CN112762139B - 一种两自由度旋转调节装置及其主动抑振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两自由度旋转调节装置，包括工控机、数据采集卡、运动控制卡、电机组件、两自由度旋转平台、夹持机构，夹持机构包括外框、内环、外环、夹持器、第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器，内环与外环可转动连接，外环与外框可转动连接，夹持器安装在内环上，第一内环测力传感器、第二内环测力传感器相对安装在外环上，第一外环测力传感器、第二外环测力传感器相对安装在外框上，第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器均与数据采集卡相连接。本发明还公开了一种主动抑振控制方法。本发明能够快速消除零件装配过程中的振颤问题。

Description

一种两自由度旋转调节装置及其主动抑振控制方法

技术领域

本发明涉及微装配技术领域，尤其涉及一种两自由度旋转调节装置及其主动抑振控制方法。

背景技术

微装配技术在国防工业以及国民经济发展中有着重要的地位，在促进武器装备小型化、智能化，提升民用高科技产品性能方面发挥着重要的作用。因此，开发高精度、高效率和柔性化、智能化的装配机器人技术，取代传统的手工、半自动组装技术已成为主要发展方向，受到各工业大国的重视，并成为应对快速、小批量、定制化产业需求的关键技术手段之一。

目前，对零件的柔性装配过程中遇到的震颤问题，一般会依赖于操作人员的经验进行主动干扰调整，或是等待零件自主趋于稳定，这都会耽误装配的时间，不能满足零件装配过程中对智能化、快速性的要求；此外，操作人员在操作过程也需要长时间集中精力，难以提供持续性的工作产出。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种两自由度旋转调节装置及其主动抑振控制方法。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种两自由度旋转调节装置，包括工控机、数据采集卡、运动控制卡、电机组件、两自由度旋转平台以及安装在所述两自由度旋转平台上的夹持机构，所述数据采集卡、运动控制卡均与所述工控机相连接，所述运动控制卡与所述电机组件相连接，所述电机组件驱动所述两自由度旋转平台旋转，所述夹持机构包括外框、内环、外环、夹持器、第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器，所述内环与所述外环可转动连接，所述外环与所述外框可转动连接，所述夹持器安装在所述内环上，所述第一内环测力传感器、第二内环测力传感器相对安装在所述外环上，所述第一外环测力传感器、第二外环测力传感器相对安装在所述外框上，所述第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器均与所述数据采集卡相连接。

作为本发明的进一步改进，所述夹持器包括两个夹持片和两个电磁铁，两个所述夹持片相对设置，两个所述电磁铁相对设置，每个所述夹持片的一端安装在所述内环上，每个所述夹持片的另一端从两个所述电磁铁之间穿过，两个所述电磁铁均与所述工控机相连接。

作为本发明的进一步改进，所述夹持片为铁片。

作为本发明的进一步改进，所述夹持器包括两个压电陶瓷组件，每个所述压电陶瓷组件包括压电陶瓷片、与所述压电陶瓷片相连接的三根金属丝，两个所述压电陶瓷片均与所述工控机相连接。

作为本发明的进一步改进，所述金属丝的直径为20μm。

作为本发明的进一步改进，所述内环上设置有安装孔，所述安装孔的中间部位连接有配重块，所述配重块上设置有至少一个配重孔。

作为本发明的进一步改进，所述外环与所述外框之间连接有至少一个第一销钉，所述内环与所述外环之间连接有至少一个第二销钉。

作为本发明的进一步改进，所述电机组件包括第一电机和第二电机，所述两自由度旋转平台包括Y轴旋转平台、安装在所述Y轴旋转平台上的X轴旋转平台，所述第一电机驱动所述Y轴旋转平台绕Y轴旋转，所述第二电机驱动所述X轴旋转平台绕X轴旋转。

一种主动抑振控制方法，使用所述的装置，包括以下步骤：

(1)将零件放入待夹持区域；

(2)通过工控机控制夹持器夹持住零件；

(3)在零件带动夹持器、内环和外环转动时，工控机根据第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器的力信号反馈控制电机组件，使零件处于平稳状态。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(3)中，工控机根据第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器的力信号反馈控制电机组件，使零件处于平稳状态包括：

