CN117053965B - 一种吸附力测试与自动复位平台及测试与速度规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种吸附力测试与自动复位平台及测试与速度规划方法，通过速度规划算法调节驱动电机速度，使吸附机构组件沿着直线导轨滑台与所述被吸附对象表面贴合时，冲击力较小，同时给予一定的预压力，等待一段时间后，反向运动，带动被吸附对象组件整体沿着直线导轨滑动，同时拉簧被拉伸，力传感器读取拉簧拉力。运动小段距离后，吸附力与拉簧拉力、滑动摩擦力达到平衡，然后吸附机构与被吸附对象表面脱离，力传感器记录拉簧拉力峰值，被吸附对象组件在拉簧拉力作用下复位，力传感器示数回零。本发明可以实现密闭环境下吸附力的重复多次测试，节约了实验时间，降低了实验成本，且结合速度规划算法，使贴附瞬间冲击力较小。
Description
技术领域
本发明属于吸附力测量技术领域，具体涉及一种吸附力测试与自动复位平台及测试与速度规划方法。
背景技术
常见的吸附技术包括真空吸附、磁吸附、仿壁虎吸附、静电吸附。吸附技术广泛应用于日常生产生活中。爬壁机器人采用吸附技术可代替人工实现高层建筑外表面的清洁工作，机械臂末端采用吸附技术可完成货物的搬运工作。
通过实验测试手段获得吸附力数值有助于对吸附力产生机理的研究，有利于吸附技术的不断进步。而现有的、常见的吸附力测试通常通过人工拉动弹簧测力计实现，人为引入因素多、测试误差大，因此亟需一种吸附力测试平台代替人工测力。
公开号为CN108981998B的专利公开了一种静电吸附力测试平台及其测力方法。该平台包括平台底座、基底板、基底框架、十字形滚珠丝杠驱动装置、静电吸附膜和吸附膜支架以及配套的控制采集界面窗口，能够在同一平台上分别准确便捷地测量得到静电吸附膜的法向和切向静电吸附力，测量过程合理，测量准确。该专利使用机电一体化测试平台代替了人工测试，人为引入干扰因素少，测试结果更加准确。但是该装置的基底板位置固定，无法移动，只能模拟被吸附对象静止的工况。而且电机存在加速时间，测量法向静电吸附力时，静电吸附膜与基底板在电机加速过程就发生脱离，引入了加速度误差，从而降低了测试精度。且该专利未对电机速度进行规划调节，导致吸附膜与基底板接触瞬间出现硬碰硬现象，存在较大的冲击力，可能会引发基底板震动，从而影响吸附力测试。
公开号为CN111207867A的专利公开了一种静电吸附力测试平台。该平台包括切向测试平台、法向测试平台、定滑轮、数显测力器、卷线轴、电机，通过数显测力器传递到电脑端。该专利虽然可以测试法向与切向静电吸附力，但是与公开号为CN108981998B的专利缺点类似。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种吸附力测试与自动复位平台及测试与速度规划方法，可以实现密闭环境下吸附力的重复多次测试，节约了实验时间，降低了实验成本，且结合速度规划算法，使贴附瞬间冲击力较小，可得到静电吸附力的准确数值。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种吸附力测试与自动复位平台，包括铝型材框架、直线导轨、滑块、滑块限位块、挡块、上底板、力传感器安装块、力传感器、拉簧、被吸附对象固定组件、被吸附对象、吸附机构、吸附机构固定组件、直线导轨滑台、光电传感器、驱动电机、调节支撑脚、力传感器显示屏、电机驱动器、独立控制器、直流电源、测力计；
