CN205538092U - 六分量力测量设备现场校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型所公开的六分量力测量设备现场校准装置包括：结构框架、加载机构、标准力传感器、信号处理模块、上位机；所述结构框架用于固定加载机构、标准力传感器，并和待校准六分量力测量设备相连接；所述加载机构通过标准力传感器向待校准六分量力测量设备施加力或力矩，所述信号处理模块采集标准力传感器的输出信号，处理后显示于上位机。

Description

六分量力测量设备现场校准装置

技术领域

本实用新型涉及计量校准技术领域，特别涉及六分量力测量设备现场校准装置。

背景技术

多分量力传感器能同时检测三维坐标空间的全力信息，例如六分量力传感器能够同时感知沿X、Y、Z坐标轴方向的三个力分量和绕X、Y、Z坐标轴的三个力矩分量，因此它能够比较全面地反映出物体实际受力情况。

随着航天技术的不断发展，六分量力传感器在航天产品的地面试验设备中被广泛使用，例如对接机构大型试验设备采用六分量力传感器测量对接机构从接触、捕获、锁紧到分离整个过程中力和力矩。这些六分量力的测量数据对试验结果起着及其重要的作用，因此必须对六分量力测量设备进行使用前的标定和使用中的周期现场校准，以确保其技术性能满足型号试验的要求。

大连理工大学对火箭发动机推力矢量测试系统中的六分量测力平台设计研制了一套标定装置，如图1所示，包括S9型标准力传感器1、测力平台2、S2型标准力传感器3、电荷放大器4、多通道信号采集系统5和计算机数据处理软件6。对测试系统主推力的静态标定采用后端液压拉加载装置实现，对侧向力的标定采用液压加载装置实现，在标定中要按照预先设置的加载点进行逐级加载。

图2所示为检验测力平台能否准确测定力矢量作用点和倾斜角度的原理图；偏心加载装置位于箱体后方，在偏心孔处放置液压加载器件，沿如图所示方向施加拉力，在计算平面上便会产生一个偏移距离和倾斜角，如果将加载装置旋转，便可在平面内不同的象限施加偏心力。该偏心测试装置不但能测量出偏转的角度α，而且，对偏离距离δy，δz也能较为准确地测量出来。该装置虽然能够通过偏心力，即几个方向的合力解算出测力平台上各个力/力矩分量的值，但不是纯力/力矩加载。和六分量力传感器独立校准方法不相一致。

南京理工大学对大吨位六分力测量系统设计研制了一套原位标定液压加载装置，实现对6路测力传感器在原位标定过程中的加载，该装置同时具备自动标定(通过数采系统进行控制)和手动标定功能。对于某型火箭发动机推力测量的原位校准，是在试验现场运用液压加载装置，施加己知作用力，对推力测量系统进行标定和校核，如图3所示。

当前对于六分量力传感器的独立标定装置国内外已经进行了许多研究，也已经研制了不少校准装置，但是对于六分量力测量设备的现场校准装置研究较少。目前国内研究机构研制的现场校准装置多采用液压加载方式作为标准力源。但是液压方式存在加载力不稳定，容易产生过冲，加载精度难以保证等缺点，因此在机构设计中需要考虑对液压泄漏和冲击的控制，系统比较复杂。同时其体积庞大，且设备维护麻烦，对操作人员需要一定要求。另外，一些被校准的试验台尺寸比较大，因此试验台采用了无线数据采集与控制技术，由主动端控制器采集六维力传感器的测量信息，并通过无线网络传送到远端的上位机进行数据处理与显示。因为六维力传感器安装位置离开数据处理计算机距离很远，一般的数字测力仪受连接线长度限制，只能放在六维力传感器附近，给在线校准需要同时读取标准力传感器输出和六维力传感器输出进行比较带来较大的困难。

国外对于六分量力测量设备的现场校准装置没有相关资料文献。因此，研制一个量程宽、控制精度高、加载效率高、适用性强、研制费用低的六分量力现场校准装置成为这个领域技术发展的必然趋势。

