CN110567639A - 一种多轴力传感器校准方法及校准装置 - Google Patents

一种多轴力传感器校准方法及校准装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多轴力传感器校准方法及校准装置，通过加载板实现力和力矩的分解，最终实现多轴力传感器的六分量载荷高精度协同加载，提高传感器校准的精度。本发明仅使用7个激光位移传感器即可获得多轴力传感器的全部位置姿态，装置便捷有效。能够在每次新传感器安装时，快速将新安装的多轴力传感器调整至指定基准，且能够保证所有安装的传感器安装位置一致，保证了校准基准一致性，大大提高不同批次传感器的一致性。应用本发明将传感器安装完毕后，可以在校准过程中实时监测传感器在不同载荷作用下的变形量，作为传感器的技术参数提供给使用者，该参数的获得方法，相比于有限元理论估算这一传统手段，更为真实，也更为精确。

Description

一种多轴力传感器校准方法及校准装置
技术领域
本发明涉及一种多轴力传感器校准方法及校准装置，用于避免不同批次传感器因为安装状态不同而导致的校准误差，属于力传感器应用领域。
背景技术
多轴力传感器根据应用场合的不同，结构形式差异很大，比如应用于风洞试验中的风洞天平一般杆式结构居多，应用于工业机器人领域的一般轮毂式结构居多。但无论是应用于何种领域的多轴力传感器，在制作完成并投入实际使用前，都需要进行校准，得到三个力分量和三个力矩分量与输出信号的对应关系。
力传感器的校准，核心步骤是将传感器安装于校准台上，按照一定的加载方法施加各种载荷。高精度的校准结果，是传感器高精度等级的前提，而校准时传感器的高精度安装方法，是传感器高精度校准的前提。多轴力传感器相比于单轴力传感器，校准过程中对安装的精度要求要高的多，尤其是绕轴线的角度安装误差，会造成其中一个载荷分量在加载时，在另一个分量上产生干扰，这直接制约了校准的加载精度，造成多轴力传感器的精度等级下降。
目前，国内外为抑制上述的安装误差，比较常见的做法是每次校准单独建立校准坐标系，并调整所有的加载装置与坐标系一致，此方法工作量巨大，效率低，并且由于不同传感器的坐标系不一致，传感器的一致性往往不佳。目前还未见到高精度、快捷的安装方法，这成了制约多轴力传感器批量化精密校准的一个技术瓶颈。
发明内容
本发明针对当前多轴力传感器实施精密校准时遇到的安装问题，提供一种多轴力传感器校准方法及校准装置，基于7个高精度的激光位移传感器，能够在不同的多轴力传感器安装过程中均调整至相同的基准状态，消除不同多轴力传感器的安装差异，显著提高不同多轴力传感器安装的一致性，保证校准精度。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种多轴力传感器精密安装方法，包括：
(1)将多轴力传感器及加载板安装至支撑装置，加载板用于将校准载荷传递至多轴力传感器；沿加载板的第一水平轴X和第二水平轴Y方向分别安装第一靶板和第二靶板；第一靶板包括相互垂直的水平面和竖直面；垂直于第一水平轴X方向安装第三靶板；
(2)沿第一靶板长度方向间隔设置第一和第二激光位移传感器，第一和第二激光位移传感器发射激光并经第一靶板水平面反射后测量与第一靶板竖直方向的间距；
沿第一靶板长度方向间隔设置第三和第四激光位移传感器，第三和第四激光位移传感器发射激光并经第一靶板竖直面反射后测量与第一靶板沿第一水平轴y方向的间距；
沿第二靶板长度方向间隔设置第五和第六激光位移传感器，第五和第六激光位移传感器发射激光并经沿第二靶板反射后测量与第二靶板竖直方向的间距；
第七激光位移传感器发射激光并经沿第三靶板反射后测量与第三靶板沿第一水平轴X方向的间距；
(3)记录第一至第七激光位移传感器的读数；
(4)更换下一待校准的多轴力传感器，调整支撑装置，使得第一至第七激光位移传感器示数与记录值一致，完成安装，开始校准。
优选的，重复步骤(4)完成同类型传感器的校准。
优选的，第一至第七激光位移传感器通过传感器支架安装固定，传感器支架独立于加载板及支撑装置。
