雙力源疊加式多維力傳感器校準裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種雙力源疊加式多維力傳感器校準裝置。
【背景技術】
[0002]多維力傳感器能同時檢測三維坐標空間的全力信息，例如六維力傳感器能夠同時感知沿X、Y、Z坐標軸方向的三個力分量和繞X、Y、Z坐標軸的三個力矩分量，因此它能夠比較全面地反映出物體實際受力情況。
[0003]多維力傳感器最早應用于機器人領域，如裝在機器人手腕部位的六維腕力傳感器用來測量機器人操作手抓取物件時或與外部接觸時承受的力/力矩，實現(xiàn)機器人的力覺、觸覺。
[0004]隨著航天技術的不斷發(fā)展，多維力傳感器在航天產品的地面試驗設備中被廣泛使用，例如對接機構大型試驗設備采用六維力傳感器測量對接機構從接觸、捕獲、鎖緊到分離整個過程中力和力矩；發(fā)動機試車臺采用六維力傳感器測量發(fā)動機推力矢量；太陽翼展開摸態(tài)試驗中用六維力傳感器測量太陽翼根部受力情況；在衛(wèi)星擾動試驗裝置、衛(wèi)星力控振動系統(tǒng)中也都采用了多維力傳感器來進行力信息的測量等等。這些多維力傳感器的測量數(shù)據(jù)對試驗結果起著及其重要的作用，因此必須對多維力傳感器進行使用前的標定和使用中的周期校準，以確保多維力傳感器技術性能滿足型號試驗的要求。
[0005]另外，多分量力傳感器還在其它領域如艦船內燃機開發(fā)研宄和監(jiān)測、螺旋槳軸的推力測量，內彈逆壓力和爆炸壓力測量、機械加工過程的監(jiān)測、機器人關節(jié)研制、生物力學、運動員輔助訓練等等得到越來越廣泛的應用，這些多維力傳感器也需要作周期檢定。
[0006]目前用于多維力校準的裝置從加載方式上可分為砝碼加載、機械傳動加載和液壓傳動加載。
[0007]采用砝碼加載的多維力傳感器校準裝置，它們在結構上基本都是采用砝碼、拉繩和滑輪，以砝碼產生的重力為力源，通過滑輪轉向，實現(xiàn)對多維力傳感器各個方向施加力/力矩。燕山大學研制的六維力傳感器標定系統(tǒng)的左側的標定臺可以同時加載12個方向的力和力矩，它的加載原理是通過滑輪、細繩，將砝碼產生的力作用在加載帽上并傳遞給被校力傳感器，如圖1所示，從而實現(xiàn)對被校六維力傳感器的校準，圖1中，11為砝碼，22為軟繩，23為滑輪，24為加載帽，25為傳感器。
[0008]砝碼加載的方式優(yōu)點是加載精度比較高，一般可以達到0.1%，而且加載力的穩(wěn)定性也比較好，但其主要缺點一是不能實現(xiàn)連續(xù)加載，二是受砝碼質量限制其測量范圍很有限，一般在500Ν以下，因此只能在小量程多維力傳感器標定中使用。
[0009]采用機械傳動加載的多維力校準裝置的工作原理是采用手動或電機控制加力，通過傳動裝置(一般用蝸輪蝸桿減速器和滑動螺旋副)、標準測力儀將力傳遞到被校準的力傳感器上，以標準測力儀的讀數(shù)為加載力值，與被校傳感器的輸出值進行比較，實現(xiàn)對被校多維力傳感器的校準。
[0010]如圖2所示，大連理工大學機械學院傳感測控研宄所研制的多功能測力儀標定加載器不僅能對三個方向同時施加力載荷，而且還可以施加力矩載荷，從而可以進行六維力傳感器的標定。該裝置鉛垂力加載機構是由一個蝸輪蝸桿機構和一個滑動螺旋副組成，三個水平加載機構通過滑動螺旋副產生水平推力，由測力環(huán)來顯示出力的大小，有效地消除了中間機械傳遞環(huán)節(jié)造成的誤差，具有操作方便、結構簡單、性能穩(wěn)定可靠等特點。但因為是人力搖動手柄加力，因此加載范圍有限，鉛垂方向最大力值為50kN，水平方向最大力值3kN，且試臺空間尺寸有限，無法對大量程、大尺寸的力傳感器進行六維標定。另外測力環(huán)的準確度只有0.3級，加上其它誤差因素的影響，校準裝置的準確度很難達到0.5級，因此該裝置僅適合對低精度小量程的多維力傳感器進行校準。圖2中，I為底座，2為支撐螺柱，3為測力計組件，4為鎖緊螺母，5為鉛垂加載機構支架，6為鋼絲繩，7為橫梁，8為提升機構，9為測力儀安裝基座，10為鉛垂加載機構，12為可調水平加載機構(I )，13為可調水平加載機構(2)，14為可調水平加載機構(3)。
