（机械电子工程专业论文）大量程六维压电力传感器标定系统的研究.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，体现了国家极端制造能力和制造水 平。在重载装备操作过程中，六维力测量以及实时的力反馈是实现多装备协调操作控制、 力顺应控制的基础。六维测量系统的核心部件为力传感器，基于压电效应的六维压电力 传感器，能够对空间力进行综合地测量。测量的前提是对其进行精确地标定。研究对其 进行标定的系统，对传感器的实际应用具有重要的意义。 本文在国家9 7 3 项目基金( 2 0 0 6 c b 7 0 5 4 0 6 ) 的资助下，从工程实际出发，针对六维 压电力传感器的向间耦合特点，以及巨型重载装备中的大力测量要求，研究了一套能对 大量程的压电力传感器进行六维标定的系统。 本文采用了蜗轮蜗杆以及滑动螺旋机构组合成力源提供者；采用t 型槽式的工作平 台，实现力源的水平面内的平移；通过升降板在竖直方向安置力源，由提升机构控制升 降，实现力源竖直方向的平移，由此建立了一套能对三维力进行标定的装置。同时，通 过对装置中的各主要部件进行计算校核以及应力和应变的有限元分析，验证了标定装置 的可靠性。在此基础上，设计了相应的转接架机构，以适应六维压电力传感器的移动与 翻转，研究出六维标定的方式，并选择合适的输出设备，从而搭建了一套大量程至 5 0 0 0 0 n 、大空间至5 6 0 x5 2 0 5 2 0 m m 的六维力标定系统。 本文通过实验对标定系统的不确定度进行了分析与计算。结果表明，标定系统具有 较低的测量不确定度，其良好的加载性能满足对压电力传感器进行标定的精度要求。对 于大量程力的测量，标定系统具有良好的标定性能，为六维压电力传感器实际应用提供 了可靠的依据。 关键词：标定系统；六维；压电力传感器；大量程；不确定度 大量程六维压电力传感器标定系统的研究 s t u d yo f c a l i b r a t i o ns y s t e mf o rh i g hm e a s u r i n gr a n g es i x - a x i s p i e z o e l e c t r i cf o r c es e n s o r a b s t r a c t 1 1 1 eg i a n th 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 n ，w h i c he m b o d i e sac o u n 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 d u r i n gt h e o p e r a t i o n a lp r o c e s so fh e a v y l o a do 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 n to fs i x a x i sf o r c ea n d r 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 dc o n f o r m a b l ec o n t r o l o fm u l t i p l ee q u i p m e n t s s i x a x i sf o r c es e n s o ri st h ec o r ep a r to ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m ， s i x - a x i sf o r c es e n s o rb a s e do np i e z o e l e c t r i c i t ye f f e c th a sag o o da b i l i t yo ft e s t i n gs p a c ef o r c e i tt a k e st h ea c c u r a t ec a l i b r a t i o na sp r e r e q u i s i t eb e f o r ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d y i n gt h ec a l i b r a t i o ns y s t e mf o rt h es i x - a x i sf o r c es e n s o r t h i sp r o j e c ti sf u n d e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 2 0 0 6 c b 7 0 5 4 0 6 ) f r o mt h ea p p l i c a t i o na s p e c to fe n g i n e e r i n g ，ak i n do fc a l i b r a t i o ns y s t e m w i t hh i g hm e a s u r i n gr a n g