一种用于力传感器动态标定的阶跃力产生装置制造方法及图纸

本发明专利技术为一种用于力传感器动态标定的阶跃力产生装置，适用于负载端工装结构不规则或需要进行多个方向力/力矩加载的力传感器动态标定实验，包括标定台、定向加载组件、传力钢丝、力源、滑轮悬挂系统、冲击剪断装置和阶跃边沿检测电路。采用钢丝传力通过定向加载组件向力传感器施加稳定载荷，然后突然冲击剪断传力钢丝对力传感器进行阶跃卸载，实现对力传感器的负阶跃激励。冲击剪断装置采用高速、大冲击力的冲击气缸作为冲击执行机构以拓宽力传感器的动态标定频带与载荷范围，与冲击垫块相配合以抑制冲击剪断过程中的扰动，提高动态标定精度。阶跃边沿检测电路通过检测冲击头开始接触传力钢丝时刻与传力钢丝被完全剪断时刻来获得阶跃边沿时间。

Step force generating device for dynamic calibration of force sensor

The invention relates to a step force generating device for dynamic calibration of force sensor applied to the load order, tooling structure irregular or require multiple directional force / torque loading force sensor dynamic calibration experiments, including calibration table, directional loading component, force transmission wire, power source, pulley suspension system, impact cutting device and step edge detection circuit. The steel wire is used to transfer the force to the force sensor through the directional loading assembly, then the impact force steel wire is suddenly impacted and the step unloading of the force sensor is carried out to realize the negative step excitation of the force sensor. The impact cylinder impact cutting device of high speed and large impact force as the impact actuator to broaden the dynamic calibration of force sensor frequency and load range, and impact cushion block combined with disturbance rejection in the process of impact cut, improve the accuracy of dynamic calibration. The step edge detection circuit obtains step edge time by detecting the impact head to start touching the force steel wire time and the transmission steel wire is completely sheared.

