用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，所述方法包括在三维力传感器的三个方向加载恒定重量，分别测量并记录传感器三个通道的输出电压，得到解耦矩阵方程；通过解耦矩阵方程求出各方向的实际受力，并采用力信号的自适应惯性滤波方法，对干扰信号进行滤波处理，从而得到实时有效的接触力信号；再通过信号放大器转换进入运动控制器，完成解耦与滤波处理。本发明专利技术还提供了实现该方法的装置，该装置的控制部分包括的PC主机、嵌入式控制器、端子板、信号放大器、三维力传感器、伺服驱动器和三坐标驱动及传动机构，该装置的机械部分包括安装在工作台架上三坐标驱动及传动机构的x轴、y轴、z轴三个方向运动机构和传感器装夹架、加工工具。

Three dimensional force sensor decoupling calibration and filtering method and device for constant force grinding

The invention discloses a method for calibrating three-dimensional force sensor decoupling of constant force grinding and filtering method, the method includes loading a constant weight in three dimensional force sensor, the output voltage of the sensor were measured and recorded three channels, by decoupling matrix equation; matrix equation is obtained by decoupling the actual direction of force the adaptive filtering method, the inertial force signal, the interference signal is filtered, so as to obtain real-time contact force and effective signal; then enters the motion controller through a signal amplifier, complete decoupling and filter processing. The invention also provides a device for realizing the method, the control part of the device comprises a PC host, embedded controller, terminal board, signal amplifier, three-dimensional force sensor, servo driver and three axis driving and driving mechanism, the mechanical parts of the device includes the installation of the working bench three axis driving and driving mechanism of x the Y axis, and Z axis three direction motion mechanism and sensor clamping frame, machining tool.