被吸附对象固定组件通过螺钉与安装板固定，安装板通过螺钉与滑块固定；挡块、直线导轨、滑块限位块均通过螺钉与上底板连接，上底板通过螺钉与铝型材框架连接，滑块限位块将滑块行程限制在直线导轨内；力传感器通过螺钉与力传感器安装块连接，力传感器安装块通过螺钉与铝型材框架连接；拉簧通过拉簧固定块与力传感器连接，拉簧通过拉簧安装块与被吸附对象固定组件连接；被吸附对象与被吸附对象固定组件通过压块固定，通过滑块在直线导轨上整体滑动；驱动电机通过电机法兰片与直线导轨滑台固定，驱动电机的轴通过联轴器与直线导轨滑台的滚珠丝杆连接，传递动力；直线导轨滑台通过安装板与铝型材框架固定；吸附机构固定组件与滑块面板通过螺钉固接，实现前后移动；调节支撑脚通过螺钉与下底板连接，下底板通过螺钉与铝型材框架连接，通过微调调节支撑脚高度实现平台的平稳安放；
力传感器显示屏，用于显示力传感器的实时值与峰值；光电传感器、驱动电机均与电机驱动器连接，电机驱动器与独立控制器连接，直流电源用于为电机驱动器、独立控制器供电；独立控制器通过控制电机驱动器可调节驱动电机的转角、旋向和转速，从而调节吸附机构位置、速度方向、速度大小；光电传感器位于直线导轨滑台的起始位置和终点位置，确定吸附机构固定组件的运动起点与终点，起到限位作用；测力计用于在安装拉簧之前，拉动被吸附对象组件沿直线导轨做近似匀速直线运动，记录此时测力计读数，作为滑动摩擦力。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的压块与被吸附对象固定组件之间设有垫片，压块、衬垫、被吸附对象固定组件通过螺钉固定连接，通过拧松螺钉，可更换不同的被吸附对象。
通过选用不同刚度、数量的所述拉簧，改变被吸附对象固定组件的行程，实现被吸附对象不同振动频率的模拟，从而更加真实地模拟被吸附对象存在振动时的吸附工况。
上述的滑块与直线导轨之间润滑充分。
一种吸附力测试与速度规划方法，包括：
在安装拉簧之前，使用测力计拉动被吸附对象组件沿直线导轨做近似匀速直线运动，记录此时测力计读数，作为滑动摩擦力。
当被吸附对象固定组件处于挡块标示的初始位置时，微调力传感器安装块位置，使力传感器示数为零；
通过速度规划算法调节驱动电机速度，使吸附机构组件沿着直线导轨滑台与所述被吸附对象表面贴合时，冲击力较小，同时给予一定的预压力，等待一段时间后，反向运动，带动被吸附对象组件整体沿着直线导轨滑动，同时拉簧被拉伸，力传感器读取拉簧拉力。运动小段距离后，吸附力与拉簧拉力、滑动摩擦力达到平衡，然后吸附机构与被吸附对象表面脱离，力传感器记录拉簧拉力峰值，被吸附对象组件在拉簧拉力作用下复位，力传感器示数回零，所测吸附力等于拉簧拉力峰值与滑动摩擦力之和。
重复测试时，需要保证预压力，预压时间保持一致。
采用改进S型曲线算法对电机运动速度进行规划，具体的：
（1）已知起点位置，终点位置/>，从吸附机构与被吸附对象表面刚接触到完成预压力施加到达终点位置/>的总压缩行程为/>，初始速度/>，终点速度/>，给定过渡速度/>、加速段最大加速度/>、减速段最大加速度/>；
（2）采用改进S型曲线算法计算得到整段曲线的位置表达式，将位置代入位置表达式，反解得到吸附机构与被吸附对象表面刚刚接触，未施加预压力时的时间，再计算得到此时的速度和加速度大小；
（3）判断速度和加速度大小是否在驱动电机最大速度、最大加速度范围内，若是，则此时速度和加速度所对应的过渡速度、加速段最大加速度/>、减速段最大加速度，否则返回（1）重新给定过渡速度/>、加速段最大加速度/>、减速段最大加速度。
本发明具有以下有益效果：
本发明平台中，被吸附对象并未固定，通过滑块可实现在直线导轨上的前后滑动，该平台可对被吸附对象振动工况进行模拟，通过调节拉簧的数量与刚度，可实现被吸附对象等效振动频率的调节；而且测试法向吸附力时，吸附机构与被吸附对象在匀速直线运动过程中实现脱离，避免了加速度造成的测试误差；并且加入了电机速度规划调节算法，保证运动过程中，电机加速度连续，避免了加速度突变引发的冲击，使吸附机构与被吸附对象接触瞬间冲击力较小。