[0011]液壓傳動加載的工作原理是由液壓泵站產生一定的壓力和流量，通過液壓缸執(zhí)行直線往復運動，將力施加給被校準的傳感器。液壓加載系統(tǒng)具有加載力范圍大、加載力連續(xù)可調、原理簡單、操作方便等優(yōu)點，因此在一些大力值校準裝置中使用較多。
[0012]燕山大學研制的六維測力平臺靜態(tài)標定系統(tǒng)由標定加載臺、2個液壓加載裝置、數(shù)據(jù)采集裝置等幾部分組成，用于對大量程柔性鉸6-UPUR并聯(lián)式六維測力平臺進行標定。液壓加載裝置提供的加載力/力矩通過標定加載臺加載到6-UPUR并聯(lián)式六維測力平臺上，通過調整標定加載臺中兩個加載單元的安裝位置即可實現(xiàn)六維力的加載。標定系統(tǒng)的液壓加載裝置由加載單元外套、液壓缸、30kN柱式單維拉壓傳感器、拉/壓桿、銷軸和加載塊組成，如圖5所示。它通過調節(jié)減壓閥使加載力/力矩至合適大小，利用蓄能器的保壓作用使加載力/力矩能夠較平穩(wěn)地加載在六維測力平臺上。
[0013]該六維測力平臺靜態(tài)標定系統(tǒng)設計獨特，但也存在許多不足，首先標定系統(tǒng)對六維測力平臺施加Fz以及Mx、My、Mz時，需要兩個加載單元同時工作，盡管兩個加載單元中的液壓缸采用并聯(lián)連接，但由于各液壓管路的壓力損失不同，加上液壓缸的加工尺寸不完全一致等原因，使得加載在六維測力平臺上的兩個力不能保證完全相同，有時甚至相差較大，這樣就導致在其它方向上產生了附加力/力矩，因此需要改進液壓系統(tǒng)來對液壓缸單獨控制調節(jié)，從而盡可能保證兩個加載力相同。其次靠手動調節(jié)減壓閥難以保證加載力/力矩的穩(wěn)定性。再有就是液壓系統(tǒng)設計相對簡單還存在著噪聲、污染等缺點。從標定加載臺的結構特點看，其主體框架和力源位置的設計都是針對特定的6-UPUR并聯(lián)式六維測力平臺的，通用性比較欠缺。
[0014]瑞士奇石樂公司研制過2套多維力傳感器標定裝置，新研制的標定裝置有正交三個力源，可以在不改變傳感器安裝位置的狀態(tài)下對傳感器不同方向施加標準力，從而實現(xiàn)對多維力傳感器各方向力和力矩的校準。垂直力源最大力值為500kN，水平力源最大力值為100 kN，動力由液壓系統(tǒng)產生，通過精確控制技術將標準力平穩(wěn)準確地施加到被校力傳感器上，實現(xiàn)對傳感器的標定。該裝置系統(tǒng)完整，指標優(yōu)良，可能是當今世界最好的多維力傳感器校準裝置，但是由于其體積龐大，系統(tǒng)復雜，其造價也是非常的昂貴。
[0015]除了上述多維力傳感器專用校準裝置外，目前一些計量技術機構和研宄機構在對多維力傳感器標定時，還采用了“單力源”的校準裝置，這種校準裝置通常只有垂直方向一個標準力源，利用標定工裝來改變傳感器的安裝位置，實現(xiàn)對多維力傳感器不同方向的加力，從而實現(xiàn)對多維力傳感器各方向力和力矩的校準(如圖3和4所示)。這種裝置在對多維力傳感器進行校準時，每校準一個方向后都需要把傳感器拆下，然后換個方位重新安裝調整，操作過程非常煩瑣，校準效率低，而且裝調中容易帶來安裝誤差影響校準準確度；這種裝置還有個最大的缺陷就是沒法實現(xiàn)對多維力傳感器重要技術指標“耦合誤差”的校準。
[0016]當前多維力測量技術在許多領域被廣泛應用，多維力傳感器的研制技術得到了快速發(fā)展，針對多維力傳感器校準裝置已開展了大量的研宄工作，但是目前國內許多研宄機構研制的校準裝置大多數(shù)都是僅針對某個類型型號的多維力傳感器，存在著通用性不強、測量范圍有限、力值控制精度不高等一些明顯的不足，很難對其它類型、其它外形尺寸的多維力傳感器開展標定，無法被計量技術機構用作計量標準開展多維力傳感器校準和性能評價工作。而國外僅KISTLER公司擁有較完善的六維力傳感器標定裝置，但是其昂貴的造價無法令國人接受。因此，研制寬量程、高精度、加載效率高、適