【技术实现步骤摘要】
用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法与装置
本专利技术属于机器人加工应用
，涉及一种力传感器的解耦标定及滤波方法，具体涉及一种用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法与装置。
技术介绍
在力控制磨削中，经常用三维力传感器作为测量接触力的方法，由于三维力传感器没有检测力矩的通道，只能在固定点受力，即如果三维力传感器的受力点发生改变，则必须重新进行标定，否则由于力矩产生的输出电压误差就会叠加到各轴的测量力上，从而导致三个轴的测量值都不准确，因此，在使用电阻应变式三维力传感器之前，需要对受力点的解耦矩阵进行标定。力传感器在使用的过程中不可避免的要受到外部干扰的影响，在实时力反馈控制中，如果直接用输出信号进行反馈，会导致系统振荡甚至不稳定，所以需要对力信号进行滤波，在实时系统中，滤波过程既要去掉大部分噪声又要计算简单容易实现。
技术实现思路
本专利技术为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，该方法计算简单、易于控制、通用性强。本专利技术所提供的技术方案是，一种用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，该方法包括以下步骤：1)根据三维力传感器固定点受力的特点，在受力点附近的三个方向上分别加载恒定的重量，分别测量并记录三个通道的输出电压，为了避免电压矩阵为奇异矩阵，进行多次测量，得到标定矩阵方程；2)根据步骤1)的标定矩阵方程，求出三维力传感器在该受力点处的解耦矩阵，通过解耦方程就能求出各方向的实际受力；3)根据步骤2)求出的解耦矩阵，为了验证该解耦矩阵的有效性，通过在受力点的任意方向施加一个力，对比理论力值与实际测量值，确保实际测量误差满足应用要求；4)采用力信号的自适应惯性滤波方法，对根据步骤3)得到的力传感器信号中的干扰信号进行滤波处理；5)根据步骤1)得到的力传感器三个通道的模拟量电压信号，通过信号放大器转换成0～10V的模拟量电压信号，经过端子板的A/D转换模块后，进入运动控制器，并在运动控制器中完成解耦与滤波处理。进一步地，所述步骤1具体包括：步骤11)、在三维力传感器的受力点附近的三个方向悬挂已知重量的砝码，分别测量三个通道的输出电压，得到矩阵方程：其中，fx表示X方向加载的力，C是解耦矩阵，vx表示加载力为fx时三个通道的输出电压；步骤12)、根据步骤11)的矩阵方程，求解出解耦矩阵C＝V-1·F，并将该矩阵用于三维力传感器的测量中。进一步地，所述步骤4具体包括：步骤41)、由于步骤12)所述的三维传感器信号中有噪声的影响，采用自适应惯性滤波策略进行滤波处理，其中滤波参数调整策略为：其中，s1和s2表示连续两次采样信号的变化方向，Δ表示滤波系数的调整速度，M表示信号变化阀值；步骤42)、根据步骤41)的滤波参数调整方法，得到的惯性滤波为：y(k)＝α(k)·x(k)+[1-α(k)]·y(k-1)其中，α(k)表示k时刻的滤波系数，y(k)和y(k-1)分别表示当前时刻和上一时刻的滤波值，x(k)表示当前时刻的采样值。本专利技术还提供了实现所述用于恒力控制磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法的装置，所述装置包括控制部分和机械部分；其中控制部分有：PC主机、嵌入式控制器、端子板、信号放大器、三维力传感器、伺服驱动器和三坐标驱动及传动机构，其中机械部分主要包括：工作台架、x轴方向运动机构、y轴方向运动机构、z轴方向运动机构、传感器装夹架、加工工具；所述三坐标驱动及传动机构分别由x轴、y轴、z轴三个方向运动机构组成，x轴方向运动机构固定在工作台架上，y轴方向运动机构固定在x轴方向运动机构的滚珠滑块上，z轴方向运动机构固定在y轴方向运动机构的滚珠滑块上，三个方向运动机构分别通过各自伺服电机连接的滚珠丝杠，驱动各自滚珠丝杠上安装的滚珠滑块移动；与所述z轴滚珠滑块连接固定的传感器装夹架上，装有三维力传感器；三维力传感器的测力面与末端为球形的加工工具连接。所述控制部分的三维力传感器与信号放大器通过信号导线与连接，信号放大器通过串口与PC主机连接，信号放大器输出数字量力信号到PC主机，在PC主机上进行显示和记录实时测量的力信号；将记录的力信号利用三维力传感器解耦标定算法的步骤1，计算出解耦矩阵，并利用步骤4的自适应惯性滤波算法，得到滤波之后的测量力信号。本专利技术所述的解耦标定及滤波方法能简单有效的实现对三维力的解耦标定及精确滤波，避免了由于三维力传感器的耦合效应或噪声导致测量不准确的现象，从而实现在恒力控制中对接触力信号的精确及有效的测量。附图说明图1为本专利技术的实现用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法的装置示意图；图2为本专利技术的控制系统示意图；图3为本专利技术的三维力传感器在不同受力点的示意图；图4为本专利技术的三维力传感器解耦标定效果图；图5为本专利技术的自适应惯性滤波结果图。图中：1.PC主机，2.嵌入式控制器，3.端子板，4.信号放大器，5.三维力传感器，6.伺服驱动器，7.三坐标驱动及传动机构，8.工作台架，9.x轴方向运动机构，10.y轴方向运动机构，11.z轴方向运动机构，12.传感器装夹架，13.加工工具，14.滚珠滑块，15.伺服电机，16.滚珠丝杠。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的专利技术目的作进一步详细地描述，本专利技术用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，该方法包括以下步骤：1)根据三维力传感器固定点受力的特点，在受力点附近的三个方向上分别加载恒定的重量，分别测量并记录三个通道的输出电压，为了避免电压矩阵为奇异矩阵，进行多次测量，得到标定矩阵方程；2)根据步骤1)的标定矩阵方程，求出三维力传感器在该受力点处的解耦矩阵，通过解耦方程求出各方向的实际受力；3)根据步骤2)求出的解耦矩阵，为了验证该解耦矩阵的有效性，通过在受力点的任意方向施加一个力，对比理论力值与实际测量值，确保实际测量误差满足应用要求；4)采用力信号的自适应惯性滤波方法，对根据步骤3)得到的力传感器信号中的干扰信号进行滤波处理；5)根据步骤1)得到的力传感器三个通道的模拟量电压信号，通过信号放大器转换成0～10V的模拟量电压信号，经过端子板的A/D转换模块后，进入运动控制器，并在运动控制器中完成解耦与滤波处理。本专利技术步骤1)具体包括：步骤11)、在三维力传感器的受力点附近的三个方向悬挂已知重量的砝码，分别测量三个通道的输出电压，得到矩阵方程：其中，fx表示X方向加载的力，C是解耦矩阵，vx表示加载力为fx时三个通道的输出电压；步骤12)、根据步骤11)的矩阵方程，求解出解耦矩阵C＝V-1·F，并将该矩阵用于三维力传感器的测量中。本专利技术步骤4)具体包括：步骤41)、由于步骤12)所述的三维传感器信号中有噪声的影响，采用自适应惯性滤波策略进行滤波处理，其中滤波参数调整策略为：其中，s1和s2表示连续两次采样信号的变化方向，Δ表示滤波系数的调整速度，M表示信号变化阀值。步骤42)、根据步骤41)的滤波参数调整方法，得到的惯性滤波为：y(k)＝α(k)·x(k)+[1-α(k)]·y(k-1)其中，α(k)表示k时刻的滤波系数，y(k)和y(k-1)分别表示当前时刻和上一时刻的滤波值，x(k)表示当前时刻的采样值。本专利技术用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)根据三维力传感器固定点受力的特点，在受力点附近的三个方向上分别加载恒定的重量，分别测量并记录三个通道的输出电压，为了避免电压矩阵为奇异矩阵，进行多次测量，得到标定矩阵方程；2)根据步骤1)的标定矩阵方程，求出三维力传感器在该受力点处的解耦矩阵，通过解耦方程求出各方向的实际受力；3)根据步骤2)求出的解耦矩阵，为了验证该解耦矩阵的有效性，通过在受力点的任意方向施加一个力，对比理论力值与实际测量值，确保实际测量误差满足应用要求；4)采用力信号的自适应惯性滤波方法，对根据步骤3)得到的力传感器信号中的干扰信号进行滤波处理；5)根据步骤1)得到的力传感器三个通道的模拟量电压信号，通过信号放大器转换成0～10V的模拟量电压信号，经过端子板的A/D转换模块后，进入运动控制器，并在运动控制器中完成解耦与滤波处理。