当工控机检测到第一外环测力传感器的力信号时，外环处于沿X轴正方向绕X轴向左偏摆的状态，工控机控制两自由度旋转平台沿X轴正方向绕X 轴向右偏摆；当工控机检测到第一外环测力传感器的力信号小于一定阈值时，外环与第一外环测力传感器处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机检测到第二外环测力传感器的力信号时，外环处于沿X轴正方向绕X轴向右偏摆的状态，工控机控制两自由度旋转平台沿X轴正方向绕X 轴向左偏摆；当工控机检测到第二外环测力传感器的力信号小于一定阈值时，此时外环与第二外环测力传感器处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机检测到第一内环测力传感器的力信号时，内环处于沿Y轴正方向绕Y轴向左偏摆的状态，工控机控制两自由度旋转平台沿Y轴正方向绕Y 轴向右偏摆；当工控机检测到第一内环测力传感器的力信号小于一定阈值时，此时内环与第一内环测力传感器处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机检测到第二内环测力传感器的力信号时，内环处于沿Y轴正方向绕Y轴向右偏摆的状态，工控机控制两自由度旋转平台沿Y轴正方向绕Y 轴向左偏摆；当工控机检测到第二内环测力传感器的力信号小于一定阈值时，此时内环与第二内环测力传感器处于脱离接触状态或者不受力状态；

当外环与第一外环测力传感器、第二外环测力传感器均处于脱离接触状态或者不受力状态时，此时外环、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器均处于稳定状态，外环调节完毕；

当内环与第一内环测力传感器、第二内环测力传感器均处于脱离接触状态或者不受力状态时，此时内环、第一内环测力传感器、第二内环测力传感器均处于稳定状态，内环调节完毕；

当外环和内环均调节完毕，此时夹持的零件调节完毕，处于稳定状态。

本发明的有益效果是：

(1)本发明能够快速通过主动调整策略，快速消除零件装配过程中的振颤问题，节省零件调整时间，从而提升零件装配的效率。

(2)本发明智能高效，实用性强，可适用于两自由度柔性旋转装配的应用工作环境。

(3)本发明结构简单，控制方法简单实用，且装置成本低，提高了装配过程的快速性、稳定性。

(4)在进行微装配时，该装置可以消除零件自身重力对力的检测精度的影响，实现微牛级别微小受力的偏转检测。

(5)该装置实现了在微小装配空间中完成微力传感器的布置，极大的提高了微装配成功率和效率。

(6)本发明适用范围广，中小尺寸到大尺寸多个尺寸范围的零件的夹持，并且装配时可提供较大的轴向装配力。

(7)本发明对于大尺寸零件的夹持，亦可实现微牛级别的力检测。

(8)本发明的第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器均为复合量程微力传感器，通过将具有不同力检测量程和力检测精度的三个悬臂梁平行排布，其能够利用该三个悬臂梁在力检测量程和力检测精度上的差异进行有机的结合与互补，以此利用该三个悬臂梁分别对不同力检测量程和/或力检测精度需求场合进行相应的力检测，以使得力传感器同时具备大力检测量程和高力检测精度，并且还通过相应的惠斯通电桥电路来实时检测悬臂梁的受力变化状态，从而改善力传感器的控制简便性和工作稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的优选实施例一的结构示意图；

图2为本发明的优选实施例一的夹持机构未设置外壳、后盖的俯视图；

图3为本发明的优选实施例一的夹持机构未设置外壳、后盖的侧视图；

图4为本发明的优选实施例一的夹持机构的结构示意图；

图5为本发明的优选实施例一的夹持机构为设置外壳、后盖的结构示意图；

图6为本发明的优选实施例一的外框、外环、内环安装的俯视图；

图7为本发明的优选实施例一的外壳上安装两个电磁铁的结构示意图；

图8为本发明第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器的结构示意图；

图9为本发明提供的第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器中的电路布局结构示意图；

图10为本发明的优选实施例一的控制原理图；

图11为本发明的优选实施例二的结构示意图；

图12为本发明的优选实施例二的夹持机构未设置外壳、后盖的结构示意图；

图13为本发明的优选实施例二的夹持机构的结构示意图；

图14为本发明的优选实施例二的控制原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-图10所示，一种两自由度旋转调节装置，包括工控机10、数据采集卡12、运动控制卡14、电机组件、两自由度旋转平台以及安装在两自由度旋转平台上的夹持机构，数据采集卡12、运动控制卡14均与工控机10相连接，运动控制卡14与电机组件相连接，电机组件驱动两自由度旋转平台旋转，夹持机构包括外框16、内环18、外环20、夹持器、第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24、第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28，内环18与外环20可转动连接，外环20与外框16可转动连接，夹持器安装在内环18上，第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24相对安装在外环20上，第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28相对安装在外框16上，第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24、第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28均与数据采集卡12相连接。

