（机械电子工程专业论文）stewart结构六维大力传感器的研究.pdf

s t e w a r t 结构六维大力传感器的研究 摘要 核电、造船、化工、国防等领域的大型构件精确高效制造迫切需要巨型重载操作装 备。随着对操作能力和操作性能要求的进一步提高，要求巨型重载操作装备具备顺应控 制和多自由度协调控制的能力，而状态测量与反馈作为精确运动控制的前提，成为亟待 解决的关键技术难题。尤其是为了避免因约束冲突造成的载荷剧增或夹持失效，要求对 工件变形所造成的位移具有力顺应性，因此研究极端环境下的六维大力测量及力反馈具 有重要的意义。然而，目前对于l o o k n 至1 0 0 心量级的大力只能进行单维测量，现有的 六维力传感器仅局限于小量程力值的测量。因此，解决大承载能力和多维力测量之间的 矛盾，成为实现六维大力测量的关键。 本论文结合s t e w a r t 结构力雅克比矩阵和大力并联分载原理，提出了一种用于巨型 重载操作装备六维大力测量的新方法。在a n s y s 环境下建立了s t e w a r t 结构六维大力传 感器的模型，并对其进行了结构静力分析，得到了传感器六个测量杆的受力情况，与分 载前的理论受力值进行了比较，验证了传感器的分载效果。通过对传感器模型进行模态、 谐响应等结构动力学分析，得到了传感器的前六阶振型和固有频率，以及传感器在x 、y 、 z 方向的谐位移情况。 论文完成了s t e w a r t 结构六维大力传感器的结构设计、制造装配等工作。采用六对 预紧螺栓和滑块实现传感器的多点局部预紧，保证了六个测量杆的预紧力相同；上下测 量杆均采用螺纹联接，使测量杆长度可调，满足了传感器复杂工况的安装要求；上下平 台与测量杆采用球头与锥形孔联接，保证了测量杆的二力杆性质；传感器与机械手手臂 之间采用胀紧联接套联接，保证了大力并联分载和力传递的效果。最后，在专用标定加 载装置上对研制的s t e w a r t 结构六维大力传感器进行了静态标定实验，得到了传感器的 标定曲线和实验解耦矩阵。 通过静力分析，可知所设计的传感器具有良好的分载效果，验证了六维大力并联分 载测量方法的可行性；动力学分析结果表明研制的传感器动态特性良好，满足传感器固 有频率大于1 0 0 0 h z 的设计要求；静态标定实验表明传感器具有良好的测量精度。本论 文的研究工作为巨型重载操作装备的快速高精度协调控制提供了前提条件。 关键词：s t e w a r t 结构；六维大力测量；并联分载；大力传感器 大连理工大学硕士学位论文格式规范 r e s e a r c ho ft h es i x a x i sh e a v yf o r c es e n s o rb a s e do nt h es t e w a r t p l a t f o r ms t r u c t u r e a b s t r a c t 们地g i a n th e a v yo p e r a t i n ge q u i p m e n ti su r g e n t l yn e e d e di nt h eh i g h - e f f i c i e n c ya n d h i g h - p r e c i s i o nm a n u f a c t u r i n go fh u g ep a r t s ，w h i c ha r eu s e d 嬲k e yc o m p o n e n t si nt h ef i e l do f n u c l e a rp o w e r , s h i pb u i l d i n g ，c h e m i c a li n d u s t r ya n dn a t i o n a ld e f e n s e i no r d e rt om e e tt h e h i g h e ro p e r a t i n ga b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e ，t h eg i a n th e a v ye q u i p m e n to p e r a t o rs h o u l dh a v et h e a b i l i t yo fc o n f o r m a b l ec o n t r o la n dc o o r d i n a t ec o n t r 0 1 s oa st h eb a s i co fp r e c i s i o nm o t i o n c o n t r o l ，t h em e a s u r e m e n ta n di t sf e e d b a c ka r eb e c o m i n gt h ek e yt e c h n o l o g yt ob es o l v e d i n p a r t i c u l a r , i no r d e rt oa v o i dc o n f l i c tc a u s e db y 也ei n c r e a s e dl o a d i n go ri n v a l i dh o l d i n g ，t h e g i a n th e a v yo p