CN109407019A - 一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，属于磁力和磁力矩检测领域。主要由电压转换器、功率放大器、驱动器、数据采集卡、步进电机、导轨、丝杠、四维力传感器、磁性探头及各种连接件组成。使用性价比高、精度高、可靠性好的四维力传感器通过方案A/B/C的安装方式实现对待检区域磁力和磁力矩六维强度全场分布的识别和检测。磁性探头置于被测永磁或电磁六维磁力发生装置待检区域，通过计算机程序将磁性探头移动到磁力和磁力矩发生装置待检区内的目标位置，磁性探头将其所受的磁力和磁力矩传给四维力传感器，再通过数据采集卡传给电脑储存；最后进行数据处理，实现对待检区域不同位置的六维磁力和磁力矩检测。
Description
技术领域
本发明属于磁力和磁力矩检测领域，具体地，涉及一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置。
背景技术
在机械、生物、生命、医学、物理、化学、仿生、微纳控制等新兴交叉学科或领域中，由于磁力驱动具有可控性好、跨空间、无线驱动、驱动力大等特点，被广泛应用，但是目前还没有检测被控对象所受到的永磁或电磁磁力和磁力矩六维强度全场分布的自动检测装置。
近年来磁力检测有所发展，现有的磁力检测装置大多是针对加工后的单个磁铁样品或带有磁铁的注塑产品，通过定性比较磁铁产品产生磁力的大小，以此来判断该产品的质量；或是通过检测磁通量密度大小来判断充磁产品的质量。然而国内对磁力和磁力矩六维强度全场分布和驱动能力的研究正处于起步阶段，研究资料相对国外较少，现有的技术中，还没有能够对磁力和磁力矩六维强度全场分布的自动检测装置。探究磁力和磁力矩六维强度全场分布规律能促进无缆驱动、空间驱动、机器人学、生物医学、微纳控制等领域的进一步发展与应用。因此，设计出磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置对多维空间磁力和磁力矩驱动和检测的发展具有重大意义。
综上所述，磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测的发展迫切需要一种装置，可以使用计算机控制磁性探头到达永磁或电磁被测区域的各个位置，四维力传感器通过不同的安装方式完成对六维空间耦合的磁力和磁力矩进行自动检测。设计开发出一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置对磁力和磁力矩六维强度全场分布规律及驱动能力的研究具有重要意义与研究价值。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置。四维力传感器相对于六维力传感器成本低廉、结构简单、检测方便、精度高、可靠性好，通过改变四维力传感器的安装方式进行自动检测被检区域磁力和磁力矩六维强度全场分布大小，获取驱动能力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，主要由支承装置、三自由度模组系统、电气控制系统、检测系统和连接器件组成。支承装置包括底座、调平减震脚、支架、电气元件安装板。三自由度模组系统包括导轨支承座、步进电机、联轴器、导轨、滑块、丝杠、丝杠螺母、丝杠支承座、电机安装板、轴承、连接块。电气控制系统包括电压转换器、步进电机驱动器、功率放大器、旋转马达驱动器。检测系统包括连接架、旋转马达、固定座、四维力传感器、法兰座、延长杆、探杆、磁性探头。连接器件包括各类螺钉、导线、螺母、连接板等。
所述底座的底面有四个螺纹孔，所述的调平减震脚通过螺钉固定于螺纹孔，用于与工作台接触、承受载荷和吸收振动。所述的底座顶面有12个螺纹孔，用于固定支架和电气元件安装板；所述支架上平面有四个沉头孔用于固定三自由度模组，起支承三自由度模组的作用；所述电气元件安装板安装于底座上，用于安装电气控制元件。
所述的导轨通过螺钉固定于所述的导轨支承座上，所述的电机连接板固定于导轨支承座端面，所述的丝杠支承座和丝杠固定座固定于导轨支承座上，所述丝杠两端配合轴承固定于所述丝杠支承座和丝杠固定座上。
所述丝杠穿过丝杠螺母，带动丝杠螺母移动。所述步进电机通过螺钉固定于电机连接板上，电机输出轴通过联轴器与丝杠一端连接实现驱动。
所述的连接架焊接加工，左端有四个孔通过螺钉与Z轴丝杠螺母相连接，带动探杆和探头进行X、Y、Z三个方向移动到设定位置；所述连接架上表面钻有四个通孔用于固定旋转电机，所述旋转电机通过固定座带动四维力传感器以及探杆和探头绕Z轴旋转到设定姿态；前竖直板和右竖直板上开有四个通孔，用于固定四维力传感器。
