一种比对式多分量力传感器校准装置的制作方法

1.本实用新型涉及力学测量领域，尤其涉及一种比对式多分量力传感器校准装置。


背景技术：

2.随着生产力水平的不断提升，多分量力传感器在人工智能、机器人、航空航天、汽车工业、重型机械、智能制造、先进医疗等领域得到越来越广泛的应用，对多分量力传感器的量值溯源问题也随之浮现：利用传统力标准机进行校准时，需要定制特殊夹具以限制被校传感器在测试分量方向上的位移，且存在需要重复安装、定位精度有限、无法测试耦合误差、操作流程复杂等问题。因此，需要针对多分量力传感器的技术特点设计专用的校准装置。
3.按比对标准进行分类，国内外主流的多分量力传感器校准装置可分为：1.以砝码重力为比对标准的校准装置；2.以单分量标准测力仪为比对标准的校准装置；3.以多分量力传感器为比对标准的校准装置。以砝码重力为比对标准的校准装置，通常以钢索作为加载头和力源之间的连接件。为保证测试精度，同时受到砝码体积的限制，校准装置对安装空间的要求较大，故其测量上限一般不超过400kn，无法满足大力值传感器的校准需求，且该类装置只能进行分级加载。以单分量标准测力仪为比对比标准的校准装置，其力源的选择范围相对更广，故而能在大幅度提升测试量程的同时保证较小的安装空间，操作也更为方便。但因其一般通过刚性结构件将力值从力源系统传递给被校传感器，故而在测试耦合误差时，会因为附加摩擦阻力产生较大误差。以多分量力传感器为比对标准的校准装置，通过直接对比被校传感器和装置自身的多分量力传感器的输出进行校准。但因为两台传感器的几何中心至少在两个正交方向上无法重合，直接测量结果天生带有因几何形位产生的系统误差。且多分量力传感器自身亦存在溯源困难的缺点，将对装置的后续维护保养工作产生不利影响。
4.综上所述，就目前而言，如何在提升测试量程、降低串扰误差的前提下，减小多分量力传感器校准装置所占的空间体积，并尽可能提升装置后续溯源的灵活性，是该类校准装置亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种比对式多分量力传感器校准装置，在保证多分量力的单独精准加载、两两组合加载及其连续加载的同时，精简了装置结构，减少了力源系统的使用数目，增设了用以检测被校传感器及加载头z向形变量的激光位移传感器，以满足用户的需求。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了一种比对式多分量力传感器校准装置，包括：主基座，其设于地面上；主升降平台，其设在主基座上，主升降平台四周对称设置有十个串联安装有标准传感器的液压式力源系统，标准传感器与液压式力源系统串联安装，用于力值的准确测量和控制，对这些力源进行分别控制、协同工作，实现矢量力的多个分量的同步
加载和校准。
7.在装置力坐标系的水平面(xoy平面)上共布置了6个液压式力源系统，用于实现水平方向上两个力fx和fy以及绕垂直方向的力矩mz力矩。其中x和y方向分别有一对力加载单元面对面布置，x方向上的两个力加载单元分别配置2个液压式力源系统，而y方向上的两个力加载单元分别配置1个液压式力源系统。液压式力源系统，其设置方式为：第一液压式力源系统、第二液压式力源系统和第三液压式力源系统、第四液压式力源系统对称设在主升降台前后，第五液压式力源系统和第六液压式力源系统对称设在主升降台左右。
8.在力矢量坐标系垂直方向(z向)的力加载单元共布置了4个力源，用于测量垂直方向的压向力fz和作用在水平面上的力矩mx、my，第七至第十液压式力源系统分别设在所述主基座的四角，第七至第十液压式力源系统分别关于x向对称轴b和y向对称轴a对称。
9.夹具，其可拆卸地设于主升降台上，夹具中间设有被校传感器；加载头，呈板状结构，其可拆卸地设于夹具上；加载头上水平地设有钢索与第一至第六液压式力源系统相连，加载头竖直地设有钢索与第七至第十液压式力源系统相连。
10.第一至第六液压式力源系统和主升降平台上上分别设有激光位移传感器，适于补偿因被校传感器或加载头或其他任一部件z向形变造成的分力。