e r a t i n ge q u i p m e n ts h o u l dh a v et h ea b i l i t yo ft h ef o r c ec o n f o r m a n c ea c c o r d i n g t ot h ed e f o r m a t i o no ft h eh u g ep a r t s t h u s ，t h es t u d yo ft h es i x a x i sh e a v yf o r c em e a s u r e m e n t a sw e l l 嬲i t sf e e d b a c kt e c h n o l o g yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t n o w a d a y s ，t h e h e a v yf o r c eb e t w e e nlo o k na n d10 0 nc a nb em e a s u r e d , b u tc a no n l yb er e a l i z e do nt h e s i n g l ea x i s ，a n dt h ee x i s t i n gs i x - a x i sm e a s u r e m e n ti sa l s ol i m i t e dt os m a l lf o r c e i nt h i sp a p e r ， w ef o c u so nt h ep r o b l e mb e t w e e nt h es i x - a x i sf o r c em e a s u r e m e n ta n dt h eh e a v yf o r c e m e a s u r e m e n tt od os o m er e s e a r c h t k sp a p e rf i r s t l ya n a l y s e st h ef o r c ej a c q u e sm a t r i xb a s e do nt h es t e w a r ts t r u c t u r ea n d t h et h e o r yo fh e a v yf o r c ed i v i s i o n , t h e nb r i n g so u tan e wm e t h o do ft h es i x - a x i sh e a v yf o r c e m e a s u r e m e n tu s e do nt h eg i a n th e a v yo p e r a t i n ge q u i p m e n t w eu s ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o e s t a b l i s ht h em o d e lo ft h es t e w a r ts t r u c t u r es i x - a x i sh e a v yf o r c es e n s o r , a n dt h e nd os o m e s t a t i cs t r u c t u r ea n a l y s i s ，a n dg e tt h ed i v i d e df o r c eo nt h es i xm e a s u r i n gp o l e s c o m p a r e d 谢也 t h eu n d i v i d e ds i t u a t i o n , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t e w a r ts t r u c t u r es i x a x i sh e a v yf o r c es e n s o r h a sag o o de f f e c to ff o r c ed i v i s i o n t h r o u g ht h em o d a la n a l y s i s ，w eg e tt h ep r i m es i x f o r m a t i o n sa n dn a t u r a lf r e q u e n c i e s 。t h r o u g ht h eh a r m o n i ca n a l y s i s ，w ei n p u th a r m o n i c s i g n a l sw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c i e s ，a n dg e tt h ex ，y ，zh a r m o n i cd i s p l a c e m e n to ft h es t e w a r t s t r u c t u r es i x - a x i sh e a v yf o r c es e n s o r w ed e s i g na n da s s e m b l et h es t e w a r ts t r u c t u