工作也在欧美各国开展起来，许多成果在一些国家形成专利。利用空气流动时的特性，将被测尺寸等几何量的微小变化转换成空气流量或压力的变化来实现测量的。由于测量是利用空气作为中间介质传递被测量和测量仪器之间的信号，因此气动测量具有非接触测量的特点，可以用于精密测量，也可用于自动测量。由于气动测量具有一系列的优点，因此得到愈来愈广泛的应用。气动测量有很多种类，其中按工作原理可分为：流量式，压力式、背压式，差压式，流速式，真空式；按工作压力大小可分为：低压式，中压式，高压式，超高压式。气动测量的主要优点是：气动量仪可实现非接触测量，不会划伤被测工件表面，测量力很小；气动量仪传动比大、分辨率高。传动比通常在之间，最大可达数十万，而且分辨率可达到，精度也非第章绪论常高；可作一些特殊零件（如过小、过细的零件）和特殊部位（如深孔、小缝隙等）尺寸的测量。如讲以下的孔、矿加的轴和间隙的宽度等；中压工作压力以上的气动测量，能吹去附于工件表面的油、水、灰尘，具有自洁作用；可进行多参数和多点位同时测量；气动测头和气动量仪是分开的，可适当加长连接管的长度，方便的测量大型，重型工件上的某个部位的尺寸；可方便的实现各种自动测量；操作使用简单，测量效率高，成本低等。当然，气动量仪也有不足之处，如反应速度慢，动态性能较差，仪器长时间工作时示值的稳定性较差，离不开压缩空气，而气源不如电源方便。对空气的清洁、环境要求较高等，但只要合理设计和使用（如进行校准），这些不利影响是很小的。气动量仪在世纪年代末出现。年法国人梅纳逊（）在比利时王国申请了气动量仪专利，从此气动量仪作为测量的一种手段逐渐被人们接受并获得了广泛的使用。目前市场中已出现了不同工作压力、不同工作原理、不同组合方式的多品种、多系列的量仪产品。世界气动量仪使用大国如日本、美国、俄罗斯、德国等都在进行耨型气动量仪的研究开发工作。日本对气动量仪的研制开始于年代中期，主要是从美国引起专利和仿造外国产品。年代初期开始大量用于机械制造、汽车制造和电子工业中。到了年代中期限，就已向国外出售气动量仪专利了。年代中期，我国随着汽车拖拉机工业的建立，从苏联引进了落后的低压水柱式气动量仪。年代我国兴建了中原量仪厂，从日本引进了浮标式气动量仪。年代，我国第一汽车制造厂又研制成功一种新型气动量仪一流速式水柱气动量仪，使我国的气动量仪测量水平有了较大的提高和发展。尽管如此气动测量技术在我国还处于比较落后的状态。从国外所发表的专利来看，在前年代由于电动量仪的出现而使气动量仪的发展受到影响，几乎处于停滞状态。各种气动量仪在结构上都有所改进，但在性能上却没有什么新的突破。直至年，美国公司对背压式气量仪作了改进，并同时向五个国家申请了专利。燕山大学工学硕士学位论文气动量仪的发展方向主要表现在：（）气动量仪产品的发展具有“高”、“差”、“多”的特点“高”：是指气动量仪工作时压力高。工作压力由低压工作状态向高压工作状态发展，压力由近年普遍使用的提高到）。“差”：气动测量系统由单气路变为差动气路（高反压式）。“多”：指多测点测量。现在已有在一个气动量规上安装个测量喷嘴的气动量仪。（）气动量仪向扩大测量对象和使用领域发展通用和专用产品迅速发展，从孔径、长度的测量发展到零件的几何形状、角度、圆度等多种内容的测量，由机械行业扩展到化工行业、纺织行业及其它相关行业中。（）静态测量转向静、动态综合测量由于气动量仪对使用的条件要求不高，抗干扰能力强易于信息的转换，所以已发展成为工业生产在线检测仪器，可直接安装在加工机床上，按照被测零件的几何参数要求来控制机床的加工。