11.作为优选的：钢索两端分别设有万向钢索连接器，当各液压式力源系统进行加载时，若被校传感器或加载头或其他任一部件均处于没有形变的理想工作状态，则钢索两端的万向钢索连接器同轴设置。
12.作为优选的：夹具包括相向设置的顶部夹具和底部夹具，顶部夹具包括插嵌于加载头底部的顶柱和连接于顶柱底部的下平板，底部夹具包括插嵌于主升降平台上表面的底柱和连接于底柱顶部的上平板。被校传感器分别与上平板和下平板螺栓连接。
13.作为优选的：主升降平台四角分别设有螺纹柱，螺纹柱与主基座固定连接或一体成型。设置螺纹柱使得主升降平台距主基座有一定距离，满足了第七至第十液压式力源系统安装的空间需求。
14.作为优选的：第一到第六液压式力源系统均包括基座、固定连接或一体成型设于基座四角的螺纹柱、连接于螺纹柱上的升降平台、水平设于升降平台上的拉向液压油缸和设于拉向液压油缸面向加载头的一端上的标准传感器。激光位移传感器设于支架之上，支架分别套设于对应的液压式力源系统的螺纹柱和主升降平台的螺纹柱上。支架包括套设于螺纹柱上的套筒和固定连接于套筒上的悬臂梁，激光位移传感器设于悬臂梁上。
15.作为优选的：各液压式力源系统内设有伺服电机、传动机构、以及与螺纹柱螺纹配合的内螺纹套；伺服电机为动力源经传动机构驱动内螺纹套，内螺纹套带动升降平台实现相对于螺纹柱的上下移动。
16.作为优选的：第七至第十液压式力源系统均包括基座、垂直设于基座上的拉向液压油缸和设于拉向液压油缸面向加载头的一端上的标准传感器。
17.作为优选的：加载头上对称设有与第一至第十液压式力源系统相连的第一至第十万向钢索连接器，第七至第十万向钢索连接器设于加载头底部xoy平面四周，分别关于x向对称轴b和y向对称轴a对称。
18.作为优选的：加载头前后yoz平面设有第一至第四万向钢索连接器和第一至第四定位基准辅助件，分别关于过加载头几何中心点的yoz平面和xoz平面对称；加载头左右xoz
平面布置有第五和第六万向钢索连接器和第五和第六定位基准辅助件，分别关于过加载头几何中心点的yoz平面和xoz平面对称。
19.本实用新型的有益效果是：
20.(1)本实用新型通过在x向、y向和z向对十个力源进行合理设置实现不同范围的fx、fy、fz三个正向力的校准，mx、my、mz三个力矩的校准，并且各个分量力的加载互不干扰，从而同时实现fx、fy、fz、mx、my、mz多个分量的组合校准，达到真实反映现实生活中多分量力耦合的状态，满足jjf1560-2016《多分量力传感器校准规范》的耦合误差章节对分量组合的要求。
21.(2)根据多分量力传感器的工作原理和工作方式，精简设计了校准装置的顶部/底部夹具、加载头和力源系统，减少了必要液压式力源系统的数目，降低了校准装置的制造成本及对安装空间的要求。
22.(3)选用钢索作为连接件，理想工作状态下，钢索只提供轴向力，避免了由单分量力组合形成多分量力施加时产生的寄生摩擦阻力问题。
23.(4)通过设置激光位移传感器测量被校传感器或加载头或其他任一部件在加载过程中的z向形变大小，之后装置依据所测得的形变量进行补偿处理，补偿了多分量力两两组合加载时由被校传感器轴向形变和加载头弯曲挠度引起的系统误差，最终实现多分量力的单独精准加载、两两组合加载及其连续加载，达到提升耦合误差测量精度的目的。
附图说明
24.图1为本实用新型提供的一种比对式多分量力传感器校准装置的结构示意图。
25.图2为本实用新型提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中主升降平台的结构拆分立体图(右)及其局部放大图(左)。
26.图3为本实用新型提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中加载头底部xoy平面的结构示意图。
