CN111089673A - 一种锁紧释放机构接触力测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号测量领域，具体说是一种锁紧释放机构接触力测量系统及方法,一种锁紧释放机构接触力测量系统，其特征在于，包括机械固定平台、变送器、S型力传感器、信号调理器、应变片、惠通斯电桥、数据采集卡、数据采集及分析系统；所述机械固定平台，用于安装锁紧释放机构；本申请可以实现对应变信号、接触力等信号的采集、显示、存储、拟合操作，根据拟合出来的应变与接触力的关系，在测试条件下推导接触力的变化，间接实现对锁紧释放机构接触力的测量。灵活性较高，不受传统应变仪功能单一、模块化的限制。对于应变信号的采集，不仅可以用于锁紧释放机构接触力测量的标定主体，还可以用于夹持力的测量与标定，应用广泛。

Description

一种锁紧释放机构接触力测量系统及方法

技术领域

本发明属于信号测量领域，具体说是一种锁紧释放机构接触力测量系统及方法。

背景技术

锁紧释放机构用于航空航天零部件、机械臂的锁紧与释放，可以用于水下武器和机械设备等装置的锁紧与释放，还可以用工业现场中部分零部件的抓取、锁定、移动等方向。

在锁紧与释放技术研究的过程中，接触力测量是一个非常重要的部分。接触力的测量，首先保障对于目标零件的锁紧的程度，因为只有接触面有一定的接触力，才能确定锁紧成功，保障锁紧的可靠性。现有技术中在释放的过程到中，由于长时间的接触，接触面吸附在一起，产生太大的力，或者释放过程释放机构的移动过快，造成释放目标的不稳定性，或者一定的接触力下迅速释放等等，都需要对接触力进行准确的测量。

接触力的测量，不仅仅应用于锁紧与释放零部件，例如夹持力的测量，也属于相关的研究领域，如医学机器人手夹持力、切削力，零部件的移动与安放，都需要对力进行测量，即要保障固定，又不至于损坏零件，就需要对锁紧力、夹持力等等进行精准度的测量。

针对以上情况，结合锁紧释放机构本身机械结构，搭建接触力测量装置，基于LabVIEW开发数据采集及分析系统，实现锁紧释放机构接触力的测量，并且该套系统也能够实现其它相关夹持力的测量，可以用空间抓取、水下机器人投放、武器发射等等领域，为机器人末端力的控制与测量提供了重要的参考。

发明内容

本发明根据现有技术的不足进行研究及改进，提供了基于标准接触力信号标定应变信号的方法，设计锁紧释放机构机械固定平台，同时搭建数据采集装置和开发数据采集分析系统。该装置能够实现对锁紧释放机构悬臂梁对接触力等信号的采集、显示、存储、拟合等等操作，根据拟合出来的应变与接触力的关系，在测试条件下推导接触力的变化，间接实现对锁紧释放机构接触力的测量。与传统应变分析仪不同，该采集系统灵活性较高，不受传统应变仪功能单一、模块化的限制。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来具体实现：一种锁紧释放机构接触力测量系统，包括机械固定平台、变送器、S型力传感器、信号调理器、应变片、惠通斯电桥、数据采集卡、数据采集及分析系统；