优选的，步骤(4)中更换下一待校准的多轴力传感器时仅拆卸多轴力传感器，加载板及第一至第三靶板之间的装配关系保持不动。
优选的，步骤(2)中第一和第二激光位移传感器发射的激光垂直于第一靶板的水平面；第三和第四激光位移传感器发射的激光垂直于第一靶板的竖直面；第五和第六激光位移传感器发射的激光垂直于第二靶板的平面；第七激光位移传感器发射的激光垂直于第三靶板的平面。
同时提供一种多轴力传感器精密校准方法，包括：
(1)将多轴力传感器及加载板安装至支撑装置，加载板用于将校准载荷传递至多轴力传感器；沿加载板的第一水平轴X和第二水平轴Y方向分别安装第一靶板和第二靶板；第一靶板包括相互垂直的水平面和竖直面；垂直于第一水平轴X方向安装第三靶板；
(2)沿第一靶板长度方向间隔设置第一和第二激光位移传感器，第一和第二激光位移传感器发射激光并经第一靶板水平面反射后测量与第一靶板竖直方向的间距；
沿第一靶板长度方向间隔设置第三和第四激光位移传感器，第三和第四激光位移传感器发射激光并经第一靶板竖直面反射后测量与第一靶板沿第一水平轴y方向的间距；
沿第二靶板长度方向间隔设置第五和第六激光位移传感器，第五和第六激光位移传感器发射激光并经沿第二靶板反射后测量与第二靶板竖直方向的间距；
第七激光位移传感器发射激光并经沿第三靶板反射后测量与第三靶板沿第一水平轴X方向的间距；
(3)记录第一至第七激光位移传感器的读数；完成当前多轴力传感器的校准；
(4)更换下一待校准的多轴力传感器，调整支撑装置，使得第一至第七激光位移传感器示数与记录值一致，完成安装，完成校准。
优选的，步骤(3)及(4)中所述校准的方法如下：
a.读取第一至第七激光位移传感器的读数d10～d70；
b.对加载板施加数值向下的载荷，读取第一和第二激光位移传感器的读数d1，d2以及第五和第六激光位移传感器的读数d5，d6；计算 其中L12为第一和第二激光位移传感器之间的距离，L56为第五和第六激光位移传感器之间的距离，可实际测量得到；Δd1＝d1-d10，Δd2＝d2-d20，Δd5＝d5-d50，Δd6＝d6-d60；
c.对加载板施加水平方向的载荷，读取第三和第四激光位移传感器的读数d3，d4；计算L34为第三和第四激光位移传感器之间的距离；Δd3＝d3-d30，Δd4＝d4-d40；
d.给出与加载载荷对应的α、β、γ作为多轴力传感器的性能参数。
优选的，第一至第七激光位移传感器通过传感器支架安装固定，传感器支架独立于加载板及支撑装置。
优选的，步骤(4)中更换下一待校准的多轴力传感器时仅拆卸多轴力传感器，加载板及第一至第三靶板之间的装配关系保持不动。
优选的，步骤(2)中第一和第二激光位移传感器发射的激光垂直于第一靶板的水平面；第三和第四激光位移传感器发射的激光垂直于第一靶板的竖直面；第五和第六激光位移传感器发射的激光垂直于第二靶板的平面；第七激光位移传感器发射的激光垂直于第三靶板的平面。
提供一种权所述的多轴力传感器精密校准方法使用的校准装置，包括矩形形状的加载板；加载板贴设在多轴力传感器的上安装面；
在一个边的中心设置水平加载点；
该边的对边设置两个对称的水平加载点；
该边的两个邻边中心设置水平加载点，四个角点分别设置竖直向下的加载点；
水平加载点用于施加沿水平方向向外的力，竖直向下的加载点用于施加竖直向下的力。
优选的，对称的水平加载点和四个竖直向下的加载点通过施加不平衡力实现对应方向力矩的加载。
优选的，竖直向下的加载点，利用砝码自重实现加载；水平加载点通过滑轮将加载方向转换为竖直向下，利用砝码自重实现加载。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明所述的一种用于多轴力传感器精密校准的安装定位方法，能够在每次新传感器安装时，快速将新安装的多轴力传感器调整至指定基准，且能够保证所有安装的传感器安装位置一致，保证了校准基准一致性，大大提高不同批次传感器的一致性。
(2)应用本发明将传感器安装完毕后，可以在校准过程中实时监测传感器在不同载荷作用下的变形量，作为传感器的技术参数提供给使用者，该参数的获得方法，相比于有限元理论估算这一传统手段，更为真实，也更为精确。