【技术实现步骤摘要】
一种用于力传感器动态标定的阶跃力产生装置
本专利技术涉及传感器测试领域，是一种用于力传感器动态标定的阶跃力产生装置，特别是一种适用于负载端工装结构不规则或需要进行多个方向力/力矩加载的力传感器动态标定实验的阶跃力产生装置，以实现对力传感器进行准确的阶跃响应动态标定。
技术介绍
阶跃响应实验在力传感器的动态标定实验中被广泛采用，其关键技术在于阶跃力的产生。对于阶跃力，其幅值的大小决定了能标定的传感器的量程范围，其阶跃边沿时间决定了能标定的传感器的带宽。所以，大力值、宽频带阶跃力的产生是力传感器阶跃响应动态标定实验的关键。另外，根据应用需求的不同，需要对负载端安装有不同结构形状工装的力传感器施加阶跃载荷以进行动态标定，针对多维力传感器还需对其各个不同的方向进行阶跃力和阶跃力矩激励以对其各力/力矩方向进行动态标定。这些动态标定需求均要求能产生一个宽频带阶跃力，使其便于施加在负载端工装结构不规则的力传感器上，且针对多维力传感器能施加在其各力/力矩方向上。现有技术中，阶跃力的产生途径主要有：一、通过钢丝挂砝码对传感器施加一静态载荷，然后突然剪断钢丝以对传感器卸载，从而实现对传感器施加负阶跃力或力矩载荷，如文献《六维轮力传感器的标定研究》(李水根.六维轮力传感器的标定研究[D].东营,中国石油大学,2007,44-46)、《机器人六维腕力传感器动态性能标定系统的研究》(郑红梅,刘正士.机器人六维腕力传感器动态性能标定系统的研究[J].电子测量与仪器学报,2006,20(3):88-92)、《杆式风洞应变天平动态实验、建模与补偿》(徐科军，杨双龙，张进等.杆式风洞应变天平动态实验、建模与补偿[J].仪器仪表学报，2009，30(10):2123-2130)等；二、力源通过脆性材料传递静态力值给传感器，采用脆性材料断裂法将脆性材料突然冲断来对传感器卸载，从而实现对传感器施加负阶跃力载荷，如中国专利CN2220638Y(张于北.对力传感器做动态标定的装置[P].中国，CN2220638Y，1996-2-21)、CN1125845A(张于北.对力传感器做动态标定的方法[P].中国，CN1125845A，1996-7-3)，文献《一种新型的大力值、宽频带的负阶跃力产生方法》(陈辉,何闻,朱虎等.一种新型的大力值、宽频带的负阶跃力产生方法[J].计量与测试技术,1995,(5):17-19)、《大力值宽频带负阶跃力的产生机理及实现方法的研究》(何闻.大力值宽频带负阶跃力的产生机理及实现方法的研究[J].机电工程,1999,(4):59-61)等；三、利用帕斯卡原理采用液压方式对传感器施加大力值静态载荷，然后通过快速泄油的方式来对传感器进行快速卸载，从而实现对传感器施加负阶跃力载荷，如文献《1200kN标准动态力源装置液压系统的设计[J].机床与液压》(何闻,贾叔仕,魏燕定等.1200kN标准动态力源装置液压系统的设计[J].机床与液压，1997，(3):5-6,26)、《一种宽频带的负阶跃力的发生装置》(魏燕定,贾叔仕,何闻.一种宽频带的负阶跃力的发生装置[J].计量与测试技术,1995,(1):16-19)等；四、利用高速撞击块撞击压力腔盖，使压力腔盖向压力腔内运动一段距离后锁死，从而通过压缩压力腔内的传压介质来产生正阶跃压力输出，可实现对压力传感器施加阶跃载荷，如中国专利CN104062069A(丰雷，马铁华，尤文斌等.冲击式阶跃压力产生方法[P].中国，CN104062069A，2014-06-18)；五、采用激波管产生阶跃压力作用于传感器上，实现对传感器的正阶跃压力激励。然而，途径一所述方法在现有已披露文献中均是采用手动剪断钢丝的方式实现对力传感器或多维力传感器施加负阶跃载荷，人手能剪断的钢丝一般较细，能传递载荷较小，且手动剪钢丝的速度较慢、剪钢丝过程中的人为扰动难以控制；途径二和途径三所述方法能很好地用于力传感器的大力值阶跃响应实验，但现有技术均只适用于便于固定安装且力传递面规则平整的单维力传感器，而难以适用于负载端工装结构不规则或需要进行多个方向力/力矩加载的力传感器的阶跃响应实验；途径四和途径五所述方法在已披露的文献中主要用于压力传感器而非力传感器的阶跃响应实验，若用于力传感器动态标定亦同样存在上述途径二和途径三所存在的问题。另外，现有阶跃力产生方法中，很少涉及阶跃力的阶跃边沿时间的检测，即将所产生的阶跃力信号视为理想阶跃信号。这会使得根据力传感器的阶跃响应动态标定实验数据分析得到的传感器动态特性存在误差。而关于阶跃力的阶跃边沿时间的测量，针对不同的阶跃力产生方法，其边沿时间的检测方法是不同的。现有研究中，针对脆性材料断裂法，文献《一种负阶跃力源上升时间的评价》(梁志国,孟晓风.一种负阶跃力源上升时间的评价[J].计测技术,2008,(6):13-15)中公开了一种负阶跃力边沿时间的测量方法，但其所针对的阶跃力产生方法难以适用于负载端工装结构不规则或需要进行多个方向力/力矩加载的力传感器的阶跃响应实验。为此，本专利技术针对前述途径一所述的钢丝传力然后剪钢丝的负阶跃力产生方法，解决其标定载荷小、剪断速度慢和剪断过程中的人为扰动问题，从而提高力传感器的动态标定载荷范围、标定频带与标定精度，并在负阶跃力产生过程中实现对负阶跃力的阶跃边沿时间的检测，以获得更加准确的负阶跃激励信号，适用于负载端工装结构不规则或需要进行多个方向力/力矩加载的力传感器的阶跃响应动态标定实验。
技术实现思路
本专利技术要解决应用中力传感器动态标定实验中存在的一些问题，提供一种能够用于负载端工装结构不规则或需要进行多个方向力/力矩加载的力传感器动态标定实验的阶跃力产生装置，以提高动态标定载荷范围与标定频带，实现对力传感器进行准确的阶跃响应动态标定。本专利技术所采用的技术方案是：力传感器固定安装在标定台上，采用钢丝作为传力部件将力源产生的力通过滑轮悬挂系统变向连接到力传感器负载端工装上的定向加载组件上，由定向加载组件将钢丝传过来的拉力传递给力传感器或转换为力矩传递给力传感器，从而向带工装的力传感器施加稳定的定向载荷；定向加载组件包括用于力方向定向加载的加载螺钉和用于力矩方向定向加载的定滑轮对；力传感器所受的载荷大小由力源控制，标定载荷范围受限于钢丝的直径大小，载荷方向由传力钢丝的悬挂方向和力传感器负载端工装上的定向加载组件控制；力源由砝码、伺服电机或液压机构产生；然后，由冲击剪断装置高速冲击剪断传力钢丝，实现对力传感器的瞬间卸载，从而实现对力传感器施加负阶跃力载荷或负阶跃力矩载荷；冲击剪断装置采用高速、大冲击力的冲击气缸驱动冲击头来执行冲击剪断动作，以加快钢丝的剪断速度、提高能剪断钢丝的直径上限，采用冲击垫块为传力钢丝的冲击剪断点提供冲击面以抑制冲击扰动，从而提高力传感器的动态标定载荷范围、标定频带与标定精度；由阶跃边沿检测电路通过检测冲击剪断过程中冲击头与传力钢丝开始接触的时刻以及传力钢丝被完全剪断的时刻来获得力传感器所受阶跃载荷的阶跃边沿时间。据此，标定台、定向加载组件、传力钢丝、力源、滑轮悬挂系统、冲击剪断装置和阶跃边沿检测电路构成了本技术方案所述的阶跃力产生装置。针对力传感器的力方向动态标定，传力钢丝连接到定向加载组件中的加载螺钉上，通过调整滑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于力传感器动态标定的阶跃力产生装置，适用于负载端工装结构不规则或需要进行多个方向力/力矩加载的力传感器的动态标定实验，包括：标定台、定向加载组件、传力钢丝、力源、滑轮悬挂系统、冲击剪断装置和阶跃边沿检测电路，其特征在于：力传感器固定安装在标定台上，采用钢丝作为传力部件将力源产生的力通过滑轮悬挂系统变向连接到力传感器负载端工装上的定向加载组件上，由定向加载组件将钢丝传过来的拉力传递给力传感器或转换为力矩传递给力传感器，从而向带工装的力传感器施加稳定的定向载荷；定向加载组件包括用于力方向定向加载的加载螺钉和用于力矩方向定向加载的定滑轮对；力传感器所受的载荷大小由力源控制，标定载荷范围受限于钢丝的直径大小，载荷方向由传力钢丝的悬挂方向和力传感器负载端工装上的定向加载组件控制；力源由砝码、伺服电机或液压机构产生；然后，由冲击剪断装置高速冲击剪断传力钢丝，实现对力传感器的瞬间卸载，从而实现对力传感器施加负阶跃力载荷或负阶跃力矩载荷；冲击剪断装置采用高速、大冲击力的冲击气缸驱动冲击头来执行冲击剪断动作，以加快钢丝的剪断速度、提高能剪断钢丝的直径上限，采用冲击垫块为传力钢丝的冲击剪断提供冲击面以抑制冲击扰动，从而提高力传感器的动态标定载荷范围、标定频带与标定精度；由阶跃边沿检测电路通过检测冲击剪断过程中冲击头与传力钢丝开始接触的时刻以及传力钢丝被完全剪断的时刻来获得力传感器所受阶跃载荷的阶跃边沿时间。...

