一种六维力传感器标定装置的制作方法

本实用新型涉及六维力传感器，具体的说是一种六维力传感器标定装置。

背景技术：

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)，主要应用在力及力矩位置控制场合，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。

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，计算得到解耦矩阵。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采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，在中等量程、小量程六维力传感器的标定中使用比较普遍。

技术实现要素：

针对以上现有技术的缺点，提出一种六维力传感器标定装置，通过电机驱动可以对待测传感器进行自动加载砝码。可以提高标定效率。

具体的技术方案，一种六维力传感器标定装置，包括机架、加载装置、回转装置和移动平台，机架置于地面之上，加载装置装于机架内，移动平台安装在机架顶部上，回转装置安装在移动平台上，待测传感器安装在回转装置上，待测传感器与加载装置之间通过传感器加载杆连接；

加载装置包括加载固定架、加载杆、驱动机构、传动机构和砝码加载装置，加载固定架水平设置，加载固定架的两端都安装在机架上，砝码加载装置安装在加载固定架上且位于机架内部，驱动机构位于砝码加载装置的下方，传动机构一端连接驱动机构的输出，传动机构另一端连接砝码加载装置；加载杆一端连接砝码加载装置，加载杆另一端连接传感器加载杆；

移动平台包括x方向移动平台和y方向移动平台，x方向移动平台和y方向移动平台连接，x方向移动平台安装在机架顶部；回转装置安装在y方向移动平台上，回转装置包括竖直座、第一轴座、第二轴座、回转平台和传感器固定板，竖直座的底部安装y方向移动平台上，第一轴座贴合竖直座的一侧平面安装，在第一轴座上安装一根水平旋转轴，第二轴座套在水平旋转轴上并可绕水平旋转轴转动，回转平台安装在第二轴座上，回转平台的回转轴与第一轴座上的水平旋转轴垂直，传感器固定板安装在回转平台上，待测传感器安装在传感器固定板上，待测传感器上的中心孔与回转平台的回转轴同心，传感器加载杆安装在待测传感器上；

传感器加载杆包括安装板、x方向传力杆、y方向传力杆和z方向传力杆，z方向传力杆垂直固定在安装板上，安装板上开设一圈螺栓通孔，一圈螺栓通孔位于同一圆周上，所有螺栓通孔所在的圆的中心位置上安装z方向传力杆，在待测传感器的中心孔周围设置在一圈与螺栓通孔所在的圆重合的螺孔；在安装板的边沿延伸设置有垂直的x方向受力板和y方向受力板，x方向传力杆垂直设置在x方向受力板上，y方向传力杆垂直设置在y方向受力板上。

本实用新型标定装置，加载装置通过电机驱动可以对待测传感器进行自动加载砝码。可以提高标定效率。

本实用新型进一步限定的技术方案是：

驱动机构为电机，传动机构包括蜗轮蜗杆机构和滚珠丝杠螺母副，蜗轮蜗杆机构的输入连接电机轴，蜗轮蜗杆机构的输出连接滚珠丝杠螺母副内的滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母副内的丝杠螺母安装在砝码加载装置上。

砝码加载装置包括支撑板、加载套管、多根立柱、加载盘和多个砝码，多根立柱贯穿支撑板，多根立柱的上下两端分别固定加载固定架上，滚珠丝杠螺母副内的丝杠螺母固定在支撑板的背面上；加载套管竖直安装在支撑板上，在加载套管的内壁上设置多个用于放置砝码的悬挂块，多个悬挂块呈多条螺旋线设置，砝码分层放置在悬挂块上，每层砝码放置在多个悬挂块上；加载杆贯穿所有砝码且连接加载盘，加载盘位于最下层砝码的下方，加载盘位于支撑板的上方。

本实用新型提出六维力传感器标定装置的标定方法，包括如下步骤：

步骤1）标定装置组装；

步骤2）将待测传感器固定在传感器固定板上；

步骤3）安装传感器加载杆，将待测传感器的中心孔与传感器加载杆的fz加载杆配合，将待测传感器的x方向和y方向分别与传感器加载杆的fx和fy方向平行，最后用螺栓将传感器加载杆固定在待测传感器上；