(3)本发明所述的安装定位方法，实际校准过程中只需调整用于支撑多轴力传感器的支撑装置，周围的滑轮等载荷换向装置均不需要调整，校准的调整工作量大幅度降低，提高了传感器校准的效率，有利于实现校准的批产化。
(4)本发明通过独特布局方式，仅使用7个激光位移传感器即可获得多轴力传感器的全部位置姿态，装置便捷有效。
(5)本发明通过加载板实现力和力矩的分解，最终实现多轴力传感器的六分量载荷高精度协同加载，提高传感器校准的精度。
附图说明
图1为本发明所述的多轴力传感器安装于校准台中的示意图；
图2为7个激光位移传感器的安装布局图；
图3所示为校准过程中多轴力传感器角度变化的监测原理示意图。
具体实施方式
本发明主要针对目前多轴力传感器校准过程中安装定位精度不足的问题，提供了一种用于调整姿态的安装方法，能够使不同传感器的安装状态保持一致，从而消除传感器因安装状态差异导致的误差，提高传感器的校准精度。下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
一种用于多轴力传感器校准过程中的安装定位方法，所述的多轴力传感器安装于校准台上的示意图如附图1所示，主要零部件包括支撑机构1、多轴力传感器2、加载板3、连接加载板3与砝码6的钢丝4、以及实现载荷换向的滑轮5。
本实例中，结合附图1，矩形形状的加载板3贴设在多轴力传感器2的上安装面。加载板3一个边的中心设置水平加载点，该边的对边设置两个对称的水平加载点，该边的两个邻边中心设置水平加载点，四个角点分别设置竖直向下的加载点。加载板3的水平加载点用于施加沿水平方向向外的力，竖直向下的加载点用于施加竖直向下的力。对称的水平加载点和四个竖直向下的加载点通过施加不平衡力实现对应方向力矩的加载。竖直向下的加载点，利用砝码6自重实现加载；水平加载点通过滑轮5将加载方向转换为竖直向下，利用砝码6自重实现加载。支撑机构1用于支撑多轴力传感器2。
本实例中，结合附图2，关键结构为安装于加载板周围的激光位移传感器和用于接收位移传感器激光信号的靶板。激光位移传感器包括1号位移传感器701、2号位移传感器702、3号位移传感器703、4号位移传感器704、5号位移传感器705、6号位移传感器706、7号位移传感器707.7个激光位移传感器安装于单独的位移传感器支架上，不与加载板3发生接触。激光位移计靶板包括1号平板801、2号平板802和角板803。靶板通过螺钉与销钉安装定位于加载板3上，用于接收激光位移传感器7的激光信号。
在校准台第一次校准多轴力传感器2时，可单独建立校准坐标系，并调整周围载荷换向装置与校准坐标系一致。
在校准台首次完成安装后，进行所述激光位移计靶板的安装。优选的，1号平板801平行y轴安装于加载板3的上平面，2号平板802平行于y轴安装于加载板3前端面，角板803平行于x轴安装于加载板3上平面。位移计靶板安装完毕后，后续校准其它多轴力传感器时，不再拆卸。
在校准台首次完成安装后，进行激光位移传感器的安装。优选的，如附图2所示，1号位移传感器701和2号位移传感器702沿x轴布局，并完全将激光位移传感器固定，将激光竖直向下打到角板803的一个平面上；3号位移传感器703和4号位移传感器704沿x轴布局，并完全将激光位移传感器固定，将激光水平打到角板803另一个平面上；5号位移传感器705和6号位移传感器706沿y轴布局，并完全将激光位移传感器固定，将激光竖直向下打到1号平板801上；7号激光位移传感器707布置于加载板3最前测，水平打到2号平板802上。
在校准台首次完成安装后，所述激光位移传感器和靶板安装完毕后，记录各位移传感器的读数d10～d70，将该读数作为多轴力传感器安装的基准值。
