CN103196629B - 一种六维力传感器标定装置 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种六维力传感器标定装置
技术领域
本发明涉及传感器及其测控领域，特别涉及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)。六维力传感器的在航空航天、机器人技术等领域都有广泛的应用，如飞轮传动系统的受力监控、月球车着陆试验、飞行器低冲击对接、精密仪器装配、机器人双手协调控制等。我国高精度六维力传感器主要依赖进口，因此，研制具有自主知识产权的六维力传感器具有重要的战略意义。标定装置在传感器的研制过程中占据着极其重要的作用，标定装置的精度直接制约着六维力传感器的测量精度，研制出高精度定位和加载的六维力传感器标定装置可为六维力传感器的精确标定提供重要的技术支撑，具有广泛的应用前景。
目前国内多维力传感器研究单位研制出的传感器标定装置主要有砝码加载滑轮式、砝码加载回转台式、龙门式、四千斤顶式的标定装置等。中国专利公开号CN102749168A公开了一种砝码式无耦合六维力传感器的组合式标定装置，利用砝码作为力源，利用杠杆原理和滑轮组实现增力作用，实现各个方向单维力的单独标定，在中小量程多维力传感器的标定中使用较为普遍，具有精度高，易操作等特点，但不能进行自动加载及动态载荷加载标定。中国专利公开号CN1715856A公开了一种滑轮式无极升降式六维力传感器标定装置，可实现对多维力传感器进行广义加载和标定，但不能实现各维力/力矩分量的单独加载，且传递绳索与水平面之间的角度很难保证足够的精度，从而影响标定精度。中国专利公开号CN101226095A公开了一种四千斤顶式六维力传感器标定装置，由于加载装置为液压缸或千斤顶，体积大、量程高、质量大、标定精度不高，仅适用于大型及大吨位的六维力传感器的标定，不能标定中小型或中小量程的六维力传感器，且试验操作非常复杂，标定试验效率低。中国专利公开号CN202216801U公开了一种双力源六维力传感器标定装置，可以对六维力传感器进行连续的动、静态标定，操作简便，但是双力源易产生不同步误差，从而影响标定精度。
综上所述，现有的六维力传感器标定装置普遍存在标定力和力矩精度不高、操作复杂且不能自动控制的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种高精确定位、精确加载、自动控制的六维力传感器标定装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：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，所述的机架由基座和门式刚性框架组成；
所述的加载机构包括伺服电机A、减速器、齿轮A、齿轮B、齿轮C、齿轮D、齿轮E、两个滚珠丝杠、两个滚珠丝杠螺母、活动横梁、标准单维力传感器和加载头，伺服电机A的输出轴与减速器的输入轴刚性连接，减速器的输出轴与齿轮A的中心刚性连接，齿轮A的一侧与齿轮B啮合、齿轮A的另一侧与齿轮C啮合，齿轮B同时与齿轮E啮合，齿轮C同时与齿轮D啮合，五个相互啮合的齿轮中心位于同一条直线上，齿轮E中心孔与滚珠丝杠下端刚性连接，滚珠丝杠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上，滚珠丝杠螺母固定连接到活动横梁上端，滚珠丝杠螺母与滚珠丝杠螺纹配合，滚珠丝杠通过滚珠丝杠螺母带动活动横梁上下往复移动，活动横梁下端依次顺序刚性连接标准单维力传感器和加载头；
所述的定位机构包括小U型架、大U型架、360度蜗轮蜗杆传动机构A、360度蜗轮蜗杆传动机构B、圆光栅A、圆光栅B、伺服电机D、伺服电机E、固定板、转接板、加载板、固定法兰A、固定法兰B和精密十字滑台机构，大U型架固定连接在工作台上，小U型架通过固定法兰A、固定法兰B固定连接到大U型架内侧，小U型架与大U型架形成一个回转副，固定法兰A刚性连接360度蜗轮蜗杆传动机构B的输出轴，圆光栅B固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构B输出轴上，伺服电机D刚性连接到360度蜗轮蜗杆传动机构B输入轴上，360度蜗轮蜗杆传动机构A固定连接在小U型架内部，圆光栅A固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构A输出轴上，伺服电机E刚性连接到360度蜗轮蜗杆传动机构A输入轴上，固定板固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构A输出轴上，转接板固定连接到固定板上；
所述的精密十字滑台机构包括伺服电机B、伺服电机C、光栅尺A、光栅尺B、丝杠A、丝杠B、轴承底座A、轴承底座B、两个导轨A、两个导轨B、四个滑块A、四个滑块B、底座A、底座B和工作台，底座B固定连接到基座上，两个导轨B固定连接到底座B，两个导轨B与底座A通过四个滑块B构成滑动连接，两个导轨A固定连接到底座A，所述两个导轨A与工作台通过四个滑块A构成滑动连接，伺服电机B固定连接在底座A上，丝杠A一端与伺服电机B刚性连接，所述丝杠A另一端通过轴承连接到轴承底座A上，与丝杠A配套的丝杠螺母A固定连接到工作台，伺服电机C固定连接在底座B上，丝杠B一端与伺服电机C刚性连接，所述丝杠B另一端通过轴承连接到轴承座B上，与丝杠B配套的丝杠螺母B固定连接到底座A，光栅尺A固定连接在底座A侧面上，所述光栅尺A的读数头固定连接到工作台侧面，光栅尺B固定连接在基座上表面，所述光栅尺B的读数头固定连接到底座A端面；
