CN101464201A

CN101464201A - 六维大力传感器的标定装置

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Publication number: CN101464201A
Application number: CNA2009100100278A
Authority: CN
Inventors: 张军; 彭志龙; 李映君; 钱敏; 贾振元; 李寒光
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2029-01-05
Also published as: CN101464201B

Abstract

本发明一种六维大力传感器的标定装置，属于传感器及其测控领域。采用单力源实现对力传感器的六维力进行标定的标定装置，标定装置包括基座、标定工作台、立柱、上下升降螺母、手柄、采用蜗轮蜗杆传动的大力值加载机构、上支撑平板、丝杠、螺母、套筒、标准单向力传感器、标杆、螺钉、连接块、L型板、被标定传感器、工作轴、定位销、底板、螺钉、T型螺栓、信号线。被标定机构由标杆、螺钉、连接块、L型板、被标定传感器、工作轴、定位销和底板组成。它可以对六维大力传感器进行加载，并进行***的标定。该装置结构紧凑，简单，具有高刚度，高精度的特点，可精确地标定六维大力传感器。

Description

六维大力传感器的标定装置

技术领域

本发明属于传感器及其测控领域，特别涉及巨型重载操作设备的六维大力传感器的标定装置。

背景技术

目前，国内外对传感器的标定装置主要是砝码式、龙门式的标定装置。砝码式的加载方式能够实现各力的单独标定，但由于砝码的自重限制，即使采用杠杆原理加长力臂，也无法实现对大力值量程进行标定，且其结构不紧凑，加载精度不高。龙门式标定装置亦能对传感器的六维力进行综合标定，具有很好的可操作性，结构紧凑，钢性好，但其较难实现对大尺寸传感器进行标定，且其力值上限不能很好满足巨型重载装备中大力值传感器的工作要求。巨型重载操作装备具有大惯量、多自由度、变刚度等特点，其所使用传感器也必须具有大力值量程，大尺寸，钢性好等特点，标定装置必须能对巨型重载操作装备中六维大力传感器进行静态标定，故上述的传统标定装置不能满足六维大力传感器的标定要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述装置的缺欠，设计一种技术性能好，工作可靠，易于安装和维修，结构紧凑，能实现对六维大力传感器进行标定的专用标定装置。

本发明采用的技术方案是：一种六维大力传感器的标定装置，采用单力源实现对力传感器的六维力进行标定的标定装置，标定装置包括基座1、标定工作台2、四个立柱3、四个下升降螺母4、四个上升降螺母4＇、手柄5、采用蜗轮蜗杆传动的大力值加载机构6、上支撑平板7、螺栓8、丝杠9、螺母10、套筒11、标准单向力传感器12、标杆13、螺钉14、连接块15、L型板16、被标定传感器17、工作轴18、定位销19、底板20、螺钉21、T型螺栓22和信号线23；其中：标定工作台2固定连接在基座1上；标定工作台2上表面有等距的T型槽，四个立柱3固定连接的标定工作台2上，四个立柱3的上端部分有螺纹，四个下升降螺母4分别安装在四个立柱3上，上支撑平板7套在四个立柱3上而压在四个下升降螺母4上，，另四个上升降螺母4＇也分别安装在四个立柱3上，压在上支撑平板7上，通过分别调节八个上下升降螺母4、4＇将上支撑平板7锁紧在四个立柱3上，上下升降螺母4、4＇是专用螺母，其侧面均匀分布有四小孔；大力值加载机构6安装在上支撑平板7上，上支撑平板7上有前长沟槽a、后长沟槽a＇和中心长孔b，前长沟槽a和后长沟槽a＇的边缘均标有前刻度c和后刻度c＇，大力值加载机构6与长沟槽接触端也标有刻度d，大力值加载机构6的蜗轮轴一端加工有螺纹，作为丝杠9，丝杠9带动螺母10上下移动，标准单向力传感器12通过螺纹和螺母10联接；

被标定机构由标杆13、螺钉14、连接块15、L型板16、被标定传感器17、工作轴18、定位销19和底板20组成，L型板16通过T型螺栓22安装在标定工作台2上，底板20固定在L型板16上，工作轴18和底板20通过定位销19连接，连接块15通过螺钉21安装在工作轴18的上表面，连接块15上端为方形结构，标杆13中有方孔，安放在连接块15上端，被标定传感器17安装在工作轴18上。

