CN109900425B - 一种压电矢量力测试装置的性能评估方法 - Google Patents
一种压电矢量力测试装置的性能评估方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109900425B CN109900425B CN201910182928.9A CN201910182928A CN109900425B CN 109900425 B CN109900425 B CN 109900425B CN 201910182928 A CN201910182928 A CN 201910182928A CN 109900425 B CN109900425 B CN 109900425B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- force
- piezoelectric
- vector
- resultant
- vector force
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 70
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 title claims abstract description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 7
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 16
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 8
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 5
- 238000013507 mapping Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011900 installation process Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011426 transformation method Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
本发明提供了一种压电矢量力测试装置的性能评估方法。该方法从前期对矢量力测试装置的标定和后期对矢量力测试装置的模拟加载两方面着手，检验并反向研究基于矢量力测试装置的矢量力测量映射关系模型。首先从矢量力测试装置在实际工况下的受力状态等角度出发，建立了矢量力测试装置的理论模型，包括“由上而下”的多个空间矢量力向转接平面中心处合成的空间矢量力平移变换模型Ⅰ和“由下而上”的压电测力仪输出分量向转接平面中心点处合成的理论模型Ⅱ；然后对比分析“由模型Ⅰ得到的合力Fs1和合力矩Ms1”与“模型Ⅱ得到的合力Fs2和合力矩Ms2”；最终，从标定和模拟加载两方面验证了在误差允许的范围内，压电矢量力测试装置的测试性能是否满足实际工况的要求。
Description
技术领域
本发明属于压电测力仪测量技术领域，涉及一种压电矢量力测试装置的性能评估方法。
背景技术
在高端装备制造业和航空航天技术矢量力测量领域，矢量力测试装置被广泛应用于矢量力的精确测量。然而，实际测试工况中存在大量的噪声信号，与被测矢量力信号存在着强耦合作用，使测试装置精确测量目标信号变得困难，故对矢量力测试装置的测试性能提出了更高的要求。因此，在对矢量力进行实时测量的过程中，测试装置良好的测试性能是实现精确测量的保障。
一般情况下，在矢量力测试装置被投入现场工作之前，常对测试装置进行静态标定或动态标定，来保证其测试性能在实验室工况下达到所需测试精度的要求。赵友利用两个相互垂直的八角环作为力敏元件设计了一种用于车削过程中测量三轴向力的新型测力装置，并采用静动态标定的方法评估了该测力装置的测试性能满足高速切削过程中精确测量的要求。张军等人先提出了一种基于Kirchhoff板变形的多加载点压电测力仪标定方法，解决了多点加载位置非线性标定的难题，然后又基于Deep Belief Networks提出了推力偏移量的非线性标定方法，有效的提高了力偏移矢量的标定精度。秦亚飞等人设计了一种用于实时测量铣削力的新型测力仪，采用从0到2000N间隔为200N的阶梯力对其进行了静态标定，验证了测力仪的测试性能满足所需指标要求。
上述研究仅是在实验室环境下对矢量力测试装置进行静态或动态标定，只能表明测试装置在实验室环境中工作性能的稳定与可靠，但在实际工况下，***设备产生的噪声信号及安装过程中操作工艺对测试装置的影响，都会严重影响测试装置的标定精度，使其测试性能得不到保证。因此，对矢量力测试装置的测试性能研究不仅需要在实验室环境中的静动态标定，也需要在实际工况下对其进行测试性能评估。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明从前期对矢量力测试装置的标定和后期对矢量力测试装置的模拟加载两方面着手，检验并反向研究基于矢量力测试装置的矢量力测量映射关系模型。
本发明从矢量力测试装置在实际工况下的受力状态等角度出发，建立了矢量力测试装置的理论模型，包括“由上而下”的多个空间矢量力向转接平面中心处合成的空间矢量力平移变换模型Ⅰ和“由下而上”的压电测力仪输出分量向转接平面中心点处合成的理论模型Ⅱ。然后对矢量力测试装置进行变载点的力-力二分量复合加载实验，最后对比分析了“由模型Ⅰ得到的合力Fs1和合力矩Ms1”与“模型Ⅱ得到的合力Fs2和合力矩Ms2”，从标定和模拟加载两方面验证了在误差允许的范围内，矢量力测试装置的测试性能满足实际工况的要求。
该方法不仅利用标定方法评估了矢量力测试装置的测试性能，而且采用模拟加载矢量力的方法验证了压电矢量力测试装置的输出性能。因此，本发明是一种对矢量力测试装置的测试性能及其稳定性与可靠性进行全面、有效评估的方法。