实用新型内容

本实用新型解决的问题是现有六分量力测量设备现场校准装置体积大、加载力不稳定、加载精度低；为解决所述问题，本实用新型提供六分量力测量设备现场校准装置及其使用方法。

本实用新型提供的六分量力测量设备现场校准装置包括：结构框架、加载机构、标准力传感器、信号处理模块、上位机；所述结构框架用于固定加载机构、标准力传感器，并和待校准六分量力测量设备相连接；所述加载机构通过标准力传感器向待校准六分量力测量设备施加力或力矩，所述信号处理模块采集标准力传感器的输出信号，处理后显示于上位机。

进一步，所述信号处理模块包括第一数据处理模块、第一无线通信模块、第二数据处理模块、第二无线通信模块；所述第一数据处理模块采集标准力传感器的应变信号，转化为电信号后通过第一无线通信模块发送；所述第二无线通信模块接收所述电信号后发送到第二数据处理模块，所述第二数据处理模块将所述电信号转化为力信号，并显示于上位机。

进一步，所述加载机构包括传动机构、驱动机构、控制器；所述传动机构采用蜗杆带动蜗轮配合螺旋丝杆作传动，驱动机构采用伺服电机来驱动蜗杆转动，带动蜗轮使丝杆平动伸出，通过安装在丝杆前端的标准力传感器对六分量力测量设备施加力；控制器控制伺服电机转速。

进一步，所述控制器包括工控机和运动控制器；所述伺服单元包括电机驱动器、伺服电机、旋转编码器；所述传动单元包括行星齿轮箱、螺旋升降机。

进一步，所述六分量力测量设备与数据处理单元通过无线网络连接，所述数据处理单元对六分量力测量设备输出信号进行处理后得到力学信号，并显示于上位机。

进一步，所述结构框架包括基座、X向安装工装接口板、Y向安装工装接口板、Z向安装工装接口板；加载机构与结构框架连接，通过安装工装接口板上的接口向六分量力测量设备的受力球施力或力矩。

进一步，所述X向加载装置、Y向加载装置、Z向加载装置分别由微调机构调整方位，X向加载装置、Y向加载装置、Z向加载装置的轴向与待测六分量力测量设备的受力轴线一致。

本实用新型的优点包括：

（1）采用机械结构的加载机构来实现对六分量力传感器的安全平稳加力。加载机构由传动机构、驱动机构和控制器组成。传动机构采用蜗杆带动蜗轮配合螺旋丝杆作传动，驱动机构采用伺服电机来驱动蜗杆转动，带动蜗轮使丝杆平动伸出，通过安装在丝杆前端的标准力传感器对六分量力传感器加力，控制器通过对电机转速的控制来实现对加载速度的精确控制，从而实现对六分量力传感器安全平稳地施加负载。

（2）采用基于无线传感网络的力值测量单元，能够将现场校准装置的数据处理终端与六分量力传感器的上位机放在一起，便于在校准过程中进行数据比对，减少校准过程中被校准设备输出值与标准设备输出值之间读数的时间差，使校准工作顺利开展。

（3）通过研制与被校六分量力测量设备配套的校准装置主体结构框架，确保加载机构能够沿着被校六分量力传感器各个坐标轴正确施加标准力，从而实现现场校准。

附图说明

图1是现有的六分量测力平台标定装置的结构示意图；

图2是检测测力平台是否准确测定力矢量作用点和倾斜角度的原理图；

图3是现有对六分量力测量系统进行标定和校准的装置的示意图。

图4是本实用新型实施例提供的六分量力测量设备现场校准装置总体框图；

图5是本实用新型实施例提供的六分量力测量设备现场校准装置的加载机构框图；

图6是本实用新型实施例提供的六分量力测量设备现场校准装置的加载机构结构示意图；

图7a是本实用新型实施例提供的六分量力测量设备现场校准装置的涡轮蜗杆传动机构示意图（横行加载装置）；

图7b是本实用新型实施例提供的六分量力测量设备现场校准装置的涡轮蜗杆传动机构示意图（纵向加载装置）；

图8是现有数字式力值测量单元组成框图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本实用新型作进一步阐述。

