CN107462367A - 一种六自由度力与力矩传感器的标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，包括升降机构、stewart结构的六自由度运动工装和stewart结构的六自由度力与力矩测量工装，所述六自由度运动工装倒置安装在所述升降机构的底部，并可随所述升降机构上、下移动，所述六自由度力与力矩测量工装位于所述六自由度运动工装的下方，待测的六自由度力与力矩传感器固定在所述六自由度运动工装和六自由度力与力矩测量工装之间。本发明可以使得待测的六自由度力与力矩传感器的安装、固定和更换变得方便快速；同时可以提高检测精度且稳定性好。

Description

一种六自由度力与力矩传感器的标定装置

技术领域

本发明涉及一种传感器的标定装置，具体涉及一种六自由度力与力矩传感器的标定装置。

背景技术

六分量力与力矩传感器是用于测量计算六个自由度的力和力矩的整体式传感器，又简称为“六维力传感器”，六分量力与力矩传感器在检测时存在着加载力源复杂和检测标准复杂的难题。现有技术方案中的六维力传感器标定装置的结构主体为一个stewart结构的六自由度运动平台，采用电动推杆驱动，可连续加载空间任意力与力矩，在上平台和下平台上分别安装有三爪卡盘，中间固定被测传感器，在运动平台的六条电动推杆上分别安装有标准力传感器，用于计算所加载的力与力矩；通过比较加载力与力矩和传感器输出的力与力矩得出被测传感器性能。现有的这种六维力传感器标定装置存在如下缺点：1)、因为被测传感器放置在stewart平台的上平台和下平台之间，因此，更换被测件会十分不方便；2)、因为被测传感器使用上下两个三爪卡盘固定，因此其被测件的尺寸，形状受限制，无法完成不同样式的传感器的测量；3)、此检测方式要求上下两个三爪卡盘和被测传感器三者轴线重合，此点难以保证，会影响测量精度；4)、6个单向标准力传感器安装在电动推杆上，计算得到的是施加给被测件的力与力矩，其受万向铰间隙的影响，亦会影响精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，其可以直接、快速、方便且高精度的标定待测六分量力与力矩传感器。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，包括升降机构、stewart结构的六自由度运动工装和stewart 结构的六自由度力与力矩测量工装，所述六自由度运动工装倒置安装在所述升降机构的底部，并可随所述升降机构上、下移动，所述六自由度力与力矩测量工装位于所述六自由度运动工装的下方，待测的六自由度力与力矩传感器固定在所述六自由度运动工装和六自由度力与力矩测量工装之间。

本发明的有益效果是：本发明一种六自由度力与力矩传感器的标定装置使用六自由度运动工装为待测的六自由度力与力矩传感器加载力源，使用六自由度力与力矩测量工装测量待测的六自由度力与力矩传感器，让待测的六自由度力与力矩传感器的加载和测量完全分开，从而可以使得待测的六自由度力与力矩传感器的安装、固定和更换变得方便快速；同时使用stewart结构的六自由度力与力矩测量工装作为测量标准，可以提高检测精度且稳定性好。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述六自由度运动工装包括运动工装上平台、运动工装下平台和电动缸，所述电动缸设有六个，六个所述电动缸以stewart结构安装在所述运动工装上平台和运动工装下平台之间，且所述电动缸的底端通过第一铰链固定安装在所述运动工装下平台上，所述电动缸的顶端通过第二铰链固定安装在所述运动工装上平台上。

进一步，所述六自由度力与力矩测量工装包括测量工装上平台、测量工装下平台、连杆和标准六自由度力与力矩传感器，所述连杆和标准六自由度力与力矩传感器分别设有六个，六个所述标准六自由度力与力矩传感器分别对应套装在六个所述连杆的中部，六个所述连杆以stewart结构安装在所述测量工装上平台和测量工装下平台之间，且所述连杆的一端通过第三铰链固定安装在所述测量工装下平台上，所述连杆的另一端通过第四铰链固定安装在所述测量工装上平台上。