所述的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；加载Z轴力时，标准单维力传感器将加载力大小反馈给多轴控制器和上位机，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，多轴控制器通过伺服控制器A控制伺服电机A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将位移信号传递给多轴控制器和上位机，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，多轴控制器通过伺服控制器C控制伺服电机C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将信号传递给多轴控制器和上位机，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，多轴控制器通过伺服控制器E控制伺服电机E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与光栅尺B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。
同现有的技术比较，本发明的显著效果是：
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。
本发明只需对被标定传感器一次装夹，通过操作人机界面操作面板即可自动控制施加力和被标定传感器的空间位姿，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。
附图说明
本发明共有附图9张，其中：
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明中定位机构的立体结构示意图。
图3为本发明中被标定六维力传感器、加载板、转接板、固定板的连接示意图。
图4为本发明中精密十字滑台的立体结构示意图。
图5为本发明中下滑台、上滑台和工作台的连接示意图。
图6为本发明中加载机构的结构示意图。
图7为本发明中对被标定六维力传感器(13)的轴向力和力矩加载示意图。
图8为本发明中对被标定六维力传感器(13)的径向力和力矩加载示意图。
图9为本发明中电气控制系统框图。
图中：1-基座，2-门式刚性框架，3-滚珠丝杠，4-活动横梁，5-标准单维力传感器，6-加载头，7-小U型架，8-大U型架，9-精密十字滑台机构，10-固定法兰A，11-固定板，12-转接板，13-被标定六维力传感器，14-加载板，15-固定法兰B，16-底座A，17-底座B，18-工作台，19-丝杠A，20-丝杠B，21-轴承底座A，22-轴承底座B，23-导轨A，24-导轨B，25-减速器，26-伺服电机A，27-滚珠丝杠螺母，28-丝杠螺母A，29-丝杠螺母B，30-伺服电机B，31-伺服电机C，32-伺服电机D，33-伺服电机E，34-360度蜗轮蜗杆传动机构A，35-360度蜗轮蜗杆传动机构B，36-圆光栅A，37-圆光栅B，38-光栅尺A，39-光栅尺B，40-滑块A，41-滑块B，42-齿轮A，43-齿轮B，44-齿轮C，45-齿轮D，46-齿轮E，47-人机界面，48-工控机，49-多轴控制器，50-伺服控制器A，51-伺服控制器B，52-伺服控制器C，53-伺服控制器D，54-伺服控制器E。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-9所示，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，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A26、减速器25、齿轮A42、齿轮B43、齿轮C44、齿轮D45、齿轮E46、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A26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A42的中心刚性连接，齿轮A42的一侧与齿轮B43啮合、齿轮A42的另一侧与齿轮C44啮合，齿轮B43同时与齿轮E46啮合，齿轮C44同时与齿轮D45啮合，五个相互啮合的齿轮中心位于同一条直线上，齿轮E46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A34、360度蜗轮蜗杆传动机构B35、圆光栅A36、圆光栅B37、伺服电机D32、伺服电机E33、固定板11、转接板12、加载板