（）采用机、光、电等多种原理对零件被测信息进行转换和处理由于气动量仪对被测信息的放大（从单级到多级）、转换和处理采用机、光、电技术，如气动机械式、气动光电式、气动数字式等，这些综合技术的应用，使得仪器的精度和性能得到很大提高。（）智能化气动量仪由于计算机技术的迅速发展和广泛应用及数据采集技术的成熟，使用计算机进行数据处理、误差补偿的智能化气动量仪将极大地提高气动测量的精度和使用范围。气动量仪具有非接触、高灵敏度、抗干扰能力强、易实现复合参数测量等优点，但传统的气动测量技术没有可供计算机接口的电信号，因此难以进行信息的存储、运算和处理【】。气动伺服技术的发展在电一气伺服控制系统理论方面国内外已开展了大量的研究。气动系统机理建模的研究开始于五十年代。年提出了基于气缸中微小变化的线性化数学模型，并对其进行了研究，这个模型的缺点是只适用于负开口的阀和气缸中点“。年发展了的模型，使它第苹绪论能适用于气缸的各个位置，然而是假设气缸两腔的压差为零得到的。对于高速机械像那些在玻璃产品生产和机器人应用中，缸行程的起始和终点瞬态特性具有重要意义。这类课题的主题是对缸的整个行程用一个模型分析，这个模型是基于机械和热动力学的基本原理。在文献【】中提出了对气动执行元件采用自适应控制，所设计的机械手的质点在其末端，支持手臂的力由气动执行元件产生自适应控制系统用于补偿定位的非线性，并且假设和其他状态变量相比手臂位置变化较慢，以保证有足够的时间适应这些变化。在文献中，对由有限容积储气罐和单作用缸组成气动系统的碎石机进行仿真。机械动力学分析包括活塞杆位移、速度、加速度，但没有考虑末端缓冲和行程粘性阻尼。在文献提出了气动执行元件直线运动的数学模型，并对预备阶段、运动阶段、停止阶段进行区分。模型简化成一个两质量和三弹簧阻尼系统并且在末端缓冲时的摩擦力比缸的其它位置高。文献中提出对于高性能的活塞控制系统，负载不能大于执行元件的，活塞杆速度超过时，负载要低于备用力的。大部分的气缸性能特性的文献都建立在热力动力学气体的分析，获得一系列非线性微分方程。大多数都假设进气压力为恒定，不考虑整个气动系统的压力波动。文献【】中用了气缸容积与储蓄罐容积比起来可以忽略不计的储蓄罐以保证压力的波动不大。在建立微分方程上考虑了储蓄罐、管道、阀、气缸缓冲的影响，微分方程为整个行程包括瞬态启动和缓冲。气动伺服系统本质上属非线性系统，一般在处理微分方程时，对某些参数进行线性化，因此存在着较大误差。气缸的摩擦力模型和流量模型是描述气动伺服系统的数学模型的重点，陶国良重点对的阀流量公式进行修正，研究了阀的压力一流量特性【气动比例伺服系统的性能虽然有赖丁二执行元件、比例伺服阀等系统构成要素的性能，但为了更好地发挥构成要素的作用，控制器的控制量的计算又是至关重要的。控制器通常以输入值与输出值的偏差为基础，通过选择适当的控制算法可以设计出不受被控对象参数变化和干扰影响，具有较强鲁棒性的控制系统。气动伺服系统在工作介质高温高压的条件下，更像液压伺服系统一样，燕山大学学硕士学位论文具有更高的固有频率，系统补偿和控制比较容易实现。但一旦以工业上的常规气源（通常，）为工作介质时，气压伺服控制系统就明显地暴露了固有频率低，阻尼比小和刚性差的特点，这给系统的补偿和控制造成了很大困难，因此从年代到年代末，气压伺服系统技术未能像液压伺服控制技术那样得到迅速的发展，应用实例也很少见。进入八十年代后，由于现代控制理论和微电子技术，特别是计算机技术的迅速发展，电子技术己经渗透到各个领域。