ei ss t u d i e dt os a t i s f yt h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ep i e z o e l e c t r i c f o r c es e n s o ra n dt h em e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t so ft h eg i a n th e a v y l o a do p e r a t i o ne q u i p m e n t i nt h i sp a p e r ，w o r ma n ds l i d i n gs p i r a lm e c h a n i s ma r eu s e dt oc o m b i n ei n t of o r c es u p p l i e r w o r k t a b l e 、析t htg r o o v ei sd e s i g n e dt oa c h i e v et h em o v i n go ft h ef o r c es u p p l i e ri nt h e h o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，a n dl i f t i n gm e c h a n i s mc o n t r o l st h el i f t i n go ft h ef o r c es u p p l i e ri nt h e v e r t i c a ld i r e c t i o n w h i c hi sf i x e do nt h el i f t i n gb o a r d c a l i b r a t i o ne q u i p m e n tw h i c hc a n c a l i b r a t et h r e e a x i sf o r c es e n s o ri se s t a b l i s h e d a tt h es a n l et i m e ，t h er e s u l to ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nc h e c kf o rt h em a j o rc o m p o n e n t so ft h ee q u i p m e n tp r o v e sg o o d r e l i a b i l i t yo ft h ec a l i b r a t i o ne q u i p m e n t a c c o r d i n gt ot h em o v i n ga n dt u r n o v e ro f t h es i x a x i s p i e z o e l e c t r i cf o r c es e n s o r ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o n n e c t i n gf r a m ei sd e s i g n e da n dt h ec a l i b r a t i o n m o d ef o rs i x a x i sf o r c es e n s o ri ss t u d i e d o u t p u td e v i c e sa r es e l e c t e dt oc o m p l e t et h ed e s i g n o ft h ec a l i b r a t i o ns y s t e m t h e r e f o r e ，s i x a x i sc a l i b r a t i o ns y s t e mw i t hh u g em e a s u r i n gf o r c e r a n g et o5 0 0 0 0 na n dh u g em e a s u r i n gs p a c er a n g e t o5 6 0 x5 2 0 x5 2 0 m mi ss t u d i e d t h eu n c e r t a i n t yo ft h ec a l i b r a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t i nt h ea r t i c l e ，a n dt h er e s u l ts h o w st h es y s t e mh a sag o o da b i l i t yo fl o a d i n gw i t hl o w t m c e r t a i n t y i tm e e t st h er e q u i r e m e n t so f t h ec a l i b r a t i o no ft h es e n s o rv e r yw e l l ，a n dp r o