本发明优选电机组件包括第一电机30和第二电机32，两自由度旋转平台包括Y轴旋转平台34、安装在Y轴旋转平台34上的X轴旋转平台36，第一电机30驱动Y轴旋转平台34绕Y轴旋转，第二电机32驱动X轴旋转平台 36绕X轴旋转。为了便于第一电机30和第二电机32的启动或停止，本发明优选运动控制卡14连接有两个电机驱动器37，第一电机30、第二电机32分别与对应的电机驱动器37相连接。

进一步优选第一电机30的输出轴通过第一联轴器38与Y轴旋转平台34 相连接，第二电机32的输出轴通过第二联轴器40与X轴旋转平台36相连接。

进一步优选Y轴旋转平台34、X轴旋转平台36均采用骏河精机的标准转动滑台，型号为KGW04040-L。

本发明优选内环18内设置有安装孔42，安装孔42的中间部位连接有配重块44，通过配重块44来平衡夹持器和夹持零件的重量，使内环18始终保持平衡的状态，配重块44上设置有至少一个配重孔46，当更换夹持零件后由于零件的重量发生改变，可以在配重孔46中添加或者减少相应的重量，使装配过程相对简单并且增加了夹持器的适用性，降低成本。

为了便于外环20和内环18的转动，本发明优选外环20与外框16之间连接有至少一个第一销钉48，外环20能够绕X轴旋转，内环18与外环20之间连接有至少一个第二销钉50，内环18能够绕Y轴旋转。

本实施例优选夹持器包括两个夹持片52和两个电磁铁54，两个夹持片52 相对设置，两个电磁铁54相对设置，每个夹持片52的一端安装在内环18上，每个夹持片52的另一端从两个电磁铁54之间穿过，两个电磁铁54均与工控机10相连接。为了便于电磁铁54的通断电，本发明优选工控机10连接有微控制器55，微控制器55连接有电磁铁驱动电路56，电磁铁54与电磁铁驱动电路56连接。

为了便于电磁铁54的安装，本发明还包括外壳57，外壳57与外框16固定连接，两个电磁铁54均安装在外壳57上，每个夹持片52的另一端伸出外壳57。

为了便于电磁铁54吸住或释放夹持片52，本发明优选夹持片52为铁片。

进一步优选每个夹持片52的一端粘连在安装孔42的侧壁上，配重块44 粘连在安装孔42的中间部位。

为了便于稳定的夹持零件，本发明优选每个夹持片52的另一端连接有接触头58。本发明优选接触头58与夹持片52采用胶水粘接。

本发明还设置有后盖59，后盖59与外框16固定连接。进一步优选后盖 59安装在X轴旋转平台36上。

本发明优选微控制器55为arduino nano。本发明优选数据采集卡12为阿尔泰公司的多功能数据采集卡PCI-8062。本发明优选运动控制卡14为雷赛12 轴运动控制卡DMC3C00。本发明优选电机驱动器37的型号为KR-A55MB，电磁铁驱动电路56，就是给电磁铁54一个12V的电压，电磁铁54通电生磁，就可吸附铁质的夹持片52。优选电磁铁54采用直流电磁铁工业吸盘，LY-1809， DC12V/吸力1.2kg。

本发明优选第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24、第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28均为复合量程微力传感器，包括第一悬臂梁60、第二悬臂梁62和第三悬臂梁64；其中，该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁64依次平行排布在同一平面上；该第一悬臂梁 60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁64具有相同的长度和相同的厚度；该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁64的宽度依次递增；该第一悬臂梁60连接有第一测量电路，该第一测量电路用于将该第一悬臂梁60 检测到的力信号转换为电信号；该第二悬臂梁62连接有第二测量电路，该第二测量电路用于将该第二悬臂梁62检测到的力信号转换为电信号；该第三悬臂梁64连接有第三测量电路，该第三测量电路用于将该第三悬臂,64检测到的力信号转换为电信号；该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁 64的力信号检测分辨率依次减小；该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁64的力信号检测量程依次增大。

上述复合量程微力传感器的技术方案的有益效果为：该复合量程微力传感器通过将具有不同力检测量程和力检测精度的三个悬臂梁平行排布，其能够利用该三个悬臂梁在力检测量程和力检测精度上的差异进行有机的结合与互补，以此利用该三个悬臂梁分别对不同力检测量程和/或力检测精度需求场合进行相应的力检测，以使得力传感器同时具备大力检测量程和高力检测精度，并且还通过相应的惠斯通电桥电路来实时检测悬臂梁的受力变化状态，从而改善力传感器的控制简便性和工作稳定性。具体而言，由于当力传感器中悬臂梁的宽度越大，其对应的力检测量程越大且力检测精度越小，相反地，当力传感器中悬臂梁的宽度越小，其对应的力检测量程越小且力检测精度越大，该复合量程微力传感器通过将三个具有不同宽度的悬臂梁依次平行排布，这样能够使得力传感器能够在实际测量过程中进行高精度和大量程的力值测量，从而提高力传感器的测量可靠性和稳定性。