所述机械固定平台，用于安装锁紧释放机构；

所述S型力传感器，用于测量锁紧释放机构与锁紧释放目标零件之间的接触力；

所述变送器，用于将来自S型力传感器的非标准信号，转换、放大成标准力的信号，发送给数据采集卡；

所述应变片，用于测量锁紧释放机构悬臂的形变产生的应变信号；

所述惠通斯电桥，用于将应变片测量的阻值变化转换为电压信号；

所述信号调理器，用于对电压信号进行放大；

所述数据采集卡，用于采集传感器的输出信号发送至数据采集系统；

所述数据采集及分析系统，用于对惠通斯电桥参数的设置和数据的采集，处理，拟合分析及储存。

所述数据采集及分析系统包括，参数设置区，数据采集区，数据储存区，数据显示区，数据处理区，数据分析区、数据提示区及打印模块；

所述参数设置区，用于对惠通斯电桥的参数进行选择；

所述数据采集区，用于对数据采集卡采集的接触力信号和电压信号进行采集；

所述数据储存区，用于将实时采集的数据进行储存；

所述数据显示区，用于对实时数据进行实时显示；

所述数据处理区，用于对采集的实时数据进行滤波、拆分为接触力数据和应变数据；

所述数据分析区，用于对多种数据进行拟合分析得出数据之间的关系；

所述数据提示区，用于对超出设定范围的信号进行提示、报警。

所述机械固定平台，包括底板1、挡板2及连接节4；

所述挡板2安装在底板1上，S型传感器3安装于挡板2表面，所述连接节4通过螺纹与S型传感器3相连接；所述S型传感器3与变送器的输入端通过航空插头相连接，所述变送器输出端与所述数据采集卡相连接。

所述锁紧释放机构，通过螺钉固定安装在机械固定平台，所述应变片粘贴在锁紧释放机构后端悬臂梁上；所述锁紧释放机构通过滑块移动，锁紧释放机构前端与所述连接节4相互锁紧或释放。

所述连接节4上端为45度凹形面，下端制成M6的螺栓，所述连接节的上端与锁紧释放机构前端对接。

所述一种锁紧释放机构接触力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建接触力拟合模型：

通过数据采集及分析系统设置惠通斯电桥的参数；

控制锁紧释放机构产生运动对目标零件进行锁紧；

锁紧过程中，对锁紧释放机构与连接节之间的接触力进行测量；

锁紧释放机构后端悬臂梁产生形变，通过应变片的变化转换成电阻的变化，通过惠通斯电桥转换成表示应变的电压信号；

数据采集系统对应变信号和接触力进行采集，并同时传递给数据处理区进行滤波处理存储和数据储存区进行储存；

通过数据分析区，将接触力数据作为输出信号，应变数据作为输入信号，对输入输出信号进行拟合，得出接触力拟合模型；

2)仅采用通过应变片获取的应变数据，结合应变信号与接触力信号的关系，将应变信号输入至接触力拟合模型，得到相应的接触力数据，实现接触力的测量。

所述数据显示区对数据实时显示，打印模块对重要参数、图表以及分析结果进行打印纸质材料备份。

所述拟合方法的求解采用最小二乘法，包括以下步骤：

测量过程中共有m个数据点，画出m个数据点的直角坐标图像获得每个数据的x和y对应关系，即接触力拟合模型：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+...+a_kxⁿ

其中，x为应力数据，y为接触力数据，a₀～a_k为拟合得到的系数，m为输入输出的所有数据点数的总个数m＝1～k，n为多项式拟合阶次的最高阶次。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本申请中悬臂梁的材料经过多次改良和实验，实验材料为铝合金、弹簧钢、65锰钢并且经过淬火，选择本材料弹性、硬度等应变效果明显，灵敏度较高，能够检测微应变信号。应变信号的测量，不仅能够应用于本实验作为力的标定主体，本数据采集系统对应变本身的分析，能够得到材料本身的性能，也可应用于其它有需要对应变检测的实验装置。