进一步，还包括支撑工装，所述升降机构、六自由度运动工装和六自由度力与力矩测量工装从上至下依次安装在所述支撑工装上。

进一步，所述支撑工装包括顶座、底座和立柱，所述顶座位于所述底座上方并与所述底座平行，所述立柱的两端分别固定安装在所述顶座和所述底座上，且所述立柱分别垂直于所述顶座和所述底座，所述立柱设有多根，多根所述立柱均匀的沿所述顶座和底座的边沿分布。

进一步，所述测量工装下平台通过调节块固定安装在所述底座上，所述运动工装下平台穿过多根所述立柱并位于所述顶座的下方，所述运动工装上平台靠近所述测量工装上平台。

进一步，所述升降机构包括导柱、顶板、驱动电机和丝杆，所述导柱设有多根，多根所述导柱的一端穿过所述顶座并与所述运动工装下平台通过轴承压盖固定连接，所述顶板固定安装在多个所述导柱的另一端上，所述驱动电机固定安装在所述顶座上，所述丝杆的一端穿过所述顶座并固定连接在所述运动工装下平台上，所述丝杆的另一端穿过所述驱动电机的输出端并固定连接在所述顶板上，所述驱动电机的输出端与所述丝杆转动连接，并可驱动所述丝杆上下移动。

进一步，还包括固定工装，待测的六自由度力与力矩传感器通过所述固定工装固定在所述六自由度运动工装和六自由度力与力矩测量工装之间，所述固定工装包括上固定盘和下固定盘，所述上固定盘固定安装在所述运动工装上平台上，所述下固定盘固定安装在所述测量工作上平台上，所述上固定盘上和所述下固定盘上均分别设有多个固定孔位，待测的六自由度力与力矩传感器的两端分别通过螺纹连接在对应的固定孔位中的螺丝分别固定在所述上固定盘上和所述下固定盘上。

采用上述进一步方案的有益效果是：固定工装通过螺丝固定，被测传感器与六自由度运动工装、六自由度力与力矩测量工装为刚性连接，相比于使用三爪卡盘和将标准单向力矩传感器安装在电动推杆上的结构，减少了干扰因素，提高了测量精度；同时使用升降机构和多孔位的固定工装可快速切换待测的六自由度力与力矩传感器，且可测量不同结构的待测的六自由度力与力矩传感器。

进一步，所述六自由度运动工装还配设有用于驱动所述六自由度运动工装自动寻找中心点的控制器。

采用上述进一步方案的有益效果是：六自由度运动工装在加载前可以使用控制器驱动六自由度运动工装自动寻找中心点，充分利用了六自由度运动工装的灵活性，同时提高了检测精度，避免了现有技术中难以保证上下两个三爪卡盘和被测传感器三者轴线重合而影响测量精度的问题出现。

