CN103630293B - 多维力传感器的在轨高精度标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种满足空间站上使用的多维力传感器的在轨高精度标定装置及标定方法，该装置包括固定梁、弹性梁、滑动标尺以及标定锥组成。固定梁与弹性梁用螺栓穿过安装孔固定在一起，标定锥固定在弹性梁一端的通孔内，滑动标尺在固定梁与弹性梁上自由滑动，通过移动滑动标尺，改变弹性梁的有效长度，实现对多维力传感器的力值标定，本发明的标定装置对多维力传感器施加的力值，通过滑动标尺上的指针指向固定梁上的刻线读出。

Description

多维力传感器的在轨高精度标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及一种涉及对多维力传感器的标定装置及标定方法，适用于中小量程的多维力传感器的标定，并且特别适用于对标定装置的尺寸、质量有严格要求的领域。

背景技术

多维力传感器用于检测三维空间中的力（Fx，Fy，Fz），广泛用于航空航天、制造与装配、体育竞技以及遥操作机器人等领域。多维力传感器由于在制造过程中的机械加工误差，电阻应变片的阻值与贴片位置误差等影响，造成六维力/力矩传感器的输入力值与输出电压之间的关系不确定。为了能够确定这种关系，需要对六维力/力矩传感器进行标定，进而能够通过解耦算法完成解耦过程。由于传感器的精度是由标定装置决定的，因此标定装置在六维力/力矩传感器的设计过程中占有重要的地位。随着多维力传感器在航空航天领域的广泛应用，为了保证多维力传感器在太空长期使用的精度，需要在空间站上对多维力传感器进行重新标定。

目前，多维力传感器标定装置的加载方式主要有千斤顶式、手摇减速机式、砝码式等。中国专利号为：ZL200810020511.4公开了一种千斤顶加载标定的方法，该方法具有加载量程大，加载工作量小等特点，但是千斤顶具有质量太重的缺点，不适合在空间站中使用。中国专利申请公布号为：CN101776506A公开了一种多维力传感器标定加载台，该专利采用液压加载，并采用单维拉压力传感器测量加载力值，该装置具有加载力量程大的优点，且加载力值连续可调，但是液压加载系统同样会存在质量太重的缺点。中国专利申请公布号为：CN101936797A公开了一种采用砝码加载的方式对六维力传感器进行标定，该装置具有标定精度高，可靠性好等优点，但是在失重环境下无法使用砝码加载的方式进行标定。上述三种标定装置都有一定的技术优点，但是都不适合在空间站中使用。

在空间站上使用的标定装置要满足质量轻、长期可靠等特点。本发明采用金属材料的变形实现多维力传感器的力值加载，具有结构简单、质量轻，使用可靠的优点，满足空间站上长期使用的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种质量轻便的、长期可靠的多维力传感器标定装置。标定装置包括固定梁、弹性梁、滑动标尺以及标定锥等。

实现本发明目的的技术方案是：包括叠放在一起的固定梁与弹性梁，并将两者的安装孔对齐后用螺栓固定，滑动标尺在固定梁与弹性梁上滑动，标定锥安装在弹性梁自由端的通孔内，标定锥的尖端指向固定梁上的凹槽，多维力传感器由螺栓安装在固定梁的另一端，并且多维力传感器的标定轴与标定锥的尖端接触，通过移动滑动标尺，减少弹性梁的有效长度，实现对多维力传感器力值的加载。

滑动标尺由滑动框、四个滚轴以及止动螺钉组成，四个滚轴分别安装在滑动框上的安装孔内，当滑动标尺安装在固定梁与弹性梁上时，四个滚轴既能够将固定梁与弹性梁压紧，又能够使得滑动标尺自由移动，当滑动标尺移动到指定的位置时，通过拧紧止动螺钉，将滑动标尺的位置固定，并通过滑动标尺上的指针读出标定装置施加的力值。

标定装置中固定梁采用刚性材料，可以忽略固定梁在标定过程中的变形，弹性梁采用弹性材料，其弹性模量为E，弹性梁的截面为矩形，其高度为h，宽度为b，弹性梁总长度为l，设弹性梁固定端到滑动标尺指针的距离为x，则弹性梁的有效弹性长度为l-x，标定锥的高度为y。此时弹性梁的惯性矩为：标定锥对传感器的压力F与弹性梁固定端到滑动标尺指针的距离x之间的关系为：

