CN206348100U - 一种六分量力传感器校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种六分量力传感器校准装置，包括主体结构框架、受力球座、传力机构和标准测力仪；主体结构框架包括固定于六分量传感器主平面上的主向安装板和固定于与六分量传感器主平面垂直且向另的两个侧面的两块侧向安装板，主向安装板上固连有承力架；受力球座包括定位底座和钢球，传力机构在主向安装板方向由三个蜗轮蜗杆配合伺服电机组成，侧向安装板方向由三个内置行星齿轮的伺服电动缸配合控制器的结构组成。本实用新型提供的六分量力传感器校准装置具有体积小、结构紧凑、定位精度高、传动力值大等特点，并能够对六分量力传感器进行多分量同时加载，实现对其耦合误差的校准。

Description

一种六分量力传感器校准装置

技术领域

本实用新型涉及计量校准技术领域，特别涉及一种六分量力传感器校准装置。

背景技术

六分量力传感器可以用于测量三维坐标空间内六个方向的力或力矩信息（F _x 、F _y 、F _z 、M _x 、M _y 、M _z ），由于其测力信息丰富，测量精度高，因而得到了广泛的应用，在力—位控制、精密装配、机器人、空间站对接仿真、火箭发动机推力测试等场合发挥了极其重要的作用。

对接机构综合试验台是我国载人航天二期工程最大的地面试验设备，总重量达100多吨。采用“半物理仿真试验”原理，能模拟最大质量为8吨~100吨的空间飞行器之间的对接与分离全过程，进行各种相对位置和姿态偏差条件下两航天器的对接模拟，包括接触捕获、缓冲校正等过程，重点全面地试验对接机构的捕获与缓冲校正能力。空间对接机构综合试验台采用六分量力传感器测量对接机构模拟空间飞行器进行对接接触时的相互作用力与力矩，将测量得到的结果传输到上位控制机，根据对接碰撞所得的六分量力以及航天器动力学模型，实时解算模拟的空间飞行器的对接状态。因此，对接机构综合试验台六分量力传感器测量数据的准确与否，将直接影响到航天器空间对接仿真精度和对接机构试验结果的正确性，无法对接机构的性能与可靠性做出正确判断，并最终关系到航天器空间对接的成败。

对接机构综合试验台的六分量力传感器一经安装后无法进行重新拆装，必须在传感器原位进行现场校准。六分量力传感器是为对接机构综合试验台专门研制的非标定制传感器，传感器中间部位为通孔，不能采用常规手段进行标准力值加载；由于六分量力传感器安装在模拟空间飞行器的上部对接环内，主方向校准需要从下往上加载标准力值，也给现场校准带来一定困难。此外，六分量力传感器离地面距离高，整个试验台比较庞大，人员上下比较麻烦，因此需要设计适合六分量力传感器现场校准的校准工装，满足对其现场校准需求。

目前国内没有查阅到对于类似对接机构综合试验台结构的六分量力传感器现场校准工装的研究资料，俄罗斯航天局的对接机构综合试验台采用弹性棒的方法对航天器对接机构进行地面试验，目前也没有查阅到相关对于试验台多分量力传感器的在线校准研究资料。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：提供一种六分量力传感器校准装置，包括主体结构框架、受力球座、传力机构和标准测力仪；所述主体结构框架包括固定于所述六分量传感器主平面上的主向安装板和固定于与所述六分量传感器主平面垂直且向另的两个侧面的两块侧向安装板，所述主向安装板和侧向安装板通过标准紧固件紧固在六分量传感器上；所述主向安装板上固连有承力架；所述受力球座包括定位底座和钢球，所述钢球设置在定位底座上的球形槽内，并进行机械限位；所述定位底座为永磁体材料制成，能够牢固吸附在所述六分量力传感器的受力面上；所述传力机构在主向安装板方向由三个蜗轮蜗杆配合伺服电机组成，侧向安装板方向由三个内置行星齿轮的伺服电动缸配合控制器的结构组成；所述蜗轮蜗杆和伺服电动缸的前端分别与所述标准测力仪相连；所述蜗轮蜗杆和伺服电动缸的输出端与受力球座连接；在所述标准测力仪上设定需要输出的标准力值，所述传力机构输出所述标准力值，并由受力球座对所述主体结构框架施加标准力；通过与所述六分量力传感器数值进行比较，即可对所述六分量力传感器校准。

