CN104634496A - 用于电磁力或者电磁力矩的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电磁力或者电磁力矩的测量装置及方法，该测量装置包括：用于安装第一电磁装置的第一支撑平台及用于安装第二电磁装置的第二支撑平台；第一支撑平台设有用于驱动第一电磁装置活动的驱动机构，以调节第一电磁装置与第二电磁装置间的相对位置及姿态；第二支撑平台上设有用于检测电磁力或者电磁力矩的传感器；测量装置还包括用于给第一电磁装置提供电流的第一电流源和用于给第二电磁装置提供电流的第二电流源。本发明可自动获取两电磁装置在二维三自由度运动空间内产生力/力矩的测量值，具有普适性，对电磁装置构型无约束，可测量任意形状电磁装置间所产生的力/力矩。

Description

用于电磁力或者电磁力矩的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及多自由度力和力矩动态变化的测量领域，特别地，涉及一种三自由度电磁力和力矩的测量装置及方法。

背景技术

工程领域所使用的电磁装置具有大磁隙、多控制参量、结构复杂等特点，其产生的电磁力和力矩数值确定比较复杂，且对后续任务成败非常关键；电磁力和力矩数值确定理论上为电磁场作用的求解问题，一般而言，该问题可基于麦克斯韦方程组进行解析求解，但由于各种初始或边界条件不同及其计算复杂性等约束，实际工程中往往很难或很少直接求解麦克斯韦方程组。

针对电磁力和力矩的数值确定，通常的处理方法有3种：一是利用简化的电磁场模型解析求解；二是利用商用软件(如Maxwell 3D)进行数值计算；三是通过专用测量装置进行动态条件下电磁力/力矩测量。

对于构型简单的电磁装置，其电磁力和力矩确定可通过简化的电磁模型求解，但该方法所适用的电磁装置构型有限。随着电磁装置构型复杂度的增加，通常采用电磁场计算软件进行数值求解，其精度取决于有限元网格划分的形状和密度以及边界条件的处理，对于具有复杂边界条件的电磁装置，电磁场计算效率不高。不论是解析确定还是数值计算确定方法，由于电磁装置构型的复杂性，往往都需要通过实验测量对理论模型或数值计算进行检验或修正。此外，实际加工过程中电磁装置的几何尺寸和材料参数与设计值相比存在误差，因此对电磁力和电磁力矩进行实验测量是很必要的。

目前已有电磁力和电磁力矩的测量一般为单自由度的，且动态变化范围较窄。故针对电磁装置的三自由度大范围动态变化，亟需设计一种相应的电磁力和电磁力矩的精确测量装置及方法。

