一种六维轮力传感器标定分析

针对汽车六维车轮力传感器数值解耦精度不高的问题,设计了标定台架,并对一种新研制的六维WFS进行了标定和解耦,以评估该传感器的性能并研究和完善高精度的解耦方法。讨论和分析了六维WFS的测量原理和解耦理论,通过多向组合加载的方式,获得了传感器各通道对多维耦合力的响应,利用最小二乘法解耦得到了传感器的耦合系数矩阵;并对耦合系数矩阵和耦合率矩阵的特征进行了讨论。研究结果表明,采用多向组合加载结合最小二乘法进行解耦,解决了试验中难以精确施加纯单向力或力矩的困难,能使六维WFS具有更高的测量精度。     

用于旋翼试验台的双通道六分量天平设计

为满足旋翼试验台主轴上六分量力/力矩的高精度测量需求,设计一种可输出两组载荷的双通道六分量天平,该天平具有8个测力分支共16个拉压力传感器,可同时测量6个力/力矩分量,且各载荷分量具有2个测量通道。在ABAQUS软件中利用有限元仿真技术分析了对天平进行单分量满量程加载时传感器弹性体的应变情况,天平具有较高的测量灵敏度。基于最小二乘法原理对天平标定数据进行线性解耦,解耦后天平的I类误差小于1.32%,Ⅱ类误差小于2.35%,满足旋翼试验台所用六分量天平的使用需求。     

并联式轴用压电六维力/力矩传感器

针对巨型重载操作装备极端制造中多维大载荷测量的难题,提出一种利用压电石英作为力敏元件的新型并联式轴用压电六维力/力矩传感器。对比各种力敏元件的性能,选择压电石英作为力敏元件可以实现空间力/力矩的动态测量,分析压电石英晶组不同空间布局方式的测量原理,提出并联式轴用压电六维力/力矩传感器的多点测量原理,分别对其建立空间力学模型,并进行解耦计算。设计出高灵敏度、高刚度、高线性度的非组装整体化六维力/力矩传感器新结构。研究并联式轴用压电六维力/力矩传感器的标定方法,并进行静态和动态标定试验,得到六维力/力矩传感器的标定矩阵和误差矩阵。试验表明,该六维力/力矩传感器可以动态测量空间六维力/力矩,具有量程大、线性好、固有频率高、动态性能好和应用场合多等优点。     

双层预紧式六维力传感器及其静态标定

针对基于传统Stewart结构六维力传感器在解耦、刚度等方面性能的不足,设计并研制一种双层预紧式六维力传感器,并对其进行静态标定试验研究.所设计的六维力传感器采用球窝锥头式球面副代替传统球副,有效地减小了球副的摩擦力矩,另外测量分支只承受压力,消除了力在换向时对接触球面的冲击,提高了整体刚度.基于螺旋理论推导出传感器所施加外力与测量分支轴向力之间的映射关系,进而说明预紧式六维力传感器的测量原理.采用最小二乘线性化标定方法对传感器进行静态解耦和测量误差分析,推导出传感器的标定矩阵和误差矩阵.研制出双层预紧式六维力传感器样机,并进行静态标定试验.经过标定试验,该传感器各方向最大非线性度误差低于满量程的1.17％,最大耦合误差低于满量程的1.82％.试验结果表明双层预紧式六维力传感器具有很高的测量精度,可用于工业生产中对六维力测量要求较高的场合.     