r es i x - a x i sh e a v yf o r c es e n s o r d u r i n gt h i s p e r i o d , w et a k et h ef o l l o w i n gi n n o v a t i o n s ：u s i n gs i xp a i r so fb o l t sa n ds l i d e r st or e a l i z et h e p a r t i a lp r e l o a d i n g ；u s i n gb a l la n dc o n e s h a p e dh o l ec o n n e c t i o nt or e a l i z et h es i n g l e l o a d i n g c h a r a c t e ro ft h em e a s u r i n gp o l e s ；u s i n gt h r e a d e dc o n n e c t i o nt om e e tt h el e n g t ho ft h e m e a s u r i n gp o l ea d j u s t a b l e ；u s i n gt h ew e d g e - s h a p e dd e v i c et o ，r e a l i z et h er i g i dc o n n e c t i o n i i s t e w a r t 结构六维大力传感器的研究 b e t w e e nt h es e n s o ra n dt h er o b o ta r m f i n a l l y ，w eu s eo u rs p e c i a lc a l i b r a t i o nd e v i c et of i n i s h t h es t a t i cc a l i b r a t i o no ft h es t e w a r ts t r u c t u r es i x a x i sh e a v yf o r c es e n s o r , a n dg e tt h e c a l i b r a t i o nc u r v e sa n dd e c o u p l e dm a t r i xb a s e do ne x p e r i m e n t 1 1 1 er e s u l to ft h es t a t i ca n a l y s i ss h o w st h es e n s o rh a sag o o da b i l i t yo ff o r c ed i v i d i n g ，a n d p r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h es t e w a r ts t r u c t u r es i x a x i sh e a v yf o r c em e a s u r e m e n t t h ed y n a m i c a n a l y s i ss h o w st h es e n s o rh a sag o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n di t s n a t u r a lf r e q u e n c yi s b e y o n dt h er e q u i r e d 10 0 0 h z 耶1 ec a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h es e n s o rh a sg o o d m e a s u r e m e n ta c c u r a c y t h er e s e a r c hw i l lg i v es o m et e c h n i c a ls u p p o r tt ot h eh i g h - p r e c i s i o n c o o r d i n a t ec o n t r o lo ft h eg i a n th e a v yo p e r a t i n ge q u i p m e n t k e yw o r d s ：s t e w a r tp l a t f o r ms t r u c t u r e ：s i x - a x i sh e a v y f o r c em e a s u r e m e n t ；p a r a l l e lf o r c e d i v i s i o n ：h e a v yf o r c es e n s o r 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：s ! 曼盟! ! 结掐盍维太左笾盛墨鲍珏究 作者签名：趣日期：盈年垒月区日 大连理工大学硕士研究生学位论文 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：曼! 曼塑! ! 