2.本申请中的惠斯通电桥的搭建，电阻的选择都采用高精度、低温票的电阻，惠斯通电桥电路精度较高。

3.本申请中锁紧释放机构与力传感器的连接节的设计是结合锁紧释放机构本身的机械结构，力传感器的构造，同实际需求相结合设计出来的连接装置，应用时具有较好的实际效果。

4.本申请中采集卡的选择应用于国内数据采集，经过广泛的调研，本数据采集卡采集速度、精度、通道数等相关参数，价格合理，性价比较高。

5.本申请中的机械固定平台，是结合锁紧释放机构本身，力传感的机械结构进行设计的一种用于锁紧释放机构与力传感器固定的一种机械装置，来源于实际需求，应用实验测试。

6.本申请总体成本较低，可操作性较高硬件相关成本较低。基于LabVIEW开发的数据采集及分析系统，结合自身对软件的掌握程度，实际需求，独立自主开的一套尚未及数据采集系统，可以实现对应变信号、接触力等信号的采集、显示、存储、拟合等等操作，根据拟合出来的应变与接触力的关系，在测试条件下推导接触力的变化，间接实现对锁紧释放机构接触力的测量。与传统应变分析仪不同，该采集系统灵活性较高，不受传统应变仪功能单一、模块化的限制。对于应变信号的采集，不仅可以用于锁紧释放机构接触力测量的标定主体，还可以用于夹持力的测量与标定，应用广泛；对于一些零部件和大型机械设备的在线监测也有广泛的应用。

附图说明

图1一种电桥模式应变采集与力标定系统的方法示意图；

图2数据采集分析模块；

图3锁紧释放机构前端与力传感器接触的连接部件；

图4锁紧释放机构的固定机械平台；

其中：1为锁紧释放机构底板，2为锁紧释放机构挡板，3为S型力传感器，4为锁紧释放机构与力传感器连接的连接节，5为底板上将锁紧释放机构固定的螺纹孔；

图5本发明的应变片粘贴图；

其中：6为悬臂梁上粘贴的应变片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明根据现有技术的不足进行研究及改进，提供了基于标准接触力信号标定应变信号的方法，设计锁紧释放机构机械固定平台，同时搭建数据采集装置和开发数据采集分析系统。该装置能够实现对锁紧释放机构悬臂梁对接触力等信号的采集、显示、存储、拟合等等操作，根据拟合出来的应变与接触力的关系，在测试条件下推导接触力的变化，间接实现对锁紧释放机构接触力的测量。与传统应变分析仪不同，该采集系统灵活性较高，不受传统应变仪功能单一、模块化的限制。

本申请锁紧释放机构引用中国科学院沈阳自动化研究所的专利号为：CN109515771A，申请日为2018.12.27的“一种空间微干扰释放机构及其锁紧、微干扰释放方法”的专利。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来具体实现：

如图1和图4所示，一种锁紧释放机构接触力测量系统，包括机械固定平台、变送器、S型力传感器、信号调理器、应变片、惠通斯电桥、数据采集卡、数据采集及分析系统；

机械固定平台，用于安装锁紧释放机构；

S型力传感器，用于测量锁紧释放机构与锁紧释放目标零件之间的接触力；

变送器，用于将来自S型力传感器的非标准信号，转换、放大成标准力的信号，发送给数据采集卡；

应变片，用于测量锁紧释放机构悬臂的形变产生的应变信号；

惠通斯电桥，用于将应变片测量的阻值变化转换为电压信号；

信号调理器，用于对电压信号进行放大；

数据采集卡，用于采集传感器的输出信号发送至数据采集系统；

数据采集及分析系统，用于对惠通斯电桥参数的设置和数据的采集，处理，拟合分析及储存。

如图2所示，数据采集及分析系统包括，参数设置区，数据采集区，数据储存区，数据显示区，数据处理区，数据分析区、数据提示区及打印模块；

参数设置区，用于对惠通斯电桥的参数进行选择；

数据采集区，用于对数据采集卡采集的接触力信号和电压信号进行采集；

数据储存区，用于将实时采集的数据进行储存；

数据显示区，用于对实时数据进行实时显示；

数据处理区，用于对采集的实时数据进行滤波、拆分为接触力数据和应变数据；

数据分析区，用于对多种数据进行拟合分析得出数据之间的关系；

数据提示区，用于对超出设定范围的信号进行提示、报警。

如图4～图5所示，机械固定平台，包括底板、挡板及连接节；

挡板安装在底板上，S型传感器安装于挡板表面，所述连接节通过螺纹与S型传感器相连接；所述S型传感器与变送器的输入端通过航空插头相连接，所述变送器输出端与所述数据采集卡相连接。

