CN109632057A - 一种基于柔性机构的新型质量测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性机构的新型质量测量装置，主要用来对物体的质量进行高精度测量。质量测量装置包括质量测量平台和控制系统。质量测量平台用于承载被测物和产生位移输出，主要包括柔性直线导向模块、柔性位移放大模块、传感器模块、驱动模块和其它机械部件模块五部分。控制系统用于检测质量测量平台的位移输出信号，产生驱动信号控制质量测量平台运动，并根据驱动模块中电流的大小计算出被测物的准确质量。本发明采用柔性机构作为机械本体，通过结构参数设计，并根据电磁力平衡原理，进行物体质量的动态测量，其中位移检测和平台驱动均采用非接触方式，可实现高精度、高稳定性、高效率地物体质量测量。
Description
技术领域：本发明属于精密测控技术领域，涉及一种质量测量装置，具体来说，是一种基于柔性机构的新型高精度质量测量装置。
技术背景：质量特性作为物体的基本性能参数，在科学研究以及人类的日常活动以及中都受到普遍的重视。航天发射中，一枚火箭的质量测量是否准确决定着其发射的安全性；军用产品中，导弹的发射及其运行轨迹是否可靠，质量特性的准确测量起着至关重要的作用。
电磁力平衡传感器是进行高精度质量测量设备(如电子分析天平)的核心部件，利用柔性机构的微小变形实现位移、力和能量的传递和转化。该传感器测量范围广、测量精度高，其分辨率可达10-7甚至更高，是精密称量领域未来研究、发展的重点方向。目前电磁力平衡传感器多采用杠杆放大原理，虽然基于杠杆放大原理的电磁力平衡传感器结构相对简单、刚性好、功效比高，理论上可实现输入输出的线性关系，但是，其一级放大倍数有限，复合式杠杆放大机构体积较大、放大比失真严重。此外，其结构中驱动模块的线圈与磁钢容易产生接触，中间载荷与运动传递环节繁琐，加工精度难以保证，且使用柔性连杆进行运动转化，由此会导致寄生运动叠加。
柔性铰链具有无摩擦、承载力高、可一体化加工等优点，将基于柔性铰链设计的直线导向机构和桥式放大机构运用到质量测量的装置中，采用新的测量原理进行质量测量，将有利于解决目前电磁力平衡传感器存在的不足并简化传统质量测量装置的机械机构，配合控制系统，将能够进行高测量精度、高稳定性和快速响应的质量测量。
发明内容：本发明针对上述质量测量技术的不足，提出了一种质量测量装置，具体包括柔性直线导向模块、柔性位移放大模块、传感器模块、驱动模块、其它机械部件模块和控制系统。
本发明的优点在于：
1、基于柔性机构的新型质量测量装置的柔性直线导向模块——柔性并联双平行四杆机构(1)和柔性位移放大模块——二级桥式运放机构(2)分别是由一整块材料经线切割而成，实现一体化加工，没有装配误差，可实现更高的运动精度；
2、二级桥式运放机构(2)由两个基于柔性铰链的桥式运放机构((21)、(22))串联组成，对输入位移进行二级放大，具有较大的位移放大比，且输入输出保持线性关系，因此可降低对传感器的性能要求；
3、二级桥式运放机构(2)采用三角放大原理，对被测物重力方向位移进行二级放大，相比于其它电磁力平衡传感器所采用的杠杆放大原理，具有更大的输入输出放大比和更小的结构体积，并且驱动模块(4)——非接触式力驱动装置是沿直线运动，相对于采用杠杆放大原理的质量测量装置中驱动模块沿弧线运动，避免了驱动模块中相对运动的两部分之间出现摩擦；
4、基于柔性机构的新型质量测量装置通过质量测量平台机械结构、传感器模块(3)、驱动模块(4)及控制系统构成闭环测量系统，机构产生位移后控制系统能产生控制信号驱动被测物自动回到初始位置，根据驱动模块(4)的电流大小计算被测物质量，对于外界扰动、自身的漂移输出具有补偿能力。
附图说明：
图1为本发明基于柔性机构的新型质量测量装置结构示意图
图2为本发明柔性直线导向模块结构示意图
图2a为柔性并联双平行四杆机构结构示意图
图2b为柔性并联导向梁机构结构示意图
图2c为柔性平行四杆导向机构结构示意图
图3为本发明二级桥式运放机构结构示意图
图4为本发明第一级桥式运放机构正视图
图5为本发明第二级桥式运放机构正视图
图6为本发明柔性梁单元结构示意图
图7为本发明传感器支架1结构示意图
图8为本发明传感器支架2结构示意图
图中：
1-柔性并联双平行四杆机构 2-二级桥式运放机构 3-传感器模块
4-驱动模块 5-簧片支架 6-底座