附图说明

图1为本发明一种六自由度力与力矩传感器的标定装置的整体结构示意图；

图2为本发明一种六自由度力与力矩传感器的标定装置中六自由度运动工装的结构示意图；

图3为本发明一种六自由度力与力矩传感器的标定装置中六自由度力与力矩测量工装的结构示意图；

图4为本发明一种六自由度力与力矩传感器的标定装置中固定工装的上固定盘的结构示意图；

图5为本发明一种六自由度力与力矩传感器的标定装置中固定工装的下固定盘的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、升降机构，11、导柱，12、顶板，1,3、驱动电机，14、丝杆，15、轴承压盖，2、六自由度运动工装，21、运动工装上平台，22、运动工装下平台，23、电动缸，24、第一铰链，25、第二铰链，3、六自由度力与力矩测量工装，31、测试工装上平台，32、测试工装下平台，33、连杆，34、标准六自由度力与力矩传感器，35、第三铰链，36、第四铰链，41、上固定盘， 42、下固定盘，43、固定孔位，5、待测的六自由度力与力矩传感器，6、支撑工装，61、顶座，62、底座，63、立柱，7、调节块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图5所示，一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，包括升降机构1、stewart结构的六自由度运动工装2和stewart结构的六自由度力与力矩测量工装3，所述六自由度运动工装2倒置安装在所述升降机构1的底部，并可随所述升降机构1上、下移动，所述六自由度力与力矩测量工装 3位于所述六自由度运动工装2的下方，待测的六自由度力与力矩传感器5 固定在所述六自由度运动工装2和六自由度力与力矩测量工装3之间。

图2为本发明一种六自由度力与力矩传感器的标定装置中六自由度运动工装2的结构示意图，如图2所示，所述六自由度运动工装2包括运动工装上平台21、运动工装下平台22和电动缸23，所述电动缸23设有六个，六个所述电动缸23以stewart结构安装在所述运动工装上平台21和运动工装下平台22之间，且所述电动缸23的底端通过第一铰链24固定安装在所述运动工装下平台22上，所述电动缸23的顶端通过第二铰链25固定安装在所述运动工装上平台21上。

图3为本发明一种六自由度力与力矩传感器的标定装置中六自由度力与力矩测量工装3的结构示意图，如图3所示，所述六自由度力与力矩测量工装3包括测量工装上平台31、测量工装下平台32、连杆33和标准六自由度力与力矩传感器34，所述连杆33和标准六自由度力与力矩传感器34分别设有六个，六个所述标准六自由度力与力矩传感器34分别对应套装在六个所述连杆33的中部，六个所述连杆33以stewart结构安装在所述测量工装上平台31和测量工装下平台32之间，且所述连杆33的一端通过第三铰链35 固定安装在所述测量工装下平台32上，所述连杆33的另一端通过第四铰链 36固定安装在所述测量工装上平台31上。

本发明还包括支撑工装6，所述升降机构1、六自由度运动工装2和六自由度力与力矩测量工装3从上至下依次安装在所述支撑工装6上。如图1 所示，所述支撑工装包括顶座61、底座62和立柱63，所述顶座61位于所述底座62上方并与所述底座62平行，所述立柱63的两端分别固定安装在所述顶座61和所述底座62上，且所述立柱63分别垂直于所述顶座61和所述底座62，所述立柱63设有多根，多根所述立柱63均匀的沿所述顶座61 和底座62的边沿分布(在本具体实施例中，立柱63具体设有三根)。所述测量工装下平台32通过调节块7固定安装在所述底座62上，所述运动工装下平台22穿过多根所述立柱63并位于所述顶座61的下方，所述运动工装上平台21靠近所述测量工装上平台31。

如图1所示，所述升降机构1包括导柱11、顶板12、驱动电机13和丝杆14，所述导柱11设有多根，多根所述导柱11的一端穿过所述顶座61并与所述运动工装下平台22通过轴承压盖15固定连接(在本具体实施例中，导柱11具体设有三根)，所述顶板12固定安装在多个所述导柱11的另一端上，所述驱动电机13固定安装在所述顶座61上，所述丝杆14的一端穿过所述顶座61并固定连接在所述运动工装下平台22上，所述丝杆14的另一端穿过所述驱动电机13的输出端并固定连接在所述顶板12上，所述驱动电机13的输出端与所述丝杆14转动连接，并可驱动所述丝杆14上下移动。

本发明还包括固定工装，待测的六自由度力与力矩传感器5通过所述固定工装固定在所述六自由度运动工装2和六自由度力与力矩测量工装3 之间，所述固定工装包括上固定盘41和下固定盘42，所述上固定盘41和下固定盘42的结构分别如图4和图5所示，所述上固定盘41固定安装在所述运动工装上平台21上，所述下固定盘42固定安装在所述测量工作上平台31 上，所述上固定盘41上和所述下固定盘42上均分别设有多个固定孔位43，待测的六自由度力与力矩传感器5的两端分别通过螺纹连接在对应的固定孔位43中的螺丝分别固定在所述上固定盘41上和所述下固定盘42上。