本发明具有的显著效果是：它提供了一种对力传感器的六维大力进行标定的标定机构。由于采用的是能实现大传动比的涡轮蜗杆机构，与传统的砝码式的标定装置相比，能实现大力值的加载标定；大力值加载机构与被标定机构分别能实现一个方向和两个方向的移动，为标定复杂外形的被标定件提供了方便；采用标准单向力传感器，实够实现所加载力值的精确输出，这对精密仪器的标定具有非常重要的意义；该装置结构紧凑，简单，具有高刚度，高精度特点，既可用于小力值标定，亦可用于大力值标定，同时即能对并联式传感器进行标定，亦可对串联式传感器进行标定。

附图说明

图1是本发明结构的原理示意图；其中：图中1—基座，2—标定工作台，3—立柱，4—升降螺母，4＇—升降螺母，5—手柄，6—大力值加载机构，7—上支撑平板，8—螺栓，9—丝杠，10—螺母，11—套筒，12—标准单向力传感器。

图2是图1中A部分的放大图；其中：图中9—丝杠，10—螺母，11—套筒，12—标准单向力传感器。

图3是上支撑平板图；图中7—上支撑平板，a—前长沟槽，a＇—后长沟槽，b—中心长孔，c—前刻度，c＇—后刻度。

图4是标定径向力和扭矩的整体立体示意图；图5是被标定机构的轴向力和弯矩加载示意图；图6是被标定机构的径向力和扭矩加载示意图；其中：13—标杆，14—螺钉，15—连接块，16—L型板，17—被标定传感器，18—工作轴，19—定位销，20—底板，21—螺钉，22—T型螺栓，23—信号线，d—刻度；

图7是被标定机构的电信号采集示意图；其中：I—被标定传感器，II—电荷放大器，III—数据采集卡，IV—计算机。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施：

1)大力值加载机构与被标定机构的安装

将上支撑平板7安装在四个立柱3上，并将其用八个上下升降螺母4，4＇固定住，大力值加载机构6安放在上支撑平板7的上表面，大力值加载机构6输出端穿过上支撑平板7的中心长孔b，大力值加载机构7的输出端可在中心长孔b中左右平移，通过大力值加载机构6上的刻度d和上支撑平板7的刻度c调整大力值加载机构6的左右位置，使大力值加载机构6的输出端连接的标准单向力传感器12的轴线正对标定工作台2的中心；将被标定机构放置在标定工作台2上，通过测量L型块边缘与标定工作台2边缘之间的距离，调整被标定机构在标定工作台2上位置，使被标定传感器的轴线正对标定工作台2的中心；利用液压千斤顶辅助八个上、下升降螺母4、4＇调节上支撑平板7的上下位置，使标准单向力传感器12的加载端与标杆13的上表面距离在大力值加载机构6的有效加载行程内，再将八个上、下升降螺母4、4＇上下锁紧。

2)预加载

安装好后，摇动大力值加载机构6上的手柄5进行加载，加载力为F₁，使大力值加载机构6带动标准单向力传感器12进行加载，对被标定机构先预压一次，消除可能存在的内部间隙，等待数分钟后再对被标定机构进行加载标定。

3)标定

本发明所述的标定装置的主要功能是实现对安装在巨型重载装备轴上传感器的六维大力(三个方向上的力和三个力矩)标定，精确确定出传感器的六维静态性能，并在标定数据基础上解耦出标定耦合矩阵。

先对被标定传感器17的Z向进行单独标定，如附图5。摇动大力值加载机构6的手柄5进行加载力F₁，加载力值从零到满量程，加载四次，此时作用在被标定传感器17上的载荷为F_z。见附图7，被标定传感器17的输出电信号由信号线23引入电荷放大器II，再经数据采集卡III，最终在计算机IV上显示出电信号值，记下各方向的电信号输出值。

再对被标定传感器17的Z向力和X向弯矩进行综合标定，如附图5。将被标定机构沿垂直于T型槽方向平移一定距离后固定，摇动大力值加载机构6的手柄5进行加载力F₂，加载力值从零到满量程，加载四次，此时作用在被标定传感器17上的载荷为F_z和M_x，记下计算机IV上显示上的各方向的电信号输出值。

然后对被标定传感器17的Z向力和Y向弯矩进行综合标定，如附图5。绕被标定传感器17的轴线将被标定机构顺(或逆)时针转动90度后，对准被标定传感器17与标准单向力传感器12的中心，摇动大力值加载机构6的手柄5进行加载F₂，加载力值从零到满量程，加载四次，此时作用在被标定传感器17上的载荷为F_z和M_y，记下计算机IV上显示上的各方向的电信号输出值。

对被标定传感器17的X向力和Y向扭矩进行综合标定，如附图6。将被标定机构按L型板16的两垂直平板方向进行90度翻转，使被标定传感器17的轴线成铅垂方向，并调整L型板16的位置，使标准单向力传感器12的加载端正对此时标杆13的侧面，移动上支撑平板7至适当位置，使标准单向力传感器12的加载端与标杆13的侧面之间的距离在大力值加载机构6的有效行程范围内，锁紧上支撑平板7，摇动大力值加载机构6的手柄5进行加载力F₃，加载力值从零到满量程，加载四次，此时作用在被标定传感器17上的载荷为F_x和M_y，记下计算机IV上显示上的各方向的电信号输出值。