结构盍维太左笾盛墨鲍班究 作者签名：丝e t 期：圣翌墨年- _ 生月盟日 导师签名：氅毖 日期：塑墨年上月监日 s t e w a r t 结构六维大力传感器的研究 1 绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 11 课题的来源 本课题“s t e w a r t 结构六维大力传感器的研究”来源于国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项目巨型重载操作装备的基础科学问题( 项目批准号：2 0 0 6 c b 7 0 5 4 0 0 ) ，属于 项目课题六“重载大惯量装备的快速高精度协调控制”。 112 课题的研究意义 核电、造船、化工、国防等领域大型复杂构件的制造依赖于巨型重载制造装备，包 括以自由锻造机、模锻水压机、重型机床等为代表的巨型重载加工装备和以锻造操作机、 大型变位机等为代表的巨型重载操作装各。与巨型重载加工装备相比，巨型重载操作装 备具有载荷大、惯量太、自由度多、多维力位操控能力强等特点，并且需要适应空载、 行走、操作、协作等复杂工作情况。巨型重载操作装备与巨型重载加工装备协调作业， 可以大大提高制造能力、制造精度、生产效率和材料利用率，降低能耗，因此研究不同 工况下巨型操作装备协调操作控制、力顺应控制具有重要社会和经济效益。 图i1 巨型重载制造装备实物图 f i 9 11 p h o t oo f t h e 百a n t h e a v y m a u u f a c m d n ge q u i p m e n t 大连理工大学硕士学位论文格式规范 巨型操作装备的顺应控制和多自由度协调控制，要求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，以避免因约束冲突造成的载荷剧 增或夹持失效。因此，作为协调操作控制和力顺应控制的基础六维力测量及力反馈 技术具有重要的研究意义。巨型重载操作装备与巨型重载加工装备协调作业时，操作装 备末端执行机构感知构件的力变形信号，并实时反馈到巨型重载加工装备中作为规划和 调整其锻造工艺的重要依据，因此六维大力测量对于优化大型构件的加工工艺，实现巨 型重载制造装备的快速高效协作同样具有重要的意义。 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1 0 2 0 0 0 k n 范围内的传感器为大力传感器，而重载制造装备中的大力传感器最大额定承载能 力可高达i o o m n 以上。对于l o o k n 至i o o m n 量级的大力测量，目前常用的方法有“机械 分载 或“质量分载”法，但分载系统牵连变形产生的横向干扰可造成测量精度降低， 同时因分载机构复杂，导致系统稳定性差。支承式重型大力传感器的制造工艺复杂，技 术难度大，只有少数国家有规模生产，国类少量重型装备所用的支承式大力传感器主要 是国外进口产品，且大部分重型设备至今尚无大力测控装置。由于支承式重型大力传感 器的承载面积、几何尺寸和重量均随被测力的增大而激增，不便安装和维护。大力分载 测量技术和具有并联分载方式的大力传感器设计思想源自上世纪6 0 年代，此后苏、美、 加、德等国先后研制了附着式大力传感器。1 9 8 0 年我国自行研制成功附着式大力传感器 以来，已在轧钢机械等重型制造装备中得到广泛应用，但这种基于分载原理的大力传感 器目前仅能实现单维大力的测量。由于巨型重载操作装备的工况复杂，末端执行机构需 要灵活的实现翻转、提升、前进、后退等多种工序，工作过程中承受空间各个方向的力 和力矩，因此需要六维大力测量。而目前尽管国内外很多学者提出了多种六维力的测量 方案，但是这些六维力测量方案大都应用于小量程范围，局限在机器人手腕六维力、火 箭微小推力测试等领域，对于承载能力在l o k n 量级至i o o m n 量级的六维大力测量，还 未见相关报道。 本文以巨型重载操作装备的六维大力测量为研究对象，针对目前大承载能力和多维 力测量之间的矛盾，开展了相关的研究工作。 1 2 课题的研究背景 1 2 1 传感器技术概述 传感器是指利用一定的物性( 物理、化学、生物) 法则、定理、定律、效应等进行 能量转换与信息转换，并且输出与输入严格一一对应的器件或装置n 1 。传感器技术是机 s t e w a r t 结构六维大力传感器的研究 电一体化技术的重要组成部分，是机械、电子、计算机有机结合的中间环节，是实现自 动控制、自动调节的关键环节。传感器技术将材料学、力学、电学、磁学、微电子学、 光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、 信息处理技术乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科有机得结合起来，形成 了学科交叉的综合性高新技术密集型前沿技术，广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、 机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾难 预防、农林渔业、食品、烟酒制造、建筑、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领 域羽。 