如图4所示，本实用新型实施例提供的六分量力测量设备现场校准装置包括：结构框架、加载机构、标准力传感器、信号处理模块、上位机；所述结构框架用于固定加载机构、标准力传感器，并和待校准六分量力测量设备相连接，所述待校准六分量力测量设备为包括六分量力传感器的测量系统；所述加载机构通过标准力传感器向待校准六分量力测量设备中的六分量力传感器施加力或力矩，所述信号处理模块采集标准力传感器的输出信号，处理后显示于上位机，上位机采用便携式计算机。

继续参考图4，所述六分量力传感器的输出信号经电荷放大器放大后，通过无线网络输出到六分量力测量设备的数据处理单元，数据处理单元将电信号转化为力信号，并显示，通过比较数据处理单元显示的力信号和便携式计算机所显示的力信号可以对六分量力测量设备进行校准。

图8所示为现有数字式力值测量单元组成框图，传感器获悉被测量的信息，测量仪对传感器输出信号进行采集、调理、放大、转换、分析处理等，并在测量仪上显示测量结果。传感器与测量仪之间采用线缆连接。

对于那些尺寸比较大，试验行程比较长的被校对象，常规校准需要数十米的电缆线和网线，不仅对校准装置的设计和安装带来了不便，更有可能影响校准工作的顺利进行。因此本实用新型装置采用了无线数据采集技术。信号处理模块包括第一数据处理模块、第一无线通信模块、第二数据处理模块、第二无线通信模块；所述第一数据处理模块采集标准力传感器的应变信号，转化为电信号后通过第一无线通信模块发送；所述第二无线通信模块接收所述电信号后发送到第二数据处理模块，所述第二数据处理模块将所述电信号转化为力信号，并显示于上位机。信号处理模块通过无线传输模式采集信号，并进行信号传输。无线传输模式采用Zigbee无线传输技术：它采用2.4GHz射频传输介质，是目前比较成熟可靠的传输频段；传输距离为视线内30m。

如图5、图6所示，所述加载机构包括传动机构、驱动机构、控制器；所述控制器包括工控机和运动控制器；所述伺服单元包括电机驱动器、伺服电机、旋转编码器；所述传动单元包括行星齿轮箱、螺旋升降机。所述传动机构采用蜗杆带动蜗轮配合螺旋丝杆作传动，驱动机构采用伺服电机来驱动蜗杆转动，带动蜗轮使丝杆平动伸出，通过安装在丝杆前端的标准力传感器对六分量力测量设备施加力；控制器控制伺服电机转速。

传动机构采用螺旋升降机配合行星齿轮箱的组合。螺旋升降机接受通过行星齿轮箱降速后的驱动力传递到蜗杆，利用蜗杆带动蜗轮配合螺旋丝杆作传动，通过安装在丝杆前端的标准力传感器对六分量力传感器加力。蜗杆传动具有结构紧凑，刚度好，变形小，传动平稳，传动比大，能够轻松进行力的加载。通过动力机构转动蜗杆，带动蜗轮使螺旋丝杆平动伸出，将力通过标准力传感器压头安全平稳地施加到被校传感器上，如图7a和图7b所示。行星齿轮箱通过齿轮比减速，从而达到转矩的放大，实现较大的驱动力输出。

驱动机构采用电机驱动器配合伺服电机进行伺服控制，同时通过高精度旋转编码器对伺服电机进行闭环控制。伺服电机采用直流有刷电机具有体积小，抗磨损能力强，可承受高量级振动冲击能力，能够实现高精度的运动控制。