所述六自由度运动工装2还配设有用于驱动所述六自由度运动工装2自动寻找中心点的控制器。

本发明一种六自由度力与力矩传感器的标定装置的工作原理为：将待测的六自由度力与力矩传感器5的底部通过下固定盘42固定在矩测量工装上平台31上，通过升降机构1驱动所述六自由度运动工装2使运动工装上平台21运动到连接工位，再将待测的六自由度力与力矩传感器5的顶部通过上固定盘41与运动工装上平台21固定，使用控制器驱动所述六自由度运动工装2自动寻找中心点，使所述六自由度运动工装2在加载力与力矩之前，待测的六自由度力与力矩传感器5和所述六自由度力与力矩测量工装3的输出均为零；驱动所述六自由度运动工装2给待测的六自由度力与力矩传感器 5施加任意方向的力和力矩，所述六自由度力与力矩测量工装3即可计算得到待测的六自由度力与力矩传感器5承受的力与力矩，与待测的六自由度力与力矩传感器5的输出数据进行比较可检测出待测的六自由度力与力矩传感器5的性能。

六分量力与力矩传感器是用于测量计算六个自由度的力和力矩的整体式传感器，简称为“六维力传感器”。Stewart结构是一种经典的六自由度并联结构，Stewart结构的并联机构由于具有刚度大、承载能力强、位置误差不累计等特点，根据每个连杆上承受的力，可计算得到Stewart结构的上平台中心点所承受的力与力矩。采用Stewart结构设计的六自由度力与力矩测量工装具有测量精度高、量程大、结构简单、安装方便和稳定性好的特点。采用Stewart结构设计的六自由度运动工装可实现六个自由度的运动，使用电动缸驱动，作为六自由度力与力矩测量工装的加载力源可实现空间任意力的加载。

在本发明一种六自由度力与力矩传感器的标定装置中，使用stewart结构的六自由度运动工装作为加载力源，可实现任意方向力与力矩的连续加载；使用Stewart结构的六自由度力与力矩测量工装，可精确的测量待测的六自由度力与力矩传感器承受的力与力矩，测量范围大；相比于现有技术具有如下优点：1)将六自由度运动工装和六自由度力与力矩测量工装完全分开，使得待测的六自由度力与力矩传感器的安装、固定和更换变得方便快速； 2)使用升降装置和固定工装，可测量不同尺寸、形状的待测的六自由度力与力矩传感器；3)六自由度运动工装在加载六分量力与力矩前，使用控制器自动找待测的六自由度力与力矩传感器与六自由度运动工装、六自由度力与力矩测量工装的中心点，使待测的六自由度力与力矩传感器的初始受力为零，提高了测量精度，无需要求待测的六自由度力与力矩传感器与上、下固定盘装置完全同轴；4)固定工装通过螺丝固定，待测的六自由度力与力矩传感器与六自由度运动工装和六自由度力与力矩测量工装为刚性连接，相比于使用三爪卡盘和将标准单向力矩传感器安装在电动推杆上的形式减少了干扰因素，提高了测量精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，其特征在于：包括升降机构(1)、stewart结构的六自由度运动工装(2)和stewart结构的六自由度力与力矩测量工装(3)，所述六自由度运动工装(2)倒置安装在所述升降机构(1)的底部，并可随所述升降机构(1)上下移动，所述六自由度力与力矩测量工装(3)位于所述六自由度运动工装(2)的下方，待测的六自由度力与力矩传感器(5)固定在所述六自由度运动工装(2)和六自由度力与力矩测量工装(3)之间。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，其特征在于：所述六自由度运动工装(2)包括运动工装上平台(21)、运动工装下平台(22)和电动缸(23)，所述电动缸(23)设有六个，六个所述电动缸(23)以stewart结构安装在所述运动工装上平台(21)和运动工装下平台(22)之间，且所述电动缸(23)的底端通过第一铰链(24)固定安装在所述运动工装下平台(22)上，所述电动缸(23)的顶端通过第二铰链(25)固定安装在所述运动工装上平台(21)上。