v i d e s ar e l i a b l eb a s i sf o rt h es e n s o r sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：c a l i b r a t i o ns y s t e m ；s i x - a x i s ；p i e z o e l e c t r i cf o r c es e n s o r ；h i g hm e a s u r i n g r a n g e ；u n c e r t a i n t y i i i 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： 作者签名： 大连理工大学硕十学位论文 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。 学位论文题目： 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课题研究的来源及意义 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“重载 大惯量装备的快速高精度协调控制 ，课题编号2 0 0 6 c b 7 0 5 4 0 6 。课题归属于巨型重载 操作装备的控制系统设计与传感技术领域，主要对巨型重载操作装备中操作臂所受的六 维力进行静动态精确测量，测量系统的核心部件为六维力传感器。本论文的主要工作是 设计大量程大尺寸的标定系统，实现对力传感器的六维标定。 在制造过程中，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。实时的六维力测量是实现顺应控制和多自由度协调控 制的基础。力传感器用来对六维力进行实时测量，为了能保证力传感器的精确测量，必 须对力传感器使用前进行精确标定。目前国内外还较少有能够实现六维传感器的大量 程、大空间标定的装置，因此对能实现六维标定的标定装置进行研究具有非常重要的意 义。 本课题中重点对六维压电力传感器的标定进行深入探讨，力求搭建实用的能对六维 压电力传感器的大量程、大空间的标定工作台，为六维压电力传感器的实际应用提供可 能，为重载操作装备中的六维力精确测量提供可靠的基础。 1 2 课题的研究背景 传感器是控制系统的重要组成部分。在重载操作装备操作过程中，六维力测量以及 实时的力反馈是实现多装备协调操作控制、力顺应控制的基础，因此六维大力测量必须 保证足够的精度。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l0 0 0 0 n 以上的传感器为大量程传感器，而重载制造装备中的大量程传感器最大额 定承载能力可高达1 0 0 m n 以上。为保证实际运用中大量程传感器的精确输出，须在大 量程传感器应用之前，对大量程传感器进行精确的标定。 六维力传感器在电子及工业领域中最重要和最有用的传感器之一，尤其是用来控制 机器人，以测量机器人所受的六维力、力矩信号。为了能够精确地测量力传感器所受的 力和力矩，必须对多维力传感器进行标定研究，研究简单、可靠、精度高的传感器标定 系统对于传感器的研制、生产和使用是必不可少的【h j 。 对于标定系统的研究，其最重要组成部分是标定装置。世界各国针对不同用途的力 传感器的标定装置均有一定的研究。韩国庆尚国立大学的相关研究者【5 j 设计了一种能同 大量程六维压电力传感器标定系统的研究 时加载多个力和力矩的标定台，该标定工作台不用改变工作台上的部件，能够方便地进 行六维力的加载，占地空问小，结构较紧凑。其实物如图11 所示。 图11a 维力力矩传感器标定台 f i g i 1 s i x c o m p o n e n t f o r c e m o m e n t m o r t e s t i n g m a c h i n e 但该装置以砝码作为力源，通过标定时的机构换位配合来实现六维力的标定。但标 定范围较小，最大能产生力5 0 0 n ，晟大能产生力矩5 0 n - m ，整个标定装置精度也高， 但无法进行大量程的标定。意大利g c o l o n e t t i 计量研究所( i m g c ) ”】的研究了类似的、具 体相对较低的相对扩展不确定度的标定平台，但是制作成本昂贵，占用空间大，并且在 施加力和力矩时需要不断地更换标定工作台的测试部件或者变换多维力传感器的固定 方式，更重要也是无法进行大量程的标定。 国内对传感器标定装置的研究开展的也较早，对于传感器的标定装置，主要有砝码 式、龙门式标定装置、测力环式以及千斤顶式等。其中，砝码式加载是使用最多的一种 加载试验台。合肥工业大学相关研究人员p 1 设计了砝码式试验台，如图1 2 所示。 大连理工大学硕士学位论文 葶暂 图1 2 砝码式标定装置 f i g 1 2 c a l i b r a t i o ne q u i p m e n tw i t hp o i s e 台湾逢甲大学8 1 研究了类似的砝码式标定装置，用于标定应用于脚部行走的力传感 器。