美国、日本、俄罗斯、英国、法国、德国等世界各发达国家对传感器技术都十分重 视，将其列为国家重点开发的关键技术。美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的2 2 项技术中有6 项与传感器信息处理技术直接相关。美国空军2 0 0 0 年列举出1 5 项有助于 提高2 1 世纪空军能力的关键技术，传感器技术名列第二。日本对开发和利用传感器技 术相当重视并列为国家重点发展6 项核心技术之一。日本科学技术厅制定的9 0 年代7 0 个重点课题中，有1 8 项与传感器技术密切相关n 1 。 我国从6 0 年代开始传感技术的研究与开发。“七五”期间，我国把机敏、力敏、 气敏、湿敏、生物敏最为主要研究方向；“九五和“十五 期间，敏感元件及传感器 成为重点发展的新型特种电子元器件。通过技术引进和改造，我国在传感器的研究开发、 设计、制造、可靠性改进等方面取得了长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生 产和应用体系。到2 0 0 0 年我国敏感元件与传感器产量已经达到1 0 亿只，总产量约6 0 亿元，并有少量出口。但我国在高精度传感器、多维力传感器及高性能动态检测传感器、 智能传感器等方面还明显不足，与世界发达国家还有较大差距。因此，若不大力发展我 国自己的传感器事业，提高传感器产品的性能和技术含量，增强国际竞争力，使我国的 传感器产品走出国门抢占国际市场，而依赖从国外进口传感器来满足我们的需要，将制 约我国国民经济和国防力量的加强以及社会的发展，使我国在许多领域的国际竞争中处 于被动地位u 儿朝。 1 2 2 六维力传感器的研究现状 六维力传感器是指能够测量空间任意力系中的三维正交力( 晟，厨，尼) 和三维正交 力矩( 放，肟，毖) 的传感器。由于六维力传感器具有测力信息丰富、测量精度高等优点， 在力及力位控制场合得到了广泛应用，尤其在航空机器人、宇宙空间站对接仿真陆1 、 火箭推力测试阿3 等场合发挥了极其重要的作用。六维力传感器按照弹性体结构可分为直 大连理工大学硕士学位论文格式规范 接输出型( 无耦合型) 和间接输出型( 耦合型) 两种，其中间接输出型六维力传感器又 可以分为梁式、筒式、十字结构式、s t e w a r t 并联结构式等。 直接输出型六维力传感器是指六个输出力直接由敏感元件或根据结构常数通过简 单计算就可以得到的传感器。设计原理是在力学分析的基础上，设计出无耦合作用的弹 性体，其典型代表是美国s i r 公司于1 9 7 3 年设计的积木式结构，如图1 2 所示。传感 器由一块块积木式弹性体组合而成，由于其加工精度和装配精度对其影响很大，滞后和 积累误差也较大，限制了传感器的实用性口1 。 图1 2 积木式六维力传感器 f i g 1 2 as i x - a x i sf o r c es e n s o rl i k er o yb r i c k 美国的p cw a t s o n 于1 9 7 5 年设计了一种三垂直筋结构的六维力传感器阳 ，结构图 如图1 3 所示。三个垂直筋的外表面用以测剪切应变，而内表面则用来测拉压应变。该 结构的显著特点是结构简单，承载能力强，但维间耦合严重，灵敏度低。1 9 8 5 年，比利 时的b r u s s e l 阳3 和以色列的k r o l l n 们同时研制了一种四垂直筋结构六维力传感器，如图 1 4 所示，该传感器结构简单，维间耦合小，理论分析直观方便，但垂直方向的灵敏度 较低。 图1 3 三垂直筋结构六维力传感器 f i g 1 3 s i x - a x i sf o r c es e n s o rw i t ht h r e e u p r i g h tr i b s 图1 4 四垂直筋结构六维力传感器 f i g 1 4 s i x - a x i sf o r c es e n s o rw i t hf o u r u p r i g h tr i b s s t e w a r t 结构六维大力传感器的研究 1 9 8 3 年，美国s t a n f o r d 研究所设计了筒形的六维力传感器【l i 】，用于风洞测试实验， 其结构如图1 5 所示。该传感器的特点是线性度好、重复性高且有较好的滞后性，然而 由于结构过于复杂导致加工困难，而且刚度较低。1 9 8 2 年，德国的s c h u ：t t 提出了双环 形筒式六维力传感器【1 2 1 ，其结构简图如图1 6 所示，该传感器具有维间耦合小的特点， 但其刚度与灵敏度的矛盾较大，难于协调。 图1 5 筒式六维力传感器 f i g 1 5c y l i n d e r - s h a p es i x a x i sf o r c e s e n s o r 图1 6 双环形筒式六维力传感器 f i g 1 6 d o u b l er i n g - s h a p es i x - a x i sf o r c e s e n s 0 r 1 9 8 6 年d f v l r 公司设计了双十字交叉式六维力传感器 1 3 l ，如图1 7 所示。