一种用于六维力传感器标定装置的标定方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于六维力传感器标定装置的标定方法，该方法设定六维力传感器标定装置中的标准单维力传感器、第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶和第四千斤顶对分别六维力传感器施加载荷，通过加载位置的改变实现各个力／力矩分量的独立加载。加载时，加载帽与加载板刚性接触，通过标准单维力传感器测量实际加载力的大小。在对六维力传感器各个受力状态分别进行加载后，得到六维力传感器加载矩阵和对应的六维力传感器输出矩阵，对加载矩阵和输出矩阵进行解耦计算，得到耦合矩阵，即完成对六维力传感器的标定。本发明专利技术提供一种使用简单、操作方便、标定精度高的标定方法，适用于大量程、大尺寸六维力传感器的标定和测试。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自动化领域，特别涉及传感器领域中的一种适用 于大量程、大尺寸六维力传感器标定装置的标定方法。
技术介绍
六维力传感器能够同时检测三维空间的全力信息，即三维力信息(Fx、 Fy、 Fz)和三维力矩信息(Mx、 My、 Mz)，主要应用在力及力/ 位置控制场合，如轮廓跟踪、精密装配、双手协调、试验系统中的六维力信 息检测等，尤其是在航空机器人、宇宙空间站对接仿真、火箭发动机推力测 试等领域，大量程六维力传感器发挥了极其重要的作用。传感器的测量精度是评定传感器最重要的性能指标之一，其误差包括随 机误差和系统误差。对于六维力传感器来说，其随机误差主要是由内部信号 处理电路、量化误差、外界干扰等因素引起；系统误差则主要是由标定系统 的标定精度所决定，六维力传感器由于其本身机械结构的复杂性，以及传感 器在制造、粘贴应变片等加工工艺环节存在误差，传感器的各输入输出通道 之间存在相互耦合的问题，需要通过标定确定各个方向输入输出的耦合关系， 计算其耦合矩阵，并通过解耦补偿各维之间耦合带来的影响。因此传感器标 定装置的设计和标定方法的研究至关重要，其标定精度将直接影响其使用时 的测量精度。六维力传感器的标定就是通过对六维力传感器施加空间坐标系中独立的 力/力矩，或是线性无关的多个力/力矩，读取六维力传感器在各种状态下标 定时的输出，计算得到耦合矩阵。根据实际应用需求，六维力传感器的标定 分为静态标定和动态标定，静态标定主要用于检测传感器的静态性能指标， 如静态灵敏度、非线性、回差、重复性等；动态标定主要用于检测传感器的 动态特性，如动态灵敏度、频率响应和固有频率等。目前六维力传感器静态标定所釆用的加载方式主要有测力环式和砝码式 两种。其中测力环式加载采用顶杆方式，由测力环读出加载力值，这种加载 允许有较大的加载力，但读数精度较低，高精度的测力环则价格昂贵。砝码式标定是采用等级砝码提供标准加载力，直接用等级砝码作为基准，力值精 度较高，在中、小量程六维力传感器的标定中使用比较普遍，但是不适合大 量程六维力传感器的标定。对于大量程六维力传感器的标定装置来说，由于空间尺寸大，要保证足 够的标定精度，除了存在材料处理、加工精度保证等方面的困难外，如何实 现对各维力/力矩分量的独立加载也是 一个棘手的问题。在现有技术中有多种结构的传感器标定测试装置，专利号为CN1715856 的"无级升降式六维力传感器标定装置"和专利号为CN100337105C的"并 联六维力传感器标定装置"等，经检索查新，其中专利号为CN100337105C 的专利是最接近的专利技术。它具体公开了一种并联六维力传感器标定装置， 包括长短框组成的龙门式支撑框架、加载减速机、标准单向力传感器、加载 坐标十字架、标定装置固定平台、载荷传递绳索和滑轮组，标定装置釆用大 速比减速机来施加载荷，采用龙门式结构作支撑框架。现有技术中的标定装置及标定方法存在着不足之处，其一，标定装置通 过调整载荷传递绳索与水平面之间的角度来改变施加载荷的方向，在体积较 大或者绳索较长时，调整载荷传递绳索与水平面之间的角度很难保证足够的 精度，从而使施加的载荷具有较大的方向误差，将直接影响标定精度；其二， 标定装置中采用滑轮来施加载荷，而滑轮具有摩擦力，此摩擦力会造成比较 大的加载误差，从而影响标定精度；其三，标定装置中对六维力传感器施加 的是复合力/力矩，无法实现对各维力/力矩分量的独立加载。
技术实现思路
本专利技术的目的是避免上述现有技术中六维力传感器标定 测试装置及标定方法的不足之处，提供一种使用简单、操作方便、标定精度 高的标定方法，适用于大量程、大尺寸六维力传感器的标定和测试。本专利技术的技术方案是，特别是设定标准单维力 传感器和第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶、第四千斤顶对分别六维力 传感器进行加载，通过加载位置的改变实现各个力/力矩分量的独立加载，加 载时，标准单维力传感器前面的加载帽与加载板上的侧面加载孔或正面加载孔刚性接触，通过标准单维力传感器测量实际加载力的大小，该方法是按以嵌入式容栅扭矩及转速传感器