优选地，该复合量程微力传感器还包括固定端面66，该固定端面66设置在该同一平面上；该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁64各自包括相对设置的一固定端和一自由端；该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62 和该第三悬臂梁64各自的固定端均与该固定端面66连接。

上述技术方案的有益效果为：通过在同一平面上设置固定端面，并将第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的固定端共同设置在该固定端面上，能够有效地对三个悬臂梁进行固定安装和保证三个悬臂梁相对位置的稳固性。

优选地，该第一悬臂梁60的自由端设置有第一凸台68；该第二悬臂梁62 的自由端设置有第二凸台70；该第一凸台68的高度大于该第二凸台70的高度。

上述技术方案的有益效果为：该第一悬臂梁和第二悬臂梁的自由端设置有高度不同的凸台，并且该第三悬臂梁的自由端没有设置任何凸台，这使得三个悬臂梁的自由端具有不同的相对高度位置，从而保证在测量过程中，三个悬臂梁同时接触到待检测的微小力信号，以保证在同一时刻只有一个悬臂梁接触到待检测的微小力信号，以此保证力传感器的测量准确性。在实际测量中，由于第一悬臂梁自由端上的凸台具有最高的高度，这使得该第一悬臂梁会首先接触到待检测的微小力信号，此时的检测过程对应具有最小的力检测量程和最大的力检测精度，并在第一悬臂梁达到最大力检测值前，第二悬臂梁自由端对应的凸台会接触到待检测的微小力信号，同样地在第二悬臂梁达到最大力检测值前，第三悬臂梁的自由端会接触到待检测的微小力信号，此时的检测过程对应具有最大的力检测精度，通过上述从第一悬臂梁到第二悬臂梁再到第三悬臂梁的依次递减测量过程，能够同时实现大力检测量程和高力检测精度的测量操作。

优选地，该第一测量电路为第一惠斯通电桥测量电路；其中，

该第一惠斯通电桥测量电路包括四个力敏电阻R1、R2、R3、R4；

该力敏电阻R2和R3设置在该第一悬臂梁60处于受力状态时形变最大的区域，该力敏电阻R2和R3的电阻随着该第一悬臂梁60的形变强度变化而变化，该力敏电阻R1和R4设置在该复合量程微力传感器的固定端面66上，该力敏电阻R1和R4的电阻不随该第一悬臂梁60发生形变而变化。

优选地，该力敏电阻R1、R2、R3、R4依次首尾电连接；

该力敏电阻R1和R2的相连端与该第一惠斯通电桥测量电路的输出电极 EO1相连，该力敏电阻R1和R3的相连端与该第一惠斯通电桥测量电路的输入电极EI1相连，该力敏电阻R2和R4的相连端与该第一惠斯通电桥测量电路的输入电极EI2相连，该力敏电阻R3和R4的相连端与该第一惠斯通电桥测量电路的输出电极EO2相连；

该第一惠斯通电桥测量电路的输入电极EI1和该第一惠斯通电桥测量电路的输入电极EI2分别连接输入电压两端，该第一惠斯通电桥测量电路的输出电极EO1和该第一惠斯通电桥测量电路的输出电极EO2用于输出测量电压。

上述技术方案的有益效果为：在实际测量中，第一悬臂梁自由端的凸台接触到待检测的微小力信号，此时第一悬臂梁的根部会发生形变，从而使得力敏电阻R2和R3随着第一悬臂梁发生形变而产生电阻阻值的变化，并使得该第一惠斯通电桥测量电路输出的电压发生变化，最终通过输出电压与力信号之间的比例关系能够计算获得该力信号对应的力值大小。

优选地，该第二测量电路为第二惠斯通电桥测量电路；其中，

该第二惠斯通电桥测量电路包括四个力敏电阻R5、R6、R7、R8；

该力敏电阻R6和R7设置在该第二悬臂梁62处于受力状态时形变最大的区域，该力敏电阻R6和R7的电阻随着该第二悬臂梁62的形变强度变化而变化，该力敏电阻R5和R8设置在该复合量程微力传感器的固定端面66上，该力敏电阻R5和R8的电阻不随该第二悬臂梁62发生形变而变化。