发明内容

本发明提供了一种用于电磁力或者电磁力矩的测量装置及方法，以解决现有的电磁装置通电所产生的电磁力/电磁力矩的测量维数、测量范围不足以及缺乏动态测量手段的技术问题。

一种用于电磁力或者电磁力矩的测量装置，包括：

用于安装第一电磁装置的第一支撑平台及用于安装第二电磁装置的第二支撑平台；

用于给第一电磁装置提供电流的第一电流源和用于给第二电磁装置提供电流的第二电流源；其中，

第一支撑平台设有驱动机构，驱动机构用于驱动第一电磁装置活动，以调节第一电磁装置与第二电磁装置间的相对位置及姿态；

第二支撑平台上设有用于检测第一电磁装置与第二电磁装置间的电磁力或者电磁力矩的传感器。

进一步地，第一支撑平台包括：

用于安装第一电磁装置的支撑部件，

用于驱动支撑部件周向旋转的第一驱动机构；

用于驱动支撑部件沿所在平面横向移动的第二驱动机构；

用于驱动支撑部件沿所在平面纵向移动的第三驱动机构。

进一步地，装置还包括处理器，处理器经控制器与驱动机构电连接，以控制驱动机构动作。

进一步地，处理器与第一电流源和第二电流源电连接，以控制第一电流源、第二电流源的输出电流值。

进一步地，第一电磁装置和第二电磁装置包括至少一组电磁线圈；

第一电流源和第二电流源均包括恒流源及多通道电流功率放大器，多通道电流功率放大器的调节端与处理器连接，接收处理器的指令调节恒流源输出一路或者多路电流。

进一步地，传感器为用于检测电磁力的力传感器或者检测电磁力矩的力矩传感器，传感器与处理器通信连接，以传递检测数据给处理器。

根据本发明的另一方面，还提供一种用于电磁力或者电磁力矩测量的方法，采用上述的装置，该方法包括：

调节第一电磁装置与第二电磁装置间的相对位置及姿态，其中，第一电磁装置可在二维平面上平动及旋转，第二电磁装置固定；

调节第一电磁装置及第二电磁装置上电磁线圈的输入电流值；

检测第一电磁装置与第二电磁装置间的电磁力或者电磁力矩值。

进一步地，通过处理器调节第一电磁装置与第二电磁装置间的相对位置及姿态；

且通过处理器调节第一电磁装置及第二电磁装置上电磁线圈的输入电流；

采用传感器检测第一电磁装置与第二电磁装置间的电磁力或者电磁力矩值，且传感器将检测数据传递给处理器。

进一步地，处理器通过预设程序控制第一电磁装置与第二电磁装置间的相对位置及姿态，并经预设程序或者外界输入的控制信号实时调整第一电磁装置及第二电磁装置上电磁线圈的输入电流。

进一步地，传感器的灵敏度根据待测量的电磁力或者电磁力矩的变化范围相应选取。

本发明具有以下有益效果：

本发明用于电磁力或者电磁力矩的测量装置及方法，通过调节第一电磁装置与第二电磁装置间的相对位置及姿态，并调节第一电磁装置与第二电磁装置上的通电电流，且经传感器检测第一电磁装置与第二电磁装置间的电磁力或者电磁力矩，可自动获取两电磁装置在二维三自由度运动空间内产生力/力矩的测量值，具有普适性，对电磁装置构型无约束，可测量任意形状电磁装置间所产生的力/力矩；此外，本发明也可适用于其他类型力(如电场力)等的相应测量，具有良好扩展性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例用于电磁力或者电磁力矩的测量装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施例电磁装置二维三自由度调节的装置示意图；

图3是本发明优选实施例两电磁装置的电流调节的装置示意图。

附图标记说明：

10、第一支撑平台；20、第一电磁装置；

30、第二支撑平台；40、第二电磁装置；

50、传感器；

60、第一电流源；70、第二电流源；

80、处理器；

11、第一支撑部件；12、托板；13、纵向导轨；14、横向导轨；15、第一电机；16、第二电机；17、第三电机；18、滚珠丝杆；61、恒流源；62、多通道电流功率放大器；

90、控制器；91、信号采集单元；92、D/A板；93、数字I/O板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明优选实施例提供了一种用于电磁力或者电磁力矩的测量装置，参照图1，本实施例测量装置包括：用于安装第一电磁装置20的第一支撑平台10及用于安装第二电磁装置40的第二支撑平台30；其中，第一支撑平台10设有用于驱动第一电磁装置20活动的驱动机构，使得第一电磁装置20可在二维平面平动及旋转，以调节第一电磁装置20与第二电磁装置40间的相对位置及姿态；第二支撑平台30上设有用于检测第一电磁装置20与第二电磁装置40间的电磁力或者电磁力矩的传感器50；本实施例测量装置还包括用于给第一电磁装置20提供电流的第一电流源60和用于给第二电磁装置40提供电流的第二电流源70。本实施例通过调节第一电磁装置20与第二电磁装置40间的相对位置及姿态，并调节第一电磁装置与第二电磁装置上的通电电流，且经传感器检测第一电磁装置与第二电磁装置间的电磁力或者电磁力矩，可自动获取两电磁装置在二维三自由度运动空间内产生力/力矩的测量值，具有普适性，对电磁装置构型无约束，可测量任意形状电磁装置间所产生的力/力矩；此外，本发明也可适用于其他类型力(如电场力)等的相应测量，具有良好扩展性。

可选地，本实施例测量装置包括处理器80，处理器80经控制器90与驱动机构电连接，以控制驱动机构动作，其中，处理器20内配置有控制程序，经控制器90的输出自动控制驱动机构动作，以实现第一电磁装置20二维三自由度运动变化的自动控制，从而调节第一电磁装置20与第二电磁装置40间的相对位置及姿态。