1 9 8 7 年， 日本韵y o s h i k a w a t l 4 1 和u c h i y 锄a 【1 5 1 以及b a y o 【1 6 1 等人分析了l e m a l t e s e 十字结构式六维力 传感器，如图1 8 所示，该传感器设计方便，理论关系简单且易于分析，维间耦合小， 具有较高的刚度，但由于结构过于复杂，加工难度较大。 图1 7 双十字交叉式 六维力传感器 f i g 1 7d o u b l e - m a l t e s e - c r o s s s i x - a x i sf o r c es e n s o r 图1 8 十字结构式 六维力传感器 f i g 1 8 m a l t e s e - c r o s s s h a p e s i x - a x i sf o r c es e n s o r 图1 9 非径向三梁结构 六维力传感器 f i g 1 9 s i x - a x i sf o r c es e n s o r w i t ht h r e en o n r a e i a lr i b s 大连理工大学硕士学位论文格式规范 1 9 8 9 年h a t a m u r a 研制了环形六维力传感器| 】：9 0 年代初，l i t t l e 研究了适合于手 指用的小型圆柱形力传感器【l ”：1 9 9 6 年，k a n e k o 提出了一种双头形六维力传感器 1 9 1 ： h 廿o s e 利用光敏元件构成六维力传感器 2 0 l 口1 】；黄心汉等人设计了一种非径向三梁结构六 维力传感器吲，如图1 9 所示；袁哲俊设计了一种八垂直筋结构六维力传感器田】；中科 院合肥智能所和中国纺织大学先后开发了十字结构六维力传感器刨】：中科院合肥智能所 开发了机器人腕用 维力传感器和手指用三维力传感器【2 5 】1 2 6 1 。 国内外有些学者提出将并联结构的思想引入到六维力传感器力敏元件结构的设计 中来，如k 盯【2 7 】、n g u y e n l 2 目、f e r r a r e s i 2 9 1 nd w a r “a 丑a 也 以及国内华中科技大学的熊 有伦、北京大学的陈滨1 等都先后进行了关于s t e w a r t 平台六维力传感器设计问题的研 究。图11 0 图1 1 2 分别为d w a r a k a n a t h ，c h u i - g o o k a n g 和，k e r r 等人设计的s t e w a r t 平 台的六维力传感器样机或结构的示意图，他们分别采用不同的方式解决了s t e w a r t 平台 六维力传感器中的相关问题，如提高传感器的灵敏度等等。燕山大学高峰等采用弹性铰 链取代实际球面副的设计思想，设计了体积小的传感器，如图l1 3 所示，解决了s t e w a r t 并联结构六维力传感器的微型制造难题，拓宽了六维力传感器的使用范围哪坩”。 o a 图i1 0i n a r a k 龃a t h s 的六维力传感器 f i g 11 0d w a r a k a n a t h ss i x - a x i sf o r c e s e l s o r 圈11 1c h u l - g o o k a n g s 六维力传感器 f i g 11 1 c h u l - g o o k a n g ss i x - a 虹f o r c e s a m s t e w a r t 结构六维大力传感器的研究 图11 2k e r r 的a 维力传感器 f i g 11 2k e h ss i x - a x i s f o r c es e r d o r 图i1 3g 舯f e n g s 六维力传感器 f i g i1 3 o a of e n g ss i x - a x i sf o r c es e l x g o r 六维力传感器的结构优化设计以及传感器的性能指标评价是传感器设计中的另外 一个重要问题，并受到国内外学者的普遍重视。u c h i y a m a 和h a k o m o i c 研究了力传感器 的各向同性指标【3 ”，并提出采用传感器的特征矩阵的条件数对传感器的性能进行评价： b a y o 讨论了力传感器的应变灵敏度和刚度性能指标口“；b i e c h i 研究了力传感器的优化 问题口q ；d i d d e a s 用有限元方法优化力传感器的应变位置”。 目前，尽管人们提出了多种六维力传感器的设计方案，但是这些六维力传感器大都 局限于小量程范围内的六维力检测，对于承载能力在1 0 k n 量级至1 0 0 m n 量级的六维 大载荷检测，还未见相关报道。 123 大力传感器的研究现状 大载荷测量技术通常要求测量装置的承载能力在1 0 k n 量级至1 0 0 m n 量级以上， 大载荷测量的对象大都为重型和大型工程设备，需满足连续生产和恶劣工况等特殊要 求。目前国内外广泛采用的传统大载荷传感器按传力方式可分为支承式传感器、圆筒式 传感器、轮辐式传感器等口”。 支承式大力传感器是目前重型设备中应用最为广泛的传感器，在轧机上使用时一般 将其安装在以下部位：压下螺丝与上支承棍轴承座之间；下支承棍轴承座与机架牌坊的 下横粱之间；压下螺母与机架牌坊的上横粱之间口”，如图11 4 所示。