标定装置以砝码重力产生的拉力作为力源，对传感器的各维通道力进行标定，如图 1 3 所示。 图1 3 力力矩的标定 f i g 1 3d i a g r a m so fc a l i b r a t i o nr i gf o rm e a s u r i n gf o r c e m o m e n t s 该装置通过砝码作为力源加载，能对传感器进行精确地标定，且标定步骤简单，具 有很好的操作性。内蒙古工业大学相关研究人员【9 1 研究了如图1 4 所示的基于砝码式的 标定装置。 粒 一 营 i ；风 ；i应 大晕程六维压电力传感器标定系统的研究 加载 图】4 六维力传感器加载试验平台 f i g 14 l o a d i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r m o fs i x - d i m e n s i o n f o r c e 辩n g o r 此外，燕【h 大学相关研究人员 1 0 - i ”也采用了类似的标定装置对力传感器进行标定研 究。砝码式加载具有精度高、砝码更换方便、便于加载等优点。但对于砝码式的加载方 式由于砝码的误差，摩擦力矩引起的误差以及实验台结构，制造，装配和调整等误差 的影响，砝码式加载的精度有待提高。要减小误差，应减小加载装中使用的定滑轮数目， 减短悬挂砝码所用绳子的长度，另外，还要提高实验台上每个零件的制造精度和实验台 的装配精度，否则，都会直接影响到标定的准确度。 涉及到力矩的标定时，砝码式加载方式更多的是通过滑轮的转向来标定，这样可以 扩大工作空间，同时为保持精度，必须确保各绳索段的水平或竖直，这在实际中将造成 很大的困难。另外，由于砝码自身重量的限制，无法对大量程的力进行标定，虽然可以 通过杠杆原理在一定的程度上将施加载荷放大，但这种方法加载精度不高，对传感器尤 其是多维力传感器各向力矩的标定不精确，可靠性也较低。可以说，这些缺点，正是砝 码式标定方式一直用于中小量程，小尺寸传感器的标定的主要原因。 针对砝码式标定装置不适合大量程力的加载，浙江大学相关研究人员1 1 4 设计了一种 龙门式的并联六维力传感器标定装置，如图15 所示。标定装置只有一个力源，可对力 传感器尤其是六维力传感器进行广义加载，并进行系统的标定。装置采用大速比蜗轮蜗 杆减速机来施加载荷，以绳索上附着的应变片检测所施加力大小。整个装置结构简单、 操作方便、制造成本低，为并联六维力传感器的加载与标定提供了实用、可靠的标定装 置。 大连理工大学硕士学位论文 图1 5 龙门式标定装置 f i g 1 5 c a l i b r a t i o ne q u i p m e n tw i t hs t r a i ng a u g e 该装置虽然能够能并联六维力传感器进行标定，但其标定的所施加的力都是复合 力，并不是标定所需的真正单维力，这对存在向间耦合的力传感器，尤其是本课题所采 用的压电力传感器，将很难对其完成标定。虽然可以理论上的解耦分析，但从复合力反 算出单维力的解耦分析已失去了基本的六维标定意义，产生的误差也是无法评估的。 由大连理工大学机械学院传感测控研究所相关研究人员【1 3 j 研制出的多功能测力仪 标定加载器可以力传感器进行六维标定。该装置通过螺旋传动加载，并由测力环来显示 出力的大小，有效的消除了中间机械传递环节造成的误差，如图1 6 。 二逶恩阿 1 l吲l 项辜直 髟纠j 助 i 【节| 图1 6 多功能测力仪标定装置 f i g 1 6 c a l i b r a t i o ne q u i p m e n tw i t he r g o m e t e r 一5 一 大量程六维压电力传感器标定系统的研究 该加载器不仅能对三个方向同时施加力载荷，而且还可以施加力矩载荷，从而可以 进行三坐标测力仪的标定，具有精度高、操作方便、结构简单、性能稳定可靠等特点。 但该装置为了保证足够的精度，每隔一定周期需到计量局对测力环进行校正；装置 加载范围有限，其对小量程的多维通道力、力矩单独标定易于实现，且精度较好，但却 无法进行大量程的多维通道力、力矩标定；且工作台空间尺寸有限，无法对大空间的力 传感器进行六维标定。 此外，基于测力计结构的还有哈尔滨工业高等专科学校的相关研究人员等【1 4 1 。 浙江省计量科学院相关研究人员l l5 j 以单向力传感器代替测力计，设计了可对三向力 传感器进行标定的装置，其结构示意如图1 7 所示。 图1 7 三向力传感器的标定装置 f i g 1 7 c a l i b r a t i o ne q u i p m e n tf o rt h r e e c o m p o n e n tf o r c es e n s o r 该装置能较轻易地实现对三向力传感器的标定，但量程小，空间尺寸窄，无法实现 大量程、大空间的标定。中国科学院合肥物质科学研究院研制的种用于六维力传感器 的标定装置【1 6 】，结构如图1 8 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图1 8 千斤顶式标定装置 f i g 1 8 c a l i b r a t i o ne q u i p m e n tw i t hj a c k 该装置由四个千斤顶进行载荷的施加，通过千斤顶以及传感器体的位置变化实现各 个力和力矩分量的独立加载。