本发明的多维力传感器标定装置的标定方法，采用与现有技术相同的方案，该方法利用多维力传感器的输入输出关系式来进行标定解耦的。本发明的标定方法包括以下步骤：

步骤1：根据待标定传感器的量程选择合适高度的标定锥，并将标定锥安装在弹性梁的通孔内。

步骤2：连接好多维力传感器的电路，运行多维力传感器标定软件，将多维力传感器安装在固定梁底面的安装孔内，使得多维力传感器的标定轴穿过固定梁一端的凹槽，标定锥压在标定轴端面的中心。移动滑动标尺至初始标定位置，并拧紧止动螺钉，保存多维力传感器的零点电压。松开止动螺钉，移动滑动标尺至下一个施力位置，并再次拧紧，保存多维力传感器的输出电压与标定装置所施力加的力值。重复上述步骤，直到加载至满量程。完成多维力传感器Z方向的一次标定。

步骤3：将多维力传感器安装在固定梁的端面的安装孔内，使得多维力传感器的标定轴在固定梁一端的凹槽内，标定锥压在标定轴面上，按照步骤2中的加载步骤对多维力传感器X+方向进行标定。将多维力绕标定轴依次转90度，并依次实现对多维力传感器的Y+、X-、Y-方向的标定。

步骤4：依次重复步骤2、步骤3两次，获得三次完整标定数据，并采用现有的解耦方案对多维力传感器进行解耦。

从上述说明能够看出本发明与现有标定技术方案相比较，本发明解决了多维力传感器标定装置笨重、费力等不适合在空间站标定的技术难题。本发明仅需要改变标定锥的高度，即可实现不同量程的多维力传感器标定。此外，本发明通过改变弹性梁的有效长度的方法来实现不同力值的加载，具有结构简单、质量轻、操作简单、省时省力的优点，实现了多维力传感器在空间站上的标定。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明装置的轴测图；

图2为本发明的固定梁结构图；

图3为本发明的弹性梁结构图；

图4为本发明的标定锥结构图；

图5为本发明的滑动标尺结构图；

图6为本发明的多维力传感器结构图；

图7为本发明的X、Y方向的标定图；

具体实施方式

（实施例1）

见图1至图4，一种多维力传感器标定装置，该装置由固定梁1、弹性梁2、滑动标尺3、标定锥4组成。

本发明标定装置的组成结构包括固定梁1与弹性梁2叠放在一起，将固定梁的安装孔101与弹性梁安装孔201对齐后用螺栓6固定，滑动标尺3在固定梁1与弹性梁2上滑动，标定锥4安装在弹性梁2自由端的通孔202内，标定锥4的尖端指向固定梁1上的凹槽105，多维力传感器5由螺栓安装在固定梁1的另一端的第一通孔103和第二通孔104，并且多维力传感器5的标定轴501与标定锥4的尖端接触，通过移动滑动标尺4，减少弹性梁2的有效长度，实现对多维力传感器5的加载。

见图5，滑动标尺3由滑动框301、四个滚轴302以及止动螺钉303组成，四个滚轴302分别安装在滑动框301上的安装孔内，当滑动标尺3安装在固定梁1与弹性梁2上时，四个滚轴302既能够将固定梁1与弹性梁2压紧，又能够使得滑动标尺3自由滑动，当滑动标尺3移动到指定的位置时，通过拧紧止动螺钉303，将滑动标尺3的位置固定，并通过滑动标尺3上的指针304指向固定梁1上的刻度102读出标定装置施加的力值。

标定装置中固定梁1采用弹性系数较高的材料，可以忽略固定梁1在标定过程中的变形，弹性梁2采用弹性系数稳定的材料，其弹性模量为E，弹性梁2的截面为矩形，其高度为h，宽度为b，弹性梁2总长度为l，设弹性梁2固定端到滑动标尺3指针的距离为x，则弹性梁2的有效弹性长度为l-x，标定锥4的高度为y。此时弹性梁2的惯性矩为：标定锥4对多维力5传感器的压力F与弹性梁2固定端到滑动标尺3指针的距离x之间的关系为：

本发明的多维力传感器5标定装置的标定方法，采用与现有技术相同的方案，该方法利用多维力传感器5的输入、输出关系式来进行标定解耦的。本发明的标定方法包括以下步骤：

步骤1：根据待标定多维力传感器5的量程选择合适高度y的标定锥4，并将标定锥4安装在弹性梁2的通孔202内。

步骤2：连接好多维力传感器的电路，运行多维力传感器5标定软件，将多维力传感器5安装在固定梁底面的安装孔103内，使得多维力传感器5的标定轴501穿过固定梁一端的凹槽105，标定锥4压在标定轴501端面的中心。移动滑动标尺3至初始标定位置，并拧紧止动螺钉303，保存多维力传感器5的零点电压。松开止动螺钉303，移动滑动标尺3至下一个施力位置,将指针304与刻度102对齐，并拧紧止动螺钉303，保存多维力传感器5的输出电压与标定装置所施加的力值。重复上述步骤，直到加载至满量程，完成多维力传感器5Z方向的一次标定，参考图1。