进一步地，所述主向安装板与所述承力架之间还安装有调整座，所述调整座上安装有微调机构，实现对所述主向安装板的微调。

进一步地，所述微调机构为粗微调二维手动偏摆机构，实现对主向安装板二维俯仰、滚转角的微调。

进一步地，所述主向安装板和侧向安装板为不锈钢板。

进一步地，所述主向安装板和侧向安装板上设置有加强筋。

进一步地，所述调整座底部设有标准安装螺孔，用于与承力架相连；调整座台面上设有安装孔，用于与所述主向安装板固连。

本实用新型提供的六分量力传感器校准装置的技术效果为：

1. 对接机构综合试验台六分量力现场校准工装解决了对接机构综合试验台六分量力传感器现场校准的难题；

2. 现场校准工装采用不锈钢板结构制成工装主体框架，刚度强度较大、结构简单紧凑，解决在六分量力传感器现场校准过程中工装不变形、标准力值正确施加的难题；

3. 现场校准工装基于蜗轮蜗杆丝伺服电机与内置行星齿轮伺服电缸的传动机械结构，能够实现在狭小空间和大加载力值情况下的现场校准工位；

4. 现场校准工装配合控制器，能够实现六分量力传感器的几个分量的同时校准，一次安装即可实现，无需反复拆装更换。

附图说明

下面结合附图对实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型实施例提供的六分量力传感器校准装置的对接机构综合台示意图；

图2为本实用新型实施例提供的六分量力传感器校准装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的六分量力传感器校准装置的受力板示意图；

图4为本实用新型实施例提供的六分量力传感器校准装置的主向安装板示意图；

图5为本实用新型实施例提供的六分量力传感器校准装置的侧向安装板示意图；

图6为本实用新型实施例提供的六分量力传感器校准装置的受力球座示意图；

图7为本实用新型实施例提供的六分量力传感器校准装置的调整座示意图；

图8为本实用新型实施例提供的六分量力传感器校准装置的蜗轮蜗杆升降机示意图；

图9为本实用新型实施例提供的六分量力传感器校准装置的内置行星齿轮伺服电动缸示意图；

图10为本实用新型实施例提供的六分量力传感器校准装置的六分量力同时校准示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的六分量力传感器校准装置作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

对接机构综合试验台六分量力现场校准工装由主体结构框架、受力球座（含定位底座）、调整座、传力机构组成。采用不锈钢部件组成主体机构框架，通过标准紧固件固定在被校的六分量力传感器上。采用机械加载方式作为现场校准工装的传动机构，配合标准测力仪可以完成对六分量力传感器的基于比较法校准原理的现场高精度校准。

传动机构的主方向由三个蜗轮蜗杆配合伺服电机的结构组成，侧方向由三个内置行星齿轮的伺服电动缸配合控制器的结构组成。蜗轮蜗杆和伺服电动缸的前端加工与标准测力仪相匹配的标准外螺纹，使其组成一套能够进行现场加载的标准力源，将标准力值通过标准测力仪平稳施加到被校传感器上。

1、主体结构框架

主体结构框架主要由板状零件、杆状零件组成和标准紧固件连接，整套设计中没有焊接件，结构简单，位置精度控制<1mm，角度精度控制<0.5°。

现场校准工装的安装均使用六分量力传感器安装底座上的螺纹孔作为安装基准，可保证工装的定位精度。对试验台X向校准中存在悬挂安装，因此在安装板上设置了加强筋，以减小受力过程中引起的形变。现场校准工装的安装主要为螺钉连接，位置精度主要由工件加工精度和安装精度决定。在实施过程中采用实时测量和安装微调座的方法来保证精度，满足组合精度控制在1mm和0.5°以内。

对接综合试验台的六分量力传感器中间部位为通孔，无法进行X向的校准工作，故在原有法兰的基础上加装一个盖板，采用厚30mm的不锈钢板制成，作为受力板，受力板采用不锈钢板制成，强度、尺寸均满足要求。

现场校准工装的主方向（纵向）安装板，采用厚20mm的不锈钢板制成，图示分别标明了校准X向力的加载装置安装位置、校准M _y 力矩的加载装置安装位置与校准M _z 力矩的加载装置安装位置。安装板采用8根筋条与六分量力传感器安装块连接，以确保满足使用要求。

现场校准工装的侧方向（横向）安装板，采用厚10mm的不锈钢框架结构制成，在校准过程中可直接对六分量力传感器传感器加载。固定支架均安装到传感器的安装底座上，用于固定安装板，再在安装板上安装传力机构。

2、受力球座

通过对校准现场的考察和加载装置的研究，为了保证施力过程中受力的准确性，需要对受力点进行精确确定，本发明采用球点接触的形式保证力的传递为点受力传递，精确度远高于面受力，能够有效地控制加载力值精度。钢球设置在球座的球形槽内，通过盖板和螺钉进行限位。

为了满足现场对于受力点的定位和微调，受力球座的安装底座采用永磁体材料，能够牢固吸附在被校六分量力传感器受力面上。拆卸掉钢球和盖板的安装底座能够与激光跟踪仪的测量靶球底座匹配，并使得激光跟踪仪靶球坐标系与受力球座坐标系受力轴线方向重合，确保测量坐标一致。