本专利技术涉及传感器领域，具体是一种嵌入式容栅扭矩及转速传感器。技术背景在旋转动力系统中有很多的参数需要测量或计算，扭矩是其中一项很重要 的参数。目前有多种传感器可以实现扭矩参数的测量，如应变型扭矩传感器、 光栅扭矩传感器、转角型扭矩传感器、遥测扭矩仪等等。但这些传感器在具体 测量时存在一定的局限性以及一些不足应变型扭矩传感器是用导电滑环来完 成信号传输，由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热， 因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命，并会由于接触不可靠引起信 号波动，造成测量误差大，甚至测量不成功；光栅扭矩传感器的光栅容易破损， 环境适应性差，受空气的湿度、尘埃等因素影响导致测量精度不高；转角型扭 矩传感器体积较大，不利于安装在结构紧凑的车辆中进行扭矩测量，不易安装， 从而限制了使用的范围；遥测扭矩仪容易受使用现场电磁波的干扰，并由于采 用电池供电，只能短期使用。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有扭矩传感器存在信号传输引线困难、不易安装等问 题，提供了一种嵌入式容栅扭矩转速传感器。本专利技术是采用如下技术方案实现的嵌入式容栅扭矩及转速传感器，包括第四组千斤顶固定孔和第五组千斤顶固定孔中选择一组固定孔，将第四千斤 顶安装在选择的一组固定孔上，对六维力传感器施加载荷，并记录六维力传 感器的输出数据，再将第四千斤顶从千斤顶固定支座上取下，按照上述步骤对六维力传感器的Fz、 Mx、 My进行加载标定，直至完成对Fz、 Mx、 My 的加载标定；先设定第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶对六维力传感器的Fx、 Fy、 Mz进行加载标定，后设定第四千斤顶对六维力传感器的Fz、 Mx、 My进行 加载标定；或者先设定第四千斤顶对六维力传感器的Fz、 Mx、 My进行加载 标定，后设定第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶对六维力传感器的Fx、 Fy、 Mz进行加载标定，这两种加载标定没有先后次序。相对于现有技术CN100337105C，本专利技术的有益效果是其一，本专利技术中设定标准单维力传感器和千斤顶对大量程六维力传感器 进行加载标定，不仅简单方便，容易控制，而且能够实现力的准确传递，施 加的力/力矩数值由标准力传感器测量得到，精度比较高；其二，利用本专利技术的标定装置和标定方法能够对六维力传感器的各维力/ 力矩分量进行独立加载，或者复合加载，加载过程简单，操作简便，计算耦 合矩阵方便、快捷；其三，本专利技术通过对力的三要素(力的作用点位置、力的方向和力的大 小)的控制来保证施加的各维力/力矩分量的准确度，从而保证了标定精度， 提高六维力传感器使用时的测量精度。附图说明图1为本专利技术的标定方法流程图。图2为六维力传感器标定装置的立体结构示意图。 图3为六维力传感器标定装置的俯视图。 图4为六维力传感器标定装置中千斤顶固定支座的左视图。 图5为六维力传感器标定装置中转接板、六维力传感器和加载板的连接 示意图。阁6为六维力传感器标定装置中加载板的正视图及俯视图。 图7为六维力传感器标定装置中千斤顶的剖面图。式中，DM为十六进制的积分时间代码，Z)五C2/ffiX为十进制转变为十六进制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于六维力传感器标定装置的标定方法，其特征在于设定标准单维力传感器（６）和第一千斤顶（Ｑ１）、第二千斤顶（Ｑ２）、第三千斤顶（Ｑ３）、第四千斤顶（Ｑ４）对分别六维力传感器（３）进行加载，通过加载位置的改变实现各个力／力矩分量的独立加载，加载时，标准单维力传感器（６）前面的加载帽（５）与加载板（４）上的侧面加载孔（１５）或正面加载孔（１７）刚性接触，通过标准单维力传感器（６）测量实际加载力的大小，该方法是按以下步骤完成的：先将六维力传感器标定装置安装好，并检查第一千 斤顶（Ｑ１）、第二千斤顶（Ｑ２）、第三千斤顶（Ｑ３）与底座（９）的垂直度，第四千斤顶（Ｑ４）与千斤顶固定支座（８）的垂直度；设定重力校准六维力传感器（３）的标定坐标系；设定第一千斤顶（Ｑ１）、第二千斤顶（Ｑ２）、第三千斤顶（ Ｑ３）对六维力传感器（３）的Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚ进行加载标定，并记录数据；设定第四千斤顶（Ｑ４）对六维力传感器（３）的Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ进行加载标定，并记录数据；计算六维力传感器（３）的加载矩阵和传感器输出矩阵；根据公式， 计算六维力传感器（３）的耦合矩阵；检验六维力传感器（３）的耦合矩阵是否符合要求，如果不符合要求，需要重新对六维力传感器（３）进行标定，否则标定结束。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：申飞，吴仲城，沈春山，吴宝元，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]