本发明完成单次吸附力测试后，在无测试人员手动调整的情况下，可进行下次吸附力测试。本测试平台优势在于，可以在测试人员无法实现手动调整的密闭环境内实现吸附力的重复多次测试，节约了测试时间，降低了测试成本。
本发明采用改进S型曲线算法对电机运动速度进行规划，保证整个行程中，速度、加速度曲线连续，避免加速度突变造成的冲击，且保证所述吸附机构与所述被吸附对象接触瞬间，冲击力较小。改进S型曲线算法，与T型曲线算法、指数加减速曲线算法相比，具有加速度曲线连续，对所述电机冲击较小等优势；与传统S形曲线算法相比，具有处理简便、计算量小、缺省情形少等优势。
附图说明
图1是本发明测试平台的三维示意图；
图2是本发明被吸附对象组件示意图；
图3是本发明铝型材框架、直线导轨、滑块、挡块、拉簧示意图；
图4是本发明直线导轨滑台、吸附机构及其固定组件示意图；
图5是本发明吸附力测试流程图；
图6是本发明改进S型曲线算法的计算流程图；
图7是本发明基于改进S型曲线算法的速度规划流程图；
附图标记为：1铝型材框架、2直线导轨、3滑块、4挡块、5力传感器安装块、6力传感器、7拉簧、8被吸附对象固定组件、9被吸附对象、10吸附机构、11吸附机构固定组件、12直线导轨滑台、13光电传感器、14驱动电机、15调节支撑脚。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
如图1~图4所示，本实施例的一种吸附力测试与自动复位平台，包括铝型材框架1、直线导轨2、滑块3、滑块限位块、挡块4、上底板、力传感器安装块5、力传感器6、拉簧7、被吸附对象固定组件8、被吸附对象9、吸附机构10、吸附机构固定组件11、直线导轨滑台12、光电传感器13、驱动电机14、调节支撑脚15、力传感器显示屏、电机驱动器、独立控制器、直流电源、测力计、控制柜等。
铝型材通过铝型材固定件连接，组装成铝型材框架1；被吸附对象固定组件8通过螺钉与安装板固定，安装板通过螺钉与滑块3固定；挡块4、直线导轨2、滑块限位块均通过螺钉与上底板连接，上底板通过螺钉与铝型材框架1连接，滑块限位块将滑块3行程限制在直线导轨2内；力传感器6通过螺钉与力传感器安装块5连接，力传感器安装块5通过螺钉与铝型材框架1连接；拉簧7通过拉簧固定块与力传感器6连接，拉簧7通过拉簧安装块与被吸附对象固定组件8连接；被吸附对象9与被吸附对象固定组件8通过压块固定，通过滑块3在直线导轨2上整体滑动；压块与被吸附对象固定组件8之间有垫片，起到缓冲作用，通过螺钉将压块、衬垫、被吸附对象固定组件8固定连接，通过拧松螺钉，可更换不同的被吸附对象9；驱动电机14通过电机法兰片与直线导轨滑台12固定，驱动电机14的轴通过联轴器与直线导轨滑台12的滚珠丝杆连接，传递动力；直线导轨滑台12通过安装板与铝型材框架1固定；吸附机构固定组件11与滑块3面板通过螺钉固接，实现前后移动；调节支撑脚15通过螺钉与下底板连接，下底板通过螺钉与铝型材框架1连接，通过微调调节支撑脚15高度实现平台的平稳安放；
力传感器显示屏同时显示力传感器6的实时值与峰值；光电传感器13、驱动电机14均与电机驱动器连接，电机驱动器与独立控制器连接，直流电源为电机驱动器、独立控制器供电；独立控制器通过控制电机驱动器可调节驱动电机14的转角、旋向和转速，从而调节吸附机构10位置、速度方向、速度大小；光电传感器13位于直线导轨滑台12的起始位置和终点位置，确定吸附机构固定组件11的运动起点与终点，起到限位作用；测力计用于在安装拉簧7之前，拉动被吸附对象组件沿直线导轨2做近似匀速直线运动，记录此时测力计读数，作为滑动摩擦力。