【技术特征摘要】
1.一种用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)根据三维力传感器固定点受力的特点，在受力点附近的三个方向上分别加载恒定的重量，分别测量并记录三个通道的输出电压，为了避免电压矩阵为奇异矩阵，进行多次测量，得到标定矩阵方程；2)根据步骤1)的标定矩阵方程，求出三维力传感器在该受力点处的解耦矩阵，通过解耦方程求出各方向的实际受力；3)根据步骤2)求出的解耦矩阵，为了验证该解耦矩阵的有效性，通过在受力点的任意方向施加一个力，对比理论力值与实际测量值，确保实际测量误差满足应用要求；4)采用力信号的自适应惯性滤波方法，对根据步骤3)得到的力传感器信号中的干扰信号进行滤波处理；5)根据步骤1)得到的力传感器三个通道的模拟量电压信号，通过信号放大器转换成0～10V的模拟量电压信号，经过端子板的A/D转换模块后，进入运动控制器，并在运动控制器中完成解耦与滤波处理。2.根据权利要求1所述用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，其特征在于：所述步骤1)具体包括：步骤11)、在三维力传感器的受力点附近的三个方向悬挂已知重量的砝码，分别测量三个通道的输出电压，得到矩阵方程：其中，fx表示X方向加载的力，C是解耦矩阵，vx表示加载力为fx时三个通道的输出电压；步骤12)、根据步骤11)的矩阵方程，求解出解耦矩阵C＝V-1·F，并将该矩阵用于三维力传感器的测量中。3.根据权利要求1所述用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，其特征在于：所述步骤4)具体包括：步骤41)、由于步骤12)所述的三维传感器信号中有噪声的影响，采用自适应惯性滤波策略进行滤波处理，其中滤波参数调整策略为：

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁，胡广，邹焱飚，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44