控制单元由可编程的运动控制器和工控机组成，对电机驱动器进行控制。运动控制器采用基于DSP的全数字闭环运动控制器来实现对电动机转速的精确控制。基于DSP的电动机全数字闭环运动控制器是一个单片系统，整个电动机控制所需要的各种功能都可以由DSP控制单芯片来实现。该芯片具有40MIPS计算能力，32位定点，集矢量控制、位置捕获、A/D转换等多项外设功能于一体，因此，可以大幅度缩小控制器的体积，减少外部元器件的个数，增加了控制系统的可靠性。工控机用于数据管理和数据的实时显示。

运动控制器具有高分辨力模拟信号数据采集通道和光电编码器数字信号测量通道。模拟通道有效测量分辨力不低于1/100000标称值，即具有10万码以上测量分辨力，光电编码器位置捕获系统，允许输入的正交码脉冲频率不低于3MHz，具有纠错、辨向、计数等功能。采用神经元自适应PID控制算法能够对所有测量通道进行闭环控制。

在加载过程中，通过伺服电机来驱动丝杠螺旋升降机蜗杆转动，通过蜗杆带动蜗轮转动，结合螺旋丝杆将旋转运动转化为直线平动，通过安装在丝杆前端的标准力传感器对六分量力传感器加力，基于DSP的全数字闭环运动控制器对电机转速进行反馈控制来实现对加载速度的精确控制，从而实现对六分量力传感器安全平稳地施加负载。

在整个系统的控制闭环中，由控制器采集光电编码器位置信息，计算出电机转速并与设定转速值比较，进行反馈控制，通过在工控机上运行的控制软件，可以进一步优化控制，细分控制量，从而实现对电动机转速的精确控制，使加载机构低速平稳安全可靠地对传感器加力。

结构框架作为校准装置的一个重要组成，所起的主要作用一是安装固定和支撑整个加载机构，二是在结构上与被校六分量力测量设备相连接，并确保加载机构能够沿着被校设备的六分量力传感器各个坐标轴正确施加标准力。结构框架的具体形式取决于被校设备的结构特点与六分量力传感器安装位置。采用与被校设备相匹配的框架结构，从而实现对被校设备六分量力参数的现场精确校准。

结构框架设计应满足的使用要求：

1）结构框架上有微调机构，确保标准力的施力方向与六维力传感器受力轴线一致，保证施力角度夹角误差小于1°。

2）结构框架要有足够的强度，能够承校准装置最大的加载力，并且确保在校准过程中受力后不变形。

某试验台六分量力传感器现场校准结构框架包括：纵向加载装置（X向）、横向加载装置（Y向和Z向）、纵向安装装置（X向安装工装接口板）、横向安装装置（Y向安装工装接口板、Z向安装工装接口板）；加载机构与加载装置连接，通过安装工装接口板上的接口向六分量力测量设备的受力球施力或力矩。结构框架主要为板状件，结构简单、便于拆装。为尽量减少加工造成工件的形变量的现场操作的便捷可行，工装组合多采用螺钉连接固定。工件采用厚20mm的不锈钢板制成，安装装置采用四脚支撑在设备基座并固定的方式，可满足使用中的刚度要求。采用螺钉固定安装，还可以实现安装位置的微调，也可避免焊接引起的形变，一定程度上可以控制安装精度。

X向安装工装接口板分别有工位A（测X向力）、工位B（测量绕Y轴扭矩）和工位C（测量绕Z轴扭矩）三个安装位置，在工位B和工位C两个测点上施力轴线与X轴平行并相距150mm。Y向或Z向安装工装接口板分别有工位D（测量Y向力/Z向力）和工位E（测绕X轴扭矩）两个测点安装位置，工位E测点偏离X轴120mm。通过不同的安装位置，可以实现力/力矩六个方向的现场校准。