所述的法兰座通过螺钉固定于四维力传感器端面，法兰座轴向和径向钻有光孔；所述延长杆一端有螺纹，穿过法兰座径向光孔通过螺母锁紧，实现与法兰座的连接；所述延长杆底端钻有光孔，所述磁性探头通过光孔配合，并通过径向顶丝锁紧；所述磁性探头通过胶粘于有机玻璃棒探杆底端，用于磁力和磁力矩感应。
所述的检测方案A/B/C基于四维力传感器检测原理设计。设传感器磁力和磁力矩示数分别用F和M表示，所测目标位置的实际磁力和磁力矩用f和m表示，四维力传感器的轴线到磁性探头的距离用L表示。通过方案A，能够直接通过传感器的示数测得目标检测位置的磁力和磁力矩，即：通过方案B，测得目标位置的实际磁力和磁力矩为： 通过方案C，测得目标位置的实际磁力和磁力矩为： 在检测区域某一位置得到的实际驱动磁力和磁力矩分别为：
所述连接器件包括导线、螺钉、螺母、连接板等。
本发明的优势在于：本装置结构简单、可靠性好、使用方便、成本低廉、检测精度高；三自由度模组采用精密步进电机、精密滚珠丝杠、精密导轨，可通过计算机程序控制各轴联动，定位精度高，可实现自动控制；检测装置基于传感器检测原理设计，结构简单、拆卸方便。自动检测时，通过计算机程序控制探杆和探头运动到磁力和磁力矩的被测区域，四维力传感器通过安装方案A/B/C可对磁力和磁力矩六维强度全场分布的大小进行实时检测，从而获取磁力和磁力矩的驱动能力。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图
图2为本发明的支承装置细节图
图3为本发明的电气控制系统安装细节图
图4为本发明的三自由度模组系统安装细节图
图5为本发明的检测装置安装方案A细节图
图6为本发明的检测装置安装方案B细节图
图7为本发明的检测装置安装方案C细节图
图8为本发明的自动检测实验流程图
具体实施方法
以下结合附图对本发明进行进一步说明：
如图1所示，本发明为一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，主要由支承装置(1)、电气控制系统(2)、三自由度模组系统(3)、检测装置(4)四大部分和相关连接导线组成。支承装置(1)依次为：调平减震脚(101)、支架(102)、底座(103)、电气元件安装板(104)和(105)；电气控制系统(2)依次为：电压转换器(201)、步进电机驱动器(202)、功率放大器(203)、旋转马达驱动器(204)；三自由度模组系统(3)依次为：Y轴导轨支撑座(301)、Y轴丝杠支承座(302)、Y轴电机安装板(303)、Y轴电机(304)、Y轴丝杠固定座(323)、Y轴导轨(324)、Y轴导轨滑块(325)、Y轴丝杠螺母(326)、Y轴丝杠(327)、Y轴联轴器(328)，X轴丝杠支承座(305)、X轴导轨支承座(306)、X轴导轨滑块(307)、X轴丝杠(308)、X轴连接块(309)、X轴丝杠螺母(310)、X轴电机(321)，Z轴连接块(311)、Z轴导轨支承座(312)、Z轴电机安装板(313)、Z轴电机(314)、Z轴联轴器(315)、Z轴丝杠(316)、Z轴丝杠支承座(317)、Z轴导轨(318)、Z轴滑块(319)、Z轴丝杠螺母(320)、Z轴丝杠固定座(322)；检测装置(4)依次为：旋转马达(401)、连接架(402)、固定座(403)、Z向四维力传感器(404)、Z向法兰座(405)、Z向探杆(406)；计算机、导线、螺钉等部件未在图中表示。
本发明中支承装置细节如图2所示。底座(103)的底面和顶面钻有螺纹孔，用于连接调平减震脚(101)、支架(102)和电气元件安装板(104)和(105)；支架(102)采用焊接工艺加工，通过M8的螺钉安装于底座(103)上表面；4个调平减震脚(101)分别通过M5的螺钉安装在底座(103)的下表面，用于承载、调平和减振；电气元件安装板(104)和(105)通过M4的螺钉安装于底座(101)上表面，用于安装各电气控制元件。
本发明的电气控制系统安装细节如图3所示。电压转换器(201)通过螺钉安装于电气元件安装板(105)上，用于将220V电压转换为电机需要的12V电压；功率放大器(203)通过螺钉安装于电气控制板(105)上，用于对四维力传感器采集到的力和力矩信号进行转换、传输；旋转电机驱动器(204)通过螺钉连接于电气安装板(104)上，用于驱动旋转电机；步进电机驱动器(202)通过螺钉安装于电气元件安装板(104)上，用于驱动X、Y、Z轴的步进电机。