3.根据权利要求2所述的一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，其特征在于：所述六自由度力与力矩测量工装(3)包括测量工装上平台(31)、测量工装下平台(32)、连杆(33)和标准六自由度力与力矩传感器(34)，所述连杆(33)和标准六自由度力与力矩传感器(34)分别设有六个，六个所述标准六自由度力与力矩传感器(34)分别对应套装在六个所述连杆(33)的中部，六个所述连杆(33)以stewart结构安装在所述测量工装上平台(31)和测量工装下平台(32)之间，且所述连杆(33)的一端通过第三铰链(35)固定安装在所述测量工装下平台(32)上，所述连杆(33)的另一端通过第四铰链(36)固定安装在所述测量工装上平台(31)上。

4.根据权利要求3所述的一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，其特征在于：还包括支撑工装(6)，所述升降机构(1)、六自由度运动工装(2)和六自由度力与力矩测量工装(3)从上至下依次安装在所述支撑工装(6)上。

5.根据权利要求4所述的一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，其特征在于：所述支撑工装(6)包括顶座(61)、底座(62)和立柱(63)，所述顶座(61)位于所述底座(62)上方并与所述底座(62)平行，所述立柱(63)的两端分别固定安装在所述顶座(61)和所述底座(62)上，且所述立柱(63)分别垂直于所述顶座(61)和所述底座(62)，所述立柱(63)设有多根，多根所述立柱(63)均匀的沿所述顶座(61)和底座(62)的边沿分布。

6.根据权利要求5所述的一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，其特征在于：所述测量工装下平台(32)通过调节块(7)固定安装在所述底座(62)上，所述运动工装下平台(22)穿过多根所述立柱(63)并位于所述顶座(61)的下方，所述运动工装上平台(21)靠近所述测量工装上平台(31)。

7.根据权利要求6所述的一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，其特征在于：所述升降机构(1)包括导柱(11)、顶板(12)、驱动电机(13)和丝杆(14)，所述导柱(11)设有多根，多根所述导柱(11)的一端穿过所述顶座(61)并与所述运动工装下平台(22)通过轴承压盖(15)固定连接，所述顶板(12)固定安装在多个所述导柱(11)的另一端上，所述驱动电机(13)固定安装在所述顶座(61)上，所述丝杆(14)的一端穿过所述顶座(61)并固定连接在所述运动工装下平台(22)上，所述丝杆(14)的另一端穿过所述驱动电机(13)的输出端并固定连接在所述顶板(12)上，所述驱动电机(13)的输出端与所述丝杆(14)转动连接，并可驱动所述丝杆(14)上下移动。

8.根据权利要求3至7任一项所述的一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，其特征在于：还包括固定工装，待测的六自由度力与力矩传感器(5)通过所述固定工装固定在所述六自由度运动工装(2)和六自由度力与力矩测量工装(3)之间，所述固定工装包括上固定盘(41)和下固定盘(42)，所述上固定盘(41)固定安装在所述运动工装上平台(21)上，所述下固定盘(42)固定安装在所述测量工作上平台(31)上，所述上固定盘(41)上和所述下固定盘(42)上均分别设有多个固定孔位(43)，待测的六自由度力与力矩传感器(5)的两端分别通过螺纹连接在对应的固定孔位(43)中的螺丝分别固定在所述上固定盘上(41)和所述下固定盘(42)上。

9.根据权利要求1至7任一项所述的一种六自由度力与力矩传感器的标定装置，其特征在于：所述六自由度运动工装(2)还配设有用于驱动所述六自由度运动工装(2)自动寻找中心点的控制器。