机械解耦自标定并联六维力传感器设计及仿真

针对传统多维力传感器研制后均需繁冗的加载标定这一现状,提出了多维力传感器“自标定”设计理念,通过钢球滚动机械解耦,设计了一种弱耦合全压向力自标定正交并联六维力传感器结构。论证了该六维力传感器的滚动解耦原理,分析了其自标定原理。基于螺旋理论建立了该六维力传感器理想数学模型,计算得到其一阶静力影响系数矩阵。考虑分支弹性变形,基于高次超静定结构力学求解原理,对该六维力传感器进行了受力分析与仿真计算,结合数值算例论证了其自标定特性,从而为该新型六维力传感器的研制奠定基础。     

高灵敏度大量程六维力传感器设计

为满足空间在轨组装望远镜地面装配试验的相关需求,综合考虑六维力传感器的量程、刚度和灵敏度等因素,设计了一种高灵敏度大量程六维力传感器。首先对经典十字梁六维力传感器进行数学建模,通过对比各通道单独作用时,应变梁表面应变和弹性体变形刚度的数学表达式,提出一套提高传感器灵敏度的改进方案;然后对传感器结构进行详细设计,并通过传感器的有限元仿真验证结构方案可行性;最后,对六维力传感器进行加工与标定,得到传感器线重复性误差小于0. 33%FS,力通道测量灵敏度大于0. 83 m V/V,力矩通道测量灵敏度大于2. 6 m V/V。该六维力传感器各项性能优良,目前已应用于在轨组装望远镜地面实验当中。     

复合梁结构小型六维力传感器的优化设计

文中设计了一种三横梁与三竖梁复合的六维力传感器弹性体结构,使其外径缩小至40 mm,整个传感器装配完成后外径为45 mm。首先基于有限元技术分析了其在各种载荷条件下的应变分布,根据应变分布特性,设计了传感器的惠斯登电桥方案,推导了每个方向的输出电压公式。在此基础上,基于Box-Behnken响应面法开展弹性体结构的优化,以弹性体上应变片贴片位置的平均应变作为优化目标,通过多目标遗传算法得到最优设计参数,F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z 6个方向的平均应变分别是优化前的1.583 3、1.563 2、1.733 8、1.511 3、1.510 9、2.171倍。进行样机制作,完成标定实验,使用最小二乘法求得解耦矩阵,通过解耦矩阵求得传感器的Ι类误差分别为0.18%、0.42%、0.41%、0.05%、0.49%、0.6%,ΙΙ类误差最大值为1.665%,精度高,维间耦合小,验证了该结构的可行性。     

Y形横梁六维力/力矩传感器的应变分析

设计电阻应变式六维力/力矩传感器的前提是预知其弹性结构的应变分布,而传统的基于几何建模的有限元分析设计方法存在耗时长、效率低等问题。针对Y形横梁六维力/力矩传感器的弹性结构,提出一种高效、精确的解析分析方法。详细考察了该六维力/力矩传感器弹性横梁在各轴力/力矩载荷作用下的变形特征,基于铁木辛柯梁理论建立简化的力学模型,从而解析地得到各轴力/力矩载荷作用下弹性横梁中应变的显式表达式,与有限元模拟进行对比。结果表明:解析模型给出的预测结果与有限元数值解基本吻合,说明了该解析模型的正确性和有效性,从而为Y形横梁六维力/力矩传感器的设计提供了高效、精确的解析手段。     

大量程柔性铰六维力传感器静态解耦的研究

为提高大量程六维力传感器的测量精度,提出了一种新型的六维力传感器非线性静态解耦方法,该方法结合混合递阶遗传算法和小波神经网络的优点,采用递阶遗传算法与最小二乘法分别对小波神经网络隐层结构参数以及输出层权值进行优化,再将优化后的小波神经网络模型用于六维力传感器非线性解耦.建立了基于混合递阶遗传算法和优化小波神经网络的六维力传感器非线性解耦模型,设计了基于混合递阶遗传算法的小波神经网络结构及参数优化算法,给出了六维力传感器非线性解耦的具体实现流程.以最新研制的6-UPUR大量程柔性铰六维力传感器为对象进行实验,结果表明,采用该方法六维力传感器的Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别为1.25％和2.59％,比采用BP和RBF神经网络方法的测量精度高.     