锁紧释放机构，引用申请号为CN 109515771A，申请日为2018.12.27的“一种空间微干扰释放机构及其锁紧、微干扰释放方法”的专利，该引用申请中的空间微干扰释放机构，通过螺钉固定安装在本申请机械固定平台，本申请中的应变片粘贴在引用申请力传感器横梁1上；该引用申请中的空间微干扰释放机构通过引用申请中单导轨滑台3上的支撑板7移动，控制引用申请中驱动外手指11与本申请连接节4进行锁紧或释放。

如图3所示，连接节上端为45度凹形面，下端制成M6的螺栓，所述连接节的上端与锁紧释放机构前端对接。

如图1～2所示，一种锁紧释放机构接触力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建接触力拟合模型：

通过数据采集及分析系统设置惠通斯电桥的参数；

控制锁紧释放机构产生运动对目标零件进行锁紧；

锁紧过程中，对锁紧释放机构与连接节之间的接触力进行测量；

锁紧释放机构后端悬臂梁产生形变，通过应变片的变化转换成电阻的变化，通过惠通斯电桥转换成表示应变的电压信号；

数据采集系统对应变信号和接触力进行采集，并同时传递给数据处理区进行滤波处理存储和数据储存区进行储存；

通过数据分析区，将接触力数据作为输出信号，应变数据作为输入信号，对输入输出信号进行拟合，得出接触力拟合模型；

2)仅采用通过应变片获取的应变数据，结合应变信号与接触力信号的关系，将应变信号输入至接触力拟合模型，得到相应的接触力数据，实现接触力的测量。

数据显示区对数据实时显示，打印模块对重要参数、图表以及分析结果进行打印纸质材料备份。

拟合方法的求解采用最小二乘法，包括以下步骤：采用工程实际应用拟合效果最佳、使用最广泛的多项式拟合，将应变与接触力信号进行拟合。x为应变信号，y_i为接触力实际测量信号，m为输入输出的所有数据点数的总个数，n为多项式拟合阶次的最高阶次，经过试验分析，常规最佳拟合阶次为3阶、4阶，y′为多项式模型输出的接触力信号，a_k为多项式不同阶次的系数。

理论角度将方差对相关系数a_k求偏导，求解多项式系数，如公式4.4-4.7，高阶次系数求解以此类推。实际求解时，通过matlab中polyfit函数求解a_k，接触力y与应变x的函数关系可以用a_k系列系数描述，即接触力拟合模型，如式4.8：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+...+a_kxⁿ (4.8)

其中，x为应力数据，y为接触力数据，a₀～a_k为拟合得到的系数，m为输入输出的所有数据点数的总个数m＝1～k。

实施例1：

如图1～图5所示，锁紧释放机构接触力的测量，其特征在于：所用的设备包括锁紧释放机构、机械固定平台、力传感器、应变片、数据采集卡，上位机基于LabVIEW开发的数据采集及分析系统。

一种基于悬臂梁理论的应变测量建模标定装置及方法，包括以下步骤：

一、连接步进电机及驱动装置、压电驱动装置、力传感器及调理电路、应变片及惠斯通电桥、数据采集卡及信号调理电路；

二、控制步进电机与压电驱动器，使锁紧释放机构产生运动，对目标零件进行锁紧。

三、实验条件下，锁紧过程中，在上位机运行数据采集及分析系统，对锁紧释放机构与连接节之间的接触力、锁紧释放机构后端悬臂梁产生的应变信号同时进行采集，滤波处理、存储。

四、在上位机界面，选择接触力信号为输出信号，应变信号为输入信号，同时选择数据拟合方式、阶次等参数，对输入输出信号进行拟合，根据不同误差确定最优拟合方式，如y＝1+x+x²+x³多项式关系等。

五、在测试阶段，由于不能够安装力传感器，锁紧释放过程中可获取信号只有应变信号，可以根据实验条件下拟合应变信号与接触力信号的关系，计算测试条件下接触力变化的过程和数值。如应变信号为m,则实际的接触力y＝1+m+m²+m³，实现接触力的测量。