27.图4为本实用新型提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中液压式力源系统的结构示意图(左为第七至第十液压式力源系统的结构示意图，右为第一至第六液压式力源系统的结构示意图)。
28.图5为本实用新型提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中第一至第六液压式力源系统的正视图及其a-a剖面视图。
29.图6为本实用新型提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中中主升降平台的正视图。
30.图7为本实用新型提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中布置在主升降平台的激光位移传感器及其支架的结构示意图。
31.图8为本实用新型提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中加载头前后yoz平面及过几何中心点的yoz平面示意图。
32.图9为本实用新型提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中加载头左右xoz平面及过几何中心点的xoz平面示意图。
具体实施方式
33.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。
34.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。
35.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
36.如图1-6所示，本实用新型的工作原理是，在被校传感器15的受力工装即加载头11上沿多个方向同步施加多个力和力矩，加载头11在承受多个力和力矩后将所有方向的力耦合后刚性传递到被校传感器15上。为了保证力矩参数的准确度，对各个力矩分量采用在一定力臂长度位置施加力的方式来实现，并采用钢索30作为连接件，理想工作状态下，钢索30只提供轴向力，避免了由单分量力组合施加形成多分量力时产生的寄生摩擦阻力问题。此外，为了防止因被校传感器15或加载头11或其他任一部件z向形变导致钢索30两端的万向钢索连接器19不同轴从而产生分力，在x轴和y轴方向上的第一至第六液压式力源系统1～6及主升降平台12上分别设置了激光位移传感器25，来进行校准补偿。
37.在装置空间坐标系的x轴和z轴方向分别布置了4个液压式力源系统，y轴方向布置了2个液压式力源系统，并在每个液压式力源系统设计了一个拉向液压油缸21，各拉向液压油缸21输出头串接了标准传感器22，通过对各拉向液压油缸21进行选择控制加载，将不同位置和方向的力协调加载到固定在主升降台12上的被校传感器15上，即可实现力矢量各个分量的独立校准或多分量力的同步组合加载和校准。
38.如图1-6所示，一种比对式多分量力传感器校准装置，包括：主基座18，其设于地面上；主升降平台12，其设在主基座18上，主升降平台12四周对称设置有十个串联安装有标准传感器22的液压式力源系统，标准力传感器22与液压式力源系统串联安装，用于力值的准确测量和控制，对这些力源进行分别控制、协同工作，实现矢量力的多个分量的同步加载和校准。
39.在装置力坐标系的水平面(xoy平面)上共布置了6个液压式力源系统，用于实现水平方向上两个力fx和fy以及绕垂直方向的力矩mz力矩。其中x和y方向分别有一对力加载单元面对面布置，x方向上的两个力加载单元分别配置2个液压式力源系统，而y方向上的两个力加载单元分别配置1个液压式力源系统。液压式力源系统，其设置方式为：第一液压式力源系统1、第二液压式力源系统2和第三液压式力源系统3、第四液压式力源系统4对称设在主升降台12前后，第五液压式力源系统5和第六液压式力源系统6对称设在主升降台12左右。
40.在力矢量坐标系垂直方向(z向)的力加载单元共布置了4个力源，用于测量垂直方向的压向力fz和作用在水平面上的力矩mx、my，第七至第十液压式力源系统7～10分别设在所述主基座的四角，第七至第十液压式力源系统7～10分别关于x向对称轴b和y向对称轴a对称。