当校准台重新安装多轴力传感器时，可调整支撑机构1，使7个激光位移传感器的读数恢复至基准值。优选的，可首先调整支撑结构1的z向位移，并配合调整支撑机构1绕y轴的角度，使1号位移传感器701和2号位移传感器702的读数恢复至基准值；其次，可按照相同原理调整支撑结构1的y向位移和绕z轴的角度，使3号位移传感器703和4号位移传感器704的读数恢复至基准值；再次，可调整支撑结构1绕x轴的角度，使5号位移传感器705和6号位移传感器706恢复至基准值；最后，可调整支撑机构1的x向位移，使7号位移传感器707的读数恢复至基准值。至此，多轴力传感器的安装定位调整完毕。
工作原理如下：
1.1号位移传感器701和2号位移传感器702用于实现z轴方向位移和绕y轴旋转角度的测量与调整；3号位移传感器703和4号位移传感器704实现y轴方向位移和绕z轴旋转角度的测量与调整；5号位移传感器705和6号位移传感器706实现绕x轴旋转角度的测量与调整；7号位移传感器707用于实现x轴方向位移的测量与调整。
2.在多轴力传感器的校准过程中，加载不同的组合载荷，当1号位移传感器701和2号位移传感器702的读数产生读数变化时，二者的读数差值反映了绕y轴的角度变化，测量示意图如附图3所示，绕y轴的角度变化为：
同理，3号位移传感器703和4号位移传感器704产生读数变化时，二者的读数差值反映了绕z轴的角度变化；5号位移传感器705和6号位移传感器706产生读数变化时，二者的读数差值反映了绕x轴的角度变化。
多轴力传感器安装后进行校准，校准的方法如下：
a.读取第一至第七激光位移传感器的读数d10～d70；
b.对加载板施加数值向下的载荷，读取第一和第二激光位移传感器的读数d1，d2以及第五和第六激光位移传感器的读数d5，d6；计算 其中L12为第一和第二激光位移传感器之间的距离，L56为第五和第六激光位移传感器之间的距离，可实际测量得到；Δd1＝d1-d10，Δd2＝d2-d20，Δd5＝d5-d50，Δd6＝d6-d60；
c.对加载板施加水平方向的载荷，读取第三和第四激光位移传感器的读数d3，d4；计算L34为第三和第四激光位移传感器之间的距离；Δd3＝d3-d30，Δd4＝d4-d40；
d.给出与加载载荷对应的α、β、γ作为多轴力传感器的性能参数。
综上所述本发明提供的用于多轴力传感器校准过程中的安装定位方法，能够在多轴力传感器校准时快速安装，保证所有传感器的安装状态完全一致，从而消除校准时安装误差带来的影响，校准方法提高多轴力传感器的校准精度。除此之外，并且以实验测量的方法精确给出了多轴力传感器不同载荷作用下的变形量，供多轴力传感器的实际使用予以参考。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (13)

1.一种多轴力传感器精密安装方法，其特征在于，包括：
(1)将多轴力传感器及加载板安装至支撑装置，加载板用于将校准载荷传递至多轴力传感器；沿加载板的第一水平轴X和第二水平轴Y方向分别安装第一靶板和第二靶板；第一靶板包括相互垂直的水平面和竖直面；垂直于第一水平轴X方向安装第三靶板；
(2)沿第一靶板长度方向间隔设置第一和第二激光位移传感器，第一和第二激光位移传感器发射激光并经第一靶板水平面反射后测量与第一靶板竖直方向的间距；
沿第一靶板长度方向间隔设置第三和第四激光位移传感器，第三和第四激光位移传感器发射激光并经第一靶板竖直面反射后测量与第一靶板沿第一水平轴y方向的间距；
沿第二靶板长度方向间隔设置第五和第六激光位移传感器，第五和第六激光位移传感器发射激光并经沿第二靶板反射后测量与第二靶板竖直方向的间距；
第七激光位移传感器发射激光并经沿第三靶板反射后测量与第三靶板沿第一水平轴X方向的间距；
(3)记录第一至第七激光位移传感器的读数；
(4)更换下一待校准的多轴力传感器，调整支撑装置，使得第一至第七激光位移传感器示数与记录值一致，完成安装，开始校准。
2.如权利要求1所述的多轴力传感器精密安装方法，其特征在于，重复步骤(4)完成同类型传感器的校准。
3.如权利要求1或2所述的多轴力传感器精密安装方法，其特征在于，第一至第七激光位移传感器通过传感器支架安装固定，传感器支架独立于加载板及支撑装置。
4.如权利要求1或2所述的多轴力传感器精密安装方法，其特征在于，步骤(4)中更换下一待校准的多轴力传感器时仅拆卸多轴力传感器，加载板及第一至第三靶板之间的装配关系保持不动。
