Stewart结构六维大力传感器的研究

论文摘要

核电、造船、化工、国防等领域的大型构件精确高效制造迫切需要巨型重载操作装备。随着对操作能力和操作性能要求的进一步提高,要求巨型重载操作装备具备顺应控制和多自由度协调控制的能力,而状态测量与反馈作为精确运动控制的前提,成为亟待解决的关键技术难题。尤其是为了避免因约束冲突造成的载荷剧增或夹持失效,要求对工件变形所造成的位移具有力顺应性,因此研究极端环境下的六维大力测量及力反馈具有重要的意义。然而,目前对于100kN至100MN量级的大力只能进行单维测量,现有的六维力传感器仅局限于小量程力值的测量。因此,解决大承载能力和多维力测量之间的矛盾,成为实现六维大力测量的关键。本论文结合Stewart结构力雅克比矩阵和大力并联分载原理,提出了一种用于巨型重载操作装备六维大力测量的新方法。在ANSYS环境下建立了Stewart结构六维大力传感器的模型,并对其进行了结构静力分析,得到了传感器六个测量杆的受力情况,与分载前的理论受力值进行了比较,验证了传感器的分载效果。通过对传感器模型进行模态、谐响应等结构动力学分析,得到了传感器的前六阶振型和固有频率,以及传感器在X、Y、Z方向的谐位移情况。论文完成了Stewart结构六维大力传感器的结构设计、制造装配等工作。采用六对预紧螺栓和滑块实现传感器的多点局部预紧,保证了六个测量杆的预紧力相同;上下测量杆均采用螺纹联接,使测量杆长度可调,满足了传感器复杂工况的安装要求;上下平台与测量杆采用球头与锥形孔联接,保证了测量杆的二力杆性质;传感器与机械手手臂之间采用胀紧联接套联接,保证了大力并联分载和力传递的效果。最后,在专用标定加载装置上对研制的Stewart结构六维大力传感器进行了静态标定实验,得到了传感器的标定曲线和实验解耦矩阵。通过静力分析,可知所设计的传感器具有良好的分载效果,验证了六维大力并联分载测量方法的可行性;动力学分析结果表明研制的传感器动态特性良好,满足传感器固有频率大于1000Hz的设计要求;静态标定实验表明传感器具有良好的测量精度。本论文的研究工作为巨型重载操作装备的快速高精度协调控制提供了前提条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 课题的研究背景
• 1.2.1 传感器技术概述
• 1.2.2 六维力传感器的研究现状
• 1.2.3 大力传感器的研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 2 Stewart结构六维大力传感器的工作原理
• 2.1 传统Stewart结构传感器测量的原理
• 2.2 大力分载测量的原理
• 2.3 Stewart结构六维大力传感器分载测量的原理
• 2.4 Stewart结构六维大力传感器力敏元件的选择
• 2.5 本章小结
• 3 Stewart结构六维大力传感器的结构静力与动力学分析
• 3.1 Stewart结构六维大力传感器的有限元模型
• 3.2 Stewart结构六维大力传感器的结构静力分析
• 3.3 Stewart结构六维大力传感器的结构动力学分析
• 3.3.1 模态分析与谐响应分析理论
• 3.3.2 Stewart结构六维大力传感器的模态分析
• 3.3.3 Stewart结构六维大力传感器的谐响应分析
• 3.4 本章小结
• 4 Stewart结构六维大力传感器的结构设计与装配
• 4.1 Stewart结构六维大力传感器的结构设计
• 4.1.1 上平台的结构设计
• 4.1.2 下平台的结构设计
• 4.1.3 测量杆的结构设计
• 4.1.4 胀紧装置的结构设计
• 4.1.5 分载梁的结构设计
• 4.1.6 Stewart结构六维大力传感器各零件材料的选择
• 4.1.7 压电石英传感器的选型
• 4.2 Stewart结构六维大力传感器的装配
• 4.2.1 测量杆的装配
• 4.2.2 Stewart结构六维大力传感器的装配
• 4.3 本章小结
• 5 Stewart结构六维大力传感器的静态标定试验
• 5.1 Stewart结构六维大力传感器静态标定系统
• 5.1.1 加载实验台
• 5.1.2 电荷放大器
• 5.1.3 数据采集卡
• 5.1.4 数据采集软件
• 5.2 传感器的主要静态特性
• 5.2.1 灵敏度
• 5.2.2 线性度
• 5.2.3 重复性
• 5.3 Stewart结构六维大力传感器的静态标定实验
• 5.3.1 测量杆的静态标定实验
• 5.3.2 Stewart结构六维力传感器的静态标定实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