同时在气动领域，执行元件和控制元件的性能有了很大的进展，不同形式气缸的润滑和摩擦特性显著提高，动态和静态性能更优，速度更快的控制阀己经进入市场，它们和微电子传感器技术结合更加紧密。气动元件的发展正逐步走向微型化、智能化、系统化，有力的推动了气动伺服控制技术的发展。近年来各国学者在各种新型气动元件的基础上，利用现代控制技术和方法，对电一气伺服控制技术进行了深入研究，涉及位置控制、力控制和速度控制等多种控制方式，为气动伺服控制技术的发展打下了良好的基础。目前，各种电一气伺服控制系统己成功的应用于机械手定位机构、气控的液压泵变量系统、食品机械、人造血泵、化学反应控制系统、包装机械、柔性抓取机构等【。本课题主要研究内容本课题的研究内容主要包括两方面：一是设计一种基于气膜承载压差放大原理的物体接触力及其作用部位的传感器。它可实现对软性和脆性易碎工件的不损坏抓取，通过检测软性工件所受的力，并按照力控的要求来抓取工件。此传感器是一种可提供柔性承载、并同时可测试出与工件间的接触力和接触部位的气动传感器。二是设计一套气动位置控制系统。它是在利用我校流体动力及控制实验室原有设备的基础上进行的一次新的试验改进。即采用可编程逻辑控制器及其上位控制软件如计算机语言等编制相应的计算机数据采集和控制软件，采用模糊控制策略，设计模糊控制器，来提高系统的动态性能和精度，用较低的成本实现气动系统位置控制。第章力及其作用部位压差传感器原理及设计第章力及其作用部位压差传感器原理及设计气动测量原理气动测量足以空气作为介质，利用空气流动时的特性，将被测尺寸等几何量的微小变化转换成空气流量或压力的变化来实现测量的。由于测量是利用空气作为中间介质传递被测量和测量仪器之间的信号，因此气动测量具有非接触测量的特点，可以用于精密测量，也可用于自动测量。由于气动测量具有一系列的优点，因此得到愈来愈广泛的应用。气动量仪的特点气动量仪利用压缩空气作为介质，由被测几何尺寸的微小变化而引起的气体压力（或流量）的变化来实现测量。以气体作为中间介质传递被测量和测量仪器之间的信息，使测量过程具有非接触的特点。另外，高压气源容易获得，气体的压力和流量的改变很容易转换为其它物理参数的改变。因此气动量仪具有很多不同于其它量仪的特点。（）气动量仪可实现接触测量和非接触测量气动量仪除了可以作长度参数的接触法测量外，还可以作非接触测量。特别是在被测工件表面不允许接触的情况下，采用气动测量尤为优越。如被测工件是非金属塑性材料、微型薄壁零件、软金属、巴氏合金轴承、电镀层、涂料层等，采用非接触测量则无测头的磨损和无测量力引起的接触变形的测量误差。（）传动比大、分辨率高计量仪器的传动比和分辨率是仪器的主要技术指标，一般仪器总希望有较高的分辨率和较大的传动比。随着传动比的增大，仪器的结构变得复杂，仪器的稳定性、失真度以及精度等都会受到影响。所以，一般光、机、电计量仪器的传动比大都在之间。而气动量仪的传动比却常在之间，最高可达数十万倍。其分辨率可达，仪器的精度也较高。（）可作特殊部位的测量常用的精密长度计量仪器，对于一般尺寸的测量是比较方便的。但是对于一些特殊零件（过小过细的零件）和特殊部燕山大学工学硕士学位论文位尺寸（如深孔、小缝隙等的测量采用气动测量尤为方便。如以下的孔，驴的轴和间隙的宽度，电子工业中电子枪阴栅距的测量（内部尺寸测量），常采用气动测量。（）澳量条件要求不高精密计量常常需要具有防震设备；为了保证供电品质，则要求有稳压和稳频装置；同时对测量现场的室温、气压、干湿度等也有一定的要求。