采用上述的装置和方法，首先将宏观与微观、双驱动控制下，锁紧释放机构与前端力传感器接触，在锁紧释放机构后端悬臂梁处产生的应变的变化，通过应变片和惠斯通电桥的转换，变成电压信号的变化，同时记录力传感器示数随应变电压信号变化而变化的趋势，便于后续对数据进行分析和处理。该方法能够实现对于锁紧释放机构前端接触力的测量，与传统直接测量的方法略有不同，传统力传感器的使用受到安装空间，特殊使用阶段，不能直接采用力传感器进行应用等限制，该方法采用力传感器对两种驱动下产生的应变进行标定，当标定、完成后，去除力传感器，锁紧释放机构在太空应用时，可减小其占用的空间，通过上述方法，间接测量到锁紧释放机构前端与锁紧释放物体的接触力。本发明不仅仅能对上述锁紧释放机构的接触力进行测量，能够对多种与微接触，微夹持、微释放等不适合直接安装力传感器的装置进行力的测量、应变的测量以及数据分析。

优选的拟合方法，指数拟合、对数拟合、线性拟合、多项式拟合、神经网咯等多种拟合方式。采用工程应用当中最广泛的拟合方式多项式拟合，参数求解采用最小二乘法急性型求解。

采用最小二乘法对应变与接触力信号进行拟合。假设有一实验，共有m个数据点，x为应变信号，y为接触力信号，画出m个数据点的直角坐标图像获得每个数据的x和y对应关系y＝1+x+x²+x³。

本实施例中悬臂梁的尺寸为3mm*7mm，在其他具体实施方式中悬臂梁的具体尺寸，可以根据具体实际需求进行调整，达到基本相同的技术效果。

本实施例中，应变片的数量选用一个或者两个，在其他具体实施方式中，应变片段数量以及桥路选择方式即1/4桥路、半桥、全桥等，也可以根据实际需求，进行调整，达到基本相同的技术效果。

本实施例中，应变电压信号调理电路采用100倍的放大系数，在其他具体实施例中，也可以根据实际需求，进行不同放大倍数信号调理电路的选择。

本实施例中，数据采集及分析系统是基于LabVIEW平台进行开发，基于本平台作为数据采集平台的研发周期短，使用便捷，效率高，在其他应用条件下，也可以采用其他软件平台进行开发，达到相同的技术效果。

本实施例中，采用北京阿尔泰的数据采集卡进行数据采集，在其他应用实例中，也可以根据实际采集速度、采集精度等等要求，选择其他厂家或者种类的数据采集卡。

本实施例中，实验设计线路都采用多股铜线进行连接，在其他应用实例中，也可根据实际需求，进行电线选择，达到相同技术效果。

在本实例中，惠斯通电桥的电阻都采用精度0.01％，温漂5PPM的高精度电阻，在其他应用实例中，可以根据实际需求，采用其他精度的电阻，达到相同的技术效果。

本实施例中，力传感器的量程范围采用0-5kg,在其他具体实施方式中，力传感器的量程范围可以根据实际需求进行调整，达到相同的技术效果。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的范围进行限定，本发明并非局限于上述实施例，本领域的任何技术人员无需独立自主，创新性就可以根据本发明专利的发明思路，实际应用，理论推导，对本发明的技术方案与思想进行多变形，进行改进，皆应落入本发明专利权利要求书本所保护范畴。

Claims (8)

