[发明专利]一种六维力传感器标定装置

摘要

本发明公开了一种六维力传感器标定装置，包括机架﹑加载机构、定位机构和电气控制系统，电气控制系统包括人机界面、工控机、多轴控制器、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，人机界面和工控机作为上位机，监控位移、角度和力信号。本发明采用闭环力反馈控制系统，实现标定力的精确自动加载，并能够对六维力传感器进行连续加载。本发明的高精密十字滑台机构安装了光栅尺，形成了全闭环位移控制，精确定位X（Y）方向的位移，且圆光栅精确定位六维力传感器的翻转和旋转角度，从而实现了对六维力传感器的直线位移和转角的精确定位。本发明可以实现量程范围内任意六维力/力矩的加载，加载过程简单，操作方便。

主权项

一种六维力传感器标定装置，其特征在于：包括机架﹑加载机构、定位机构和电气控制系统，所述的机架由基座（1）和门式刚性框架（2）组成；所述的加载机构包括伺服电机A（26）、减速器（25）、齿轮A（42）、齿轮B（43）、齿轮C（44）、齿轮D（45）、齿轮E（46）、两个滚珠丝杠（3）、两个滚珠丝杠螺母（27）、活动横梁（4）、标准单维力传感器（5）和加载头（6），伺服电机A（26）的输出轴与减速器（25）的输入轴刚性连接，减速器（25）的输出轴与齿轮A（42）的中心刚性连接，齿轮A（42）的一侧与齿轮B（43）啮合、齿轮A（42）的另一侧与齿轮C（44）啮合，齿轮B（43）同时与齿轮E（46）啮合，齿轮C（44）同时与齿轮D（45）啮合，五个相互啮合的齿轮中心位于同一条直线上，齿轮E（46）中心孔与滚珠丝杠（3）下端刚性连接，滚珠丝杠（3）上端通过轴承以双推支承式的支撑形式连接到门式刚性框架（2）上，滚珠丝杠螺母（27）固定连接到活动横梁（4）上端，滚珠丝杠螺母（27）与滚珠丝杠（3）螺纹配合，滚珠丝杠（3）通过滚珠丝杠螺母（27）带动活动横梁（4）上下往复移动，活动横梁（4）下端依次顺序刚性连接标准单维力传感器（5）和加载头（6）；所述的定位机构包括小U型架（7）、大U型架（8）、360度蜗轮蜗杆传动机构A（34）、360度蜗轮蜗杆传动机构B（35）、圆光栅A（36）、圆光栅B（37）、伺服电机D（32）、伺服电机E（33）、固定板（11）、转接板（12）、加载板（14）、固定法兰A（10）、固定法兰B（15）和精密十字滑台机构（9），大U型架（8）固定连接在工作台（18）上，小U型架（7）通过固定法兰A（10）、固定法兰B（15）固定连接到大U型架（8）内侧，小U型架（7）与大U型架（8）形成一个回转副，固定法兰A（10）刚性连接360度蜗轮蜗杆传动机构B（35）的输出轴，圆光栅B（37）固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构B（35）输出轴上，伺服电机D（32）刚性连接到360度蜗轮蜗杆传动机构B（35）输入轴上，360度蜗轮蜗杆传动机构A（34）固定连接在小U型架（7）内部，圆光栅A（36）固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构A（34）输出轴上，伺服电机E（33）刚性连接到360度蜗轮蜗杆传动机构A（34）输入轴上，固定板（11）固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构A（34）输出轴上，转接板（12）固定连接到固定板（11） 上；所述的精密十字滑台机构（9）包括伺服电机B（30）、伺服电机C（31）、光栅尺A（38）、光栅尺B（39）、丝杠A（19）、丝杠B（20）、轴承底座A（21）、轴承底座B（22）、两个导轨A（23）、两个导轨B（24）、四个滑块A（40）、四个滑块B（41）、底座A（16）、底座B（17）和工作台（18），底座B（17）固定连接到基座（1）上，两个导轨B（24）固定连接到底座B（17），两个导轨B（24）与底座A（16）通过四个滑块B（41）构成滑动连接，两个导轨A（23）固定连接到底座A（16），所述两个导轨A（23）与工作台（18）通过四个滑块A（40）构成滑动连接，伺服电机B（30）固定连接在底座A（16）上，丝杠A（19）一端与伺服电机B（30）刚性连接，所述丝杠A（19）另一端通过轴承连接到轴承底座A（21）上，与丝杠A（19）配套的丝杠螺母A（28）固定连接到工作台（18），伺服电机C（31）固定连接在底座B（17）上，丝杠B（20）一端与伺服电机C（31）刚性连接，所述丝杠B（20）另一端通过轴承连接到轴承座B上，与丝杠B（20）配套的丝杠螺母B（29）固定连接到底座A（16），光栅尺A（38）固定连接在底座A（16）侧面上，所述光栅尺A（38）的读数头固定连接到工作台（18）侧面，光栅尺B（39）固定连接在基座（1）上表面，所述光栅尺B（39）的读数头固定连接到底座A（16）端面；所述的电气控制系统包括人机界面（47）、工控机（48）、多轴控制器（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），人机界面（47）和工控机（48）作为上位机，监控位移、角度和力信号；加载Z轴力时，标准单维力传感器（5）将加载力大小反馈给多轴控制器（49）和上位机，上位机将反馈信号与需加载力进行比较，并用比较后的差值进行控制，若两者存在差值，上位机将反馈信号传递给多轴控制器（49），多轴控制器（49）通过伺服控制器A（50）控制伺服电机A（26）转动，直至差值为零，即形成闭环力反馈系统，得到精确的加载力；加载X轴力矩时，光栅尺B（39）将位移信号传递给多轴控制器（49）和上位机，上位机将反馈信号与所需位移进行比较，并用比较后的差值进行控制，若两者存在差值，上位机将反馈信号传递给多轴控制器（49），多轴控制器（49）通过伺服控制器C（52）控制伺服电机C（31）转动，直至差值为零，即形成闭环位移反馈系统，再结合所述闭环力反馈系统，最终得到精确的力矩；加载Y轴力矩时， 圆光栅A（36）将信号传递给多轴控制器（49）和上位机，上位机将反馈信号与所需角度进行比较，并用比较后的差值进行控制，若两者存在差值，上位机将反馈信号传递给多轴控制器（49），多轴控制器（49）通过伺服控制器E（54）控制伺服电机E（33）转动，直至差值为零，即形成闭环角度反馈系统，再结合所述闭环力反馈系统，最终得到精确的力矩；加载Y轴力时，圆光栅B（37）与圆光栅A（36）以上述同样原理构成闭环角度反馈系统，通过所述闭环角度反馈系统控制被标定传感器翻转的精确角度，光栅尺A（38）与光栅尺B（39）以上述同样原理构成闭环位移反馈系统，通过闭环位移反馈系统控制被标定传感器的精确位移，再结合所述闭环力反馈系统，最终得到精确的加载力；加载X轴力时，以圆光栅A（36）为反馈元件的闭环角度反馈系统控制被标定传感器旋转的精确角度，再结合所述闭环力反馈系统，最终得到精确的加载力；加载Z轴力矩时，以光栅尺B（39）为反馈元件的闭环位移反馈系统控制被标定传感器的精确位移，再结合所述闭环力反馈系统，最终得到精确的力矩。