本发明的技术方案：
一种基于压电矢量力测试装置静态标定的性能评估方法，如图1所示，外界加载力作用于压电矢量力测试装置的受力体1上，一方面，采用“由上而下”的空间矢量力合成模型Ⅰ将多个空间矢量力向转接平面的中心处合成转换，求得合力Fs1和合力矩Ms1；另一方面，根据压电测力仪的12路输出分量，采用“由下而上”的压电测力仪输出分量合成模型Ⅱ向转接平面的中心点处合成转换，求得合力Fs2和合力矩Ms2；最后对比分析“由模型Ⅰ得到的合力Fs1和合力矩Ms1”与“模型Ⅱ得到的合力Fs2和合力矩Ms2”；
压电矢量力测试装置以压电测力仪作为核心力敏元件，主要由受力体、连接板与压电测力仪组成；如附图2所示，受力体1通过螺栓与转接板2相连，转接板2通过螺栓与压电测力仪的上板3相连，转接板2与压电测力仪的上板3的连接平面命名为转接平面；压电测力仪主要由上板3、压电传感器4与下板5组成；将压电测力仪的12路输出分别与电荷放大器用导线连接，然后通过采集卡将电荷放大器与计算机连接成一体；
(1)空间矢量力平移变换模型Ⅰ
如图3所示，设受力体1上同时受到F1,F2,F3三个矢量力的作用，根据理论力学空间矢量力平移变换原理，将三个空间矢量力F1,F2,F3同时向转接平面的中心点处合成转换，求得Fs1和Ms1；
其中，F1,F2,F3：由可控六维力加载装置产生的空间单向矢量力；Fs1,Ms1:多个空间矢量力向转接平面中心点处简化合成的合力与合力矩；Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz：多个空间矢量力在转接平面中心点处的合力与合力矩在空间坐标系O-XYZ各坐标轴的投影；α1,α2,α3：加载矢量力在平面XOY上的投影与X轴正向的夹角，即为侧向加载力方位角；β1,β2,β3：加载矢量力作用点A、B、C在平面XOY的投影点与坐标原点O的连线与X轴正向的夹角，即为加载力偏移方位角；γ1,γ2,γ3：加载矢量力F1、F2、F3分别与Z轴的夹角，即为加载力偏斜角；h1,h2,h3：加载矢量力作用点A、B、C距平面XOY的距离；R1,R2,R3：加载矢量力作用点A、B、C到中心轴线的距离；
(2)压电测力仪输出分量合成模型Ⅱ
如图4所示，设XOY平面为压电测力仪与受力体1连接的转接平面；序号1、2、3、4代表四个压电传感器；Fxi、Fyi、Fzi分别表示受外界加载矢量力Fs2和Ms2作用时，第i个压电传感器所受到的沿X、Y、Z方向所受到的轴向力，i＝1、2、3、4；a、b分别表示压电传感器到Y轴和X轴的距离；c为转接平面距参考坐标系的高度；
根据压电测力仪的12路输出，将各分量向转接平面的中心点处合成转换，得：
其中：F’x,F’y,F’z,M'x,M'y,M'z：压电测力仪各输出分量向转接平面中心点处合成的合矢量力/力矩分别沿空间坐标系O-XYZ各坐标轴方向的分力/力矩；
Fs2,Ms2：多个空间矢量力向转接平面中心点处简化合成的合力与合力矩。
最后，分别对比分析合力Fs1与Fs2，合力矩Ms1与Ms2，来验证在误差允许的范围内，矢量力测试装置的测试性能是否满足实际工况的要求。
本发明的有益效果：本发明从前期对矢量力测试装置的标定和后期对矢量力测试装置的模拟加载两方面着手，检验并反向研究基于矢量力测试装置的矢量力测量映射关系模型。该方法不仅利用标定方法评估了矢量力测试装置的测试性能，而且采用模拟加载矢量力的方法验证了压电矢量力测试装置的输出性能。因此，本发明是一种对矢量力测试装置的测试性能及其稳定性与可靠性进行全面、有效评估的方法。
附图说明
图1为评估压电矢量力测试装置测试性能的方案示意图。
图2为压电矢量力测试装置的结构示意图。
图3为采用空间平移变换法作用于受力体上的多个空间矢量力向转接平面的中心点处合成转换的示意图。
图4是压电测力仪输出分量合成示意图。
图中：1受力体；2转接板；3上板；4压电传感器；5下板。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明进行了力-力二分量复合加载实验来证明该研究方法的实用性和有效性。设沿X正方向和Y正方向施加矢量力，记为Fx和Fy。Fx在距转接平面高度为530mm处、Fy在距转接平面高度为330mm处分别同时沿X轴、Y轴正方向依次进行500N、1000N、1500N、2000N、2500N、3000N的阶梯力加载，且h1＝330mm，h2＝330mm，γ1＝γ2＝90°，α1＝0°，α2＝90°，β1＝0°，β2＝90°。根据上述所建立的模型Ⅰ和模型Ⅱ，将多个单向矢向力向转接平面的中心点处合成求得合力Fs1和合力矩Ms1，将压电测力仪的12路输出分量向转接平面的中心点处合成求得合力Fs2和合力矩Ms2，计算结果如表1-表3所示。
表1模型Ⅰ推导的合矢量力/力矩
表2模型Ⅱ推导的合矢量力/力矩
表3模型Ⅰ与模型Ⅱ的结果对比验证表
结果表明，Fs1和Fs2的相对误差最大为1.04％，Ms1和Ms2的相对误差最大为10.8％。考虑到结构装置的刚度、加载点位置的偏差、矢量力传递过程中的损失等多方面的因素，因此，在误差允许的范围内，将“由上而下”建立的多个空间矢量力向转接平面中心处合成的空间矢量力平移变换模型Ⅰ和“由下而上”建立的压电测力仪输出分量向转接平面中心点处合成的理论模型Ⅱ相结合，能够有效评估矢量力测试装置测试性能的可靠性与稳定性。
虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但并非用上述实施例限定本发明。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明所给出的技术特征和范围的情况下，对技术所作的增加、以本领域一些同样内容的替换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于压电矢量力测试装置静态标定的性能评估方法，其特征在于，步骤如下：
