CN101419101A - 一种可调分载力机构的多点局部预紧方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种可调分载力机构的多点局部预紧方法属于传感测试方法和设备领域。该方法是通过调整预紧螺栓驱动预紧滑块，实现了多点局部预紧；通过安装长度可调测量杆，实现了结构参数可调。根据测量安装的实际需要，调整测量杆的长度，进行多点局部预紧力调整，使测量杆受预紧力；所采用的装置包括六组结构完全相同的可调分载力机构，其中每一组由上下平台、预紧螺栓、预紧滑块、上下连接杆、上下圆螺母、上下连接法兰、一组压电石英传感器、定位环组成。本发明实现了多点局部预紧和结构参数可调，具有预紧效果好、大载荷分载能力强、安装操作方便、精度高、稳定性好、结构简单的特点。

Description

一种可调分载力机构的多点局部预紧方法

技术领域

本发明一种可调分载力机构的多点局部预紧方法，属于传感测试方法和设备设计制造领域。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，六维分载力机构已被广泛应用于航空航天、国防以及工业生产等各个领域。由于六维分载力机构能够感知外力和力矩的所有信息，当今世界各国对其发展极为重视，视为涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之一，并将其列入国家技术发展战略计划之中。在六维分载力机构的研究中，预紧和结构参数调整是分载机构设计制作过程中重要环节，尤其是基于并联结构的六维分载力机构，其预紧和结构参数调整极为困难，目前的六维分载力机构还大多采用整体预紧的方式，但不能根据实际需要进行结构参数调整。目前，中国专利101038222A公开了一种上下预紧式并联结构六维力传感器，中国专利1263259A公开了一种整体预紧平台式六维力传感器，中国专利101038221A公开了一种左右预紧式并联结构六维力传感器，虽然整体预紧可以有效的消除铰链间隙，减小误差，提高整体刚度，但要调整到各个敏感单元等预紧力较为困难。本发明所提出的一种多点可调分载力机构的局部预紧方法，能够单独对每一根测量杆进行预紧，并能保证每个测量杆具有相同的预紧力。同时，还可以根据测量、控制的实际需要进行调整机构的结构参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，发明一种多点可调分载力机构的局部预紧方法，通过调节此机构预紧螺母完成六维分载力机构的多点局部预紧，并且通过改变测量杆的长度，进而调节六维力分载机构的结构参数，增强了六维力分载机构在不同场合安装的灵活性，解决了六维大力分载机构分载后难于预紧和结构难调的困难。

本发明解决技术问题采用的技术方案是：一种多点可调分载力机构的局部预紧方法，通过调整预紧螺栓驱动预紧滑块，实现多点局部预紧；通过安装长度可调测量杆，实现了结构参数可调。主要包括以下步骤：

1)根据测量、安装的实际需要调整测量杆的长度，首先松开下圆螺母4向里或向外拧动下连接杆3，或松开上圆螺母12，向里或向外拧动上连接杆11，通过调节上下连接杆11、3拧入上下连接法兰7、5的深度确定测量杆的长度L；

2)调好测量杆的长度L后，根据多点可调分载力机构的结构几何参数要求，应满足以下特征：设上平台螺纹孔中心线到上平台中心的长度为R₁，下平台圆锥凹槽中心线到下平台中心的长度为R₂，上下平台六个球铰两个一组，共分三组，其中每组中，上平台两球铰夹角为α，下平台两球铰夹角为β，必须满足0°<|α-β|<120°，设测量杆长度为L，令：

l_av＝(R₁+R₂+L)/3，l₁＝R₁/l_av，l₂＝R₂/l_av，l₃＝L/l_av

其中，l_av为上平台螺纹孔中心线到上平台中心的长度、下平台圆锥凹槽中心线到下平台中心的长度和测量杆实际尺寸的平均值；l₁、l₂、l₃分别为上平台螺纹孔中心线到上平台中心的长度、下平台圆锥凹槽中心线到下平台中心的长度和测量杆实际长度的标准化无量纲尺寸。故有l₁+l₂+l₃＝3，为保证该机构能够正确安装，各无量纲尺寸的范围必须满足以下条件：0<l₁<1.5，0<l₂<1.5，μ<l₃<3，其中： $\mathrm{\&mu;}=\sqrt{l_1^2+{l_2}^2-2l_1{l}_2\cos \left[(\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})\right]/2};$