其加载帽与加载板刚性接触，通过标准单向力传感器测量 实际所施加的力大小。虽然该装置每次加载都必须移动和固定各个千斤顶的位置，以适 应各维力力矩的标定，但总体而言其使用简单、操作方便、易于标定，适合大量程、大 空间六维力传感器的标定和测试。但唯一不足之处在于该装置无法单纯地加载力矩，这 将给所标定的数据处理带来很大的困难。 随着传感器的应用越来越广泛，人们在机器人领域对多维大量程传感器的研究也越 来越深，并取得了一些可喜的成果。随着科学技术的迅猛发展，六维力传感器的应用已 不再仅仅局限在机器人领域，许多科学技术领域都采用六维力传感器作为其测量手段。 六维力传感器被广泛应用于精密装配、自动磨削、轮廓跟踪、双手协调、零力示教等作 业中【4 j ，在航空、航天及机械加工、汽车等行业中亦有着广泛的应用。随着其应用领域 的不断拓宽，其研究价值越发显著，为了适应各行业对六维力传感器的需求，研究能对 传感器进行六维标定的标定装置也成为必须。 1 3 课题研究的主要内容 根据大连理工大学机械学院传感测控所长期地对压电石英传感器的研究成果，结合 项目的实际需要，依据现有的压电力传感器，重点研究大量程、大空间的标定装置，以 完成六维压电力传感器应用前的标定，并对标定装置进行不确定度的综合评价，为大量 程传感器的标定提供平台。本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析六维压电力传感器的标定特点，确定对压电力传感器进行标定所需的条件； 大量程六维压电力传感器标定系统的研究 ( 2 ) 设计大量程、大尺寸的标定系统。其包括大量程的产生机构，具体标定的可操 作性，标定装置的空间合理布局，标定方式的设计以及输出设备；并对各主要机构进行 必要的强度和刚度的校核； ( 3 ) 分析标定系统的性能，以及其产生测量不确定度的影响因素。通过实验求出各 种影响因素对标定系统的不确定的影响，并对这些因素进行综合分析；确定标定系统的 测量精度，并提出合理的改进的措施以减小其测量不确定度。 大连理工大学硕士学位论文 2 总体方案选型 21 压电力传感器 标定的六维压电式力传感器是以多组压电石英为力敏元件，利用石英的压电效应而 制成。它可以对任一个空间力进行测量，分解到三个坐标轴l 输出，也可对更为复杂的 由多个不同方向的力和力矩组成的力系进行综合测量【1 丁。六维压电力传感器在工业领域 中有着非常重要的作用并广泛地使用着，尤其是应用于机器人手臂的六维力测量。传感 器安装于机器人手臂处，用来检测机器人工作时，机器手与外部工件之间的六维力的作 用关系，为实时控制机器手的动作提供有效的反馈信息陋1 9 1 。 所需标定的六维压电力传感器量程为3 0 0 0 0 n ，其测量的不确定度要求为1 。传 感器结构示意如图2 1 所示。 图2i 六维压电力传感器 f i g2 1 s i x * c o m p o n e n ! p i e z o e l e c ”i c i l y f o r c es e r j s o r 由图可知，六维压电力传感器由石英晶片组、上盖、下盖及预紧螺钉等组成。基于 石英晶片的纵向效应、横向效应以及剪切效应7 l ，再配合上各石英晶片组的空问布局， 压电力传感器可实现对六维力的测量。 基于压电效应的六维压电力传感器在某一方向的进行标定时，可能会对其他方向造 成一定量的向间千扰，这对传感器的测量精度造成一定的影响，但可从晶片的选型和制 作工艺上加以改进以减小向间干扰。而如果对传感器进行复合力标定时，各向间干扰将 会互相影响及衍生出更大干扰，从而无法评定单方向对其他方向的干扰程度，这对传感 大量程六维压电力传感器标定系统的研究 器的精确标定带来极大的困难。因此，为保证压电力传感器在实际中的精确输出，必须 对其进行纯的六维空间标定，且在力矩标定时力臂必须尽量相等。 2 2 标定装置设计的难点 压电力传感器是工业实践中最为常用的一种力传感器，其广泛应用于各种工业自控 环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、 电力、船舶、机床、管道等众多行业。良好的静态性能和动态性能，是力传感器的应用 前提【2 0 埘1 。 由前节分析，为满足对巨型重载装备中实用要求，需要大量程六维压电力传感器， 而对其进行精确的标定，需研制大量程、大空间标定装置。有以下几个难点： ( 1 ) 具有大量程，通常在1 0 0 0 0 n 以上； ( 2 ) 需具有大的标定空间( 5 0 0 x 5 0 0 x 5 0 0 m m ) ； ( 3 ) 能满足对六个方向( eeem ，m ，m ：r ) 进行单纯的加载； ( 4 ) 要有较好的加载精度和重复精度； ( 5 ) 结构简单、紧凑，操作方便等。 2 3 方案设计 在传感器的应用之前，不管是对基于压电原理的压电力传感器，还是应变式力传感 器，或是其他力传感器以及测力装置，都需对其进行性能测试。