7-传感器支架1 8-传感器支架2 11-柔性移动单元1
111-静刚体1a 112-簧片11a 113-簧片11b
114-动刚体1a 115-簧片11c 116-簧片11d
12-柔性移动单元2 121-静刚体1b 122-簧片12a
123-簧片12b 124-动刚体1b 125-簧片12c
126-簧片12d 13-重物放置平台 21-第一级桥式运放机构
211-柔性梁单元21a 2111-簧片211a 2112-动刚体21a
2113-簧片211b 212-柔性梁单元21b 2121-簧片212a
2122-动刚体21b 2123-簧片212b 213-柔性梁单元21c
2131-簧片213a 2132-动刚体21c 2133-簧片213b
214-柔性梁单元21d 2141-簧片214a 2142-动刚体21d
2143-簧片214b 215-顶部连接刚体 216-中间连接刚体21a
217-放大机构底座 218-中间连接刚体21b 219-放大机构立柱
22-第二级桥式运放机构 221-柔性梁单元22a 2211-簧片221a
2212-动刚体22a 2213-簧片221b 222-柔性梁单元22b
2221-簧片222a 2222-动刚体22b 2223-簧片222b
223-柔性梁单元22c 2231-簧片223a 2232-动刚体22c
2233-簧片223b 224-柔性梁单元22d 2241-簧片224a
2242-动刚体22d 2243-簧片224b 225-中间连接刚体22a
226-中间连接刚体22b 227-中间连接刚体22c 228-中间连接刚体22d
229-限位杆 α1-特征角1 α2-特征角2
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明。
(1)整体结构介绍
定义质量测量装置上重力的方向所在轴为Z轴，X轴与传感器模块所测量的位移方向重合，则与XZ平面垂直的轴为Y轴，即构成空间坐标系XYZ。
基于柔性机构的新型质量测量装置主要包括柔性直线导向模块、柔性位移放大模块、传感器模块、驱动模块和其它机械部件模块。柔性直线导向模块为柔性并联双平行四杆机构(1)，用于承载被测物的质量，并产生直线位移；柔性位移放大模块为二级桥式运放机构(2)，由两个桥式运放机构((21)、(22))串联组成，用来将柔性直线导向机构产生的位移进行放大；传感器模块(3)用于对柔性放大模块的输出位移进行测量；驱动模块(4)用于根据传感器模块测量的位移大小，产生驱动力推动被测物回到初始位置；其它机械部件模块对整个装置起到支撑作用：簧片支架(5)用来支撑柔性直线导向模块，底座(6)用来支撑柔性位移放大模块，传感器支架1(7)用来安装传感器模块(3)的静止部分，传感器支架2(8)用来安装传感器模块(3)的运动部分。
所述的柔性并联双平行四杆机构(1)由柔性移动单元1(11)、柔性移动单元2(12)和重物放置平台(13)组成。柔性移动单元1(11)和柔性移动单元2(12)结构相同且对称分布，通过重物放置平台(13)连接。其中，柔性移动单元1(11)由静刚体1a(111)、簧片11a(112)、簧片11(113)、簧片11c(115)、簧片11d(116)、动刚体1a(114)组成；柔性移动单元2(12)由静刚体1b(121)、簧片12a(122)、簧片12b(123)、簧片12c(125)、簧片12d(126)、动刚体1b(124)组成。柔性移动单元中刚体之间由弹性簧片相连，各簧片长度相等。柔性并联双平行四杆机构(1)只有沿Z方向的一个自由度，柔性并联双平行四杆机构通过静刚体1a(111)和静刚体1b(121)上的安装孔与支架连接。
所述的二级桥式运放机构(2)由第一级桥式运放机构(21)和第二级桥式运放机构(22)组成。第一级桥式运放机构(21)的正视平面位于ZOY平面，第二级桥式运放机构(22)的正视平面位于XOY平面，两个桥式运放机构串联连接，其中，中间连接刚体21a(216)与中间连接刚体22b(226)的安装孔配合，中间连接刚体21b(218)与中间连接刚体22d(228)的安装孔配合，利用螺钉将两个一级桥式运放机构串联构成一个二级桥式运放机构，对输入位移进行二级放大。