如图5所示，本发明吸附力测试流程包括：
在安装拉簧7之前，使用测力计拉动被吸附对象组件沿直线导轨2做近似匀速直线运动，记录此时测力计读数，作为滑动摩擦力。
当被吸附对象固定组件8处于挡块4标示的初始位置时，微调力传感器安装块5位置，使力传感器6示数为零；
通过速度规划算法调节驱动电机14速度，使吸附机构组件沿着直线导轨滑台12与所述被吸附对象9表面贴合时，冲击力较小，同时给予一定的预压力，等待一段时间后，反向运动，带动被吸附对象组件整体沿着直线导轨2滑动，同时拉簧7被拉伸，力传感器6读取拉簧7拉力。运动小段距离后，吸附力与拉簧拉力、滑动摩擦力达到平衡，然后吸附机构10与被吸附对象9表面脱离，力传感器6记录拉簧拉力峰值，被吸附对象组件在拉簧拉力作用下复位，力传感器示数回零。所测吸附力等于拉簧拉力峰值与滑动摩擦力之和。
完成单次吸附力测试后，被吸附对象9与被吸附对象固定组件8在拉簧7拉力作用下，完成自动复位，在无测试人员手动调整的情况下，可进行下次吸附力测试。本测试平台优势在于，可以在测试人员无法实现手动调整的密闭环境内实现吸附力的重复多次测试，节约了测试时间，降低了测试成本。
重复测试时，需要保证预压力，预压时间保持一致。
本实施例中，选用不同刚度、数量的拉簧7，从而改变被吸附对象固定组件8的行程。当吸附力较大时，安装较多、刚度较大的拉簧7；当吸附力较小时，安装较少、刚度较小的拉簧7。
本实施例中，选用不同刚度、数量的拉簧7，可实现被吸附对象9不同振动频率的模拟，从而更加真实地模拟被吸附对象9存在振动时的吸附工况。
本实施例中，滑块3与直线导轨2之间润滑充分，摩擦阻力较小。
本实施例中，力传感器显示屏同时显示力传感器6的实时值与峰值。
本实施例中，独立控制器通过控制电机驱动器可调节驱动电机14的转角、旋向和转速，从而调节吸附机构10位置、速度方向、速度大小。光电传感器13、驱动电机14均与电机驱动器连接，电机驱动器与独立控制器连接，直流电源为电机驱动器、独立控制器供电。
本实施例中，光电传感器13位于直线导轨滑台12的起始位置和终点位置，确定吸附机构固定组件11的运动起点与终点，起到限位作用。
本发明采用改进S型曲线算法对电机运动速度进行规划，保证整个行程中，速度、加速度曲线连续，避免加速度突变造成的冲击，且保证所述吸附机构与所述被吸附对象接触瞬间，冲击力较小。
改进S型曲线算法，与T型曲线算法、指数加减速曲线算法相比，具有加速度曲线连续，对所述电机冲击较小等优势；与传统S形曲线算法相比，具有处理简便、计算量小、缺省情形少等优势。
改进S型曲线算法一般包括加速段、匀速段、减速段。使用四阶多项式函数对加速段和减速段曲线进行拟合，存在匀速段不缺省和缺省两种情形。
如图6所示，在改进S型曲线算法中，假设匀速段不缺省，已知起点位置、起点速度/>、过渡速度/>、加速段最大加速度/>、减速段最大加速度/>、终点位置/>、终点速度/>，可求解得到加速段曲线位置-时间曲线函数为：
；
进而得到加速段总位移，加速段总时间；
同理得到减速段总位移，减速段总时间；
若，匀速段不缺省，时间为；
整段曲线的位置表达式为：
；
反之，匀速段缺省，需要重新规划速度。
如图6所示，当匀速段缺省时，保留初次规划中的加速段总时间与减速段总时间/>，同时希望加/减速时间尽量短，对转接速度/>进行重新规划，采用四阶多项式函数，加速段曲线位置-时间函数为：
；
加速段总位移：；
同理，可得到减速段总位移：，进而得到转接速度；
整段曲线的位置表达式为：
。
如图7所示，本发明专利中测试平台的速度规划，已知起点位置，终点位置/>，从吸附机构与被吸附对象表面刚接触到完成预压力施加到达终点位置/>的总压缩行程为，初始速度/>，终点速度/>，给定过渡速度/>、加速段最大加速度/>、减速段最大加速度/>；