简单、实用的标定，是 采用施力装置对力传感器的各个方向进行加载，以标定其各方向的输出性能。因此，标 定是在力传感器制作和应用之前的一个必不可少的环节。 对于现有的标定装置多功能测力仪标定加载器( 图1 6 ) 因标定量程小，无法实 现对项目所需的六维大量程传感器进行标定，故需设计大量程、大空间的标定装置。针 对项目要求，本章从力源的数量以及力源的产生原理两方面进行考虑，提出几种可能的 标定装置方案，并对最终的方案进行确定。 单力源标定方式是指采用一个大量程的力源，通过结构分解对六维压电力传感器进 行各个方向的标定；多力源是指通个多个力源以及其空间合理布置，来完成对传感器的 六维标定。 大连理工大学硕士学位论文 231 单力源标定装置 以单力源作为标定装置的输入动力，要求其具有大量程及高精度。由于砝码的白重 限制，本处不采用砝码作为力源，而选用合适量程的电子试验机，进行标定装置的设计。 试验机如图2 2 。 图22 电子试验机 f i g2 2e i e c t r o n l c t e s t i n g m a c h i n e 该电子试验机具有大量程5 0 0 0 0 n 、高精度05 、电控加载、工作行程大、小变 形等优点。为了能实现由单力源对压电力传感器进行六维标定，需设计工作平台及转向 机构，改变力的方向，实现力和力矩的标定。 ( 1 ) 仿龙门式的标定装置 为实现力的转向，初步设计了仿龙门式标定装置。该种标定装置是基于浙江大学相 关研究人员设计的并联式六维力传感器标定装置】改进而成的。由于参考结构虽然能进 行大量程和太空间的加载，但无法加载纯的力，故只需对其进行一些结构的设计改进， 使其能满足纯的六维力的加载，以试验机作为力源，实现标定所需的功能要求。粗略设 计出基于单力源的可进行六维力传感器标定的装置方案原理如图23 所示。 其中电子试验机作为力源提供机构安置在该测量平台的右边。标定原理是通过各 滑轮，将从传感器结构体中拉出的钢丝绳牵引到试验机工作端的不同夹具上，进行各个 方向的标定。为实现力矩的加载，设有转向管作为转向机构，具体如图2 4 所示。 大量程六维压电力传感器标定系统的研究 1 ) t 型基座2 ) 传感器结构体3 ) 滑轮4 ) 试验机5 ) 立柱 图23 仿龙门式标定装置 f i g 2 3c a l i b r a t i o ne q u i p m e n t i m i t a t i n g t h es a l n g a u g e 1 ) 传感器 f i g2 4 2 ) 标定杆3 ) 转向管4 ) a h 滑轮 图24 转向机构示意图 s c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e “m 岫gs t b l c t t l r c 大连理工大学硕士学位论文 如图2 3 和图2 4 所示，标杆上的孔和与其相对应的滑轮底端在同一水平面内或竖 直方向上，钢丝绳穿过标杆上的孔之后，水平或竖直地经过滑轮和转向管，后连至拉压 机拉伸输出末端，实现指定方向力的加载。标定原理为： 对e 标定：由x 方向的标定杆引出钢丝通过滑轮d 后，成水平方向，再通过滑轮g 引至试验机； 对f ，标定：将传感器及其固定机构旋转9 0 度，原理同e ； 对f 标定：直接由试验机进行加载； 对m ，标定：从同一方向的两个标定杆中同时引出钢丝绳，一头经过转向管后，从 竖直方向转变为水平方向，经滑轮e 上h 至拉压机；另一头经过滑轮b 和f ，也由竖直 方向转变为水平方向至拉压机的特定夹具上，完成对x 方向的施加弯矩； 对m ，标定：将传感器及其固定机构旋转9 0 度，原理同m ，； 对m ，：从同一方向的两个标定杆中同时引出钢丝绳，一头滑轮a 和f ，一头经过滑 轮e 和h 后，均成水平方向地拉至拉压机的特定夹具上，以完成对z 方向的扭矩标定。 这种标这机构从原理上可以进行对纯的六维标定，且满足大量程和大空间要求，但 实施起来却有相当大的困难：标定为大量程，对立柱和滑轮这样的零件，其强度和钢度 较难满足安全要求；较难保证加载方向的水平或垂直；机构相对比较冗繁，传递路线过 长，不确定度大，中间的摩擦不可忽略，力的损失较大，影响标定精度；由于试验机的 系列化，造成平台与试验机间的联接较为困难，难以实现整体的固定。 ( 2 ) 扁担式标定装置 考虑到以上装置结构不紧凑，传递路线长、结构强度弱以及平台较难固定等缺点， 还设计了扁担式的单力源标定装置。 该装置以电子试验机作为力源，产生输入的标准载荷，以钢丝绳作为力的传递介质， 并设计转向机构以实现力的转向，以及设计加载各方向时的所需的固定机构。整体装置 以一个扁担式的厚板为工作平台，作为压电力传感器及其固定件的安放基体，设计的原 理结构如图2 5 所示。 大量程六维压电力传感器标定系统的研究 1 ) 电子试验机2 ) 拉轩3 ) 转向机构组4 ) 扁担5 ) 传感器体6 ) 标定块 目25 扁担式标定装置 f i g 2 5 c a l i b r a t i o ne q u i p m e n t w i t hs t r e t c h e r 图25 所示为进行弯矩标定的示意图，扁担式机构提供工作平台；钢丝绳用来实现 力的转向与传递等；拉杆用来与钢丝绳相连，钢丝绳两端分别连接受力的两端，从而实 现力矩加载时的两端受力相等，电子试验机提供力源。 