参照图1及图2，本实施例中，第一支撑平台10包括：用于安装第一电磁装置20的支撑部件11，用于驱动支撑部件11周向旋转的第一驱动机构；用于驱动支撑部件11沿所在平面横向移动的第二驱动机构；用于驱动支撑部件11沿所在平面纵向移动的第三驱动机构。优选地，支撑部件11选用立柱，第一电磁装置20安装于立柱之上。立柱经托板12安装于纵向导轨13上，纵向导轨13安装于横向导轨14之上。第一驱动机构包括用于驱动支撑部件11绕图示Z轴在托板12上旋转的第一电机15，第一电机15经滚珠丝杆18驱动立柱；第二驱动机构包括用于驱动纵向导轨13沿横向导轨14移动，即沿图示X轴方向移动的第二电机16，第二电机16经滚珠丝杆18驱动纵向导轨13；第三驱动机构包括用于驱动托板12沿纵向导轨13移动，即沿图示Y轴方向移动的第三电机17，第三电机17经滚珠丝杆18驱动托板12。需要说明的是，在其他实施例中，横向导轨14与纵向导轨13的位置可以互换，即托板12安装于横向导轨14之上，横向导轨14安装于纵向导轨之上，托板12及横向导轨14分别连接有相应的驱动机构，以实现位置调节。可选地，驱动机构除了采用本实施例的电机以外，还可以采用气动或者液压类驱动机构。

参照图2，本实施例中，处理器80内配置有控制软件，例如Labview软件编程，处理器80经数字I/O板93连接控制器90，本实施例中，控制器90选用PLC控制器，处理器80通过数字I/O将移动指令输出给PLC控制器，PLC控制器进而控制第一电机15、第二电机16或者第三电机17动作，而电机的输出轴进一步经传动机构带动执行部件动作，从而实现了放置于立柱上的第一电磁装置20的二维三自由度的自动调节。

可选地，参照图1及图3，处理器80与第一电流源60和第二电流源70电连接，以控制第一电流源60、第二电流源70的输出电流值。本实施例中，第一电磁装置20和第二电磁装置40包括至少一组电磁线圈；参照图3，第一电流源60和第二电流源70均包括恒流源61及多通道电流功率放大器62，多通道电流功率放大器62的调节端与处理器80连接，接收处理器80的指令调节恒流源61输出一路或者多路电流。本实施例中，处理器80经D/A板92连接多通道电流功率放大器62，多通道电流功率放大器62在处理器80的输出指令控制下选通相应的电流输出通道，以输出相应的电流给电磁装置的线圈上，其中，电流值的调节可由处理器80上预设的程序进行自动调节，也可由外界输入的控制信号对电流值进行实时调节，以改变第一电磁装置和/或第二电磁装置电磁线圈的电流值。优选地，第一电磁装置20和第二电磁装置40均包含多套线圈，以方便对第一电磁装置20和第二电磁装置40线圈的通电进行灵活调节，得到满足实验要求的电磁力。

可选地，传感器50为用于检测电磁力的力传感器或者检测电磁力矩的力矩传感器，传感器50与处理器80通信连接，以传递检测数据给处理器80。优选地，处理器80经信号采集单元91采集各传感器50实时检测的数据。其中，力传感器可采用通用的压力传感器或者拉力传感器，力矩传感器可采用扭矩传感器。

本实施例测量装置具有以下功能：一是高精度运动平台，能够方便、灵活地设置两电磁装置间相对位置/姿态，提供三自由度运动状态；二是高精度力/力矩传感器，提供电磁力/力矩精细测量；三是电磁装置的电流控制***，提供按需设置的线圈电流值；四是自动化控制***，提供运动平台、力/力矩传感器、线圈电流控制***间的有效连接与自动运行。

本实施例通过处理器80对两电磁装置间的相对位置及姿态进行自动调节，并对两电磁装置的线圈的通电电流进行自动调节，以提供按需设置的电流值，同时经传感器实时检测电磁力/力矩，并对上述各环节进行综合同步控制，从而实现了对空间多自由度的电磁力/力矩的自动测量，且能够满足动态测量需求，可靠性高，且对电磁装置构型无约束，可以测量任意形状电磁装置间产生的力/力矩。