支承式大力传感 器直接感知被测力，具有预i 量准确可靠等优点，工程应用广泛，国外少数国家有规模生 产，但由于其承载面积、几何尺寸、重量和价格均随被测力值的加大而激增，而且工程 应用、维修和备件供应不便，尤其是支承式传感器需占用一定的工作空间。影响了其使 用能力和使用范围。 大连理工大学硕士学位论文格式规范 图1 1 4 支承式大力传感器在轧机上的安装 f i g 1 14 t h em o u n t i n go fs u p p o r t i n gt y p eo fh e a v yf o r c es e n s o r so nr o i l i n gm i l l s 圆筒式大力传感器的结构如图1 1 5 所示，钢筒穿过工作锚头，拧上锚具的锚环，锚 环将压力传递给压力钢筒，使钢筒沿受力方向产生弹性变形，通过测量钢简的应变进而 得到锚束的拉力大小。圆筒式大力测量技术，能够避免因受力不均而引起偏心，从而减 小了测量误差，提高了测量精度，但圆筒式大力传感器应用范围狭窄，仅仅局限于水利 水电大吨位预应力的检测场合1 4 0 。 图1 1 5 圆筒式大力值传感器结构图 f i g 1 1 5 s t r u c t u r eo f t h ec y l i n d r i ch e a v yf o r c es e n s o r 轮辐式传感器由轮毂、轮辐、轮圈和应变片组成，其结构如图1 1 6 所示。外加载荷 作用于轮毂的顶部和轮箍的底部，在轮箍和轮毂间的轮辐上受到纯剪切力，通过测量该 s t e v a r t 结构六维大力传感器的研究 剪切力来间接测量载荷。轮辐式传感器具有线性度好、耐过载的能力强、测量范围宽等 优点1 4 ”。 图11 6 轮辐式大力传感器结构圈 f i g 11 6h e a v y f o r c es e l l , o r b a s e d o ns p o k e 这些传统的传感器由于尺寸重量过大、价格费用昂贵、安装调试不便等原因，影响 了测量能力和使用范围。1 9 6 0 年以来出现了大力分载测量的构想和具有并联分载方式的 大力传感器的初型。1 9 7 0 年后苏、美、加、德等国研制了称为应变杆或引伸计的附着式 大力传感器，如图11 7 所示。我国北方工业大学沈久珩教授于1 9 8 0 年自行研制成功了 附着式大力传感器，这种新型的传感器采用了并联分载设计思想，结构轻巧、安装维护 方便，在轧钢机械等重型制造装备中得到广泛应用，如图11 8 所示附着式大力传感器在 轧钢机上的理想安装部位是机架立柱的内外侧面p 。 爹翊 自。一ni 。曩 篮rl - c 灌 导尸 闫 图1 1 7 引伸计 f i g 11 7e x ：t e n s o m c t c r 大连理工大学硕士学位论文格式规范 图1 1 8 附着式大力传感器在轧机上的安装 f i g 1 18 t h em o u n t i n go f a d h e s i o nt y p eo fh e a v yf o r c es e n s o r so l lr o l l i n gm i l l s 1 3 论文的主要研究内容 本文提出一种六维大载荷测量的新方法，研制开发出s t e w a r t 结构六维大力传感器， 采用有限元方法对传感器进行结构静力和结构动力学分析，并在专用的静态标定装置完 成传感器的静态标定实验。具体研究内容如下： ( 1 ) 提出一种六维力测量的新方法。在详细分析国内外六维力测量现状和大力测量 现状的基础上，针对六维大力测量的难题，结合s t e w a r t 结构六维力测量原理、大力分 载原理、压电测力原理，提出一种用于巨型重载操作装备六维大力测量的新方法。 ( 2 ) s t e w a r t 结构六维大力传感器的有限元分析。在a n s y s 中采用间接法建立 s t e w a r t 结构六维大力传感器的模型，对传感器进行结构静力分析，模拟加载x 、y 、z 方向的力和力矩，观察六个测量杆的受力情况，通过与分载前的理论值比较以验证传感 器的分载效果。对六维力传感器进行包括模态分析和谐响应在内的动力学分析，通过模 态分析得到传感器的前六阶振型和前六阶固有频率。通过谐响应分析，加载一定频率范 围内的正弦简谐信号，观察传感器在x 、y 、z 方向上的谐位移情况。 ( 3 ) s t e w a r t 结构六维大力传感器的设计与装配。采用c a d 、p r o e 软件对传感器进 行结构设计，完成传感器各零件设计和仿真装配，在此基础上，完成传感器各零件的选 材、制造，以及传感器的装配、调试等工作。 ( 4 ) s t e w a r t 结构六维大力传感器的静态标定实验。采用专用的标定加载装置对研 制开发的s t e w a r t 结构六维大力传感器进行静态标定实验，分析实验数据，以得到传感 器的各项静态性能指标，并计算出传感器的实验解耦矩阵。 s t e w a r t 结构六维大力传感器的研究 2 s t e w a r t 结构六维大力传感器的工作原理 六维大力值测量有两种实现方法：一种是提高六维力传感器的承载能力，另一种是 将六维大力分载后再进行测量。若仅仅通过提高传感器的承载能力，将会导致传感器的 体积大，质量重，不利于传感器在机械手手臂上的装卸。