3)进行多点局部预紧力调整，首先对该机构中的其中一组进行预紧，通过调整预紧螺栓8，使预紧螺栓驱动预紧滑块9进行滑动，使测量杆受预紧力；在预紧过程中，测量杆安装的压电石英传感器6开始产生信号，并通过其引线把信号传送到电荷放大器，经数据采集卡采集数据，显示在计算机上。

4)用同样方法对其余各组分别进行预紧，各组预紧结果在计算机上分别显示出来，最后再分别微调各预紧螺栓8，使各测量杆数据在计算机上显示一致，说明各测量杆施加预紧力相等，实现了该机构的各点局部预紧。

多点可调分载力机构的局部预紧方法所采用的装置包括六组结构完全相同的可调分载力机构，其中每一组由上、下平台10、2、预紧螺栓8、预紧滑块9、上连接杆11、下连接杆3、上圆螺母12、下圆螺母4、上连接法兰7、下连接法兰5、一组压电石英传感器6、定位环15、三个连接螺栓16、三个连接螺母13、三个连接垫片14组成；拧在上平台10上的预紧螺栓8的端面与安装于上平台通孔内的预紧滑块9平面端接触，预紧滑块另一端为带有圆锥形凹槽，滑块圆锥形凹槽与上连接杆11球形面接触；上连接杆11另一端与上连接法兰7螺纹连接，并通过上圆螺母12锁紧；下连接法兰5具有内螺纹孔的一端与下连接杆3的外螺纹端螺纹连接，并通过下圆螺母4锁紧；下连接杆3的球面端插入到下平台2的圆锥形凹槽中；压电石英传感器6固定安装在定位环15内孔中，上、下两个连接法兰7、5带凸台a、b的端面分别通过定位环15的内孔上、下对中，并通过三个连接螺栓16、三个连接螺母13、三个连接垫片14将对中的上下连接法兰7、5固定联接在一起。

本发明的有益效果是通过采用预紧滑块实现了对六维分载力机构的多点局部预紧，通过采用长度可调测量杆实现了对六维分载力机构的结构参数可调。同时该可调参数多点局部预紧机构具有预紧效果好、大载荷分载能力强、安装操作方便、精度高、稳定性好、结构简单等特点。

附图说明

图1为可调分载力机构的多点局部预紧方法所采用装置的装配图，图2为图1的A-A剖视图，其中，1为下平台连接螺栓、2为下平台、3为下连接杆、4为下圆螺母、5为下连接法兰、6为压电石英传感器、7为上连接法兰、8为预紧螺栓、9为为预紧滑块、10为上平台、11为上连接杆、12为上圆螺母、13为连接螺母、14为连接垫片、15为定位环、16为连接螺栓、17为上平台连接螺栓、18为机械手手臂；