1.一种锁紧释放机构接触力测量系统，其特征在于，包括机械固定平台、变送器、S型力传感器、信号调理器、应变片、惠通斯电桥、数据采集卡、数据采集及分析系统；

所述机械固定平台，用于安装锁紧释放机构；

所述S型力传感器，用于测量锁紧释放机构与锁紧释放目标零件之间的接触力；

所述变送器，用于将来自S型力传感器的非标准信号，转换、放大成标准力的信号，发送给数据采集卡；

所述应变片，用于测量锁紧释放机构悬臂的形变产生的应变信号；

所述惠通斯电桥，用于将应变片测量的阻值变化转换为电压信号；

所述信号调理器，用于对电压信号进行放大；

所述数据采集卡，用于采集传感器的输出信号发送至数据采集系统；

所述数据采集及分析系统，用于对惠通斯电桥参数的设置和数据的采集，处理，拟合分析及储存。

2.根据权利要求1所述的一种锁紧释放机构接触力测量系统，其特征在于，所述数据采集及分析系统包括，参数设置区，数据采集区，数据储存区，数据显示区，数据处理区，数据分析区、数据提示区及打印模块；

所述参数设置区，用于对惠通斯电桥的参数进行选择；

所述数据采集区，用于对数据采集卡采集的接触力信号和电压信号进行采集；

所述数据储存区，用于将实时采集的数据进行储存；

所述数据显示区，用于对实时数据进行实时显示；

所述数据处理区，用于对采集的实时数据进行滤波、拆分为接触力数据和应变数据；

所述数据分析区，用于对多种数据进行拟合分析得出数据之间的关系；

所述数据提示区，用于对超出设定范围的信号进行提示、报警。

3.根据权利要求1所述的一种锁紧释放机构接触力测量系统，其特征在于，所述机械固定平台，包括底板(1)、挡板(2)及连接节(4)；

所述挡板(2)安装在底板(1)上，S型传感器(3)安装于挡板(2)表面，所述连接节(4)通过螺纹与S型传感器(3)相连接；所述S型传感器(3)与变送器的输入端通过航空插头相连接，所述变送器输出端与所述数据采集卡相连接。

4.根据权利要求1或3所述的一种锁紧释放机构接触力测量系统，其特征在于，所述锁紧释放机构，通过螺钉固定安装在机械固定平台，所述应变片粘贴在锁紧释放机构后端悬臂梁上；所述锁紧释放机构通过滑块移动，锁紧释放机构前端与所述连接节(4)相互锁紧或释放。

5.根据权利要求2所述的一种锁紧释放机构接触力测量系统，其特征在于，所述连接节(4)上端为45度凹形面，下端制成M6的螺栓，所述连接节的上端与锁紧释放机构前端对接。

6.一种锁紧释放机构接触力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建接触力拟合模型：

通过数据采集及分析系统设置惠通斯电桥的参数；

控制锁紧释放机构产生运动对目标零件进行锁紧；

锁紧过程中，对锁紧释放机构与连接节之间的接触力进行测量；

锁紧释放机构后端悬臂梁产生形变，通过应变片的变化转换成电阻的变化，通过惠通斯电桥转换成表示应变的电压信号；

数据采集系统对应变信号和接触力进行采集，并同时传递给数据处理区进行滤波处理存储和数据储存区进行储存；

通过数据分析区，将接触力数据作为输出信号，应变数据作为输入信号，对输入输出信号进行拟合，得出接触力拟合模型；

2)仅采用通过应变片获取的应变数据，结合应变信号与接触力信号的关系，将应变信号输入至接触力拟合模型，得到相应的接触力数据，实现接触力的测量。

7.根据权利要求6的一种锁紧释放机构接触力测量方法，其特征在于，

所述数据显示区对数据实时显示，打印模块对重要参数、图表以及分析结果进行打印纸质材料备份。

8.根据权利要求6的一种锁紧释放机构接触力测量方法，其特征在于，所述拟合方法的求解采用最小二乘法，包括以下步骤：

测量过程中共有m个数据点，画出m个数据点的直角坐标图像获得每个数据的x和y对应关系，即接触力拟合模型：

y＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+...+a_kxⁿ

其中，x为应力数据，y为接触力数据，a₀～a_k为拟合得到的系数，m为输入输出的所有数据点数的总个数m＝1～k，n为多项式拟合阶次的最高阶次。

Images