根据本发明的另一方面，还提供一种用于电磁力或者电磁力矩的自动测量方法的实施例，该方法实施例包括：

调节第一电磁装置20与第二电磁装置40间的相对位置及姿态，其中，第一电磁装置20可在二维平面上平动及旋转，第二电磁装置40固定；

调节第一电磁装置20及第二电磁装置40上电磁线圈的输入电流值；

检测第一电磁装置20与第二电磁装置40间的电磁力或者电磁力矩值。

优选地，本方法实施例采用上述装置实施例的测量装置，具体实施方式如下：

将两套电磁装置分别部署于固定和移动立柱上，通过计算机程序设定移动立柱的二维三自由度运行轨迹以及各运行点位置处各线圈电流值；开始测量后，通过数字I/O接口将移动指令传给各方向控制电机，电机带动机械传动机构运动，进而实现放置于移动立柱电磁装置的二维三自由度运动(如图2)；同时，处理器通过D/A板将电流指令发给多通道功率放大器，用于调节恒流源输送的电流值，并进而控制移动/固定电磁装置的多套磁线圈电流值(如图3)；力与力矩传感器性能(包括量程及分辨率)的选取是电磁力/力矩测量方法的核心，本方法根据所测物理量的特性来确定，具体说明如下：电磁力/力矩与电磁装置间相对距离成3-4次方的反比关系，随相对距离的增加或减小非线性剧烈变化；另外，电磁力/力矩随两电磁装置间相对姿态变化而变化，电磁装置正对为最大力产生模式，但电磁力矩为0。因此，首先根据所测电磁装置相距最近且正对仿真计算结果(可采用任一款有限元分析软件计算得到)给出传感器的力量程，并根据所测电磁装置相距最近且其法向垂直仿真计算结果给出传感器的力矩量程。进而，根据电磁装置应用要求确定传感器力和力矩的灵敏度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于电磁力或者电磁力矩的测量装置，其特征在于，包括：

用于安装第一电磁装置(20)的第一支撑平台(10)及用于安装第二电磁装置(40)的第二支撑平台(30)；

用于给所述第一电磁装置(20)提供电流的第一电流源(60)和用于给所述第二电磁装置(40)提供电流的第二电流源(70)；其中，

所述第一支撑平台(10)设有驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述第一电磁装置(20)活动，以调节所述第一电磁装置(20)与所述第二电磁装置(40)间的相对位置及姿态；

所述第二支撑平台(30)上设有用于检测所述第一电磁装置(20)与所述第二电磁装置(40)间的电磁力或者电磁力矩的传感器(50)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一支撑平台(10)包括：

用于安装所述第一电磁装置(20)的支撑部件(11)，

用于驱动所述支撑部件(11)周向旋转的第一驱动机构；

用于驱动所述支撑部件(11)沿所在平面横向移动的第二驱动机构；

用于驱动所述支撑部件(11)沿所在平面纵向移动的第三驱动机构。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述装置还包括处理器(80)，所述处理器(80)经控制器(90)与所述驱动机构电连接，以控制所述驱动机构动作。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述处理器(80)与所述第一电流源(60)和第二电流源(70)电连接，以控制所述第一电流源(60)、所述第二电流源(70)的输出电流值。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述第一电磁装置(20)和所述第二电磁装置(40)包括至少一组电磁线圈；

所述第一电流源(60)和所述第二电流源(70)均包括恒流源及多通道电流功率放大器，所述多通道电流功率放大器的调节端与所述处理器(80)连接，接收所述处理器(80)的指令调节所述恒流源输出一路或者多路电流。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述传感器(50)为用于检测电磁力的力传感器或者检测电磁力矩的力矩传感器，所述传感器(50)与所述处理器(80)通信连接，以传递检测数据给所述处理器(80)。

7.一种使用权利要求1至6中任一项所述的装置进行电磁力或者电磁力矩测量的方法，其特征在于，包括：

调节第一电磁装置(20)与第二电磁装置(40)间的相对位置及姿态，其中，第一电磁装置(20)可在二维平面上平动及旋转，所述第二电磁装置(40)固定；

调节第一电磁装置(20)及第二电磁装置(40)上电磁线圈的输入电流值；

检测第一电磁装置(20)与第二电磁装置(40)间的电磁力或者电磁力矩值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

通过处理器(80)调节所述第一电磁装置(20)与第二电磁装置(40)间的相对位置及姿态；

且通过所述处理器(80)调节所述第一电磁装置(20)及所述第二电磁装置(40)上电磁线圈的输入电流；

采用传感器(50)检测第一电磁装置(20)与第二电磁装置(40)间的电磁力或者电磁力矩值，且所述传感器(50)将检测数据传递给所述处理器(80)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述处理器(80)通过预设程序控制所述第一电磁装置(20)与第二电磁装置(40)间的相对位置及姿态，并经预设程序或者外界输入的控制信号实时调整所述第一电磁装置(20)及所述第二电磁装置(40)上电磁线圈的输入电流。

10.根据权利要求7至9任一项所述的方法，其特征在于，

传感器(50)的灵敏度根据待测量的电磁力或者电磁力矩的变化范围相应选取。