本发明的三维模组系统安装细节如图4所示。三个方向的移动分别为X轴、Y轴、Z轴，每个轴上的零部件相同。Y轴电机安装板(303)安装于Y轴导轨支承座(301)的左端面，用于安装Y轴电机(304)；Y轴丝杠固定座(323)通过螺钉固定于Y轴导轨支承座(301)的右端面，Y轴丝杠支承座(302)通过螺钉固定于Y轴导轨支承座(301)的上表面；Y轴导轨(324)通过螺钉固定于导轨支承座(301)上表面，Y轴导轨滑块(325)与Y轴导轨(324)配合；Y轴丝杠(327)穿过Y轴丝杠螺母(326)通过支承座(302)和固定座(323)固定；丝杠(327)自由端和步进电机(304)通过联轴器(328)连接，实现驱动；X轴导轨支承座(306)通过连接块与Y轴丝杠螺母(326)连接，Z轴导轨支承座(312)通过Z轴连接块(311)与X轴丝杠螺母(310)连接，X轴和Z轴上的部件连接方式同Y轴，通过两两垂直的安装方式实现三个方向的运动。
本发明的检测装置安装方案A细节如图5所示。旋转电机(401)固定于连接架(402)上表面，该连接架(402)通过高质量焊接工艺加工；旋转电机(401)与Z向四维力传感器(404)通过一个固定座(403)相连接，用于带动Z向四维力传感器(404)旋转；Z向四维力传感器(404)下端与法兰座(405)通过螺钉连接；法兰座(405)在端面钻有配合孔，径向钻有螺纹顶丝孔和配合孔；有机玻璃棒探杆(406)与法兰座(405)端面光孔配合，通过径向顶丝锁紧；磁性探头(407)用胶粘于有机玻璃棒探杆(406)底端。设传感器磁力和磁力矩示数分别用F和M表示，所测目标位置的实际磁力和磁力矩用f和m表示，四维力传感器的轴线到磁性探头的距离用L表示，则通过方案A测得的实际磁力和磁力矩大小为：
本发明的检测装置安装方案B细节如图6所示。Y向四维力传感器(411)右端面通过螺钉固定于连接架，Y向法兰座(413)通过螺钉与Y向四维力传感器(411)左端面连接，Y向延长杆(414)穿过Y向法兰座(413)的配合孔并用螺母(412)锁紧；Y向有机玻璃棒探杆(415)与Y向延长杆(414)的底部光孔配合，径向通过螺钉锁紧；磁性探头(416)用胶粘于Y向有机玻璃棒探杆(415)底端。设传感器磁力和磁力矩示数分别用F和M表示，所测目标位置的实际磁力和磁力矩用f和m表示，四维力传感器的轴线到磁性探头的距离用L表示，则通过方案B测得的实际磁力和磁力矩大小为：
本发明的检测装置安装方案C细节如图7所示。X向四维力传感器(423)通过螺钉与连接架相连，X向法兰座(422)通过螺钉固定于X向四维力传感器(423)右端面；X向延长杆(424)与X向法兰座(422)径向光孔配合并用螺母(421)锁紧；X向有机玻璃棒探杆(425)与X向延长杆(424)底端的光孔配合，径向顶丝锁紧；磁性探头(426)用胶粘于有机玻璃棒探杆(425)底端。设传感器磁力和磁力矩示数分别用F和M表示，所测目标位置的实际磁力和磁力矩用f和m表示，四维力传感器的轴线到磁性探头的距离用L表示，则通过方案C测得的实际磁力和磁力矩大小为：
以下结合附图8对本发明磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测流程进一步说明：开始实验，首先将探头移至磁场中，设置探头零点；然后设定检测位置，规划运动轨迹，打开步进电机驱动器，通过X/Y/Z轴运动将磁性探头移动到目标检测位置；再开启方案A的四维力传感器进行磁力和磁力矩检测，传感器将所测的磁力和磁力矩大小通过数据采集卡传输给计算机自动储存；再开启方案B的四维力传感器进行磁力和磁力矩检测，传感器将所测的磁力和磁力矩大小通过数据采集卡传输给计算机自动储存；再开启方案C的四维力传感器进行磁力和磁力矩检测，传感器将所测的磁力和磁力矩大小通过数据采集卡传输给计算机自动储存；检查是否获取足够的实验数据，如果没有，则修改命令重新设定检测位置、规划运动轨迹继续实验，如果获取到足够的数据，最后经过数据处理和换算关系： 得到在检测区域某一位置的实际驱动磁力和磁力矩分别为： 最后结束实验。
Claims (5)
1.一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，主要由支承装置(1)、电气控制系统(2)、三自由度模组系统(3)、检测装置(4)四大部分和相关连接导线组成。