所述的二级桥式运放机构(2)的第一级桥式运放机构(21)由柔性梁单元21a(211)、柔性梁单元21b(212)、柔性梁单元21c(213)、柔性梁单元21d(214)、顶部连接刚体(215)、中间连接刚体21a(216)、放大机构底座(217)、中间连接刚体21b(218)、放大机构立柱(219)组成。四个柔性梁单元结构相同，以柔性梁单元21a(211)为例，其包含簧片211a(2111)、动刚体21a(2112)和簧片211b(2113)，两个簧片长度相等。除放大机构立柱(219)外，第一级桥式运放机构(21)为轴对称结构。顶部连接刚体(215)为位移输入端，输入位移方向与Z轴平行，中间连接刚体21a(216)和中间连接刚体21b(218)为位移输出端，输出位移方向与Y轴平行。放大机构立柱(219)上端平台有安装孔，用于安装驱动模块(4)的静止部分。特征角α1为各柔性梁单元与Z轴所夹的锐角，其大小与机构的放大比相关，α1越小，则机构放大比越大。
所述的二级桥式运放机构(2)的第二级桥式运放机构(22)由柔性梁单元22a(221)、柔性梁单元22b(222)、柔性梁单元22c(223)、柔性梁单元22d(224)、中间连接刚体22a(225)、中间连接刚体22b(226)、中间连接刚体22c(227)、中间连接刚体22d(228)、限位杆(229)组成。四个柔性梁单元结构相同，以柔性梁单元22a(221)为例，其包含簧片221a(2211)、动刚体212(2212)和簧片221b(2213)，两个簧片长度相等。除限位杆(229)外，第二级桥式运放机构(22)为轴对称结构。中间连接刚体22b(226)和中间连接刚体22d(228)为位移输入端，输入位移方向与Y轴平行，中间连接刚体22a(225)和中间连接刚体22c(227)为位移输出端，输出位移方向与X轴平行，其中，中间连接刚体22a(225)为传感器测试端，其上有安装孔，用于安装传感器支架2(8)。限位杆(229)用于限制二级桥式运放机构沿X方向的最大输出位移，以免对机构造成损坏。
所述的柔性并联双平行四杆机构(1)和二级桥式运放机构(2)中的柔性梁单元结构并不唯一，柔性梁单元的长度为l，柔性梁单元中动刚体的长度l1的取值范围是0＜l1＜l。
所述的柔性并联双平行四杆机构(1)和二级桥式运放机构(2)均采用一块材料经整体线切割而成，没有装配间隙。
所述的柔性并联双平行四杆机构(1)的重物放置平台(13)与二级桥式运放机构(2)的顶部连接刚体(215)的安装孔配合连接，连接后柔性并联双平行四杆机构(1)产生的位移便可向二级桥式运放机构(2)进行传递，同时，前者也能够限制后者在X方向和Y方向的摆动。
所述的传感器模块(3)在本发明中选用光栅位移传感器，包括标尺光栅和读数头两部分，两部分非接触，标尺光栅粘黏在传感器支架2(8)上，读数头安装在传感器支架1(7)上。
所述的驱动模块(4)在本发明中选用分体式音圈电机，包括磁钢和线圈两部分，两部分非接触，磁钢通过螺栓安装在放大机构立柱(219)的顶部平台，线圈通过螺栓安装在第一级桥式运放机构(21)的顶部连接刚体(215)的下表面。
所述的其它机械部件模块主要包括簧片支架(5)、底座(6)、传感器支架1(7)、传感器支架2(8)。
所述的簧片支架(5)对柔性并联双平行四杆机构(1)进行支撑，支架上端的安装孔与柔性并联双平行四杆机构(1)的安装孔配合，通过螺钉进行固连。支架底座上有安装孔，通过螺栓固定在工作平面上。
所述的底座(6)对二级桥式运放机构(2)和传感器支架1(7)进行支撑，底座(6)上的安装孔与二级桥式运放机构(2)的放大机构底座(218)和传感器支架1(7)底部的安装孔相配合。
所述的传感器支架1(7)用来安装传感器模块(3)的读数头，其下部底座有安装孔，通过螺栓固定在底座(6)上。
所述的传感器支架2(8)用来安装传感器模块(3)的标尺光栅，支架上的安装孔与中间连接刚体22a(225)上的安装孔配合，利用螺钉固连。
(2)基于柔性机构的新型质量测量装置的测量过程
质量测量装置通过底座(6)和簧片支架(5)固定在工作平台上。首先将传感器模块(3)和驱动模块(4)上电，在外围电路控制下驱动模块(4)将质量测量平台稳定在一个平衡位置。