另一方面，对于有爆炸性和放射性零件（如枪弹等）的测量，由于多种原因，常用仪器的使用受到一定程度的限制。气动量仪的使用条件则不受上述情况的限制，甚至被测零件表面的清洁度较差（如有灰尘或残油膜），测量的结果仍然有较高的可靠性。这是由于气动测量的高速气流具有“自洁”的作用。（）测量功能多样化气动量仪除了具有一般测量功能外，还可以对被测参数进行和、差以及均值的测量。（）可进行多参数和多点位同时测量气动量仪可同时对被测工件的数个参数进行测量，也可就同一参数在不同测位点同时测量。我国生产的型浮标式气动量仪可同时测量个点位。随着气动传感与不同转换原理的结合，测点的数目还可以进一步增加。目前国际上多点位测量的测点数己多达个。（）气动量仪具有通用性气动量仪的本体具有通用性，而气动测量装置则具有专一性。当气动量仪配上各种不同的气动测量装置后可扩大使用范围。如可作长度尺寸、形位、角度参数的测量。（）适合于远距离测量由于量仪本体和气动测头通过软空心导管相连，因此可以作远距离（）测量。如测量大型、重型工件上的某个部位的尺寸。（）综合多种技术，实现主动测量和自动化测量空气流量和压力的变化很容易转换成其它物理参数的变化，并可借助丁二电磁学、电子学、电算技术、射流技术等原理，使仪器既能显示测量结果义能控制加工机床，从而实现主动测量和测量的自动化。（）气动量仪操作使用简便、测量效率高当然，气动量仪也有不足之处。如仪器反应速度慢，动态特性较差，仪器长时间工作示值的稳定性第章力及其作用部位压差传感器原理及设计差，对空气的清洁、工作压力和温度要求较高。气动量仪设计必须遵循的几个原则一项工程设计是否合理，首先取决于设计思想，或设计原则。进行在线检测系统方案设计时，应优先考虑以下儿项主要原则。（）精确性原则检测的目的是要检出和测量某一物理量，把它与给定的量值及其公差相比较，得出被测量值的实际值是否符合公差要求的结论，为生产过程的决策（例如：产品是否合格或报废、测前工序是否要调整、测后工序要采取何种工艺措施等）提供依据。检测结果不精确，将会造成这些决策的错误，并影响生产的正常进行。因此，在线检测系统方案设计的首要要求足保证测量结果的精确性，这就是方案设计的精确性原则。与计量室计量检定或离线的检测比较，在线检测的精度要求有其共性和特殊性。共性是指测量精度都是由被测量公差范围大小来决定。即测量误差允许为被测量公差的。其特殊性是：一般计量室计量和离线检测是静态测量，且测量的条件较好，而在线检测多是动态测量，而且测量的环境较差，因而在方案设计时，要充分考虑动态测量误差及环境条件误差，尽量选择动态误差小、环境条件影响小的方案。（）气动测量的线性原则气动测量的线性是指仪器输出的变动量与引起输出变动的被测值的变动量之（仪器的放大倍数为一常数。气动测量的变换为线性关系可以带来很多优点，如非线性误差小、参数转换方便、制造和使用简单等。但是气动测量的线性受到仪器测量原理的限制，各种形式的气动测量都是非线性的。因此，必需要考虑测量系统的线性化。气动测量的线性化，主要是从仪器本体的结构设计、测头结构的设计、仪器静态特性区间的选择以及测量系统的调整等方面来实现。下面以高压气电式气动量仪为例来说明气动量仪的线性化过程，仪器测量系统的方块图见图。假定测量的传递过程是理想的。不计信息的损失，则有下列关系成立：啦（）（皿）必啦（）（）燕山大学学硕士学位论文（）（）其中丛、妒、甜、分别为输入间隙、测量压力、输出电流、输出电压的增量，、，、，为各对应部分的放大倍数。