压电石英六维力传感器的解耦研究

论文摘要

巨型重载制造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,影响国民经济和国防建设重大工程的实施。巨型重载操作装备需要具备极端载荷条件下的多维灵巧操作能力,传感与测量是其控制系统的重要组成部分。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。为了实现力反馈控制,要求六维大力测量,而如何实现轴上六维力的并联测量是首要解决的问题。本文选用动态性能良好的压电石英为力敏元件,设计了并联结构的六维力传感器。通过标定传感器面上六维力,来研究传感器面上测量六维力的性能,并进一步应用到测量轴上六维力,最后进行标定和解耦研究。首先,本文根据材料力学理论,创新推导轴上六维力的数学模型,并确定轴上六维力测量原理;通过三向力传感器的晶片集成,并基于理论力学理论,设计六维力传感器的四支点空间布局,进行六维力传感器的制作,并建立六维力传感器的力学模型。其次,设计了六维力标定装置,进行传感器面上六维力的标定,并进行了六维力耦合分析,建立了理性耦合矩阵,并对数据进行解耦分析。最后,根据弹性环原理,设计了传感器与轴的装夹机构,同时实现轴向和径向可调夹紧,并能达到并联连接和无损伤连接的要求;通过对力标定点的分析,对六维力传感器力学模型的修正,确定了轴上六维力输出关系;根据面上六维力标定路线,进行了轴上六维力的标定,并对数据进行解耦分析。结果表明了,该传感器不但能进行面上六维力测量,而且能对轴上六维力进行并联测量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 课题的研究背景
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 压电石英六维力传感器的设计
• 2.1 面上六维力图解
• 2.1.1 刚性平面体的设计
• 2.1.2 刚性平面体面上六维力形式
• 2.1.3 刚性平面体面上六维力测力原理
• 2.2 力敏元件的选择
• 2.2.1 石英晶体的一般物理化学性能
• 2.2.2 石英晶体的压电性能
• 2.3 基于压电效应的三向力测量晶组的设计
• 2.4 传感器空间布局的设计
• 2.5 压电石英六维力传感器壳体的设计
• 2.6 压电石英六维力传感器力学模型的建立
• 2.7 本章小结
• 3 面上六维力标定实验分析
• 3.1 传感器标定实验测量系统
• 3.2 面上六维力静态标定装置
• 3.3 面上六维力静态标定实验过程
• 3.4 面上六维力标定数据
• z的标定'>3.4.1 轴向力F_z的标定
• x的标定'>3.4.2 径向力F_x的标定
• y的标定'>3.4.3 径向力F_y的标定
• z的标定'>3.4.4 力偶矩M_z的标定
• y的标定'>3.4.5 力偶矩M_y的标定
• x的标定'>3.4.6 力偶矩M_x的标定
• 3.5 面上六维力耦合分析及理想耦合矩阵的建立
• 3.5.1 向间干扰与六维力耦合的关系
• 3.5.2 理想耦合矩阵的建立
• 3.6 实验结果分析
• 3.7 本章小结
• 4 轴上六维力标定实验分析
• 4.1 轴上六维力解析
• 4.1.1 悬臂梁设计
• 4.1.2 悬臂梁端面上六维力形式
• 4.1.3 轴上六维力测力原理
• 4.2 传感器与轴的联结
• 4.3 轴的六维力静态标定装置
• 4.4 轴上六维力输出关系式的修正
• 4.5 轴上六维力耦合分析及理想耦合矩阵的建立
• 4.6 轴上六维力标定数据
• x的标定'>4.6.1 径向力F_x的标定
• y的标定'>4.6.2 径向力F_y的标定
• z的标定'>4.6.3 轴向力F_z的标定
• x的标定'>4.6.4 力偶矩M_x的标定
• y的标定'>4.6.5 力偶矩M_y的标定
• z的标定'>4.6.6 力偶矩M_z的标定
• 4.7 实验结果分析
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 部分实验实物图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