采用上述的改进S型曲线算法计算得到整段曲线的位置表达式，将位置代入位置表达式，反解得到吸附机构与被吸附对象表面刚刚接触，未施加预压力时的时间，再计算得到此时的速度和加速度大小；
为减小接触瞬间的加速度，从而降低接触瞬间的冲击力，不断调整尝试，在所述驱动电机最大速度、最大加速度范围内，得到合适的过渡速度、加速段最大加速度/>、减速段最大加速度/>。
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 (6)
1.一种吸附力测试与自动复位平台，其特征在于，包括铝型材框架、直线导轨、滑块、滑块限位块、挡块、上底板、力传感器安装块、力传感器、拉簧、被吸附对象固定组件、被吸附对象、吸附机构、吸附机构固定组件、直线导轨滑台、光电传感器、驱动电机、调节支撑脚、力传感器显示屏、电机驱动器、独立控制器、直流电源、测力计；
被吸附对象固定组件通过螺钉与安装板固定，安装板通过螺钉与滑块固定；挡块、直线导轨、滑块限位块均通过螺钉与上底板连接，上底板通过螺钉与铝型材框架连接，滑块限位块将滑块行程限制在直线导轨内；力传感器通过螺钉与力传感器安装块连接，力传感器安装块通过螺钉与铝型材框架连接；拉簧通过拉簧固定块与力传感器连接，拉簧通过拉簧安装块与被吸附对象固定组件连接；被吸附对象与被吸附对象固定组件通过压块固定，通过滑块在直线导轨上整体滑动；驱动电机通过电机法兰片与直线导轨滑台固定，驱动电机的轴通过联轴器与直线导轨滑台的滚珠丝杆连接，传递动力；直线导轨滑台通过安装板与铝型材框架固定；吸附机构固定组件与滑块面板通过螺钉固接，实现前后移动；调节支撑脚通过螺钉与下底板连接，下底板通过螺钉与铝型材框架连接，通过微调调节支撑脚高度实现平台的平稳安放；
力传感器显示屏，用于显示力传感器的实时值与峰值；光电传感器、驱动电机均与电机驱动器连接，电机驱动器与独立控制器连接，直流电源用于为电机驱动器、独立控制器供电；独立控制器通过控制电机驱动器可调节驱动电机的转角、旋向和转速，从而调节吸附机构位置、速度方向、速度大小；光电传感器位于直线导轨滑台的起始位置和终点位置，确定吸附机构固定组件的运动起点与终点，起到限位作用；测力计用于在安装拉簧之前，拉动被吸附对象组件沿直线导轨做近似匀速直线运动，记录此时测力计读数，作为滑动摩擦力。
2.根据权利要求1所述的一种吸附力测试与自动复位平台，其特征在于，所述压块与被吸附对象固定组件之间设有垫片，压块、衬垫、被吸附对象固定组件通过螺钉固定连接，通过拧松螺钉，可更换不同的被吸附对象。
3.根据权利要求1所述的一种吸附力测试与自动复位平台，其特征在于，通过选用不同刚度、数量的所述拉簧，改变被吸附对象固定组件的行程，实现被吸附对象不同振动频率的模拟，从而更加真实地模拟被吸附对象存在振动时的吸附工况。
4.根据权利要求1所述的一种吸附力测试与自动复位平台，其特征在于，所述滑块与直线导轨之间润滑充分。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种吸附力测试与自动复位平台的吸附力测试与速度规划方法，其特征在于，包括：
在安装拉簧之前，使用测力计拉动被吸附对象组件沿直线导轨做近似匀速直线运动，记录此时测力计读数，作为滑动摩擦力。
当被吸附对象固定组件处于挡块标示的初始位置时，微调力传感器安装块位置，使力传感器示数为零；