优选地，该力敏电阻R5、R6、R3、R4依次首尾电连接；

该力敏电阻R5和R6的相连端与该第二惠斯通电桥测量电路的输出电极 EO1相连，该力敏电阻R5和R7的相连端与该第二惠斯通电桥测量电路的输入电极EI1相连，该力敏电阻R6和R8的相连端与该第二惠斯通电桥测量电路的输入电极EI2相连，该力敏电阻R7和R8的相连端与该第二惠斯通电桥测量电路的输出电极EO2相连；

该第二惠斯通电桥测量电路的输入电极EI1和该第二惠斯通电桥测量电路的输入电极EI2分别连接输入电压两端，该第二惠斯通电桥测量电路的输出电极EO1和该第二惠斯通电桥测量电路的输出电极EO2用于输出测量电压。

上述技术方案的有益效果为：在实际测量中，第二悬臂梁自由端的凸台接触到待检测的微小力信号，此时第二悬臂梁的根部会发生形变，从而使得力敏电阻R6和R7随着第二悬臂梁发生形变而产生电阻阻值的变化，并使得该第二惠斯通电桥测量电路输出的电压发生变化，最终通过输出电压与力信号之间的比例关系能够计算获得该力信号对应的力值大小。

优选地，该第三测量电路为第三惠斯通电桥测量电路；其中，

该第三惠斯通电桥测量电路包括四个力敏电阻R9、R10、R11、R12；

该力敏电阻R10和R11设置在该第三悬臂梁64处于受力状态时形变最大的区域，该力敏电阻R10和R11的电阻随着该第三悬臂梁64的形变强度变化而变化，该力敏电阻R9和R12设置在该复合量程微力传感器的固定端面66 上，该力敏电阻R9和R12的电阻不随该第三悬臂梁64发生形变而变化。

优选地，该力敏电阻R9、R10、R11、R12依次首尾电连接；

该力敏电阻R9和R10的相连端与该第三惠斯通电桥测量电路的输出电极EO1相连，该力敏电阻R9和R11的相连端与该第三惠斯通电桥测量电路的输入电极EI1相连，该力敏电阻R10和R12的相连端与该第三惠斯通电桥测量电路的输入电极EI2相连，该力敏电阻R11和R12的相连端与该第三惠斯通电桥测量电路的输出电极EO2相连；

该第三惠斯通电桥测量电路的输入电极EI1和该第三惠斯通电桥测量电路的输入电极EI2分别连接输入电压两端，该第三惠斯通电桥测量电路的输出电极EO1和该第三惠斯通电桥测量电路的输出电极EO2用于输出测量电压。

上述技术方案的有益效果为：在实际测量中，第三悬臂梁的自由端接触到待检测的微小力信号，此时第三悬臂梁的根部会发生形变，从而使得力敏电阻R10和R11随着第三悬臂梁发生形变而产生电阻阻值的变化，并使得该第三惠斯通电桥测量电路输出的电压发生变化，最终通过输出电压与力信号之间的比例关系能够计算获得该力信号对应的力值大小。

优选地，该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁64的长度为1000-3000μm；或者，该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁 64的厚度为50-100μm；或者，该第一悬臂梁60的宽度为500μm，该第二悬臂梁62的宽度为3000μm，该第三悬臂梁64的宽度为10000μm；或者；该第一悬臂梁60的最小力信号检测分辨率为10μN，该第一悬臂梁60的力信号检测量程为10-400μN；或者；该第二悬臂梁62的最小力信号检测分辨率为400μN，该第二悬臂梁62的力信号检测量程为400-30000μN；或者；该第三悬臂梁64 的最小力信号检测分辨率为2000μN，该第三悬臂梁64的力信号检测量程为 2000-250000μN；或者，该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁 64均在SiO2上通过光刻工艺制作形成。

在实际应用中，该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁64 的长度、宽度和高度尺寸具体可如下面表1所示：

表1

特别地，该第一悬臂梁60采用根部挖空设计，这样能够保证该第一悬臂梁60在三个悬臂梁中具有最高的力检测灵敏度，其能够满足20μN的微力检测分辨率。可选地，可以在该第一悬臂梁60的根部挖出形成100μm*100μm的方形槽孔。

在实际应用中，该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁64 的检测参数具体可如下面表2所示：

表2

另外，该第一悬臂梁60、该第二悬臂梁62和该第三悬臂梁64的制作工艺流程可包括：

(1)在基底的表面热生长形成一层厚度为25nm的SiO₂，以此作为离子注入保护层；

(2)在SiO₂的正面旋涂一层厚度为2μm的光刻胶；

(3)对该光刻胶进行光刻处理，以光刻胶作为掩膜刻蚀形成力敏电阻槽；

(4)在该力敏电阻槽内注入高浓度硼离子，以此形成力敏电阻，其中高浓度硼离子的注入能量为50KeV、注入剂量为214cm²，然后对该力敏电阻进行1100℃和40s的退火处理，再在该力敏电阻表面上形成一层厚度为0.3μm的氧化层；