其标定原理可简单描述为： 轴向力标定：卸下拉杆直接由试验机进行加载标定； 径向力标定：从标定块拉出钢丝绳经转向滑块3 c 后与拉杆相连进行标定； 扭矩标定：将转向滑块3 a 和3 b 移除，换之以3 c ，从标定块引出的钢丝绳经两转向 滑块3 c 后绕在拉杆上，配合转向机构组的移动配合，从而实现扭矩的标定； 弯矩标定：如图2 5 所示。 标定块是该方案最重要的部分，铜丝绳从其上引出来实现各个方向力和力矩的加 载，结构上需要加工各种转向孔，对单向零件的要求很高；扁担板与两端基体需要以一 定的方式联接，扁担式结构需固定在地面，必然对工作环境提出不少要求。 大连理工大学硕士学位论文 此外，上述两种单力源的结构都有以下难以克服之处： ( a ) 当在进行弯、扭矩标定时，为了保证产生两个力矩的两个力的协调性，须对单 力源进行分力操作，采用钢丝绳能很好地解决力的传递问题，但钢丝绳与其他机构的摩 擦将影响标定时的精度； ( b ) 在进行力的标定时，要求钢丝绳从标定杆或标定块引出并经滑轮或转向块后， 输出方向严格水平或竖直，在实际操作中很难保证精度；即使能保证，在工作时，尤其 是承受较大的力时，因受拉压而产生的变形也会造成标定方向的偏移，且钢丝绳与试验 机工作端固定困难； ( c ) 两条钢丝绳通过各滑轮后引至试验机拉伸末端处，钢丝绳与试验机互成一定斜 角，连接困难较大；并且试验机将受非竖直的力，而实验所需的真正标定力只是试验机 示值的一个分力，为显示真实的受力，需在钢丝绳上添加适量应变片； ( d ) 由于单力源，为标定力矩设计的力分解机构占用空间大，使得整体结构不紧凑， 较难满足刚度和强度的要求。 综合所述，采用单力源标定装置能够轻易地实现力的标定，但对于力矩的标定，较 难实现，从而不能对六维压电力传感器进行精确地标定。因此，需考虑采用多力源标定 装置以进行压电力传感器的六维标定。 2 3 2 多力源标定装置 多力源标定装置是指采用多个力源以产生输入力，对压电力传感器进行六维标定。 各力源单元之间通过空间的移动配合，可较易地来实现力和力矩的加载，故不能再采用 类似前文所述的电子试验机等系列机构作为力源，需设计比较轻巧、易于移动且操作方 便的力源。 ( 1 ) 液压式力源 液压技术在各个领域中的应用越来越广泛，液压系统已成为设备中最为关键的部分 之一。液压传动具有体积小、重量轻；可实现无级调速；换向容易；液压元件标准化、 系列化；便于设计；操纵简单；易实现过载保护以及大量程的输出【2 2 】。基于液压的以上 优点，本处设计一套液压系统作为力源，其工作原理如图2 6 所示。 大量程六维压电力传感器标定系统的研究 图2 6 液压系统工作原理图 f i g 2 6 t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fh y d r a u l i cs y s t e m 该套液压系统原理类似于千斤顶，为实现大量程的输出，采用小排量，大液压，对 液压缸及油管接口的封闭性有较高要求；采用手动泵，均匀地控制力的输出，实现精确 标定；三位四通电磁阀用于系统的加载、保压和卸载；溢流阀用于提供油压过载保护； 为提供的大量程的力，采用较高的油压。为实现压电力传感器的六维力加载，可配合多 套液压力源的空间移动以完成。 但采用液压力源有以下几个不足之处【2 3 】： ( a ) 系统维护的要求高，工作油要始终保持清洁； ( b ) 对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高，且维修较复杂； ( c ) 实现活塞杆大的位移，即工作行程，需要做大量的加压功，由于加载的力量程 较大，工作所需时间较长，这对于大量程的压电力传感器的标定将是一件即耗时又费力 的作业； ( d ) 压电力传感器是精密的测量仪器，对标定环境有一定的要求，定期的油液更换 以及可能出现的油的泄漏将严重影响到传感器的实际使用与标定；且由于油液的缓冲， 将造成标定时加载的延迟，以及回程测量时的迟滞，无法对压电力传感器完成精确的六 维标定。 ( 2 ) 机械式力源 大连理工大学硕士学位论文 机械式力源是指采用合理的机械传动作为增力机构，利用机械方式传递动力和运 动。机械传动在机械工程中应用非常广泛，形式多样，主要可分为两类：( a ) 靠机件间 的摩擦力传递动力和运动的摩擦传动，包括带传动、链传动和摩擦轮传动等。摩擦传动 容易实现无级变速，大都能适应轴间距较大的传动场合，过载打滑还能起到缓冲和保护传 动装置的作用，但这种传动一般不能用于大功率的场合，也不能保证准确的传动比；( b ) 靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动，包括齿轮传动、 链传动、螺旋传动和谐波传动等。啮合传动能够用于大功率的场合，传动比准确，但一 般要求较高的制造精度和安装精度【2 4 1 。 利用机械传动机构能较容易地实现力的输出。