通过速度规划算法调节驱动电机速度，使吸附机构组件沿着直线导轨滑台与所述被吸附对象表面贴合时，冲击力较小，同时给予预压力，等待预设一段时间后，反向运动，带动被吸附对象组件整体沿着直线导轨滑动，同时拉簧被拉伸，力传感器读取拉簧拉力，当吸附力与拉簧拉力、滑动摩擦力达到平衡时，吸附机构与被吸附对象表面脱离，力传感器记录拉簧拉力峰值，被吸附对象组件在拉簧拉力作用下复位，力传感器示数回零，所测吸附力等于拉簧拉力峰值与滑动摩擦力之和；
其中采用改进S型曲线算法对电机运动速度进行规划，具体的：
(1)已知起点位置S0，终点位置S5，从吸附机构与被吸附对象表面刚接触到完成预压力施加到达终点位置S5的总压缩行程为Sc，初始速度V0＝0，终点速度V5＝0，给定过渡速度Vcmd、加速段最大加速度acmd、减速段最大加速度acmd2；
(2)采用改进S型曲线算法计算得到整段曲线的位置表达式，将位置S5-Sc代入位置表达式，反解得到吸附机构与被吸附对象表面刚刚接触，未施加预压力时的时间，再计算得到此时的速度和加速度大小；
(3)判断速度和加速度大小是否在驱动电机最大速度、最大加速度范围内，若是，则此时速度和加速度所对应的过渡速度Vcmd、加速段最大加速度acmd、减速段最大加速度acmd2，否则返回(1)重新给定过渡速度Vcmd、加速段最大加速度acmd、减速段最大加速度acmd2。
6.根据权利要求5所述的吸附力测试与速度规划方法，其特征在于，重复测试时，需要保证预压力，预压时间保持一致。
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| CN202310995892.2A Active CN117053965B (zh) | 2023-08-09 | 2023-08-09 | 一种吸附力测试与自动复位平台及测试与速度规划方法 |
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| CN (1) | CN117053965B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02249935A (ja) * | 1989-03-23 | 1990-10-05 | Toto Ltd | 静電チャックの吸着力評価方法及び評価装置 |
| CN107764452A (zh) * | 2017-10-16 | 2018-03-06 | 清华大学天津高端装备研究院 | 一种永磁铁间隙吸附力测量装置及其应用 |
| CN108981998A (zh) * | 2018-08-08 | 2018-12-11 | 重庆大学 | 一种静电吸附力测试平台及其测力方法 |
| CN111207867A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-05-29 | 西安理工大学 | 一种静电吸附力测试平台 |
| CN216748042U (zh) * | 2022-01-27 | 2022-06-14 | 宁波赛鑫磁性技术有限公司 | 一种磁座吸附力检测装置 |
-
2023
- 2023-08-09 CN CN202310995892.2A patent/CN117053965B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02249935A (ja) * | 1989-03-23 | 1990-10-05 | Toto Ltd | 静電チャックの吸着力評価方法及び評価装置 |
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Also Published As
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