(5)对该光刻胶上刻蚀形成引线孔，该引线孔的刻蚀对应的注入能量为 50KeV、注入剂量为215cm²，然后进行1100℃和40s的退火处理；

(6)在该引线孔进行金属溅射，从而形成700nm的Al引线，并进行4500℃和20min的退火处理；

(7)在基底的表面进行等离子体增强化学气相沉积处理，以此形成厚度为1μm的SiN绝缘介质层；

(8)在SiN绝缘介质层上形成图案化的接触焊盘；

(9)对基底进行各项同性处理、掏出反应腔和释放悬臂梁。

从上述实施例的内容可知，该复合量程微力传感器包括第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁；其中，该第一悬臂梁、该第二悬臂梁和该第三悬臂梁依次平行排布在同一平面上；该第一悬臂梁、该第二悬臂梁和该第三悬臂梁具有相同的长度和相同的厚度；该第一悬臂梁、该第二悬臂梁和该第三悬臂梁的宽度依次递增；该第一悬臂梁连接有第一测量电路，该第一测量电路用于将所述第一悬臂梁检测到的力信号转换为电信号；该第二悬臂梁连接有第二测量电路，该第二测量电路用于将该第二悬臂梁检测到的力信号转换为电信号；该第三悬臂梁连接有第三测量电路该第三测量电路用于将该第三悬臂梁检测到的力信号转换为电信号；该第一悬臂梁、该第二悬臂梁和该第三悬臂梁的力信号检测检测分辨率减小；该第一悬臂梁、该第二悬臂梁和该第三悬臂梁的力信号检测量程依次增大；可见，该复合量程微力传感器通过将具有不同力检测量程和力检测精度的三个悬臂梁平行排布，其能够利用该三个悬臂梁在力检测量程和力检测精度上的差异进行有机的结合与互补，以此利用该三个悬臂梁分别对不同力检测量程和/或力检测精度需求场合进行相应的力检测，以使得力传感器同时具备大力检测量程和高力检测精度，并且还通过相应的惠斯通电桥电路来实时检测悬臂梁的受力变化状态，从而改善力传感器的控制简便性和工作稳定性。

本实施例一还提供一种主动抑振控制方法，使用本发明实施例一的两自由度旋转调节装置，包括以下步骤：

(1)将零件放入待夹持区域；

(2)通过工控机10控制夹持器夹持住零件；

(3)在零件带动夹持器、内环18和外环20转动时，工控机10根据第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24、第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28的力信号反馈控制电机组件，使零件处于平稳状态。

优选地，在步骤(1)之前，还包括通过工控机10发送信号给微控制器 55，电磁铁驱动电路56控制两个电磁铁54通电，两个电磁铁54分别吸住两个夹持片52，使两个夹持片52前端均张开一定角度。

优选地，步骤(1)中，待夹持区域为两个第一接触头58之间的区域。

优选地，步骤(2)中，通过工控机10发送信号给微控制器55，电磁铁驱动电路56控制电磁铁54断电，电磁铁54去磁，夹持片52恢复形变，实现对零件的夹持。

优选地，步骤(3)中，工控机10根据第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24、第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28的信号反馈控制电机组件，使零件处于平稳状态包括：

当工控机10检测到第一外环测力传感器26的力信号时，外环20处于沿 X轴正方向绕X轴向左偏摆的状态，工控机10控制两自由度旋转平台沿X 轴正方向绕X轴向右偏摆；当工控机10检测到第一外环测力传感器26的力信号小于一定阈值时，外环20与第一外环测力传感器26处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机10检测到第二外环测力传感器28的力信号时，外环20处于沿 X轴正方向绕X轴向右偏摆的状态，工控机10控制两自由度旋转平台沿X 轴正方向绕X轴向左偏摆；当工控机10检测到第二外环测力传感器28的力信号小于一定阈值时，此时外环20与第二外环测力传感器28处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机10检测到第一内环测力传感器22的力信号时，内环18处于沿 Y轴正方向绕Y轴向左偏摆的状态，工控机10控制两自由度旋转平台沿Y 轴正方向绕Y轴向右偏摆；当工控机10检测到第一内环测力传感器22的力信号小于一定阈值时，此时内环18与第一内环测力传感器22处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机10检测到第二内环测力传感器24的力信号时，内环18处于沿 Y轴正方向绕Y轴向右偏摆的状态，工控机10控制两自由度旋转平台沿Y 轴正方向绕Y轴向左偏摆；当工控机10检测到第二内环测力传感器24的力信号小于一定阈值时，此时内环18与第二内环测力传感器24处于脱离接触状态或者不受力状态；