传感部分、气电转换部分、电压变换部分图气电转换式测量系统测量系统的总放大倍数为足：盟：坐坐鲨（）船或（）在设计中首先要保证测量间隙在气动特性的线性段，并使，否蔷西常数（）在，选择合适后（放大倍数，用精密电阻比例放大电路实现），整个系统的放大倍数为一常数，使测量实现了线性化。（）稳定性原则气动量仪的测量过程不仅是一个被测量与标准量比较的过程，而且也是一个物理量的转换过程。物理量的转换是气体状态的变化，为使这种状态的变化在规定的条件下进行，必须使它的工作条件稳定，无附加干扰（在确定的被测量值时，气体的状态参数不随时间而变化）。由于测量系统中的导管、容器和附设装置存在着气阻和气容，在实际的测量中，气体的状态参数，特别是气压、流量和流速将会发生振荡。为此，设计时应当尽量减少和防止发生振荡的因素，使用时也应首先排除它的影响，保证测量过程的稳定。（）实时性原则在线检测系统是生产线的一个环节，因此在线检测的效率必须与生产线的节拍一致，它进行的测量、数据处理以及控制，都应是实时的（），这就是实时性原则。在线检测中，除少数是抽样检查第章力及其作用部位压差传感器原理及设计外，大多数是对被测对象作的全部检查。如果工艺流程中，每个工件的生产节拍为。，那么每个工件的检测周期必须小于或等于，即珥。而检测周期实际上包括很多部分工作所需的时间，例如工件送入时间正、工件定位时间瓦、测量采样时间五、数据处理时间瓦、工件送出时间、控制动作时间瓦、机动时间乃等，因此有珞五正（）由于实时性的要求，因而在方案设计时应尽可能的采用自动快速的测量方法和执行机构或元件，简单快捷的数据处理软件，尽量避免人工操作造成的节拍不稳定。（）线长最短原则在线检测系统设计时，应选择线长最短的方案。所谓线长最短，不单指机电系统设备的几何尺寸的线长最短，而且指在确保精确度和可靠性的前提下，系统的组成环节应为最少，这就是线长最短原则。一般来说，系统越简单越可靠。在线检测系统的线长越短，可以使：测量误差因素减少，提高检测总精度；机电元器件减少，故障率降低，可靠度提高；环节减少，流程缩短，减少运行操作时间，提高系统实时性；降低系统硬件成本，提高设备的功能价格比和经济效益。气动测量要求测量链最短，同其它类型的仪器一样，是为了减少仪器本身带来的误差。同理，测量系统的最短气路要求，则是为了减少管路上的压力损失和漏气损失，同时起到减少管路气容、提高信号反应速度和加强稳定性的作用。（）阿贝原则在进行几何测量时，遵循阿贝原则可以消除测量方法误差。根据阿贝测量原则要求，被测工件测量点与测量仪器的接触点必须位于同一直线上。设计气动量规时要考虑实际测量是否满足阿贝原则的要求。（）其它需遵循原则其它在气动量仪设计时要考虑的原则还有：测量、定位和设计三基准统一原则；实验环境和工作环境相似原则；制造经济性和操作简单性原则等。燕山大学工学硕士学位论文力及其作用部位压差传感器工作原理分析机器人的软抓取功能是指机器人能根据被抓物体的重量、表面质量等因素，以适当的夹持力，在使被抓物体尽可能小的变形下，将物体抓起。机械手所抓取的工件相对于机械手而言有硬性的和软性的工件之分，对于硬性工件，由于采用比较柔性的机械手爪，例如，广为使用的气缸驱动的机械爪来抓取金属工件，其设计上常采用位置开关控制方式【“，即硬性工件限位机械爪的抓取方式来抓取工件。此种方式不会损坏所抓取工件；但对于比较软性、脆性的工件，例如，鸡蛋、水果等等的不损坏抓取，此种方式现在就行不通。软抓取（或无损伤抓取）技术是实现机器人智能作业的关键技术之一。这一技术的应用可以使脆性、易碎物品的无损伤抓取变为现实，极大地提高机器人的作业能力和作业水平【。”】