对被标定传感器17的X向力、Y向弯矩和Z向扭矩进行综合标定，如附图6。将被标定机构沿垂直于T型槽方向平移一定距离后固定，摇动大力值加载机构6的手柄5进行加载力F₄，加载力值从零到满量程，加载四次，此时作用在被标定传感器17上的载荷为F_x、M_y和M_z，记下计算机IV上显示上的各方向的电信号输出值。

最后，对被标定传感器17的Y向力、X向弯矩和Z向扭矩进行综合标定，如附图6。解除底板20与L型块16之间的固定，绕被标定传感器17的轴线转动底板20及安装在其上的零件90度后固定，摇动大力值加载机构6的手柄5进行加载力F₄，加载力值从零到满量程，加载四次，此时作用在被标定传感器17上的载荷为F_y、M_x和M_z，记下计算机IV上显示上的各方向的电信号输出值。

通过求解所加载的各方向力值、力矩值和被标定传感器17各方向的电信号输出，建立起输入与输出之间的耦合关系矩阵A，从而得到输入和输出之间的关系式为：U＝AF+B，其中；U＝[u₁，u₂，u₃，u₄，u₅，u₆]^T，U为被标定传感器的各方向的电信号输出值，单位为伏(V)，F＝[F_x，F_y，F_z，M_x，M_y，M_z]^T，F为输入矩阵，单位为牛(N)，B为漂移误差，单位为伏(V)，耦合关系矩阵A的精确度直接影响着被标定传感器17的各项静态性能，通过多次的实验标定，提高A值的准确度，完成对被标定传感器17的静态性能标定。

本发明的六维大力传感器标定装置，可标定力值量程为0～250kN，可标定力矩量程为0～96kN·m，被标定的传感器尺寸范围为50mm×50mm×50mm～650mm×650mm×800mm。

Claims

1、一种六维大力传感器的标定装置，其特征在于，采用单力源实现对力传感器的六维力进行标定的标定装置，标定装置包括基座(1)、标定工作台(2)、四个立柱(3)、四个下升降螺母(4)、四个上升降螺母(4′)、手柄(5)、采用蜗轮蜗杆传动的大力值加载机构(6)、上支撑平板(7)、螺栓(8)、丝杠(9)、螺母(10)、套筒(11)、标准单向力传感器(12)、标杆(13)、螺钉(14)、连接块(15)、L型板(16)、被标定传感器(17)、工作轴(18)、定位销(19)、底板(20)、螺钉(21)、T型螺栓(22)和信号线(23)；其中：标定工作台(2)固定连接在基座(1)上；标定工作台(2)上表面有等距的T型槽，四个立柱(3)固定连接在标定工作台(2)上，四个立柱(3)的上端部分有螺纹，四个下升降螺母(4)分别安装在四个立柱(3)上，上支撑平板(7)套在四个立柱(3)上而压在四个下升降螺母(4)上，另四个上升降螺母(4′)也分别安装在四个立柱(3)上，压在上支撑平板(7)上，通过分别调节八个上、下升降螺母(4、4′)将上支撑平板(7)锁紧在四个立柱(3)上，上、下升降螺母(4、4′)是专用螺母，其侧面均匀分布有四个小孔；大力值加载机构(6)安装在上支撑平板(7)上，上支撑平板(7)上有前长沟槽(a)、后长沟槽(a′)和中心长孔(b)，前长沟槽(a)和后长沟槽(a′)的边缘均标有前刻度(c)和后刻度(c′)，大力值加载机构(6)与长沟槽接触端也标有刻度(d)，大力值加载机构(6)的蜗轮轴一端加工有螺纹作为丝杠(9)，丝杠(9)带动螺母(10)上下移动，标准单向力传感器(12)通过螺纹和螺母(10)联接；

被标定机构由标杆(13)、螺钉(14)、连接块(15)、L型板(16)、被标定传感器(17)、工作轴(18)、定位销(19)和底板(20)组成，L型板(16)通过T型螺栓(22)安装在标定工作台(2)上，底板(20)固定在L形板(16)上，工作轴(18)和底板(20)通过定位销(19)连接，连接块(15)通过螺钉(21)安装在工作轴(18)的上表面，连接块(15)上端为方形结构，标杆(13)中有方孔，安放在连接块(15)上端，被标定传感器(17)过盈安装在工作轴(18)上。