图3为上平台示意图，其中α为上平台两球铰夹角，R₁为上平台螺纹孔中心线到上平台中心的长度；

图4为下平台示意图，其中β为下平台两球铰夹角，R₂为下平台圆锥凹槽中心线到下平台中心的长度；

图5为各测量杆所受预紧力转化为电压值显示在计算机上的图表。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式，本发明设计的多点可调分载力机构的局部预紧方法所采用的装置，见附图1、2，上平台和下平台通过上、下平台连接螺栓分别与机械手手臂刚性连接；连接法兰一端为研磨过的凸台，另一端为内螺纹，连接杆一端为球面，另一端为外螺纹，连接杆外螺纹一端与连接法兰的内螺纹一端通过螺纹进行连接，并通过圆螺母锁紧，通过定位环将上、下两个连接法兰带凸台的端面上、下对中，将压电石英传感器固定安装在定位环内孔中，并把压电石英传感器信号线从定位环缺口引出，将对中的两个连接法兰通过连接螺栓、连接螺母、连接垫片进行固定；预紧螺栓端部为阶梯圆柱，阶梯圆柱端面与预紧滑块平面端接触，预紧滑块为一端带有圆锥形凹槽圆柱体，预紧滑块安装于上平台的通孔内，滑块圆锥面端与上连接杆球形端线接触，下平台的圆锥形凹槽与下连接杆球形端线接触。根据安装和测量的实际需要，可以通过调节测量杆上下连接杆拧入连接法兰的深度调整确定整个测量杆的长度L，但调整后的测量杆长度L必须满足该机构的结构几何参数要求。取上平台螺纹孔中心线到上平台中心的长度为R₁，下平台圆锥凹槽中心线到下平台中心的长度为R₂，上下平台六个球铰两个一组，共分三组，其中每组中：上平台两球铰夹角为α，下平台两球铰夹角为β，必须满足0°<|α-β|<120°，令测量杆长度为L，l_av＝(R₁+R₂+L)/3，l₁＝R₁/l_av，l₂＝R₂/l_av，l₃＝L/l_av，其中，l_av为上平台螺纹孔中心线到上平台中心的长度、下平台圆锥凹槽中心线到下平台中心的长度和测量杆实际尺寸的平均值；l₁、l₂、l₃分别为上平台螺纹孔中心线到上平台中心的长度、下平台圆锥凹槽中心线到下平台中心的长度和测量杆实际长度的标准化无量纲尺寸。故有l₁+l₂+l₃＝3，为保证该机构能够正确安装，各无量纲尺寸的范围必须满足以下条件：0<l₁<1.5，0<l₂<1.5，μ<l₃<3，其中： $\mathrm{\&mu;}=\sqrt{l_1^2+{l_2}^2-2l_1{l}_2\cos \left[(\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})\right]/2}.$

实例1：取该机构上平台螺纹孔中心线到上平台中心的长度为R₁＝0.16m，下平台圆锥凹槽中心线到下平台中心的长度为R₂＝0.098m，上平台两球铰夹角α＝5π/18，下平台两球铰夹角β＝π/6，测量杆长度调节为L＝0.21m，见附图3、4。由于|α-β|＝π/9，因此满足0°<|α-β|<120°的条件。把所取各参数值代入公式l_av＝(R₁+R₂+L)/3得，l_av＝(0.16+0.098+0.21)/3，即：l_av＝0.156，所以，l₁＝R₁/l_av＝1.026，l₂＝R₂/l_av＝0.628，l₃＝L/l_av＝1.346，通过计算可得， $\mathrm{\&mu;}=\sqrt{l_1^2+{l_2}^2-2l_1{l}_2\cos \left[(\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})\right]/2}=0.422,$ 所以l₁、l₂、l₃满足条件：0<l₁<1.5，0<l₂<1.5，μ<l₃<3，因此所确定的测量杆长度L能够保证该机构正常安装。

结构参数调整完毕后，将对该机构进行多点局部预紧。首先，把各传感器的引线接入电荷放大器的接口，并对整个预紧系统进行初始化，设定放大器的放大倍数，启动数模转换等准备工作。计算机通过程序控制接口，将数据复位初始状态，使整个预紧机构不受任何外力，处于静止状态。然后通过调整预紧螺栓，使预紧螺栓驱动预紧滑块进行滑动，则对应的测量杆预紧力将增加，其他测量杆预紧力不变，这时受预紧力的测量杆上安装的压电石英传感器开始产生信号，并通过其引线把信号传送到电荷放大器，经数据采集卡采集数据，显示在计算机上。最后再通过分别微调每个预紧螺栓，在计算机上得到最终各测量杆的数据。如图5所示，在分别微调每个预紧螺栓过程中，通过计算机程序控制将各测量杆所受预紧力转化为电压值的最终数据显示在计算机上为0.065、0.067、0.065、0.067、0.065、0.066，通过计算机各通道输出结果可以看出各测量杆受预紧力后所显示数据基本一致，说明各杆施加预紧力相等。

本发明提供的可调分载力机构的多点局部预紧方法所采用的装置具有结构简单、预紧效果好、精度高、安装操作方便、稳定性好的特点，可适用在多维力测量和控制领域，特别是用于六维大力值测量领域。