。实现软抓取需要在机器人手爪上安装相应的传感器，又要实现手爪的精确位置和力伺服控制，特别对于气动伺服手爪，它的抓重范围一般都很大，而实现软抓取需要的夹持力一般义比较小，这给控制策略的设计带来了很大的难度。现在就介绍一种力及其作用部位压差传感器，它可检测工件所受的力，并且按照力控的要求来抓取工件，此传感器是一种可提供柔性承载、并同时可测试出与工件问的接触力和接触部位的气动传感器。传感器的组成结构力及其作用部位压差传感器主体由一块内板，上、下两块外板组成。内板和外板采用调整螺栓刚性连接，如图、图和图所示。其中，图位主视图，图位左视图，图为俯视图。内板上均匀分布有个孔使其以排列，用来安装出气喷嘴（组），另外在内板上还均匀分布有个孔使其呈分布，并且以上述个出气喷嘴为中心用来安装气压检测喷嘴（组）。内板内部是一个空腔，在通入压缩空气时可形成一个空气腔。内板一侧装有密封端盖，其上接有气源进气接头，与其相连的是气源发生装置；另一侧装有压力接头端盖，其上亦分布有个孔，其数量和气压检测喷嘴数量一致。每个孔上密封固定一个压力检测管接头。气压检测喷嘴的一端和连接软管第章力及其作用部位压差传感器原理及设计连接，软管的另一端和压力检测管接头连接，此压力检测管接头和压力接头端盖上的孔配合，并密封。压力检测管接头伸出压力接头端盖一侧并与带有数据采集卡的信号处理系统连接，如图所示。一连接软管压力接头端盖压力检测管接头密封圈螺钉上下外板内板一气压检测喷嘴（组）密封端盖气源进气接头图主视图剖视一出气喷嘴组调整螺栓图左视图剖视燕山大学工学硕士学位论文厶一豢一礅“图俯视图剖视差压传感器气电转换分析处理单元气源发生装置图传感器试验系统第章力及其作用部位压差传感器原理及设计传感器工作原理介绍工作时，压缩空气经由气源进气接头进入内板空腔，形成气室，并经过出气喷嘴排出，在外板内表面和内板外表面间形成工作气膜将外板浮起，该工作气膜同时经由外板侧端部排到大气中。在上、下外板和内板之间形成上、下两层气膜。气膜厚度在微米左右。当传感器一侧的外板（如上板）接触到工件，即有外负载作用时，由于挤压作用外板将上下移动，移动的结果是工件接触部位处的气膜间隙变小，产生的气压力增加，来平衡增加的外负载力，由于有上、下外板相连的调整螺栓的刚性连接作用，会使下方的外板和内板之间形成的气膜间隙增大，产生的气压力减小，此上端区域压力高，下端区域压力低的压力分布工作气膜对与工件接触的外板形成向上的气动作用力，该作用力动态平衡当时夹取工件所施加的作用力，使得以气膜承载处于动态平衡状态；另一方面通过检测安装在内板每处最高外表面区域和最低外表面区域的压力检测喷嘴（组），得到对应每个位置处的工作气膜上下区域部位的压差，实现了气动测微，该压差的大小与夹紧工件所施加的作用力为正相关关系。同时检测出每个对应位置内的压力检测喷嘴（组）压差，也就间接的测出了工件与传感器的接触位置分布。由于压力检测喷嘴（组）在内板上布置的是多组，构成了平面压差检测场，因此通过分析平面压差检测场所形成的压差信号的分布规律，即可分析出所检测物体作用于外板的哪个部位及其所作用力的大小。由工作原理可以看出，该力及其作用部位压差传感器是一种基于气膜承载的接触力及作用部位式传感器。因此它具有以下主要优点：一是采用气膜承载，可对软性或小强度元件产生不损坏抓取；二是采用了带有放大作用的气动测微工作原理，使得外负载力检测精度高。