当外环20与第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28均处于脱离接触状态或者不受力状态时，此时外环20、第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28均处于稳定状态，外环20调节完毕；

当内环18与第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24均处于脱离接触状态或者不受力状态时，此时内环18、第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24均处于稳定状态，内环18调节完毕；

当外环20和内环18均调节完毕，此时夹持的零件调节完毕，处于稳定状态。

实施例二

如图8、图9、图11-图13所示，本发明实施例二的两自由度旋转调节装置与实施例一的两自由度旋转调节装置的区别在于：

夹持机构包括两个压电陶瓷组件，每个压电陶瓷组件包括压电陶瓷片80、与压电陶瓷片80相连接的三根金属丝82，两个压电陶瓷片80均与工控机10 相连接。

优选地，压电陶瓷片80上有三个接线柱(图中未示出)，三根金属丝82 分别焊接在对应的三个接线柱上。

优选地，金属丝82的直径为20μm，能够实现与接线柱的焊接，避免融化，同时能够避免影响内环18的转动。

优选地，金属丝82为银丝，但并不局限于银丝，也可以为金丝。

优选地，还设置有压电陶瓷片驱动电路84，微控制器55与压电陶瓷片驱动电路84相连接，压电陶瓷片驱动电路84通过三根金属丝82与压电陶瓷片 80相连接。

本实施例优选压电陶瓷片驱动电路84采用150V三通道电源，型号是HPV 系列压电陶瓷驱动电源系统。

本实施例二还提供了一种主动抑振控制方法，使用本发明实施例二的两自由度旋转调节装置，包括以下步骤：

(1)将零件放入待夹持区域；

(2)通过工控机10控制夹持器夹持住零件；

(3)在零件带动夹持器、内环18和外环20转动时，工控机10根据第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24、第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28的力信号反馈控制电机组件，使零件处于平稳状态。

优选地，步骤(1)中，待夹持区域为两个第一接触头58之间的区域。

优选地，步骤(2)中，通过工控机10发送信号给微控制器55，压电陶瓷片驱动电路84控制两个压电陶瓷片80弯曲，从而使得两个接触头58夹住零件。

优选地，步骤(3)中，工控机10根据第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24、第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28的信号反馈控制电机组件，使零件处于平稳状态包括：

当工控机10检测到第一外环测力传感器26的力信号时，外环20处于沿 X轴正方向绕X轴向左偏摆的状态，工控机10控制两自由度旋转平台沿X 轴正方向绕X轴向右偏摆；当工控机10检测到第一外环测力传感器26的力信号小于一定阈值时，外环20与第一外环测力传感器26处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机10检测到第二外环测力传感器28的力信号时，外环20处于沿 X轴正方向绕X轴向右偏摆的状态，工控机10控制两自由度旋转平台沿X 轴正方向绕X轴向左偏摆；当工控机10检测到第二外环测力传感器28的力信号小于一定阈值时，此时外环20与第二外环测力传感器28处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机10检测到第一内环测力传感器22的力信号时，内环18处于沿 Y轴正方向绕Y轴向左偏摆的状态，工控机10控制两自由度旋转平台沿Y 轴正方向绕Y轴向右偏摆；当工控机10检测到第一内环测力传感器22的力信号小于一定阈值时，此时内环18与第一内环测力传感器22处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机10检测到第二内环测力传感器24的力信号时，内环18处于沿 Y轴正方向绕Y轴向右偏摆的状态，工控机10控制两自由度旋转平台沿Y 轴正方向绕Y轴向左偏摆；当工控机10检测到第二内环测力传感器24的力信号小于一定阈值时，此时内环18与第二内环测力传感器24处于脱离接触状态或者不受力状态；

当外环20与第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28均处于脱离接触状态或者不受力状态时，此时外环20、第一外环测力传感器26、第二外环测力传感器28均处于稳定状态，外环20调节完毕；

当内环18与第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24均处于脱离接触状态或者不受力状态时，此时内环18、第一内环测力传感器22、第二内环测力传感器24均处于稳定状态，内环18调节完毕；