其中支承装置(1)由调平减震脚(101)、支架(102)、底座(103)、电气元件安装板(104)和(105)；电气控制系统(2)由电压转换器(201)、步进电机驱动器(202)、功率放大器(203)、旋转马达驱动器(204)；三自由度模组系统(3)由Y轴导轨支承座(301)、Y轴丝杠支承座(302)、Y轴电机安装板(303)、Y轴电机(304)、Y轴丝杠固定座(323)、Y轴导轨(324)、Y轴导轨滑块(325)、Y轴丝杠螺母(326)、Y轴丝杠(327)、Y轴联轴器(328)，X轴丝杠固定座(305)、X轴导轨支承座(306)、X轴滑块(307)、X轴丝杠(308)、X轴连接块(309)、X轴螺母(310)、X轴电机(321)、X轴丝杠支承座(330)、X轴电机安装板(331)、X轴联轴器(332)，Z轴连接块(311)、Z轴导轨支承座(312)、Z轴电机安装板(313)、Z轴电机(314)、Z轴联轴器(315)、Z轴丝杠(316)、Z轴丝杠支承座(317)、Z轴导轨(318)、Z轴滑块(319)、Z轴丝杠螺母(320)、Z轴丝杠固定座(322)；检测装置(4)由旋转电机(401)、连接架(402)、固定座(403)、Z向四维力传感器(404)、Z向法兰座(405)、Z向探杆(406)、Z向探头(407)，Y向四维力传感器(411)、Y向锁紧螺母(412)、Y向法兰座(413)、Y向延长杆(414)、Y向探杆(415)、Y向探头(416)，X向锁紧螺母(421)、X向法兰座(422)、X向四维力传感器(423)、X向延长杆(424)、X向探杆(425)、X向探头(426)等组成。
2.根据权利要求1所述的磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，其特征在于：底座(103)底面连接四只调平减震脚(101)置于工作台上，支架(102)通过螺钉固定于底座(103)上，电气元件安装板(104)和(105)通过螺钉固定于底座(103)上，电压转换器(201)、步进电机驱动器(202)、功率放大器(203)和旋转马达驱动器(204)通过螺钉固定于电气元件安装板(104)和(105)上。
3.根据权利要求1所述的磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，其特征在于：Y轴导轨支承座(301)通过螺钉固定于支架(102)上，Y轴丝杠支承座(302)通过螺钉固定于Y轴导轨支承座(301)上，Y轴电机安装板(303)通过螺钉安装于Y轴导轨支承座(301)左端，Y轴步进电机(304)通过螺钉安装于Y轴电机安装板(303)上，Y轴丝杠固定座(323)通过螺钉固定于Y轴导轨支承座(301)的右端，Y轴导轨(324)通过螺钉固定于Y轴导轨支承座(301)上，导轨滑块(325)与Y轴导轨(324)配合，Y轴丝杠(327)穿过Y轴丝杠螺母(326)通过Y轴联轴器(328)与Y轴电机(304)相连接，X轴和Z轴安装特征与Y轴相同，X/Y/Z轴两两垂直安装实现探杆和探头三个方向的直线运动。
4.根据权利要求1所述的磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，其特征在于：连接架(402)通过螺钉安装于Z轴丝杠螺母(320)上，旋转马达(401)安装于连接架(402)上，固定座(403)连接旋转马达(401)和Z向四维力传感器(404)，Z向法兰座(405)通过螺钉与Z向四维力传感器(404)连接，Z向探杆(406)与Z向法兰座(405)底面的光孔配合通过螺钉锁紧，Z向探杆(406)下端粘有Z向探头(407)；Y向四维力传感器(411)安装于连接架(402)上，Y向法兰座(413)通过螺钉连接于Y向四维力传感器(411)端面，Y向延长杆(414)穿过Y向法兰座(413)的配合孔通过螺母(412)锁紧，Y向探杆(415)与Y向延长杆(414)底端光孔配合通过径向螺钉锁紧，Y向探头(416)用胶粘于Y向探杆(415)底端；X向四维力传感器(423)安装于连接架(402)上，X向法兰座(422)通过螺钉安装于X向四维力传感器(423)端面，X向延长杆(424)穿过X向法兰座(422)的配合孔通过螺母(421)锁紧，X向探杆(425)与X向延长杆(424)底端的光孔配合通过径向螺钉锁紧，X向探头(426)用胶粘于X向探杆(425)底端。
5.根据权利要求1所述的磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，其特征在于：工作时，通过计算机程序规划磁性探头(407/416/426)的运动轨迹；计算机控制三自由度模组系统(3)运动，从而将磁性探头(407/416/426)移至被测区域初始位置并按所设轨迹运动到目标检测位置；通过四维力传感器(404/411/423)进行磁力和磁力矩检测；所测数据通过数据采集卡传输至计算机进行存储；最后再进行数据处理，通过三种方案求出待测区域目标位置的磁力和磁力矩大小，实现自动检测被测区域磁力和磁力矩六维强度全场分布的目的。
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