步骤4）初始位置调整，调整传感器加载杆，使传感器加载杆的fx方向保持竖直，调整移动平台，使传感器加载杆的x方向传力杆位于加载杆的正上方，等待标定；

步骤5）fx方向标定，x方向传力杆与加载杆顶部固定，加载装置对加载杆进行加载，此时待测传感器受力状态为fx，然后采集待测传感器各方向的输出数据；

步骤6）my方向标定，调整移动平台，将z方向传力杆移动至加载装置的正上方，z方向传力杆与加载杆顶部固定，加载装置对加载杆进行加载，此时待测传感器受力状态为my，然后采集待测传感器各方向的输出数据；

步骤7）mz方向标定，调整移动平台，将y方向传力杆移动至加载装置的正上方，y方向传力杆与加载杆顶部固定，加载装置对加载杆进行加载，此时待测传感器受力状态为mz，然后采集待测传感器各方向的输出数据；

步骤8）fy方向标定，回转平台逆时针旋转90°，fy方向保持竖直，等待标定；y方向传力杆与加载杆顶部固定，加载装置对加载杆进行加载，此时待测传感器受力状态为fy，然后采集待测传感器各方向的输出数据；

步骤9）mx方向标定，调整移动平台，将z方向传力杆移动至加载装置的正上方，z方向传力杆与加载杆顶部固定，加载装置对加载杆进行加载，此时待测传感器受力状态为mx，然后采集待测传感器各方向的输出数据；

步骤10）fz方向标定，第二轴座绕水平旋转轴旋转，将z方向传力杆移至竖直向下，调整移动平台，将z方向传力杆移动至加载装置的正上方，z方向传力杆与加载杆顶部固定，加载装置对加载杆进行加载，此时待测传感器受力状态为fz，然后采集待测传感器各方向的输出数据；

步骤11）对上述步骤中测得的输出数据进行处理分析，得到待测传感器的解耦矩阵，完成对待测传感器的标定。

本实用新型标定方法，在标定时待测传感器的受力点均位于待测传感器的中心面，进一步提高了标定的精度。

采集待测传感器的输出数据是通过将待测传感器的信号端接入数据采集卡的方法完成。这种采用数据采集卡来采集待测传感器在各个受力状态下的输出数据为本技术领域内的常规技术。

本实用新型的有益效果是：

1、本标定装置，加载装置通过电机驱动可以对待测传感器进行自动加载砝码。可以提高标定效率。

2、本标定方法，在标定时待测传感器的受力点均位于待测传感器的中心面，进一步提高了标定的精度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为加载装置和机架的装配示意图。

图3为砝码加载装置的主视图。

图4为加载套管的剖切图。

图5为砝码的示意图。

图6为砝码加载装置的剖切图。

图7为移动平台的结构示意图。

图8为回转装置的结构示意图。

图9为图8中第二轴座绕水平旋转轴旋转一定角度的状态示意图。

图10为传感器加载杆与传感器共同固定在回转平台的位置示意图。

图11为图10逆时针旋转90°后的状态图。

图12为传感器加载杆的结构示意图。

图13为fx方向标定，传感器加载杆305和待测传感器安装在回转装置上的位置示意图。

图14为my方向标定，传感器加载杆305和待测传感器安装在回转装置上的位置示意图。

图15为mz方向标定，传感器加载杆305和待测传感器安装在回转装置上的位置示意图。

图16为fy方向标定，传感器加载杆305和待测传感器安装在回转装置上的位置示意图。

图17为mx方向标定，传感器加载杆305和待测传感器安装在回转装置上的位置示意图。

图18为fz方向标定，传感器加载杆305和待测传感器安装在回转装置上的位置示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-18及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图1所示，一种六维力传感器标定装置，包括机架1、加载装置2、回转装置3和移动平台4，机架1置于地面之上，加载装置2装于机架1内，移动平台4安装在机架1顶部上，回转装置3安装在移动平台4上，待测传感器5安装在回转装置3上，待测传感器5与加载装置2之间通过传感器加载杆305连接。

如图1所示，本实施例中机架1为角钢或型钢焊接而成的钢架。

如图2所示，加载装置2包括加载固定架201、加载杆202、驱动机构203、传动机构204和砝码加载装置205，加载固定架201水平设置，加载固定架201的两端都安装在机架1上，砝码加载装置205安装在加载固定架201上且位于机架1内部，驱动机构203位于砝码加载装置205的下方，传动机构204一端连接驱动机构203的输出，传动机构204另一端连接砝码加载装置205；加载杆202一端连接砝码加载装置205，加载杆202另一端连接传感器加载杆305。

