[实用新型]双力源叠加式多维力传感器校准装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种双力源叠加式多维力传感器校准装置。

背景技术

多维力传感器能同时检测三维坐标空间的全力信息，例如六维力传感器能够同时感知沿X、Y、Z坐标轴方向的三个力分量和绕X、Y、Z坐标轴的三个力矩分量，因此它能够比较全面地反映出物体实际受力情况。

多维力传感器最早应用于机器人领域，如装在机器人手腕部位的六维腕力传感器用来测量机器人操作手抓取物件时或与外部接触时承受的力/力矩，实现机器人的力觉、触觉。

随着航天技术的不断发展，多维力传感器在航天产品的地面试验设备中被广泛使用，例如对接机构大型试验设备采用六维力传感器测量对接机构从接触、捕获、锁紧到分离整个过程中力和力矩；发动机试车台采用六维力传感器测量发动机推力矢量；太阳翼展开摸态试验中用六维力传感器测量太阳翼根部受力情况；在卫星扰动试验装置、卫星力控振动系统中也都采用了多维力传感器来进行力信息的测量等等。这些多维力传感器的测量数据对试验结果起着及其重要的作用，因此必须对多维力传感器进行使用前的标定和使用中的周期校准，以确保多维力传感器技术性能满足型号试验的要求。

另外，多分量力传感器还在其它领域如舰船内燃机开发研究和监测、螺旋桨轴的推力测量，内弹逆压力和爆炸压力测量、机械加工过程的监测、机器人关节研制、生物力学、运动员辅助训练等等得到越来越广泛的应用，这些多维力传感器也需要作周期检定。

目前用于多维力校准的装置从加载方式上可分为砝码加载、机械传动加载和液压传动加载。

采用砝码加载的多维力传感器校准装置，它们在结构上基本都是采用砝码、拉绳和滑轮，以砝码产生的重力为力源，通过滑轮转向，实现对多维力传感器各个方向施加力/力矩。燕山大学研制的六维力传感器标定系统的左侧的标定台可以同时加载12个方向的力和力矩，它的加载原理是通过滑轮、细绳，将砝码产生的力作用在加载帽上并传递给被校力传感器，如图1所示，从而实现对被校六维力传感器的校准，图1中，11为砝码，22为软绳，23为滑轮，24为加载帽，25为传感器。

砝码加载的方式优点是加载精度比较高，一般可以达到0.1%，而且加载力的稳定性也比较好，但其主要缺点一是不能实现连续加载，二是受砝码质量限制其测量范围很有限，一般在500N以下，因此只能在小量程多维力传感器标定中使用。

采用机械传动加载的多维力校准装置的工作原理是采用手动或电机控制加力，通过传动装置（一般用蜗轮蜗杆减速器和滑动螺旋副）、标准测力仪将力传递到被校准的力传感器上，以标准测力仪的读数为加载力值，与被校传感器的输出值进行比较，实现对被校多维力传感器的校准。

如图2所示，大连理工大学机械学院传感测控研究所研制的多功能测力仪标定加载器不仅能对三个方向同时施加力载荷，而且还可以施加力矩载荷，从而可以进行六维力传感器的标定。该装置铅垂力加载机构是由一个蜗轮蜗杆机构和一个滑动螺旋副组成，三个水平加载机构通过滑动螺旋副产生水平推力，由测力环来显示出力的大小，有效地消除了中间机械传递环节造成的误差，具有操作方便、结构简单、性能稳定可靠等特点。但因为是人力摇动手柄加力，因此加载范围有限，铅垂方向最大力值为50kN，水平方向最大力值3kN，且试台空间尺寸有限，无法对大量程、大尺寸的力传感器进行六维标定。另外测力环的准确度只有0.3级，加上其它误差因素的影响，校准装置的准确度很难达到0.5级，因此该装置仅适合对低精度小量程的多维力传感器进行校准。图2中，1为底座，2为支撑螺柱，3为测力计组件，4为锁紧螺母，5为铅垂加载机构支架，6为钢丝绳，7为横梁，8为提升机构，9为测力仪安装基座，10为铅垂加载机构，12为可调水平加载机构（1），13为可调水平加载机构（2），14为可调水平加载机构（3）。

液压传动加载的工作原理是由液压泵站产生一定的压力和流量，通过液压缸执行直线往复运动，将力施加给被校准的传感器。液压加载系统具有加载力范围大、加载力连续可调、原理简单、操作方便等优点，因此在一些大力值校准装置中使用较多。