论文摘要
巨型重载操作装备是制造产业链中的基础装备,体现国家极端制造能力和制造水平,是在极端载荷条件下作业的巨型工业机器人,可实现灵巧的多维力位操作。在重载操作装备操作过程中,六维力测量以及实时力反馈是实现多装备协调操作控制、力顺应控制的基础。大力测量技术是在重型装备的需求驱动下发展起来的,通常称承载能力在10～2000kN范围内的传感器为大力传感器,而重载操作装备中的大力传感器最大额定承载能力可高达100MN以上。为了实现力反馈控制,要求六维大力测量。因此需要解决大承载能力和多维力测量之间的矛盾,本文提出对大载荷进行并联分载的方法,并利用压电石英作为测力敏感元件来实现对巨型重载操作装备操作臂上动态六维力的测量。首先,本文分析比较了现今的各种大力测量技术以及多维力测量技术,并介绍了压电测力原理和压电式传感器多维力测量的方法。其次,分析了压电传感器实现六维大力测量的并联分载原理以及六维力测量原理。传感器对大载荷的并联分载原理就是利用机构的并联使得传感器敏感元件所受的载荷与测量装置承受的总载荷成一定的线性比例关系。在测力平面上按照正方形均匀布置石英敏感元件,并通过实验解耦的方法就可以得出被测六维力各分力的大小和方向。第三,通过有限元分析以及实验的方法,深入研究了压电式多维力传感器的并联分载原理,得出各项尺寸变化以及载荷变化时对于传感器各方向分载比的影响。通过实验分析可知,分载实验装置对各向载荷都有良好的分载性能,并且输出线性也很好,由此可知利用并联式的分载机构完全能够实现对多维大力的测量。第四,对压电式六维大力传感器进行了石英晶组设计、传感器壳体设计及其有限元分析。通过改变传感器有限元模型中的各项尺寸,分析得出尺寸变化对于传感器分载的影响,同时通过对模型的各向加载得出其输入输出传递矩阵。最后设计了六维力测量实验装置,通过对装置的各向加载实验,由实验结果知六维力测量装置能很好的实现对六维力的测量,并且各向输出也有良好的线性。