测量时，将被测物放置在重物放置平台(13)上，由于重力作用，整个测量装置的平衡状态被打破，重物放置平台(13)将产生沿重力方向的直线位移，并通过顶部连接刚体(215)将位移传递给二级桥式运放机构(2)，二级桥式运放机构(2)对位移进行放大且输出，传感器模块(3)测量输出端——中间连接刚体22a(225)的位移大小，并将检测到的位移信号转换为电信号，电信号增量的大小和位移大小成正比。上述电信号经过外围控制电路处理转变为驱动模块(4)中的电流大小，驱动模块(4)的线圈因电磁力作用而产生运动，电磁力大小和驱动模块中的线圈电流大小成正比。由于驱动模块(4)的线圈与重物放置平台(13)固连，因此在电磁力驱动下重物放置平台(13)将逐渐向初始平衡位置方向运动，传感器模块(3)检测到的位移值也逐渐减小，当平台回到初始平衡位置时传感器模块(3)检测到的输出端位移为零，此时驱动模块(4)中的线圈电流将不再增加并保持某个恒值，驱动模块(4)的输出力也为恒值。
根据安培力公式和重力公式，可得到被测物质量计算公式：
m＝BIL/g
其中，m——被测物质量；
B——磁感应强度；
I——电流强度；
L——通电导体处在磁场中的长度；
g——重力加速度。
式中，B、L为驱动模块(4)的已知参数，且重力加速度g已知，则根据驱动模块中线圈电流大小便可计算得到被测物的质量。
Claims (10)
1.一种基于柔性机构的新型质量测量装置，其特征在于，包括质量测量平台和控制系统，其中质量测量平台用于承载被测物和产生位移输出，控制系统用于检测质量测量平台的位移输出信号，产生驱动信号驱动质量测量平台运动，并根据驱动模块中电流的大小计算出被测物的准确质量。
2.根据权利要求1所述的基于柔性机构的新型质量测量装置，其特征在于，所述的质量测量平台包括柔性直线导向模块、柔性位移放大模块、传感器模块、驱动模块和其它机械部件模块。其中，柔性直线导向模块为柔性并联双平行四杆机构(1)，柔性位移放大模块为二级桥式运放机构(2)，传感器模块(3)为非接触式位移传感器，驱动模块(4)为非接触式力驱动装置，其它机械部件模块主要包括簧片支架(5)、底座(6)、传感器支架1(7)、传感器支架2(8)。
3.根据权利要求2所述的基于柔性机构的新型质量测量装置，其特征在于，所述的柔性直线导向模块，其机械机构并不唯一，除了本发明中选用的柔性并联双平行四杆机构(1)外，还可采用其它导向机构，如柔性并联导向梁机构(1b)、柔性平行四杆导向机构(1c)等。
4.根据权利要求2所述的基于柔性机构的新型质量测量装置，其特征在于，所述的质量测量平台的柔性并联双平行四杆机构(1)，是一种基于柔性铰链制作的小行程、高精度的直线导向部件，具有结构简单、无磨损、结构对称、导向精度高等优点，用于承载被测物并产生位移，其载荷—位移关系呈线性，且输入刚度较小，所采用的并联方式可减少寄生运动叠加。
5.根据权利要求2所述的基于柔性机构的新型质量测量装置，其特征在于，所述质量测量平台的二级桥式运放机构(2)为两个基于柔性铰链的桥式运放机构((21)、(22))串联组成，对输入位移进行二级放大，具有较大的位移放大比，且输入输出保持线性关系，因此可降低对传感器的性能要求。
6.根据权利要求2所述的基于柔性机构的新型质量测量装置，其特征在于，所述质量测量平台的柔性并联双平行四杆机构(1)和基于柔性铰链的桥式运放机构((21)、(22))可分别实现一体化加工，没有装配过程，不会引入装配误差。
7.根据权利要求2所述的基于柔性机构的新型质量测量装置，其特征在于，所述质量测量平台的传感器模块(3)为非接触式位移检测装置，用于测量柔性位移放大模块的输出端的位移信息，为光栅位移传感器或PSD位移传感器等，所述的位移检测装置与控制电路相连。
8.根据权利要求2所述的基于柔性机构的新型质量测量装置，其特征在于，所述质量测量平台的驱动模块(4)为非接触式力驱动装置，用于根据传感器模块测量的位移大小，产生驱动力推动被测物回到初始位置，为分体式音圈电机或电磁驱动器等，所述的力驱动装置与控制电路相连。
9.根据权利要求2所述的基于柔性机构的新型质量测量装置，其特征在于，所述质量测量平台的其它机械部件模块用来对整个装置进行支撑。簧片支架(5)用来支撑柔性直线导向模块(1)，底座(6)用来支撑柔性位移放大模块和传感器支架1(7)，传感器支架1(7)用来安装传感器模块的静止部分，传感器支架2(8)用来安装传感器模块的运动部分。
10.根据权利要求1所述的基于柔性机构的新型质量测量装置，其特征在于，所述的控制系统检测质量测量平台的位移输出信号，通过该信号控制驱动模块(4)中的电流大小，并根据电流大小计算被测物的质量。
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