面向运动力学测量的无线六维力传感器

针对目前六维力传感器普遍存在的体积偏大、操作繁琐、应用场景复杂的问题,设计了一种基于电阻应变原理的小型化无线六维力传感器。首先,基于十字横梁结构设计传感器的弹性体,并通过ANSYS软件进行结构静力学分析,确定了传感器的最优结构尺寸;其次,基于传感器小型化和无线传输的设计要求,设计了传感器的内部硬件电路,包括四等臂全桥电路、两级放大电路以及数据采集与传输电路,有效减小了传感器的体积,增强了灵活性;最后,设计并优化了静态标定方法及静态解耦算法,降低了传感器的维间耦合干扰,提高了测量精度。实验结果表明,该传感器室内无线传输距离达到8 m,传输速率满足中低频力信号测量,Ⅰ类与Ⅱ类误差均满足在高精度要求场合的使用。     

Stewart型六维力传感器的静态解耦实验

本文研究了一种Stewart型机器人六维力传感器的静态解耦实验问题，为该种六维力传感器的实用及其产业化奠定基础，并且介绍了传感器测试原理、标定装置，进行静态标定与解耦实验。实验结果分析表明，该六维力传感器解耦性良好，满程测量精度能达到2％。     

新型过约束正交并联六维力传感器测量模型与静态标定试验

面向航空航天领域对重载大吨位多维测力传感器的急需,通过引入冗余测力分支,提出一种适用于重载测力场合的新型过约束正交并联六维力传感器结构,在提高传感器结构刚度和承载能力的同时有效抑制了关节摩擦对多维力传感器测量精度的影响。基于螺旋理论,推导得到了该并联传感器一阶静力影响系数矩阵,建立理想状态下该新型过约束正交并联六维力传感器测量数学模型。考虑各测量分支的初始预紧力与刚度,基于传感器静力平衡方程与补充建立的位移协调方程,推导建立考虑初始预紧力与分支刚度因素下该新型过约束正交并联六维力传感器测量数学模型。在此基础上,设计并研制该新型过约束正交并联六维力传感器样机,搭建传感器加载标定与信号采集及处理试验系统,对新型过约束正交并联六维力传感器进行了加载标定试验。根据试验结果计算了传感器测量误差矩阵,分析得到了传感器测量精度,从而为重载过约束并联六维力传感器的开发与应用提供了参考。     

机身壁板复杂载荷解耦方法研究

本文介绍了一种可以将复杂载荷解耦为试验平台可以施加的基准载荷的方法。首先,在机身壁板考核区构造一个原始应变分量与组合载荷应变分量的残差函数,该函数以各基准载荷施加比例为自变量,通过使该函数值的平方和最小,将问题转化为无约束非线性规划问题,然后用fminunc函数求解该问题,最后得到各基准载荷的施加比例,从而可以得到解耦的试验载荷。     

柔性并联六维力传感器力映射解析研究

针对由柔性铰链构成的柔性并联Stewart平台六维力传感器弹性体结构,提出一种可用于柔性一体式并联六维力传感器六维外力与各柔性测力分支拉/压力间的精确力映射解析建模方法。基于虚功原理和几何相容条件并根据柔性铰链空间形式的柔度矩阵,构建传感器柔性串联支路末端的柔度矩阵和传感器的整体刚度矩阵。推导得到六维外力与传感器柔性分支杆所受轴向拉/压力间的解析映射关系。通过具体算例和传感器的有限元模型,对上述理论推导过程进行仿真验证。结果表明:理论值与仿真值基本吻合,最大误差在7%以内,从而说明了所提出的力映射解析方法具有较高的求解精度,并为柔性并联六维力传感器的尺寸优化设计奠定了理论基础。     