本实用新型设计研制的现场校准装置在选用丝杠螺旋升降机和电动机时可以做到体积小、重量轻，控制器采用高集成的DSP控制芯片使控制器做到高性能和小型化，整个加载机构结构紧凑，刚度好，变形小，传动平稳，加载速度可精确控制确保无过冲，自锁功能可保证加载过程无反行程，满足现场特殊结构下的六分量力参数在线校准需求

本实用新型内容的有益效果包括：

六分量力现场校准装置采用专用的基于蜗轮蜗杆丝杠螺旋升降机的传动机械结构研制校准装置的加载机构，实现了对被校准六分量力传感器的安全平稳加力。蜗杆传动具有传动比大，工作平稳，噪声小，反行程可自锁等优点，能够轻松进行力的加载，并能停留在量程内的任何一个力值点。

驱动机构部分采用电动机来驱动蜗杆转动，电动机的进给丝杠上安装角度编码器，通过控制器检测角度编码器输出脉冲来控制电动机的转速。控制器采用基于DSP的全数字闭环控制器来实现对电动机转速的精确控制，实现平稳准确加力。

力值测量单元采用了近距离无线传感网络技术，使在线校准装置的数据处理终端与六分量力测量设备的上位机能放在一起，便于在校准过程中进行数据比对，解决了在一些大型试验设备六分量力校准工作中因为六分量力传感器安装位置离开数据处理计算机距离很远而带来的校准中不能准确比对读数的问题。

与被校六分量力测量设备配套的校准装置主体结构框架确保加载机构能够沿着被校六分量力传感器各个坐标轴正确施加标准力，从而实现现场校准。

本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.六分量力测量设备现场校准装置，其特征在于，包括：结构框架、加载机构、标准力传感器、信号处理模块、上位机；所述结构框架用于固定加载机构、标准力传感器，并和待校准六分量力测量设备相连接；所述加载机构通过标准力传感器向待校准六分量力测量设备施加力或力矩，所述信号处理模块采集标准力传感器的输出信号，处理后显示于上位机。

2.依据权利要求1所述的六分量力测量设备现场校准装置，其特征在于，所述信号处理模块包括第一数据处理模块、第一无线通信模块、第二数据处理模块、第二无线通信模块；所述第一数据处理模块采集标准力传感器的应变信号，转化为电信号后通过第一无线通信模块发送；所述第二无线通信模块接收所述电信号后发送到第二数据处理模块，所述第二数据处理模块将所述电信号转化为力信号，并显示于上位机。

3.依据权利要求1所述的六分量力测量设备现场校准装置，其特征在于，所述加载机构包括传动机构、驱动机构、控制器；所述传动机构采用蜗杆带动蜗轮配合螺旋丝杆作传动，驱动机构采用伺服电机来驱动蜗杆转动，带动蜗轮使丝杆平动伸出，通过安装在丝杆前端的标准力传感器对六分量力测量设备施加力，控制器控制伺服电机转速。

4.依据权利要求2所述的六分量力测量设备现场校准装置，其特征在于，所述控制器包括工控机和运动控制器；所述伺服单元包括电机驱动器、伺服电机、旋转编码器；所述传动单元包括行星齿轮箱、螺旋升降机。

5.依据权利要求1所述的六分量力测量设备现场校准装置，其特征在于，所述六分量力测量设备与数据处理单元通过无线网络连接，所述数据处理单元对六分量力测量设备输出信号进行处理后得到力学信号，并显示于上位机。

6.依据权利要求1所述的六分量力测量设备现场校准装置，其特征在于，所述结构框架包括基座、X向安装工装接口板、Y向安装工装接口板、Z向安装工装接口板；加载机构与结构框架连接，通过安装工装接口板上的接口向六分量力测量设备的受力球施力或力矩。

7.依据权利要求1所述的六分量力测量设备现场校准装置，其特征在于， X向加载装置、Y向加载装置、Z向加载装置分别由微调机构调整方位，X向加载装置、Y向加载装置、Z向加载装置的轴向与待测六分量力测量设备的受力轴线一致。