外界加载力作用于压电矢量力测试装置的受力体(1)上，采用“由上而下”的空间矢量力合成模型Ⅰ将多个空间矢量力向转接平面的中心处合成转换，求得合力Fs1和合力矩Ms1；根据压电测力仪的12路输出分量，采用“由下而上”的压电测力仪输出分量合成模型Ⅱ向转接平面的中心点处合成转换，求得合力Fs2和合力矩Ms2；最后对比分析“由模型Ⅰ得到的合力Fs1和合力矩Ms1”与“模型Ⅱ得到的合力Fs2和合力矩Ms2”；
压电矢量力测试装置以压电测力仪作为核心力敏元件，由受力体、连接板与压电测力仪组成；受力体(1)通过螺栓与转接板(2)相连，转接板(2)通过螺栓与压电测力仪的上板(3)相连，转接板(2)与压电测力仪的上板(3)的连接平面命名为转接平面；压电测力仪由上板(3)、压电传感器(4)与下板(5)组成；将压电测力仪的12路输出分别与电荷放大器用导线连接，然后通过采集卡将电荷放大器与计算机连接成一体；
空间矢量力平移变换模型Ⅰ
受力体(1)上同时受到F1,F2,F3三个矢量力的作用，根据理论力学空间矢量力平移变换原理，将三个空间矢量力F1,F2,F3同时向转接平面的中心点处合成转换，求得Fs1和Ms1；
其中，F1,F2,F3：由可控六维力加载装置产生的空间单向矢量力；Fs1,Ms1:多个空间矢量力向转接平面中心点处简化合成的合力与合力矩；Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz：多个空间矢量力在转接平面中心点处的合力与合力矩在空间坐标系O-XYZ各坐标轴的投影；α1,α2,α3：加载矢量力在平面XOY上的投影与X轴正向的夹角，即为侧向加载力方位角；β1,β2,β3：加载矢量力作用点A、B、C在平面XOY的投影点与坐标原点O的连线与X轴正向的夹角，即为加载力偏移方位角；γ1,γ2,γ3：加载矢量力F1、F2、F3分别与Z轴的夹角，即为加载力偏斜角；h1,h2,h3：加载矢量力作用点A、B、C距平面XOY的距离；R1,R2,R3：加载矢量力作用点A、B、C到中心轴线的距离；
压电测力仪输出分量合成模型Ⅱ
XOY平面为压电测力仪与受力体(1)连接的转接平面；序号1、2、3、4代表四个压电传感器；Fxi、Fyi、Fzi分别表示受外界加载矢量力Fs2和Ms2作用时，第i个压电传感器所受到的沿X、Y、Z方向所受到的轴向力，i＝1、2、3、4；a、b分别表示压电传感器到Y轴和X轴的距离；c为转接平面距参考坐标系的高度；
根据压电测力仪的12路输出，将各分量向转接平面的中心点处合成转换，得：
其中：F′x,F′y,F′z,M′x,M′y,M′z：压电测力仪各输出分量向转接平面中心点处合成的合矢量力/力矩分别沿空间坐标系O-XYZ各坐标轴方向的分力/力矩；
Fs2,Ms2：多个空间矢量力向转接平面中心点处简化合成的合力与合力矩；
最后，分别对比分析合力Fs1与Fs2，合力矩Ms1与Ms2，来验证在误差允许的范围内，矢量力测试装置的测试性能是否满足实际工况的要求。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910182928.9A CN109900425B (zh) | 2019-03-12 | 2019-03-12 | 一种压电矢量力测试装置的性能评估方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910182928.9A CN109900425B (zh) | 2019-03-12 | 2019-03-12 | 一种压电矢量力测试装置的性能评估方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109900425A CN109900425A (zh) | 2019-06-18 |
| CN109900425B true CN109900425B (zh) | 2021-01-19 |
Family
ID=66946873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910182928.9A Active CN109900425B (zh) | 2019-03-12 | 2019-03-12 | 一种压电矢量力测试装置的性能评估方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109900425B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112179550B (zh) * | 2020-09-22 | 2021-07-06 | 大连理工大学 | 一种四支点压电测力仪的优化布置方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2391546C1 (ru) * | 2008-12-17 | 2010-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Способ управления вектором тяги жидкостного ракетного двигателя |
| US9919792B2 (en) * | 2014-07-02 | 2018-03-20 | The Aerospace Corporation | Vehicle attitude control using jet paddles and/or movable mass |
| CN104316230B (zh) * | 2014-11-18 | 2017-01-11 | 大连海事大学 | 一种圆柱梁所受矢量力测量方法及装置 |
| CN107829843B (zh) * | 2017-09-20 | 2019-05-10 | 大连理工大学 | 一种用于火箭发动机推力矢量标定的旋转标定法 |
-
2019