齿轮机构以及蜗轮蜗杆机构虽然要求 有制造精度，但其能够很好地实现力的传递，且易于空间的布局，结构稳定，对环境影 响较小，再配合其他的机械机构，即可实现对压电力传感器的六维标定。 2 4 方案确定 综上所述，采用单力源的方案对六维压电力传感器进行标定，难以实现力的均分及 转向，无法对力矩进行精确地标定，且造成空间的浪费，使结构不紧凑，刚度和强度难 以保证；多力源在空间上易于实现，尤其是机械式的力源，能精确地实现力和运动的传 递，紧凑的结构，合理的刚度和强度使得机械式传动在工程中应用广泛，且对环境造成 的影响较小，工作寿命长，实现起来方便。故本课题设计基于机械式多力源的标定装置， 以对压电力传感器进行六维标定。 大量程六维压电力传感器标定系统的研究 3 标定系统的研究 标定系统不仅需提供六维压电力传感器标定时所需的力和力矩，且需提供传感器标 定的空间及辅助支撑以及输出设备等。标定装置包括力源机构、工作平台、辅助机构等。 本章将从六维压电力传感器的角度出发，对标定系统的各环节进行设计。为满足大量程 的输出，以及标定系统的更大范围的应用，标定系统设计要求如下： ( 1 ) 提供大量程至5 0 0 0 0 n ( 2 ) 能提供5 0 0 x5 0 0 x5 0 0 m m 的工作空间； ( 3 ) 能够自锁，加载方便； ( 4 ) 刚性好、强度高、结构紧凑； ( 5 ) 良好的输出显示性能。 3 1力源结构 3 1 1力源的各机构选型 力源基本功能是精确地提供所需的力。力源的基本机构包括：力源的产生机构，力 的传递机构，力的示值设备以及力输入形式。 ( 1 ) 力源的产生机构：为了实现能进行由小到大地逐级标定，必须对所加载荷进行 实时控制，因此，采用手动加载控制的模式。但由于手动所加大小有限，为实现由小力 到大力的传动，需采用有效的传动装置。普通齿轮传动、行星齿轮减速器和蜗轮蜗杆减 速器是很好的传动装置，有着较好的传动比，能实现力的传动。 行星齿轮传动相对普通齿轮传动相比具有重量轻，体积小，传动比大，效率高等优 点；缺点是结构复杂，加工和安装精度要求较高。蜗杆传动的主要优点是能得到很大的 传动比，结构紧凑，传动平稳和噪声较小，其主要缺点是传动效率较低。为了减小摩擦， 增加其耐磨性，蜗轮齿圈常需用青铜制造，成本较高。行星齿轮的表面磨损与点蚀将影 响其寿命拉5 。 为能提供实验所需的大量程的力，需要较大的传动比，而在确定的传动比情况下， 行星齿轮传动比蜗轮蜗杆体积大且结构不紧凑。为满足安装精度，实验的可操作性，占 用的空间以及结构紧凑方面等考虑，蜗轮蜗杆更具有优越性，故选用蜗轮蜗杆作为传动 机构。 ( 2 ) 力的传递机构：不管是行星齿轮，还是蜗轮蜗杆，其传递的运动均为圆周运动， 需将圆周运动转化为直线的进给运动以方便力的输出，设计采用螺旋传动机构。螺旋传 大连理工大学硕士学位论文 动机构包括滚动螺旋机构和滑动螺旋机构，鉴于滚动螺旋加工精度高，维修难度大等等 因素，工程中应用较多的均为滑动螺旋。故选用滑动螺旋机构作为力的传递机构，其最 重要的一点就是能进行自锁，即停留在量程内的任何一所需的力大小处【2 6 之7 1 。 ( 3 ) 力的示值设备：示值设备因机构不同而不同，包括标准规格的砝码重量、应变 片的输出值、测力环上的表读数等等。此处采用基于电阻应变原理的m c l z 系列柱式 拉力传感器，由北京正开仪器有限公司生产。传感器用量程为5 0 k n ，输出为o - - 1 0 v ， 其非线性为0 0 3 - - 0 1 f s ，滞后性o 0 3 0 1 f s ，温漂0 0 0 3 0 0 1 f s ，零位输出 翌f s ，工作温度。2 0 8 0 c ，工作电压1 5 v ，过载能力1 5 0 f s ，主要特点：高精度、 低漂移、量程宽、抗偏载能力强。 ( 4 ) 力输入形式：手动加载，从操作的方便性角度考虑，选用圆环型的回转手柄。 3 1 2 各机构设计 ( 1 ) 滑动螺旋机构的设计 实验所需的轴向载荷即所需加载的最大的力源，为5 0 0 0 0 n ，为能有足够的保护作 用，按极限值为7 0 0 0 0 n 的载荷进行设计。 滑动螺旋机构工作不频繁，为中、低速，对耐磨性要求高，载荷为中、高载荷。故 选用螺杆材料为4 0 c r ，螺母材料为铸造锡青铜( z c u s n l0 p 1 ) 。滑动螺旋采用的螺纹类型 有矩形，梯形和锯齿形。其中又梯形和锯齿形螺纹应用最广【2 8 】。在传递大力时，由于锯 齿形螺纹易磨损顶部，故采用梯形螺纹。 由耐磨性计算公式： p = p 】m p a ( 3 1 ) ；r o f 2 l z 式中：e 为轴向力，单位为n ；z 为参加接触的螺纹圈数，破为螺纹中径，单位 m m ；h 为螺纹工作高度，单位n l m ；【p 】为许用压强，对于4 0 c r 和铸造锡青铜的螺旋副， 许用压强为2 0 m p a 。为设计方便，令矽= 石h ，h 为螺母高度，又因z = 等，梯形螺纹的 工作高度h = 0 5 p ，代入，可整理得螺纹中径么的设计公式为： 厂f 破o 8 1 , r * a 石 3 2 对于整体式螺母由于磨损后不能调整间隙，为使受力均匀，取1 2 - 一，2 5 ，故取矽= 2 代入上