因此，本文基于六维大力并联 分载的思想设计s t e w a r t 结构六维大力传感器。 2 1 传统s t e w a r t 结构传感器测量的原理 传统s t e w a r t 结构的数学模型如图2 1 所示，其中传感器的五个结构参数，乞，厶， 绫，绕分别表示为上平台半径、下平台半径、测量杆长度、上平台两相邻铰链的夹角、 下平台两相邻铰链的夹角。图2 2 为s t e w a r t 结构的俯视图，其中各夹角之间有如下关 系式成立： q b = 铂d b 6 6 = l b 2 0 & ，= l b , o b , ( 2 1 ) q b = z b , o , b o2 讧d b 马= 讧d b 忍 ( 2 2 ) l b , o & 22l b , o & 3 2 l b o o & = 1 2 0 。一q b ( 2 3 ) 鹞d b 岛= 讧q 岛= 讧q b = 1 2 0 9 一q b ( 2 4 ) b 3 图2 1 传统s t e w a r t 结构示意图 f i g 2 1 s t r u c t u r eo ft h et r a d i t i o n a ls t e w a r tp l a t f o r m 大连理工大学硕士学位论文格式规范 b 2 图2 2 传统s t e w a r t 结构俯视图 f i g 2 2 v e r t i c a lv i e wo ft h et r a d i t i o n a ls t e w a r tp l a t f o r m 若在上平台上作用有六维力矢，在六个杆上将会产生反作用力，若忽略杆上的其他 作用力，则这些反作用力是沿杆的方向的。根据螺旋理论，当以力旋量表示六个轴向力 时，考虑上平台的受力平衡，六个杆的力螺旋之和应与上平台的六维力相平衡，因此得 到螺旋方程如下m 3 ： z 墨+ 五邑+ 五s 3 + 工矗+ 疋暑，+ 五& = 尹+ 磁 ( 2 5 ) 其中，z 为第j 个测量杆受到的轴向力，墨为第歹个测量杆轴线相对固定坐标系的 单位线矢，并且霉= s + s o , ，墨墨= 1 ，母s o , = o ，& = 石，墨，f 一及膨分别为上平台所 受作用力的主矢和相对坐标原点的主矩。 上述螺旋方程可以改写成矩阵形式的平衡方程如下 声= 【g ；旷 ( 2 6 ) 其中， f = 【只，气，疋，m ；，m y ，m 。】，7 = ，厶，正，工，五，五r ；【】为一阶静力影响系 数矩阵。 喊，= 釜，曼乏未乏乏 c 2 7 ， 若上平台6 个球铰点坐标分别记为岛，如，6 3 ，6 4 ，玩，玩，它们相对于上平台固定坐标 系的空间位置用矢量瓦( f = l ，6 ) 表示，下平台6 个球铰点坐标分别为骂，垦，马，忍，忍，鼠， 相对上平台固定坐标系的空间位置用矢量瓦( b 1 ，6 ) 表示，则 s t e w a r t 结构六维大力传感器的研究 墨：些 。 l 包一b ，i 瓯氧噼器 结合公式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 和( 2 9 ) 可得到影响系数矩阵如下 谚】= 皇二生垒二垒 la 一局ii 吃一历 赢赢夏 ：= = 一= = ：一 i 加一召l ll 如一b 2j 统一反 i 瓦一晚i 眈x b 6 l 眺一成l 根据s t e w a r t 的结构尺寸及位形参数，可将上下平台各个铰点的坐标表示为 厶= b | 2 岛 6 2 岛 色 c 0 s 口l 厶c o s a 2 厶c o s a 3 c o s a 4 c ) s a 5 二c o s a 6 如c o s 展 乞c o s 3 2 乞c o s 尾 1 2 c o s 】b 4 1 2 c o s p s 1 2 c o s p 6 s m 1 厶s i n a 2 二s m a 3 s m a 4 s m 。a 5 s i n6 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 其中，口，表示上平台各铰链点匆和上平台中心o b 的连线与上平台固定坐标系在x 轴 的夹角，屈表示上平台各铰链点包和下平台中心o b 的连线与上平台固定坐标系在x 轴的 夹角，z 表示下平台各铰链点相对上平台固定坐标系在z 方向上的距离，并且满足关系 式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 其中，q = q b q b 。 ( 2 1 3 ) 屹 吨 i i l 吨 屹 屹 a尾色反尾反 锄 啦 吾萋 专荨 锄 姐 乞乞乞乞易乞怯尽皿b日b艮 大连理工大学硕士学位论文格式规范 口f2 届= 届 2 尼 、 p 5 6 q b 7 2 1 2 n 1 2 0 。+ r - ( 1 2 0 。一) - ( 1 2 0 6 + q 。f 2 ) 一 1 2 0 0 - 1 2 0 0 + - ( 1 2 0 。一q 占f 2 ) - 0 2 0 。+ ) 一 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 因此，已知s t e w a r t 结构传感器的结构尺寸及位形参数，通过公式( 2 1 0 ) 可得影响 系数矩阵【