- 2019-03-12 CN CN201910182928.9A patent/CN109900425B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109900425A (zh) | 2019-06-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108168774B (zh) | 一种空间矢量力校准方法 | |
| WO2021128761A1 (zh) | 分布式多维力测力***及测力方法 | |
| CN112611498A (zh) | 基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法 | |
| Wu et al. | Decoupling analysis of a sliding structure six-axis force/torque sensor | |
| Zhou et al. | Method of designing a six-axis force sensor for stiffness decoupling based on Stewart platform | |
| Li et al. | Research on a novel parallel spoke piezoelectric 6-DOF heavy force/torque sensor | |
| CN105784266B (zh) | 对接机构试验***六分量力在线校准方法 | |
| Liu | Design of a three-dimensional capacitor-based six-axis force sensor for human-robot interaction | |
| Zhou et al. | Influence of flexible spherical joints parameters on accuracy of the six-axis force/torque sensor with three-three orthogonal parallel mechanism | |
| Gao et al. | A self-calibration method for articulated arm coordinate measuring machines | |
| CN109900425B (zh) | 一种压电矢量力测试装置的性能评估方法 | |
| Sun et al. | Design of a novel Six-axis force/torque sensor based on strain gauges by finite element method | |
| Yao et al. | Task-oriented design method and research on force compliant experiment of six-axis wrist force sensor | |
| Yan et al. | Self-uncoupling wrist six-axis force/torque sensor based on Fiber Bragg grating | |
| Zhao et al. | Design and calibration experiment of a novel rigid-flexible hybrid parallel three-dimensional force sensor with deformability | |
| CN106596057A (zh) | 一种大口径反射镜组件的面形检验方法 | |
| Yao et al. | Fault-tolerant parallel six-component force sensor | |
| Jun et al. | Optimization of design and measurement principle of six-components force/thrust measurement stand | |
| Ha et al. | Elastic structure for a multi-axis forcetorque sensor | |
| Wu et al. | Research on calibration system error of 6-axis force/torque sensor integrated in humanoid robot foot | |
| Cao et al. | A research of multi-axis force sensor static decoupling method based on neural network | |
| Zhao et al. | Research and design of a pre-stressed six-component force/torque sensor based on the Stewart platform | |
| Liu et al. | Design and experiment of a parallel six-axis heavy force sensor based on stewart structure | |
| Luo et al. | Parameters optimization for a capacitive six-axis force/torque sensor by using analytical method | |
| Wang et al. | Stiffness analysis and parameter optimization of six-dimensional force sensor with the novel circular flexible spherical joint |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |