專利名稱：一種六維力傳感器標(biāo)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器及其測(cè)控領(lǐng)域，特別涉及一種六維力傳感器標(biāo)定裝置。
背景技術(shù)：
六維力傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)三維空間的全力信息，即三維力信息(Fx、Fy、Fz)和三維力矩信息(Mx、My、Mz)。六維力傳感器的在航空航天、機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如飛輪傳動(dòng)系統(tǒng)的受力監(jiān)控、月球車著陸試驗(yàn)、飛行器低沖擊對(duì)接、精密儀器裝配、機(jī)器人雙手協(xié)調(diào)控制等。我國(guó)高精度六維力傳感器主要依賴進(jìn)口，因此，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的六維力傳感器具有重要的戰(zhàn)略意義。標(biāo)定裝置在傳感器的研制過程中占據(jù)著極其重要的作用，標(biāo)定裝置的精度直接制約著六維力傳感器的測(cè)量精度，研制出高精度定位和加載的六維力傳感器標(biāo)定裝置可為六維力傳感器的精確標(biāo)定提供重要的技術(shù)支撐，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)多維力傳感器研究單位研制出的傳感器標(biāo)定裝置主要有砝碼加載滑輪式、砝碼加載回轉(zhuǎn)臺(tái)式、龍門式、四千斤頂式的標(biāo)定裝置等。中國(guó)專利公開號(hào)CN102749168A公開了一種砝碼式無耦合六維力傳感器的組合式標(biāo)定裝置，利用砝碼作為力源，利用杠桿原理和滑輪組實(shí)現(xiàn)增力作用，實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向單維力的單獨(dú)標(biāo)定，在中小量程多維力傳感器的標(biāo)定中使用較為普遍，具有精度高，易操作等特點(diǎn)，但不能進(jìn)行自動(dòng)加載及動(dòng)態(tài)載荷加載標(biāo)定。中國(guó)專利公開號(hào)CN1715856A公開了一種滑輪式無極升降式六維力傳感器標(biāo)定裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多維力傳感器進(jìn)行廣義加載和標(biāo)定，但不能實(shí)現(xiàn)各維力/力矩分量的單獨(dú)加載，且傳遞繩索與水平面之間的角度很難保證足夠的精度，從而影響標(biāo)定精度。中國(guó)專利公開號(hào)CN101226095A公開了一種四千斤頂式六維力傳感器標(biāo)定裝置，由于加載裝置為液壓缸或千斤頂，體積大、量程高、質(zhì)量大、標(biāo)定精度不高，僅適用于大型及大噸位的六維力傳感器的標(biāo)定，不能標(biāo)定中小型或中小量程的六維力傳感器，且試驗(yàn)操作非常復(fù)雜，標(biāo)定試驗(yàn)效率低。中國(guó)專利公開號(hào)CN202216801U公開了一種雙力源六維力傳感器標(biāo)定裝置，可以對(duì)六維力傳感器進(jìn)行連續(xù)的動(dòng)、靜態(tài)標(biāo)定，操作簡(jiǎn)便，但是雙力源易產(chǎn)生不同步誤差，從而影響標(biāo)定精度。綜上所述，現(xiàn)有的六維力傳感器標(biāo)定裝置普遍存在標(biāo)定力和力矩精度不高、操作復(fù)雜且不能自動(dòng)控制的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種高精確定位、精確加載、自動(dòng)控制的六維力傳感器標(biāo)定裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種六維力傳感器標(biāo)定裝置，包括機(jī)架、加載機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)，所述的機(jī)架由基座和門式剛性框架組成；所述的加載機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)A、減速器、齒輪A、齒輪B、齒輪C、齒輪D、齒輪E、兩個(gè)滾珠絲杠、兩個(gè)滾珠絲杠螺母、活動(dòng)橫梁、標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器和加載頭，伺服電機(jī)A的輸出軸與減速器的輸入軸剛性連接，減速器的輸出軸與齒輪A的中心剛性連接，齒輪A的一側(cè)與齒輪B嚙合、齒輪A的另一側(cè)與齒輪C嚙合，齒輪B同時(shí)與齒輪E嚙合，齒輪C同時(shí)與齒輪D哨合,五個(gè)相互哨合的齒輪中心位于同一條直線上,齒輪E中心孔與滾珠絲杠下端剛性連接，滾珠絲杠上端通過軸承以雙推支承式的支撐形式連接到門式剛性框架上，滾珠絲杠螺母固定連接到活動(dòng)橫梁上端，滾珠絲杠螺母與滾珠絲杠螺紋配合，滾珠絲杠通過滾珠絲杠螺母帶動(dòng)活動(dòng)橫梁上下往復(fù)移動(dòng)，活動(dòng)橫梁下端依次順序剛性連接標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器和加載頭；所述的定位機(jī)構(gòu)包括小U型架、大U型架、360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A、360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B、圓光柵A、圓光柵B、伺服電機(jī)D、伺服電機(jī)E、固定板、轉(zhuǎn)接板、加載板、固定法蘭A、固定法蘭B和精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)，大U型架固定連接在工作臺(tái)上，小U型架通過固定法蘭A、固定法蘭B固定連接到大U型架內(nèi)側(cè)，小U型架與大U型架形成一個(gè)回轉(zhuǎn)副，固定法蘭A剛性連接360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B的輸出軸，圓光柵B固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B輸出軸上，伺服電機(jī)D剛性連接到360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B輸入軸上，360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A固定連接在小U型架內(nèi)部，圓光柵A固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A輸出軸上,伺服電機(jī)E剛性連接到360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A輸入軸上，固定板固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A輸出軸上，轉(zhuǎn)接板固定連接到固定板上；所述的精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)B、伺服電機(jī)C、光柵尺A、光柵尺B、絲杠A、絲杠B、軸承底座A、軸承底座B、兩個(gè)導(dǎo)軌A、兩個(gè)導(dǎo)軌B、四個(gè)滑塊A、四個(gè)滑塊B、底座A、底座B和工作臺(tái)，底座B固定連接到基座上，兩個(gè)導(dǎo)軌B固定連接到底座B，兩個(gè)導(dǎo)軌B與底座A通過四個(gè)滑塊B構(gòu)成滑動(dòng)連接，兩個(gè)導(dǎo)軌A固定連接到底座A，所述兩個(gè)導(dǎo)軌A與工作臺(tái)通過四個(gè)滑塊A構(gòu)成滑動(dòng)連接，伺服電機(jī)B固定連接在底座A上，絲杠A —端與伺服電機(jī)B剛性連接，所述絲杠A另一端通過軸承連接到軸承底座A上，與絲杠A配套的絲杠螺母A固定連接到工作臺(tái)，伺服電機(jī)C固定連接在底座B上，絲杠B —端與伺服電機(jī)C剛性連接，所述絲杠B另一端通過軸承連接到軸承座B上，與絲杠B配套的絲杠螺母B固定連接到底座A，光柵尺A固定連接在底座A側(cè)面上，所述光柵尺A的讀數(shù)頭固定連接到工作臺(tái)側(cè)面，光柵尺B固定連接在基座上表面，所述光柵尺B的讀數(shù)頭固定連接到底座A端面；所述的電氣控制系統(tǒng)包括人機(jī)界面、工控機(jī)、多軸控制器、伺服控制器A、伺服控制器B、伺服控制器C、伺服控制器D和伺服控制器E，人機(jī)界面和工控機(jī)作為上位機(jī)，監(jiān)控位移、角度和力信號(hào)；加載Z軸力時(shí),標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器將加載力大小反饋給多軸控制器和上位機(jī)，上位機(jī)將反饋信號(hào)與需加載力進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制，若兩者存在差值，上位機(jī)將反饋信號(hào)傳遞給多軸控制器，多軸控制器通過伺服控制器A控制伺服電機(jī)A轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零，即形成閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，得到精確的加載力；加載X軸力矩時(shí)，光柵尺B將位移信號(hào)傳遞給多軸控制器和上位機(jī)，上位機(jī)將反饋信號(hào)與所需位移進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制，若兩者存在差值，上位機(jī)將反饋信號(hào)傳遞給多軸控制器，多軸控制器通過伺服控制器C控制伺服電機(jī)C轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零，即形成閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的力矩；加載Y軸力矩時(shí)，圓光柵A將信號(hào)傳遞給多軸控制器和上位機(jī)，上位機(jī)將反饋信號(hào)與所需角度進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制，若兩者存在差值，上位機(jī)將反饋信號(hào)傳遞給多軸控制器，多軸控制器通過伺服控制器E控制伺服電機(jī)E轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零，即形成閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的力矩；加載Y軸力時(shí)，圓光柵B與圓光柵A以上述同樣原理構(gòu)成閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)，通過所述閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器翻轉(zhuǎn)的精確角度，光柵尺A與光柵尺B以上述同樣原理構(gòu)成閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)，通過閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器的精確位移，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的加載力；加載X軸力時(shí)，以圓光柵A為反饋元件的閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器旋轉(zhuǎn)的精確角度，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的加載力；加載Z軸力矩時(shí)，以光柵尺B為反饋元件的閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器的精確位移，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的力矩。同現(xiàn)有的技術(shù)比較，本發(fā)明的顯著效果是:本發(fā)明采用閉環(huán)力反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定力的精確自動(dòng)加載，并能夠?qū)αS力傳感器進(jìn)行連續(xù)加載。本發(fā)明高精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)安裝了光柵尺，形成了全閉環(huán)位移控制，精確定位X(Y)方向的位移，且圓光柵精確定位六維力傳感器的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)六維力傳感器的直線位移和轉(zhuǎn)角的精確定位。本發(fā)明只需對(duì)被標(biāo)定傳感器一次裝夾，通過操作人機(jī)界面操作面板即可自動(dòng)控制施加力和被標(biāo)定傳感器的空間位姿，可以實(shí)現(xiàn)量程范圍內(nèi)任意六維力/力矩的加載，加載過程簡(jiǎn)單，操作方便。


本發(fā)明共有附圖9張，其中:圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中定位機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明中被標(biāo)定六維力傳感器、加載板、轉(zhuǎn)接板、固定板的連接示意圖。圖4為本發(fā)明中精密十字滑臺(tái)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明中下滑臺(tái)、上滑臺(tái)和工作臺(tái)的連接示意圖。圖6為本發(fā)明中加載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本發(fā)明中對(duì)被標(biāo)定六維力傳感器(13)的軸向力和力矩加載示意圖。圖8為本發(fā)明中對(duì)被標(biāo)定六維力傳感器(13)的徑向力和力矩加載示意圖。圖9為本發(fā)明中電氣控制系統(tǒng)框圖。圖中:1_基座，2-門式剛性框架，3-滾珠絲杠，4-活動(dòng)橫梁，5-標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器，6-加載頭，7-小U型架，8-大U型架，9-精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)，10-固定法蘭A，11-固定板，12-轉(zhuǎn)接板，13-被標(biāo)定六維力傳感器，14-加載板，15-固定法蘭B，16-底座A，17-底座B，18-工作臺(tái)，19-絲杠A，20-絲杠B, 21-軸承底座A，22-軸承底座B, 23-導(dǎo)軌A，24-導(dǎo)軌B，25-減速器，26-伺服電機(jī)A，27-滾珠絲杠螺母，28-絲杠螺母A，29-絲杠螺母B，30-伺服電機(jī)B，31-伺服電機(jī)C，32-伺服電機(jī)D，33-伺服電機(jī)E，34-360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A，35-360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B，36-圓光柵A，37-圓光柵B，38-光柵尺A，39-光柵尺B，40-滑塊A，41-滑塊B，42-齒輪A，43-齒輪B，44-齒輪C，45-齒輪D，46-齒輪E，47-人機(jī)界面，48-工控機(jī)，49-多軸控制器，50-伺服控制器A，51-伺服控制器B，52-伺服控制器C，53-伺服控制器D, 54-伺服控制器E。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖1-9所示，一種六維力傳感器標(biāo)定裝置，包括機(jī)架、加載機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)，所述的機(jī)架由基座I和門式剛性框架2組成；所述的加載機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)A26、減速器25、齒輪A42、齒輪B43、齒輪C44、齒輪D45、齒輪E46、兩個(gè)滾珠絲杠3、兩個(gè)滾珠絲杠螺母27、活動(dòng)橫梁4、標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器5和加載頭6，伺服電機(jī)A26的輸出軸與減速器25的輸入軸剛性連接，減速器25的輸出軸與齒輪A42的中心剛性連接，齒輪A42的一側(cè)與齒輪B43嚙合、齒輪A42的另一側(cè)與齒輪C44嚙合，齒輪B43同時(shí)與齒輪E46嚙合，齒輪C44同時(shí)與齒輪D45嚙合，五個(gè)相互嚙合的齒輪中心位于同一條直線上，齒輪E46中心孔與滾珠絲杠3下端剛性連接，滾珠絲杠3上端通過軸承以雙推支承式的支撐形式連接到門式剛性框架2上，滾珠絲杠螺母27固定連接到活動(dòng)橫梁4上端，滾珠絲杠螺母27與滾珠絲杠3螺紋配合，滾珠絲杠3通過滾珠絲杠螺母27帶動(dòng)活動(dòng)橫梁4上下往復(fù)移動(dòng)，活動(dòng)橫梁4下端依次順序剛性連接標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器5和加載頭6 ；所述的定位機(jī)構(gòu)包括小U型架7、大U型架8、360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A34、360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B35、圓光柵A36、圓光柵B37、伺服電機(jī)D32、伺服電機(jī)E33、固定板11、轉(zhuǎn)接板12、加載板14、固定法蘭A10、固定法蘭B15和精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)9，大U型架8固定連接在工作臺(tái)18上，小U型架7通過固定法蘭AlO、固定法蘭B15固定連接到大U型架8內(nèi)側(cè)，小U型架7與大U型架8形成一個(gè)回轉(zhuǎn)副，固定法蘭AlO剛性連接360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B35的輸出軸，圓光柵B37固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B35輸出軸上，伺服電機(jī)D32剛性連接到360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B35輸入軸上，360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A34固定連接在小U型架7內(nèi)部，圓光柵A36固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A34輸出軸上，伺服電機(jī)E33剛性連接到360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A34輸入軸上，固定板11固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A34輸出軸上，轉(zhuǎn)接板12固定連接到固定板11上；所述的精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)9包括伺服電機(jī)B30、伺服電機(jī)C31、光柵尺A38、光柵尺B39、絲杠A19、絲杠B20、軸承底座A21、軸承底座B22、兩個(gè)導(dǎo)軌A23、兩個(gè)導(dǎo)軌B24、四個(gè)滑塊A40、四個(gè)滑塊B41、底座A16、底座B17和工作臺(tái)18，底座B17固定連接到基座I上，兩個(gè)導(dǎo)軌B24固定連接到底座B17，兩個(gè)導(dǎo)軌B24與底座A16通過四個(gè)滑塊B41構(gòu)成滑動(dòng)連接，兩個(gè)導(dǎo)軌A23固定連接到底座A16，所述兩個(gè)導(dǎo)軌A23與工作臺(tái)18通過四個(gè)滑塊A40構(gòu)成滑動(dòng)連接，伺服電機(jī)B30固定連接在底座A16上，絲杠A19 —端與伺服電機(jī)B30剛性連接，所述絲杠A19另一端通過軸承連接到軸承底座A21上，與絲杠A19配套的絲杠螺母A28固定連接到工作臺(tái)18，伺服電機(jī)C31固定連接在底座B17上，絲杠B20 —端與伺服電機(jī)C31剛性連接，所述絲杠B20另一端通過軸承連接到軸承座B上，與絲杠B20配套的絲杠螺母B29固定連接到底座A16，光柵尺A38固定連接在底座A16側(cè)面上，所述光柵尺A38的讀數(shù)頭固定連接到工作臺(tái)18側(cè)面，光柵尺B39固定連接在基座I上表面，所述光柵尺B39的讀數(shù)頭固定連接到底座A16端面；所述的電氣控制系統(tǒng)包括人機(jī)界面47、工控機(jī)48、多軸控制器49、伺服控制器A50、伺服控制器B51、伺服控制器C52、伺服控制器D53和伺服控制器E54，人機(jī)界面47和工控機(jī)48作為上位機(jī)，監(jiān)控位移、角度和力信號(hào)；加載Z軸力時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器5將加載力大小反饋給多軸控制器49和上位機(jī)，上位機(jī)將反饋信號(hào)與需加載力進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制，若兩者存在差值，上位機(jī)將反饋信號(hào)傳遞給多軸控制器49，多軸控制器49通過伺服控制器A50控制伺服電機(jī)A26轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零，即形成閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，得到精確的加載力；加載X軸力矩時(shí)，光柵尺B39將位移信號(hào)傳遞給多軸控制器49和上位機(jī)，上位機(jī)將反饋信號(hào)與所需位移進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制，若兩者存在差值，上位機(jī)將反饋信號(hào)傳遞給多軸控制器49，多軸控制器49通過伺服控制器C52控制伺服電機(jī)C31轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零，即形成閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的力矩；加載Y軸力矩時(shí)，圓光柵A36將信號(hào)傳遞給多軸控制器49和上位機(jī)，上位機(jī)將反饋信號(hào)與所需角度進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制，若兩者存在差值，上位機(jī)將反饋信號(hào)傳遞給多軸控制器49，多軸控制器49通過伺服控制器E54控制伺服電機(jī)E33轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零，即形成閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的力矩；加載Y軸力時(shí)，圓光柵B37與圓光柵A36以上述同樣原理構(gòu)成閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)，通過所述閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器翻轉(zhuǎn)的精確角度，光柵尺A38與光柵尺B39以上述同樣原理構(gòu)成閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)，通過閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器的精確位移，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的加載力；加載X軸力時(shí)，以圓光柵A36為反饋元件的閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器旋轉(zhuǎn)的精確角度，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的加載力；加載Z軸力矩時(shí)，以光柵尺B39為反饋元件的閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器的精確位移，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的力矩。本發(fā)明的六維力標(biāo)定裝置的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)六維力傳感器的三維力和三維力矩的精確加載，標(biāo)定出六維力傳感器的力映射矩陣，其具體實(shí)施方式
為:1、加載機(jī)構(gòu)與定位機(jī)構(gòu)的安裝加載機(jī)構(gòu)安裝:伺服電機(jī)A26的輸出軸與減速器25的輸入軸剛性連接，減速器25的輸出軸與齒輪A42的中心剛性連接，齒輪A42的一側(cè)與齒輪B43嚙合，另一側(cè)與齒輪C44嚙合，齒輪B43同時(shí)與齒輪E46嚙合，齒輪C44同時(shí)與齒輪D45嚙合，五個(gè)相互嚙合的齒輪中心位于同一條直線上，齒輪E46中心孔與滾珠絲杠3下端剛性連接，滾珠絲杠3上端通過軸承以雙推支承式的支撐形式連接到門式剛性框架2上，滾珠絲杠螺母27固定連接到活動(dòng)橫梁4上端，滾珠絲杠螺母27與滾珠絲杠3螺紋配合，滾珠絲杠3通過滾珠絲杠螺母27帶動(dòng)活動(dòng)橫梁4上下往復(fù)移動(dòng)，活動(dòng)橫梁4下端依次剛性連接標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器5、加載頭6 ；定位機(jī)構(gòu)安裝:大U型架8固定連接在工作臺(tái)18上，小U型架7通過固定法蘭A10、固定法蘭B15固定連接到大U型架7內(nèi)側(cè)，小U型架7與大U型架8形成一個(gè)回轉(zhuǎn)副，固定法蘭AlO剛性連接360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B35的輸出軸，圓光柵B37固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B35的輸出軸上，伺服電機(jī)D32剛性連接到360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B35輸入軸上，360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A34固定連接在小U型架7內(nèi)部，圓光柵A36固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A34的輸出軸上，伺服電機(jī)E33剛性連接到360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A34輸入軸上，固定板11固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A34的輸出軸上，轉(zhuǎn)接板12固定連接到固定板11上，被標(biāo)定六維力傳感器13兩端分別與轉(zhuǎn)接板12和加載板14固定連接；精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)9，底座B17固定連接到基座I上，兩導(dǎo)軌B24固定連接到底座B17，兩導(dǎo)軌B24與底座A16通過四個(gè)滑塊B41構(gòu)成滑動(dòng)連接，兩導(dǎo)軌A23固定連接到底座A16，所述兩導(dǎo)軌A23與工作臺(tái)18通過四個(gè)滑塊A40構(gòu)成滑動(dòng)連接，伺服電機(jī)B30固定連接在底座A16上，絲杠A19 —端與伺服電機(jī)B30剛性連接，所述絲杠A19另一端通過軸承連接到軸承底座A21上，與絲杠A19配套的絲杠螺母A28固定連接到工作臺(tái)18，伺服電機(jī)C31固定連接在底座B17上，絲杠B20 —端與伺服電機(jī)C31剛性連接，所述絲杠B20另一端通過軸承連接到軸承底座B22上，與絲杠B20配套的絲杠螺母B29固定連接到底座A16，光柵尺A38固定連接在底座A16側(cè)面上，所述光柵尺A38讀數(shù)頭固定連接到工作臺(tái)18側(cè)面，光柵尺B39固定連接在基座I上表面，所述光柵尺B39讀數(shù)頭固定連接到底座A16端面；2、標(biāo)定先對(duì)被標(biāo)定六維力傳感器13的Z向進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定，如圖7所示。伺服控制器A50控制伺服電機(jī)A26轉(zhuǎn)動(dòng)，以滾珠絲杠3為導(dǎo)向，帶動(dòng)活動(dòng)橫梁進(jìn)行加載力F1，加載力值從零到滿量程，再從滿量程返回到零，往復(fù)加載3次，取平均值。再對(duì)被標(biāo)定六維力傳感器13的X向力矩進(jìn)行標(biāo)定，如圖7所示。伺服控制器C52控制伺服電機(jī)C31轉(zhuǎn)動(dòng)，通過精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)9，帶動(dòng)被標(biāo)定六維力傳感器13沿Y軸向平移一確定距離后固定，平移距離的精度由光柵尺B39確定，伺服控制器A50控制伺服電機(jī)A26轉(zhuǎn)動(dòng)，以滾珠絲杠3為導(dǎo)向，帶動(dòng)活動(dòng)橫梁進(jìn)行加載力F2，加載力值從零到滿量程，再從滿量程返回到零，往復(fù)加載3次，取平均值，將單邊加載所產(chǎn)生的附加Z軸力去掉，得到作用在被標(biāo)定六維力傳感器13上的載荷為Mx。然后對(duì)被標(biāo)定六維力傳感器13的Y向力矩進(jìn)行標(biāo)定，如圖7所示。伺服控制器E54控制伺服電機(jī)E33轉(zhuǎn)動(dòng)，通過360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A34，帶動(dòng)被標(biāo)定六維力傳感器13順(或逆)時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度后固定(蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有自鎖性能)，旋轉(zhuǎn)角度的精度由圓光柵A36確定，伺服控制器A50控制伺服電機(jī)A26轉(zhuǎn)動(dòng)，以滾珠絲杠3為導(dǎo)向，帶動(dòng)活動(dòng)橫梁進(jìn)行加載力F2，加載力值從零到滿量程，再從滿量程返回到零，往復(fù)加載3次，取平均值，將單邊加載所產(chǎn)生的附加Z軸力去掉，得到作用在被標(biāo)定六維力傳感器13上的載荷為My。對(duì)被標(biāo)定六維力傳感器13的Y向力進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定，如圖8所示。伺服控制器D53控制伺服電機(jī)D32轉(zhuǎn)動(dòng)，通過360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B35，帶動(dòng)被標(biāo)定六維力傳感器13順(或逆)時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度后固定(蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有自鎖性能)，翻轉(zhuǎn)角度的精度由圓光柵B37確定，伺服控制器B51、伺服控制器C52分別控制伺服電機(jī)B30、伺服電機(jī)C31轉(zhuǎn)動(dòng)，通過精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)9，帶動(dòng)被標(biāo)定六維力傳感器13分別沿Z軸向、X軸向平移一定距離使加載頭的中心對(duì)準(zhǔn)加載板11側(cè)面的中心后固定，平移距離的精度分別由光柵尺A38、光柵尺B39確定，伺服控制器A50控制伺服電機(jī)A26轉(zhuǎn)動(dòng)，以滾珠絲杠3為導(dǎo)向，帶動(dòng)活動(dòng)橫梁進(jìn)行加載力F3，加載力值從零到滿量程，再從滿量程返回到零，往復(fù)加載3次，取平均值。對(duì)被標(biāo)定六維力傳感器13的X向力進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定，如圖8所示。伺服控制器E54控制伺服電機(jī)E33轉(zhuǎn)動(dòng)，通過360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A34，帶動(dòng)被標(biāo)定六維力傳感器13順(或逆)時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度后固定(蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有自鎖性能)，旋轉(zhuǎn)角度的精度由圓光柵A36確定，伺服控制器A50控制伺服電機(jī)A26轉(zhuǎn)動(dòng)，以滾珠絲杠3為導(dǎo)向，帶動(dòng)活動(dòng)橫梁進(jìn)行加載力F3，加載力值從零到滿量程，再從滿量程返回到零，往復(fù)加載3次，取平均值。對(duì)被標(biāo)定六維力傳感器13的Z向力矩進(jìn)行標(biāo)定，如圖8所示。伺服控制器C52控制伺服電機(jī)C31轉(zhuǎn)動(dòng)，通過精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)9，帶動(dòng)被標(biāo)定六維力傳感器13沿Y軸向平移一確定距離后固定，平移距離的精度由光柵尺B39確定，伺服控制器A50控制伺服電機(jī)A26轉(zhuǎn)動(dòng)，以滾珠絲杠3為導(dǎo)向，帶動(dòng)活動(dòng)橫梁進(jìn)行加載力F4,加載力值從零到滿量程，再從滿量程返回到零，往復(fù)加載3次，取平均值，將單邊加載所產(chǎn)生的附加Y軸力去掉，得到作用在被標(biāo)定六維力傳感器13上的載荷為Mz。結(jié)合所加載的各方向力、力矩值F和被標(biāo)定六維力傳感器13各敏感兀件的輸出電信號(hào)U，并考慮漂移誤差B，再根據(jù)輸入與輸出之間的關(guān)系式U = AF+B，得到力映射矩陣A。
權(quán)利要求
1.一種六維力傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于:包括機(jī)架、加載機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)，所述的機(jī)架由基座(I)和門式剛性框架(2)組成； 所述的加載機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)A (26)、減速器(25)、齒輪A (42)、齒輪B (43)、齒輪C(44),齒輪D (45)、齒輪E (46)、兩個(gè)滾珠絲杠(3)、兩個(gè)滾珠絲杠螺母(27)、活動(dòng)橫梁(4)、標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器(5)和加載頭(6),伺服電機(jī)A (26)的輸出軸與減速器(25)的輸入軸剛性連接，減速器(25)的輸出軸與齒輪A (42)的中心剛性連接，齒輪A (42)的一側(cè)與齒輪B (43)嚙合、齒輪A (42)的另一側(cè)與齒輪C (44)嚙合，齒輪B (43)同時(shí)與齒輪E (46)嚙合，齒輪C (44)同時(shí)與齒輪D (45)哨合,五個(gè)相互哨合的齒輪中心位于同一條直線上,齒輪E (46)中心孔與滾珠絲杠(3)下端剛性連接，滾珠絲杠(3)上端通過軸承以雙推支承式的支撐形式連接到門式剛性框架(2)上，滾珠絲杠螺母(27)固定連接到活動(dòng)橫梁(4)上端，滾珠絲杠螺母(27 )與滾珠絲杠(3 )螺紋配合，滾珠絲杠(3 )通過滾珠絲杠螺母(27 )帶動(dòng)活動(dòng)橫梁(4)上下往復(fù)移動(dòng)，活動(dòng)橫梁(4)下端依次順序剛性連接標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器(5)和加載頭(6)； 所述的定位機(jī)構(gòu)包括小U型架(7)、大U型架(8)、360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A(34)、360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B (35)、圓光柵A (36)、圓光柵B (37)、伺服電機(jī)D (32)、伺服電機(jī)E (33)、固定板(11)、轉(zhuǎn)接板(12)、加載板(14)、固定法蘭A (10)、固定法蘭B (15)和精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)(9 )，大U型架(8 )固定連接在工作臺(tái)(18 )上，小U型架(7 )通過固定法蘭A(10)、固定法蘭B (15)固定連接到大U型架(8)內(nèi)側(cè)，小U型架(7)與大U型架(8)形成一個(gè)回轉(zhuǎn)副，固定法蘭A (10)剛性連接360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B (35)的輸出軸，圓光柵B(37)固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B (35)輸出軸上，伺服電機(jī)D (32)剛性連接到360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)B (35)輸入軸上，360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A (34)固定連接在小U型架(7)內(nèi)部，圓光柵A (36)固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A (34)輸出軸上，伺服電機(jī)E (33)剛性連接到360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A (34)輸入軸上，固定板(11)固定連接在360度蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)A (34)輸出軸上，轉(zhuǎn)接板(12)固定連接到固定板(11)上； 所述的精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)(9)包括伺服電機(jī)B (30)、伺服電機(jī)C (31)、光柵尺A (38)、光柵尺B (39)、絲杠A (19)、絲杠B (20)、軸承底座A (21)、軸承底座B (22)、兩個(gè)導(dǎo)軌A(23)、兩個(gè)導(dǎo)軌B (24)、四個(gè)滑塊A (40)、四個(gè)滑塊B (41)、底座A (16)、底座B (17)和工作臺(tái)(18)，底座B (17)固定連接到基座(I)上，兩個(gè)導(dǎo)軌B (24)固定連接到底座B (17)，兩個(gè)導(dǎo)軌B (24)與底座A (16)通過四個(gè)滑塊B (41)構(gòu)成滑動(dòng)連接，兩個(gè)導(dǎo)軌A (23)固定連接到底座A (16)，所述兩個(gè)導(dǎo)軌A (23)與工作臺(tái)(18)通過四個(gè)滑塊A (40)構(gòu)成滑動(dòng)連接，伺服電機(jī)B (30)固定連接在底座A (16)上，絲杠A (19) —端與伺服電機(jī)B (30)剛性連接，所述絲杠A (19)另一端通過軸承連接到軸承底座A (21)上，與絲杠A (19)配套的絲杠螺母A (28)固定連接到工作臺(tái)(18)，伺服電機(jī)C (31)固定連接在底座B (17)上，絲杠B (20) —端與伺服電機(jī)C (31)剛性連接，所述絲杠B (20)另一端通過軸承連接到軸承座B上，與絲杠B (20)配套的絲杠螺母B (29)固定連接到底座A (16)，光柵尺A (38)固定連接在底座A (16)側(cè)面上，所述光柵尺A (38)的讀數(shù)頭固定連接到工作臺(tái)(18)側(cè)面，光柵尺B (39)固定連接在基座(I)上表面，所述光柵尺B (39)的讀數(shù)頭固定連接到底座A(16)端面； 所述的電氣控制系統(tǒng)包括人機(jī)界面(47)、工控機(jī)(48)、多軸控制器(49)、伺服控制器A(50)、伺服控制器B (51)、伺服控制器C (52)、伺服控制器D (53)和伺服控制器E (54)，人機(jī)界面(47 )和工控機(jī)(48 )作為上位機(jī)，監(jiān)控位移、角度和力信號(hào)；加載Z軸力時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器(5)將加載力大小反饋給多軸控制器(49)和上位機(jī)，上位機(jī)將反饋信號(hào)與需加載力進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制，若兩者存在差值，上位機(jī)將反饋信號(hào)傳遞給多軸控制器(49)，多軸控制器(49)通過伺服控制器A (50)控制伺服電機(jī)A (26)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零，即形成閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，得到精確的加載力；加載X軸力矩時(shí)，光柵尺B (39)將位移信號(hào)傳遞給多軸控制器(49)和上位機(jī)，上位機(jī)將反饋信號(hào)與所需位移進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制，若兩者存在差值，上位機(jī)將反饋信號(hào)傳遞給多軸控制器(49)，多軸控制器(49)通過伺服控制器C (52)控制伺服電機(jī)C (31)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零，即形成閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的力矩；加載Y軸力矩時(shí)，圓光柵A (36)將信號(hào)傳遞給多軸控制器(49)和上位機(jī)，上位機(jī)將反饋信號(hào)與所需角度進(jìn)行比較，并用比較后的差值進(jìn)行控制，若兩者存在差值，上位機(jī)將反饋信號(hào)傳遞給多軸控制器(49)，多軸控制器(49)通過伺服控制器E (54)控制伺服電機(jī)E (33)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至差值為零，即形成閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的力矩；加載Y軸力時(shí)，圓光柵B (37)與圓光柵A (36)以上述同樣原理構(gòu)成閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)，通過所述閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器翻轉(zhuǎn)的精確角度，光柵尺A (38)與光柵尺B (39)以上述同樣原理構(gòu)成閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)，通過閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器的精確位移，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的加載力；加載X軸力時(shí)，以圓光柵A (36)為反饋元件的閉環(huán)角度反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器旋轉(zhuǎn)的精確角度，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的加載力；加載Z軸力矩時(shí)，以光柵尺B (39)為反饋元件的閉環(huán)位移反饋系統(tǒng)控制被標(biāo)定傳感器 的精確位移，再結(jié)合所述閉環(huán)力反饋系統(tǒng)，最終得到精確的力矩。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種六維力傳感器標(biāo)定裝置，包括機(jī)架﹑加載機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)包括人機(jī)界面、工控機(jī)、多軸控制器、伺服控制器A、伺服控制器B、伺服控制器C、伺服控制器D和伺服控制器E，人機(jī)界面和工控機(jī)作為上位機(jī)，監(jiān)控位移、角度和力信號(hào)。本發(fā)明采用閉環(huán)力反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定力的精確自動(dòng)加載，并能夠?qū)αS力傳感器進(jìn)行連續(xù)加載。本發(fā)明的高精密十字滑臺(tái)機(jī)構(gòu)安裝了光柵尺，形成了全閉環(huán)位移控制，精確定位X(Y)方向的位移，且圓光柵精確定位六維力傳感器的翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)六維力傳感器的直線位移和轉(zhuǎn)角的精確定位。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)量程范圍內(nèi)任意六維力/力矩的加載，加載過程簡(jiǎn)單，操作方便。
文檔編號(hào)G01L25/00GK103196629SQ20131011161
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月30日
發(fā)明者林盛, 王春, 周士鈞 申請(qǐng)人:大連交通大學(xué)