14、固定法兰A10、固定法兰B15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A10、固定法兰B15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A10刚性连接360度蜗轮蜗杆传动机构B35的输出轴，圆光栅B37固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构B35输出轴上，伺服电机D32刚性连接到360度蜗轮蜗杆传动机构B35输入轴上，360度蜗轮蜗杆传动机构A34固定连接在小U型架7内部，圆光栅A36固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构A34输出轴上，伺服电机E33刚性连接到360度蜗轮蜗杆传动机构A34输入轴上，固定板11固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构A34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B30、伺服电机C31、光栅尺A38、光栅尺B39、丝杠A19、丝杠B20、轴承底座A21、轴承底座B22、两个导轨A23、两个导轨B24、四个滑块A40、四个滑块B41、底座A16、底座B17和工作台18，底座B17固定连接到基座1上，两个导轨B24固定连接到底座B17，两个导轨B24与底座A16通过四个滑块B41构成滑动连接，两个导轨A23固定连接到底座A16，所述两个导轨A23与工作台18通过四个滑块A40构成滑动连接，伺服电机B30固定连接在底座A16上，丝杠A19一端与伺服电机B30刚性连接，所述丝杠A19另一端通过轴承连接到轴承底座A21上，与丝杠A19配套的丝杠螺母A28固定连接到工作台18，伺服电机C31固定连接在底座B17上，丝杠B20一端与伺服电机C31刚性连接，所述丝杠B20另一端通过轴承连接到轴承座B上，与丝杠B20配套的丝杠螺母B29固定连接到底座A16，光栅尺A38固定连接在底座A16侧面上，所述光栅尺A38的读数头固定连接到工作台18侧面，光栅尺B39固定连接在基座1上表面，所述光栅尺B39的读数头固定连接到底座A16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A50、伺服控制器B51、伺服控制器C52、伺服控制器D53和伺服控制器E54，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A50控制伺服电机A26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B39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C52控制伺服电机C31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A36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E54控制伺服电机E33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B37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A38与光栅尺B39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A36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B39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。
本发明的六维力标定装置的主要功能是实现对六维力传感器的三维力和三维力矩的精确加载，标定出六维力传感器的力映射矩阵，其具体实施方式为：
1、加载机构与定位机构的安装
加载机构安装：伺服电机A26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A42的中心刚性连接，齿轮A42的一侧与齿轮B43啮合，另一侧与齿轮C44啮合，齿轮B43同时与齿轮E46啮合，齿轮C44同时与齿轮D45啮合，五个相互啮合的齿轮中心位于同一条直线上，齿轮E46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下端依次刚性连接标准单维力传感器5、加载头6；