5.如权利要求1或2所述的多轴力传感器精密安装方法，其特征在于，步骤(2)中第一和第二激光位移传感器发射的激光垂直于第一靶板的水平面；第三和第四激光位移传感器发射的激光垂直于第一靶板的竖直面；第五和第六激光位移传感器发射的激光垂直于第二靶板的平面；第七激光位移传感器发射的激光垂直于第三靶板的平面。
6.一种多轴力传感器精密校准方法，其特征在于，包括：
(1)将多轴力传感器及加载板安装至支撑装置，加载板用于将校准载荷传递至多轴力传感器；沿加载板的第一水平轴X和第二水平轴Y方向分别安装第一靶板和第二靶板；第一靶板包括相互垂直的水平面和竖直面；垂直于第一水平轴X方向安装第三靶板；
(2)沿第一靶板长度方向间隔设置第一和第二激光位移传感器，第一和第二激光位移传感器发射激光并经第一靶板水平面反射后测量与第一靶板竖直方向的间距；
沿第一靶板长度方向间隔设置第三和第四激光位移传感器，第三和第四激光位移传感器发射激光并经第一靶板竖直面反射后测量与第一靶板沿第一水平轴y方向的间距；
沿第二靶板长度方向间隔设置第五和第六激光位移传感器，第五和第六激光位移传感器发射激光并经沿第二靶板反射后测量与第二靶板竖直方向的间距；
第七激光位移传感器发射激光并经沿第三靶板反射后测量与第三靶板沿第一水平轴X方向的间距；
(3)记录第一至第七激光位移传感器的读数；完成当前多轴力传感器的校准；
(4)更换下一待校准的多轴力传感器，调整支撑装置，使得第一至第七激光位移传感器示数与记录值一致，完成安装，完成校准。
7.如权利要求6所述的多轴力传感器精密校准方法，其特征在于，步骤(3)及(4)中所述校准的方法如下：
a.读取第一至第七激光位移传感器的读数d10～d70；
b.对加载板施加数值向下的载荷，读取第一和第二激光位移传感器的读数d1，d2以及第五和第六激光位移传感器的读数d5，d6；计算 其中L12为第一和第二激光位移传感器之间的距离，L56为第五和第六激光位移传感器之间的距离，可实际测量得到；Δd1＝d1-d10，Δd2＝d2-d20，Δd5＝d5-d50，Δd6＝d6-d60；
c.对加载板施加水平方向的载荷，读取第三和第四激光位移传感器的读数d3，d4；计算L34为第三和第四激光位移传感器之间的距离；Δd3＝d3-d30，Δd4＝d4-d40；
d.给出与加载载荷对应的α、β、γ作为多轴力传感器的性能参数。
8.如权利要求6或7所述的多轴力传感器精密校准方法，其特征在于，第一至第七激光位移传感器通过传感器支架安装固定，传感器支架独立于加载板及支撑装置。
9.如权利要求6或7所述的多轴力传感器精密校准方法，其特征在于，步骤(4)中更换下一待校准的多轴力传感器时仅拆卸多轴力传感器，加载板及第一至第三靶板之间的装配关系保持不动。
10.如权利要求6或7所述的多轴力传感器精密校准方法，其特征在于，步骤(2)中第一和第二激光位移传感器发射的激光垂直于第一靶板的水平面；第三和第四激光位移传感器发射的激光垂直于第一靶板的竖直面；第五和第六激光位移传感器发射的激光垂直于第二靶板的平面；第七激光位移传感器发射的激光垂直于第三靶板的平面。
11.一种权利要求6至10之一所述的多轴力传感器精密校准方法使用的校准装置，其特征在于，包括矩形形状的加载板；加载板贴设在多轴力传感器的上安装面；
在一个边的中心设置水平加载点；
该边的对边设置两个对称的水平加载点；
该边的两个邻边中心设置水平加载点，四个角点分别设置竖直向下的加载点；
水平加载点用于施加沿水平方向向外的力，竖直向下的加载点用于施加竖直向下的力。
12.如权利要求11所述的校准装置，其特征在于，对称的水平加载点和四个竖直向下的加载点通过施加不平衡力实现对应方向力矩的加载。
13.如权利要求11所述的校准装置，其特征在于，竖直向下的加载点，利用砝码自重实现加载；水平加载点通过滑轮将加载方向转换为竖直向下，利用砝码自重实现加载。
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