对应于内板的每个位置，由上下两只压力检测喷嘴检测工作气膜压差，比单只压力检测喷嘴测量压力的精度高一倍的，其原因是当上检测喷嘴的压力增加时，对应着下检测喷嘴的压力等值减小，这已经得到试验验证：实验亦已经证明，该压差信号在一定的载荷范围内适于在合成正比例关系，当标定好压差和载燕山大学工学硕士学位论文荷以后，安装在内板的气压检测喷嘴就会检测出气压差变化，并通过采集卡反映在计算机系统中。气动测微的背压敏感于被测物体与喷嘴间的微米。因此该气动传感器具有很高的检测精度。由于力及其作用部位压差传感器采用了气膜承载及提出的兼有放大作用的气膜压差测微原理，其气膜的刚度和气膜间隙可以通过调整气源压力及连接两快外板的螺母来调整，因此本传感器可适用于小强度或软性工件的不破坏接触力的检测，并可通过检测得出工件作用于接触板哪个部位。因此该传感器是一种采用气膜承载，并利用气膜压差测微原理工作的接触力和作用部位的气动式传感器。传感器结构设计特点分析由于传感器具有检测精度高、摩擦小等特点，关于这种传感器的设计本身就成为一项重要的研究任务，即做到对传感器的涉及参数进行合理的选择及搭配，在不降低检测精度的基础上，合理的利用现代机械加工方法来研制。（）传感器使用的材料传感器因所使用的压缩空气中掺有各种杂质，并且由于状态变化会有水分析出，内板和外板的材料选用不锈钢，以达到防锈的目的。考虑到气膜本身的性质，对空气的清洁度要有很高的要求。出气喷嘴和气压检测喷嘴均采用黄铜制成。其他的元件均采用标准元件包括螺栓，螺母，密封圈等【”。（）传感器检测间隙的确定传感器的检测间隙设计时可考虑为是一个给定量。该间隙的大小决定着检测范围，也直接影响着耗气量、承载能力、和加工的难易程度。检测间隙过大，耗气量会以指数形式增加，造成需要气源庞大，能量损失增加。间隙过小义会使得要求加工精度过高，给加工带来困难，甚至不能实现。因此，需要在加工的可能性和气耗的许可性两方面综合考虑，并通过实际的计算加以确定。根据现在了解的情况，在现有结构下，一般它在微米以下。（）喷嘴直径的设计在设计喷嘴直径之前，应先对供气压力进行确定。然后根据流体流动的连续性要求确定喷嘴直径。确定喷嘴直径和喷嘴第章力及其作用部位压差传感器原理及设计出口压力时，直径不能选得太小，使其喷嘴的工作不得出现阻塞流动，即喷嘴出口压力与喷嘴供气压力之比不得超过压缩空气的临界压比，超过临界压比喷嘴将会失去在外负载作用下的调节作用。喷嘴的形式采用带有气腔喷嘴，这种形式的喷嘴具有良好的气锤稳定性，作为检测元件具有良好的调节适应性能。力及其作用部位压差传感器的工作刚度与供气压力以及节流的形式有关。节流形式的不同直接影响检测喷嘴的工作刚度，只有合理匹配节流孔流阻和气膜间隙流阻，传感器才能具有一定的刚度。因此，节流孔的设计是传感器的设计关键。小孔节流形式是常见的一种节流形式，是使气体流经小孔而形成压力降的节流形式【“。小孔节流形式按节流截面形状不同可分为：简单孔节流和环形孔节流。节流截面是指气体通道中截面面积最小的地方。积：“露弋谢，（）（）图简单孔和环形孔节流器示意图图（）为简单孔式的节流孔，其节流截面为小孔横截面，面积蒯。它的数值不受气膜厚度的影响。图（为环形孔式的节流孔，其节流截面是以气膜厚度为高度的小孔圆周形成的圆柱面，面积为，为环形孔所在处的间隙。当蒯时，即时，小孔横截面的面积大于环形面积，则小孔横截面起不到节流的作用，而由圆柱面节流形成环形孔节流，它的数值受气膜厚度的影响。通常，简单孔节流给出的气膜刚度比环形孔节流大，这是因为它的最小节流面积的大小与间隙无关。而对于环形孔节流，当气膜两表面逼近时，环形面积减小，则下流压力的增大就不