如图2所示，驱动机构203为电机，传动机构204包括蜗轮蜗杆机构和滚珠丝杠螺母副，蜗轮蜗杆机构的输入连接电机轴，蜗轮蜗杆机构的输出连接滚珠丝杠螺母副内的滚珠丝杠204-2，滚珠丝杠螺母副内的丝杠螺母204-1安装在砝码加载装置205上。

如图3、4、5、6所示，砝码加载装置205包括支撑板205-1、加载套管205-2、多根立柱205-3、加载盘205-5和多个砝码205-6，多根立柱205-3贯穿支撑板205-1，多根立柱205-3的上下两端分别固定加载固定架201上，滚珠丝杠螺母副内的丝杠螺母204-1固定在支撑板205-1的背面上；加载套管205-2竖直安装在支撑板205-1上，在加载套管205-2的内壁上设置多个用于放置砝码的悬挂块205-4，多个悬挂块205-4呈多条螺旋线设置，砝码205-6分层放置在悬挂块205-4上，每层砝码205-6放置在多个悬挂块205-4上；加载杆202贯穿所有砝码205-6且连接加载盘205-5，加载盘205-5位于最下层砝码205-6的下方，加载盘205-5位于支撑板205-1的上方。

如图5所示，砝码205-6的外圆边延伸设置多个支撑块205-6-1，砝码的支撑块205-6-1与加载管道的悬挂块205-4活动连接。

砝码加载装置205的加载过程，电机带动蜗轮蜗杆机构和滚珠丝杠运动，丝杆上的丝杆螺母204-1固定在支撑板205-1上，通过丝杆螺母带动支撑板向下运动，从而带动加载套管205-2向下运动，从而带动砝码205-6向下运动，当加载盘205-5最低层的砝码压紧加载盘时，该砝码的支撑块205-6-1与加载套管205-2的悬挂块205-4脱离接触，该砝码自重全部压在加载盘上，实现对加载盘的加载，加载套管205-2继续向下移动时，倒数第二块砝码继续向下移动，压紧最底下砝码后脱离加载套管205-2，实现进一步加载，以此类推，可以实现不同大小力的加载。

砝码加载装置205的卸载过程，电机带动蜗轮蜗杆机构和滚珠丝杠运动，通过丝杆螺母带动支撑板向上运动，从而带动加载套管205-2向上运动，当设置在加载套管205-2上的悬挂块205-4与砝码的支撑块205-6-1接触后，带动砝码脱离加载盘，从而实现卸载。

本实施例中提及的加载套管205-2上的悬挂块205-4与砝码的支撑块205-6-1之间的安装关系为现有技术中砝码加载装置内的已知技术。

如图7所示，移动平台4包括x方向移动平台401和y方向移动平台402，x方向移动平台401和y方向移动平台402连接，x方向移动平台401安装在机架1顶部；回转装置3安装在y方向移动平台402上。

本实施例中移动平台4为已知技术，功能为x向和y向直线移动。

如图8和9所示，回转装置3包括竖直座301、第一轴座302、第二轴座303、回转平台306和传感器固定板304，竖直座301的底部安装y方向移动平台402上，第一轴座302贴合竖直座301的一侧平面安装，在第一轴座302上安装一根水平旋转轴，第二轴座303套在水平旋转轴上并可绕水平旋转轴转动，回转平台306安装在第二轴座303上，回转平台306的回转轴与第一轴座302上的水平旋转轴垂直，传感器固定板304安装在回转平台306上，待测传感器5安装在传感器固定板304上，待测传感器5上的中心孔与回转平台306的回转轴同心，传感器加载杆305安装在待测传感器5上。

如图10和11所示，传感器加载杆与传感器共同固定在回转平台上，如图11所示，此状态图的位置可以测出三个不同方向上的数据，分别是fx、my和mz。如图2是由图11逆时针旋转90°得到的，此状态图的位置可以测出三个不同方向上的数据，分别是fy、mx和fz。