正交并联六维力传感器结构性能及参数优化

对正交并联六维力传感器进行了静力学分析及结构参数优化。提出了具有部分解耦性的正交并联六维力传感器结构,基于螺旋理论分析了六维外力与测量分支作用反力的映射关系,并针对并联六维力传感器测量分支量程难以确定、结构易扰动等问题,提出一种分支受力稳定、量程较短的多目标优化方法。以卫生陶瓷曲面打磨作业工况为例,确定了正交并联六维力传感器的测量分支量程,验证了该优化方法的可行性。     

预紧式并联六维力传感器容错测量机理与标定测试研究

对一种预紧式并联六维力传感器进行了容错测量原理的理论分析与标定测试研究。介绍了预紧式并联六维力传感器的结构容错特点,并基于螺旋理论和变形协调关系,分别建立传感器无故障、信号故障时的数学模型,进而揭示其容错测量机理。研究分析了预紧式并联六维力传感器的静态标定算法,提出一种容错标定方法,并对传感器进行了无故障及信号故障时单向、两方向组合及分区加载的容错静态标定测试研究。通过分析测试数据,得到传感器不同工作状态下的线性误差。研究内容为容错六维力传感器的实际应用奠定了理论和试验基础。     

基于Stewart机构的六维力/力矩传感器

基于Stewart机构的六维力/力矩传感器是一种十分优越的测力传感器,具有测力接触面大、承载能力强、量程大、测力信息丰富等优点,可被广泛应用在航空机器人、航空航天技术及宇宙空间器的对接试验、风洞试验等场合。根据以上特点,阐述Stewart机构的六维力/力矩传感器的测力原理,分析传感器的受力变形,零部件设计尺寸和理论尺寸的制造误差及安装误差对其测力精度的影响,并对其结构参数进行优化设计。提出一种标定方法,研究其标定算法。对自主研制的Stewart六维力/力矩传感器进行标定试验,得出该传感器的标定矩阵。研究结果表明,用标定矩阵代替传感器理论影响系数矩阵参与6个单向力传感器输出信号的耦合,能够有效地提高该传感器的测力精度。     

一种新型的六维力传感器静态标定系统设计研究

针对现有六维力传感器静态标定系统集成度不足、操作界面比较复杂、测量误差大、实验效率低等不足,研制了一种基于虚拟仪器的六维力传感器静态标定系统。该系统以Lab VIEW软件为设计操作平台,基于线性模型的六维力传感器静态解耦方法,充分分析了影响实验结果的误差因素,开发设计了标定试验台、信号采集系统以及数据分析软件。在静态环境下多次实验,实验结果表明与传统静态标定系统相比,该系统界面易用性好,标定效率高,具有较好的准确度。     

热力耦合作用下的风洞应变天平校准技术

为研究温度对风洞应变天平测量的影响,以热力耦合作用下的天平校准技术为着力点,通过响应面实验设计方法确立热力耦合加载矩阵,基于六自由度校准系统及构建的温度环境对一台六分量风洞应变天平实施热力耦合加载,采用多元回归方法建立了包含温度、力、力矩参数的天平公式,最后利用验证载荷检验天平公式的准确性,检验结果显示：温度及力/力矩载荷作用下,天平各分量的综合加载误差优于0.3%;天平公式能准确表征天平在热力耦合作用下的综合性能。研究结果表明,热力耦合作用下的风洞应变天平校准技术能够用于评定及修正温度对天平测量的影响。     

改进粒子群优化BP神经网络的六维力传感器解耦研究

传统BP神经网络解耦算法可实现六维力传感器解耦,但在训练过程中容易出现振荡,收敛速度慢,陷入局部极值等问题,应用效果不理想。文中提出一种基于改进粒子群BP神经网络算法,应用到六维力传感器解耦,提高了线性解耦算法精度,同时利用粒子群算法(PSO)对BP神经网络进行优化,利用适应度函数对训练过程中得到的解进行评价,追随当前最优解搜寻全局最优。实验仿真结果表明:在六维力传感器解耦应用中,该算法实现容易,收敛速度快,解耦精度高,达到了预期的应用效果。