当外环20和内环18均调节完毕，此时夹持的零件调节完毕，处于稳定状态。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种两自由度旋转调节装置，其特征在于，包括工控机、数据采集卡、运动控制卡、电机组件、两自由度旋转平台以及安装在所述两自由度旋转平台上的夹持机构，所述数据采集卡、运动控制卡均与所述工控机相连接，所述运动控制卡与所述电机组件相连接，所述电机组件驱动所述两自由度旋转平台旋转，所述夹持机构包括外框、内环、外环、夹持器、第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器，所述内环与所述外环可转动连接，所述外环与所述外框可转动连接，所述夹持器安装在所述内环上，所述第一内环测力传感器、第二内环测力传感器相对安装在所述外环上，所述第一外环测力传感器、第二外环测力传感器相对安装在所述外框上，所述第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器均与所述数据采集卡相连接。

2.根据权利要求1所述的一种两自由度旋转调节装置，其特征在于，所述夹持器包括两个夹持片和两个电磁铁，两个所述夹持片相对设置，两个所述电磁铁相对设置，每个所述夹持片的一端安装在所述内环上，每个所述夹持片的另一端从两个所述电磁铁之间穿过，两个所述电磁铁均与所述工控机相连接。

3.根据权利要求2所述的一种两自由度旋转调节装置，其特征在于，所述夹持片为铁片。

4.根据权利要求1所述的一种两自由度旋转调节装置，其特征在于，所述夹持器包括两个压电陶瓷组件，每个所述压电陶瓷组件包括压电陶瓷片、与所述压电陶瓷片相连接的三根金属丝，两个所述压电陶瓷片均与所述工控机相连接。

5.根据权利要求4所述的一种两自由度旋转调节装置，其特征在于，所述金属丝的直径为20μm。

6.根据权利要求1所述的一种两自由度旋转调节装置，其特征在于，所述内环上设置有安装孔，所述安装孔的中间部位连接有配重块，所述配重块上设置有至少一个配重孔。

7.根据权利要求1所述的一种两自由度旋转调节装置，其特征在于，所述外环与所述外框之间连接有至少一个第一销钉，所述内环与所述外环之间连接有至少一个第二销钉。

8.根据权利要求1所述的一种两自由度旋转调节装置，其特征在于，所述电机组件包括第一电机和第二电机，所述两自由度旋转平台包括Y轴旋转平台、安装在所述Y轴旋转平台上的X轴旋转平台，所述第一电机驱动所述Y轴旋转平台绕Y轴旋转，所述第二电机驱动所述X轴旋转平台绕X轴旋转。

9.一种主动抑振控制方法，其特征在于，使用如权利要求1-8中任意一项所述的装置，包括以下步骤：

(1)将零件放入待夹持区域；

(2)通过工控机控制夹持器夹持住零件；

(3)在零件带动夹持器、内环和外环转动时，工控机根据第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器的力信号反馈控制电机组件，使零件处于平稳状态。

10.根据权利要求9所述的一种主动抑振控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，工控机根据第一内环测力传感器、第二内环测力传感器、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器的力信号反馈控制电机组件，使零件处于平稳状态包括：

当工控机检测到第一外环测力传感器的力信号时，外环处于沿X轴正方向绕X轴向左偏摆的状态，工控机控制两自由度旋转平台沿X轴正方向绕X轴向右偏摆；当工控机检测到第一外环测力传感器的力信号小于一定阈值时，外环与第一外环测力传感器处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机检测到第二外环测力传感器的力信号时，外环处于沿X轴正方向绕X轴向右偏摆的状态，工控机控制两自由度旋转平台沿X轴正方向绕X轴向左偏摆；当工控机检测到第二外环测力传感器的力信号小于一定阈值时，此时外环与第二外环测力传感器处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机检测到第一内环测力传感器的力信号时，内环处于沿Y轴正方向绕Y轴向左偏摆的状态，工控机控制两自由度旋转平台沿Y轴正方向绕Y轴向右偏摆；当工控机检测到第一内环测力传感器的力信号小于一定阈值时，此时内环与第一内环测力传感器处于脱离接触状态或者不受力状态；

当工控机检测到第二内环测力传感器的力信号时，内环处于沿Y轴正方向绕Y轴向右偏摆的状态，工控机控制两自由度旋转平台沿Y轴正方向绕Y轴向左偏摆；当工控机检测到第二内环测力传感器的力信号小于一定阈值时，此时内环与第二内环测力传感器处于脱离接触状态或者不受力状态；

当外环与第一外环测力传感器、第二外环测力传感器均处于脱离接触状态或者不受力状态时，此时外环、第一外环测力传感器、第二外环测力传感器均处于稳定状态，外环调节完毕；

当内环与第一内环测力传感器、第二内环测力传感器均处于脱离接触状态或者不受力状态时，此时内环、第一内环测力传感器、第二内环测力传感器均处于稳定状态，内环调节完毕；

当外环和内环均调节完毕，此时夹持的零件调节完毕，处于稳定状态。

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