如图12所示，传感器加载杆305包括安装板501、x方向传力杆502、y方向传力杆503和z方向传力杆504，z方向传力杆504垂直固定在安装板501上，安装板501上开设一圈螺栓通孔，一圈螺栓通孔位于同一圆周上，所有螺栓通孔所在的圆的中心位置上安装z方向传力杆504，在待测传感器5的中心孔周围设置在一圈与螺栓通孔所在的圆重合的螺孔；在安装板501的边沿延伸设置有垂直的x方向受力板和y方向受力板，x方向传力杆502垂直设置在x方向受力板上，y方向传力杆503垂直设置在y方向受力板上。

如图10所示，加载装置2安装在x方向传力杆402上可以测出fx和mz，加载装置2安装在z方向传力杆404上可以测出my。

如图11所示，加载装置2安装在y方向传力杆403上可以测出fy和mx，加载装置2安装在z方向传力杆404上可以测出fz。

待测传感器5为圆柱形，将待测传感器5的中心孔与传感器加载杆305的就fz加载杆配合，调整待测传感器5的x和y方向与传感器加载杆305的fx和fy方向平行，然后用螺栓将传感器加载杆305固定到待测传感器5上，具体为z方向传力杆504垂直固定在安装板501上，安装板501上开设一圈螺栓通孔，一圈螺栓通孔位于同一圆周上，所有螺栓通孔所在的圆的中心位置上安装z方向传力杆504，在待测传感器5的中心孔周围设置在一圈与螺栓通孔所在的圆重合的螺孔。

本标定装置，加载装置2通过电机驱动可以对待测传感器5进行自动加载砝码。可以提高标定效率。

本实施例的六维力传感器标定装置的标定方法，包括如下步骤：

步骤1）标定装置组装；

步骤2）将待测传感器5固定在传感器固定板304上；

步骤3）安装传感器加载杆305，将待测传感器5的中心孔与传感器加载杆305的fz加载杆配合，将待测传感器5的x方向和y方向分别与传感器加载杆305的fx和fy方向平行，最后用螺栓将传感器加载杆305固定在待测传感器5上；

步骤4）初始位置调整，调整传感器加载杆305，使传感器加载杆305的fx方向保持竖直，调整移动平台4，使传感器加载杆305的x方向传力杆502位于加载杆202的正上方，等待标定；

步骤5）fx方向标定，x方向传力杆502与加载杆202顶部固定，加载装置2对加载杆202进行加载，此时待测传感器5受力状态为fx，然后采集待测传感器5各方向的输出数据；如图13所示。

步骤6）my方向标定，调整移动平台4，将z方向传力杆504移动至加载装置2的正上方，z方向传力杆504与加载杆202顶部固定，加载装置2对加载杆202进行加载，此时待测传感器5受力状态为my，然后采集待测传感器5各方向的输出数据；如图14所示。

步骤7）mz方向标定，调整移动平台4，将y方向传力杆503移动至加载装置2的正上方，y方向传力杆503与加载杆202顶部固定，加载装置2对加载杆202进行加载，此时待测传感器5受力状态为mz，然后采集待测传感器5各方向的输出数据；如图15所示。

步骤8）fy方向标定，回转平台306逆时针旋转90°，fy方向保持竖直，等待标定；y方向传力杆503与加载杆202顶部固定，加载装置2对加载杆202进行加载，此时待测传感器5受力状态为fy，然后采集待测传感器5各方向的输出数据；如图16所示。

步骤9）mx方向标定，调整移动平台4，将z方向传力杆504移动至加载装置2的正上方，z方向传力杆504与加载杆202顶部固定，加载装置2对加载杆202进行加载，此时待测传感器5受力状态为mx，然后采集待测传感器5各方向的输出数据；如图17所示。

步骤10）fz方向标定，第二轴座303绕水平旋转轴旋转，将z方向传力杆504移至竖直向下，调整移动平台4，将z方向传力杆504移动至加载装置2的正上方，z方向传力杆504与加载杆202顶部固定，加载装置2对加载杆202进行加载，此时待测传感器5受力状态为fz，然后采集待测传感器5各方向的输出数据；如图18所示。

步骤11对上述步骤中测得的输出数据进行处理分析，得到待测传感器5的解耦矩阵，完成对待测传感器5的标定。

本实施例标定方法，在标定时待测传感器5的受力点均位于待测传感器的中心面，进一步提高了标定的精度。

本实施例标定方法中提及的对标定方法中测得的输出数据进行处理分析，得到待测传感器5的解耦矩阵，这个算法过程为本技术领域内公知算法，具体算法本实用新型不作限定。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。