定位机构安装：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A10、固定法兰B15固定连接到大U型架7内侧，小U型架7与大U型架8形成一个回转副，固定法兰A10刚性连接360度蜗轮蜗杆传动机构B35的输出轴，圆光栅B37固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构B35的输出轴上，伺服电机D32刚性连接到360度蜗轮蜗杆传动机构B35输入轴上，360度蜗轮蜗杆传动机构A34固定连接在小U型架7内部，圆光栅A36固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构A34的输出轴上，伺服电机E33刚性连接到360度蜗轮蜗杆传动机构A34输入轴上，固定板11固定连接在360度蜗轮蜗杆传动机构A34的输出轴上，转接板12固定连接到固定板11上，被标定六维力传感器13两端分别与转接板12和加载板14固定连接；精密十字滑台机构9，底座B17固定连接到基座1上，两导轨B24固定连接到底座B17，两导轨B24与底座A16通过四个滑块B41构成滑动连接，两导轨A23固定连接到底座A16，所述两导轨A23与工作台18通过四个滑块A40构成滑动连接，伺服电机B30固定连接在底座A16上，丝杠A19一端与伺服电机B30刚性连接，所述丝杠A19另一端通过轴承连接到轴承底座A21上，与丝杠A19配套的丝杠螺母A28固定连接到工作台18，伺服电机C31固定连接在底座B17上，丝杠B20一端与伺服电机C31刚性连接，所述丝杠B20另一端通过轴承连接到轴承底座B22上，与丝杠B20配套的丝杠螺母B29固定连接到底座A16，光栅尺A38固定连接在底座A16侧面上，所述光栅尺A38读数头固定连接到工作台18侧面，光栅尺B39固定连接在基座1上表面，所述光栅尺B39读数头固定连接到底座A16端面；
2、标定
先对被标定六维力传感器13的Z向进行单独标定，如图7所示。伺服控制器A50控制伺服电机A26转动，以滚珠丝杠3为导向，带动活动横梁进行加载力F1，加载力值从零到满量程，再从满量程返回到零，往复加载3次，取平均值。
再对被标定六维力传感器13的X向力矩进行标定，如图7所示。伺服控制器C52控制伺服电机C31转动，通过精密十字滑台机构9，带动被标定六维力传感器13沿Y轴向平移一确定距离后固定，平移距离的精度由光栅尺B39确定，伺服控制器A50控制伺服电机A26转动，以滚珠丝杠3为导向，带动活动横梁进行加载力F2，加载力值从零到满量程，再从满量程返回到零，往复加载3次，取平均值，将单边加载所产生的附加Z轴力去掉，得到作用在被标定六维力传感器13上的载荷为Mx。
然后对被标定六维力传感器13的Y向力矩进行标定，如图7所示。伺服控制器E54控制伺服电机E33转动，通过360度蜗轮蜗杆传动机构A34，带动被标定六维力传感器13顺(或逆)时针转动90度后固定(蜗轮蜗杆机构具有自锁性能)，旋转角度的精度由圆光栅A36确定，伺服控制器A50控制伺服电机A26转动，以滚珠丝杠3为导向，带动活动横梁进行加载力F2，加载力值从零到满量程，再从满量程返回到零，往复加载3次，取平均值，将单边加载所产生的附加Z轴力去掉，得到作用在被标定六维力传感器13上的载荷为My。
对被标定六维力传感器13的Y向力进行单独标定，如图8所示。伺服控制器D53控制伺服电机D32转动，通过360度蜗轮蜗杆传动机构B35，带动被标定六维力传感器13顺(或逆)时针转动90度后固定(蜗轮蜗杆机构具有自锁性能)，翻转角度的精度由圆光栅B37确定，伺服控制器B51、伺服控制器C52分别控制伺服电机B30、伺服电机C31转动，通过精密十字滑台机构9，带动被标定六维力传感器13分别沿Z轴向、X轴向平移一定距离使加载头的中心对准加载板11侧面的中心后固定，平移距离的精度分别由光栅尺A38、光栅尺B39确定，伺服控制器A50控制伺服电机A26转动，以滚珠丝杠3为导向，带动活动横梁进行加载力F3，加载力值从零到满量程，再从满量程返回到零，往复加载3次，取平均值。
对被标定六维力传感器13的X向力进行单独标定，如图8所示。伺服控制器E54控制伺服电机E33转动，通过360度蜗轮蜗杆传动机构A34，带动被标定六维力传感器13顺(或逆)时针转动90度后固定(蜗轮蜗杆机构具有自锁性能)，旋转角度的精度由圆光栅A36确定，伺服控制器A50控制伺服电机A26转动，以滚珠丝杠3为导向，带动活动横梁进行加载力F3，加载力值从零到满量程，再从满量程返回到零，往复加载3次，取平均值。
对被标定六维力传感器13的Z向力矩进行标定，如图8所示。伺服控制器C52控制伺服电机C31转动，通过精密十字滑台机构9，带动被标定六维力传感器13沿Y轴向平移一确定距离后固定，平移距离的精度由光栅尺B39确定，伺服控制器A50控制伺服电机A26转动，以滚珠丝杠3为导向，带动活动横梁进行加载力F4，加载力值从零到满量程，再从满量程返回到零，往复加载3次，取平均值，将单边加载所产生的附加Y轴力去掉，得到作用在被标定六维力传感器13上的载荷为Mz。
结合所加载的各方向力、力矩值F和被标定六维力传感器13各敏感元件的输出电信号U，并考虑漂移误差B，再根据输入与输出之间的关系式U＝AF+B，得到力映射矩阵A。

Claims (1)

1.一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)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。
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