受力点定位时，首先通过划线法粗定位，然后将受力球座盖板拆卸并取出钢球，利用安装底座的磁性吸附在受力点处。将激光跟踪仪测量靶球与底座牢固安装在受力安装座上，利用激光跟踪仪进行坐标点测量，同时微调安装底座到正确受力位置，并记录坐标点坐标信息。最后用硅胶枪将其固定，保持每一次施力过程中受力点的稳定。整个现场校准过程无需调整，避免人员频繁操作的麻烦。

3、调整座

调整座的作用一是与安装板和承力架连接起到安装固定作用，二是通过微调机构确保现场校准工装能够与受力轴线坐标系重合，保持车辆轴线与定位轴线一致，从而实现现场校准。调整座具有足够的刚度和强度，确保在校准过程中受力后角度偏差满足不大于0.5°的要求，同时具备各自由度的锁紧功能。

调整座的微调机构采用粗微调二维手动偏摆机构实现对安装板二维俯仰、滚转角的微调。采用手轮操作，可以小范围调整水平角度，微调分辨率小于0.005º。机构底部有标准安装螺孔，可以直接连接在承力架上，台面上有安装孔，可与现场校准工装的安装板固定连接。

4、传力机构

对接机构综合试验台六分量力现场校准工装的传力机构采用两套设计方案：

主方向传力机构采用蜗轮蜗杆升降机与伺服电机的方案。蜗轮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，满足主方向从下往上加载力值的特殊要求；并能停留在量程内的任何一个力值点。采用伺服电机作为动力机构部分驱动蜗轮蜗杆转动。伺服电机内置高精度旋转编码器读取电机转速，通过控制器控制伺服电机电流来控制电机转速，达到对蜗轮蜗杆传力的控制。

侧方向传力机构采用内置行星齿轮伺服电动缸的方案。内置行星齿轮伺服电动缸采用创新的行星丝杠传动技术和先进的伺服控制技术，具有体积小、精度高、速度快、刚性高、抗冲击性能强、寿命长、环保节能、维护简单等优点，避免了液压伺服结构复杂、耗能高、维护成本高的缺点以及气缸定位精度差的缺点。在传力加载过程中，通过电机来驱动丝杠转动，通将旋转运动转化为直线平动，对六分量力传感器进行加载。

整个传力机构配合控制器，并与上位机连接，通过对各个分量的控制器下达控制指令，能够对被校的六分量力传感器进行多分量同时校准，满足六分量力传感器耦合误差现场校准需求。

本发明设计研制的对接机构综合试验台六分量力现场校准工装具有体积小、结构紧凑、定位精度高、传动力值大等特点，并能够对六分量力传感器进行多分量同时加载，实现对其耦合误差的校准。整个工装在一次装调后无需反复拆卸，避免人员频繁上下操作台的不便，满足对接机构综合试验台特殊结构下的六分量力传感器在线校准需求。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种六分量力传感器校准装置，其特征在于，包括主体结构框架、受力球座、传力机构和标准测力仪；

所述主体结构框架包括固定于所述六分量传感器主平面上的主向安装板和固定于与所述六分量传感器主平面垂直且向另的两个侧面的两块侧向安装板，所述主向安装板和侧向安装板通过标准紧固件紧固在六分量传感器上；所述主向安装板上固连有承力架；

所述受力球座包括定位底座和钢球，所述钢球设置在定位底座上的球形槽内，并进行机械限位；所述定位底座为永磁体材料制成，能够牢固吸附在所述六分量力传感器的受力面上；

所述传力机构在主向安装板方向由三个蜗轮蜗杆配合伺服电机组成，侧向安装板方向由三个内置行星齿轮的伺服电动缸配合控制器的结构组成；所述蜗轮蜗杆和伺服电动缸的前端分别与所述标准测力仪相连；所述蜗轮蜗杆和伺服电动缸的输出端与受力球座连接；

在所述标准测力仪上设定需要输出的标准力值，所述传力机构输出所述标准力值，并由受力球座对所述主体结构框架施加标准力；通过与所述六分量力传感器数值进行比较，即可对所述六分量力传感器校准。

2.如权利要求1所述的六分量力传感器校准装置，其特征在于，所述主向安装板与所述承力架之间还安装有调整座，所述调整座上安装有微调机构，实现对所述主向安装板的微调。

3.如权利要求2所述的六分量力传感器校准装置，其特征在于，所述微调机构为粗微调二维手动偏摆机构，实现对主向安装板二维俯仰、滚转角的微调。

4.如权利要求1所述的六分量力传感器校准装置，其特征在于，所述主向安装板和侧向安装板为不锈钢板。

5.如权利要求1所述的六分量力传感器校准装置，其特征在于，所述主向安装板和侧向安装板上设置有加强筋。

6.如权利要求2所述的六分量力传感器校准装置，其特征在于，所述调整座底部设有标准安装螺孔，用于与承力架相连；调整座台面上设有安装孔，用于与所述主向安装板固连。