步骤3：将多维力传感器5安装在固定梁1的端面的安装孔104内，使得多维力传感器5的标定轴501在固定梁一端的凹槽105内，标定锥4压在标定轴501面上，按照步骤2中的加载步骤对多维力传感器5的X+方向进行标定。将多维力传感器5绕标定轴501依次转90度，并依次实现对多维力传感器5的Y+、X-、Y-方向的标定，参考图6和图7。

步骤4：重复步骤2、步骤3两次，获得三次完整标定数据，并采用现有的解耦方案对多维力传感器5进行解耦。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多维力传感器的在轨高精度标定装置，其特征在于：由固定梁（1）、弹性梁（2）、滑动标尺（3）、标定锥（4）和多维力传感器（5）组成；

所述固定梁（1）与弹性梁（2）叠放在一起，固定梁（1）的安装孔（101）与弹性梁（2）的安装孔（201）对齐并通过螺栓（6）固定，滑动标尺（3）在固定梁（1）与弹性梁（2）上滑动，标定锥（4）安装在弹性梁（2）自由端的通孔（202）内，标定锥（4）的尖端指向固定梁（1）上的凹槽（105），多维力传感器（5）由螺栓安装在固定梁（1）的另一端的第一通孔（103）和第二通孔（104）上，并且多维力传感器（5）的标定轴（501）与标定锥（4）的尖端接触，通过移动滑动标尺（4），减少弹性梁（2）的有效长度，实现对多维力传感器（5）力值的加载。

2.根据权利要求1所述的多维力传感器的在轨高精度标定装置，其特征在于：滑动标尺（3）由滑动框（301）、四个滚轴（302）以及止动螺钉（303）组成，四个滚轴（302）分别安装在滑动框（301）上的安装孔内，当滑动标尺（3）安装在固定梁（1）与弹性梁（2）上时，四个滚轴（302）既能够将固定梁（1）与弹性梁（2）压紧，又能够使得滑动标尺（3）自由滑动，当滑动标尺（3）移动到指定的位置时，通过拧紧止动螺钉（303），将滑动标尺（3）的位置固定，并通过滑动标尺（3）上的指针（304）指向固定梁（1）上的刻度（102）读出标定装置施加的力值。

3.根据权利要求1所述的多维力传感器的在轨高精度标定装置，其特征在于：标定装置中固定梁（1）采用刚性材料，可以忽略固定梁（1）在标定过程中的变形，弹性梁（2）采用弹性材料，其弹性模量为E，弹性梁（2）的截面为矩形，其高度为h，宽度为b，弹性梁（2）总长度为l，设弹性梁（2）固定端到滑动标尺（3）指针的距离为x，则弹性梁（2）的有效弹性长度为l-x，标定锥（4）的高度为y；此时弹性梁（2）的惯性矩为：标定锥（4）对多维力传感器（5）的压力F与弹性梁（2）固定端到滑动标尺（3）指针的距离x之间的关系为：

4.一种多维力传感器的在轨高精度标定装置的标定方法，利用多维力传感器（5）的输入、输出关系式来进行标定解耦的；其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：根据待标定多维力传感器（5）的量程选择合适高度y的标定锥（4），并将标定锥（4）安装在弹性梁（2）的通孔（202）内；

步骤2：连接好多维力传感器（5）的电路，运行多维力传感器（5）标定软件，将多维力传感器（5）安装在固定梁（1）底面的安装孔（103）内，使得多维力传感器（5）的标定轴（501）穿过固定梁（1）一端的凹槽（105），标定锥（4）压在标定轴（501）端面的中心；移动滑动标尺（3）至初始标定位置，并拧紧止动螺钉（303），保存多维力传感器（5）的零点电压；松开止动螺钉（303），移动滑动标尺（3）至下一个施力位置,将指针（304）与刻度（102）对齐，并拧紧止动螺钉（303），保存多维力传感器（5）的输出电压与标定装置所施加的力值；重复上述步骤，直到加载至满量程，完成多维力传感器（5）Z方向的一次标定；

步骤3：将多维力传感器（5）安装在固定梁的端面的安装孔（104）内，使得多维力传感器（5）的标定轴（501）在固定梁（1）一端的凹槽（105）内，标定锥（4）压在标定轴（501）面上，按照步骤2中的加载步骤对多维力传感器（5）的X+方向进行标定；将多维力传感器（5）绕标定轴（501）依次转90度，并依次实现对多维力传感器（5）的Y+、X-、Y-方向的标定；

步骤4：重复步骤2、步骤3两次，获得三次完整标定数据，并采用现有的解耦方案对多维力传感器（5）进行解耦。