Claims (2)

1、一种可调分载力机构的多点局部预紧方法，其特征是，通过调整预紧螺栓驱动预紧滑块，实现多点局部预紧；通过安装长度可调测量杆，实现结构参数可调；主要包括以下步骤：

1)根据测量、安装的实际需要调整测量杆的长度，首先松开下圆螺母(4)向里或向外拧动下连接杆(3)；或松开上圆螺母(12)，向里或向外拧动上连接杆(11)，通过调节上下连接杆(11、3)拧入上下连接法兰(7、5)的深度确定测量杆的长度L；

2)调好测量杆的长度L后，根据多点可调分载力机构的结构几何参数要求，应满足以下特征：设上平台螺纹孔中心线到上平台中心的长度为R₁，下平台圆锥凹槽中心线到下平台中心的长度为R₂，上下平台六个球铰两个一组，共分三组，其中每组中，上平台两球铰夹角为α，下平台两球铰夹角为β，必须满足0°<|α-β|<120°，设测量杆长度为L，令：

l_av＝(R₁+R₂+L)/3，l₁＝R₁/l_av，l₂＝R₂/l_av，l₃＝L/l_av

其中，l_av为上平台螺纹孔中心线到上平台中心的长度、下平台圆锥凹槽中心线到下平台中心的长度和测量杆实际尺寸的平均值；l₁、l₂、l₃分别为上平台螺纹孔中心线到上平台中心的长度、下平台圆锥凹槽中心线到下平台中心的长度和测量杆实际长度的标准化无量纲尺寸。故有l₁+l₂+l₃＝3，为保证该机构能够正确安装，各无量纲尺寸的范围必须满足以下条件：

0<l₁<1.5，0<l₂<1.5，μ<l₃<3，其中： $\mathrm{\&mu;}=\sqrt{{l_1}^2+{l_2}^2-2l_1{l}_2\cos \left([\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})\right]/2};$

3)进行多点局部预紧力调整，首先对该机构中的其中一组进行预紧，通过调整预紧螺栓(8)，使预紧螺栓驱动预紧滑块(9)进行滑动，使测量杆受预紧力；在预紧过程中，测量杆安装的压电石英传感器(6)开始产生信号，并通过其引线把信号传送到电荷放大器，经数据采集卡采集数据，显示在计算机上。

4)用同样方法对其余各组分别进行预紧，各组预紧结果在计算机上分别显示出来，最后再分别微调各预紧螺栓(8)，使各测量杆数据在计算机上显示一致，说明各测量杆施加预紧力相等，实现了该机构的各点局部预紧。

2、如权利要求1所述的可调分载力机构的多点局部预紧方法，其特征是，所采用的装置包括六组结构完全相同的可调分载力机构，其中每一组由上、下平台(10、2)、预紧螺栓(8)、预紧滑块(9)、上连接杆(11)、下连接杆(3)、上圆螺母(12)、下圆螺母(4)、上连接法兰(7)、下连接法兰(5)、一组压电石英传感器(6)、定位环(15)、三个连接螺栓(16)、三个连接螺母(13)、三个连接垫片(14)组成；拧在上平台(10)上的预紧螺栓(8)的端面与安装于上平台通孔内的预紧滑块(9)平面端接触，预紧滑块另一端为带有圆锥形凹槽，滑块圆锥形凹槽与上连接杆(11)球形面接触；上连接杆(11)另一端与上连接法兰(7)螺纹连接，并通过上圆螺母(12)锁紧；下连接法兰(5)具有内螺纹孔的一端与下连接杆(3)的外螺纹端螺纹连接，并通过下圆螺母(4)锁紧；下连接杆(3)的球面端插入到下平台(2)的圆锥形凹槽中；压电石英传感器(6)固定安装在定位环(15)内孔中，上、下两个连接法兰(7、5)带凸台(a、b)的端面分别通过定位环(15)的内孔上、下对中，并通过三个连接螺栓(16)、三个连接螺母(13)、三个连接垫片(14)将对中的上下连接法兰(7、5)固定联接在一起。

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