41.夹具，其可拆卸地设于主升降台12上，夹具中间设有被校传感器15；加载头11，呈板状结构，其可拆卸地设于夹具上；加载头11上水平地设有钢索30与第一至第六液压式力源系统1～6相连，加载头11上竖直地设有钢索30与第七至第十液压式力源系统7～10相连
42.第一至第六液压式力源系统1～6以及主升降平台12上分别设有激光位移传感器25，适于补偿因被校传感器15或加载头11或其他任一部件z向形变造成的分力。
43.在本实施例中，钢索30两端分别设有万向钢索连接器19，当各液压式力源系统进行加载时，若被校传感器15或加载头11或其他任一部件处于没有形变的理想工作状态，则钢索30两端的万向钢索连接器19同轴设置。
44.在本实施例中，夹具包括相向设置的顶部夹具13和底部夹具14，顶部夹具13包括插嵌于加载头11底部的顶柱和连接于顶柱底部的下平板，底部夹具14包括插嵌于主升降平台12上表面的底柱和连接于底柱顶部的上平板。被校传感器15分别与上平板和下平板螺栓连接。
45.在本实施例中，主升降平台12四角分别设有螺纹柱24，螺纹柱24与主基座18固定连接或一体成型。设置螺纹柱24使得主升降平台距主基座有一定距离，满足了第七至第十液压式力源系统7～10安装的空间需求。第一到第六液压式力源系统1～6均包括基座28、固定连接或一体成型设于基座四角的螺纹柱24、螺纹连接于螺纹柱24上的升降平台23、水平设于升降平台23上的拉向液压油缸21和设于拉向液压油缸21面向加载头11的一端上的标准传感器22。第七至第十液压式力源系统7～10均包括基座28、垂直设于基座28上的拉向液压油缸21和设于拉向液压油缸21面向加载头11的一端上的标准传感器22。
46.激光位移传感器25设于支架26之上，支架26分别套设于对应的液压式力源系统的螺纹柱24和主升降平台的螺纹柱24上。如图4所示，设于第一至第六液压式力源系统1～6上的支架26包括套设于螺纹柱24上的套筒和固定连接于套筒上的悬臂梁，激光位移传感器25设于悬臂梁上。如图6、7所示，设于主升降平台12上的支架26包括套设于螺纹柱24上的套筒、设于两套筒中间的悬臂梁和分别设于套筒一侧的侧翼，所述侧翼上固定连接有悬臂梁，激光位移传感器25设于悬臂梁上。
47.各液压式力源系统内设有伺服电机、传动机构、以及与螺纹柱螺纹配合的内螺纹套；伺服电机为动力源经传动机构驱动内螺纹套，内螺纹套带动升降平台实现相对于螺纹柱的上下移动。
48.设于第一至第六液压式力源系统1～6上的激光位移传感器25测量其到升降平台23底部定位基准辅助件27的垂直距离h2，设于主升降平台12上的激光位移传感器25测量其到布置在加载头11上的定位基准辅助件的垂直距离h1，控制系统根据所测得的两个距离之差，控制各液压式力源系统上下移动升降平台23，保证各力源系统的施力点和加载头11的受力点在同一水平面上，从而去除分力达到提升耦合误差测量精度的目的。
49.在本实施例中，加载头11上对称设有与第一至第十液压式力源系统1～10相连的第一至第十万向钢索连接器1901～1910，第七至第十万向钢索连接器1907～1910设在加载头底部xoy平面四周，分别关于x向对称轴b和y向对称轴a对称。
50.如图4、7所示，加载头11前yoz平面231和后yoz平面232上设有第一至第四万向钢索连接器1901～1904和第一至第四定位基准辅助件2001～2004，分别关于过加载头几何中心点的中yoz平面233和中xoz平面133对称；加载头11左xoz平面131和右xoz平面132布置有
第五和第六万向钢索连接器1905～1906和第五和第六定位基准辅助件2005～2006，分别关于过加载头几何中心点的中yoz平面233和中xoz平面133对称。
51.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。