【技术特征摘要】
1.一种用于力传感器动态标定的阶跃力产生装置，适用于负载端工装结构不规则或需要进行多个方向力/力矩加载的力传感器的动态标定实验，包括：标定台、定向加载组件、传力钢丝、力源、滑轮悬挂系统、冲击剪断装置和阶跃边沿检测电路，其特征在于：力传感器固定安装在标定台上，采用钢丝作为传力部件将力源产生的力通过滑轮悬挂系统变向连接到力传感器负载端工装上的定向加载组件上，由定向加载组件将钢丝传过来的拉力传递给力传感器或转换为力矩传递给力传感器，从而向带工装的力传感器施加稳定的定向载荷；定向加载组件包括用于力方向定向加载的加载螺钉和用于力矩方向定向加载的定滑轮对；力传感器所受的载荷大小由力源控制，标定载荷范围受限于钢丝的直径大小，载荷方向由传力钢丝的悬挂方向和力传感器负载端工装上的定向加载组件控制；力源由砝码、伺服电机或液压机构产生；然后，由冲击剪断装置高速冲击剪断传力钢丝，实现对力传感器的瞬间卸载，从而实现对力传感器施加负阶跃力载荷或负阶跃力矩载荷；冲击剪断装置采用高速、大冲击力的冲击气缸驱动冲击头来执行冲击剪断动作，以加快钢丝的剪断速度、提高能剪断钢丝的直径上限，采用冲击垫块为传力钢丝的冲击剪断提供冲击面以抑制冲击扰动，从而提高力传感器的动态标定载荷范围、标定频带与标定精度；由阶跃边沿检测电路通过检测冲击剪断过程中冲击头与传力钢丝开始接触的时刻以及传力钢丝被完全剪断的时刻来获得力传感器所受阶跃载荷的阶跃边沿时间。2.如权利要求1所述的一种用于力传感器动态标定的阶跃力产生装置，其特征在于：冲击剪断装置由可移动升降台、L型支架、冲击气缸、冲击头、冲击垫块、陶瓷垫片、磁吸钢盘、绝缘柱I、绝缘柱II、金属丝I、金属丝II、空气压缩机、气动电磁阀、气管组成；L型支架固定安装在可移动升降台上；冲击气缸安装在L型支架的竖壁上，其冲击杆上安装冲击头，用于冲击剪断传力钢丝；磁吸钢盘采用圆柱钢内置永久磁铁的结构，由沉头螺钉固定安装在L型支架的底板上，用于吸附固定冲击垫块；磁吸钢盘与冲击垫块之间由陶瓷垫片绝缘隔离以辅助检测阶跃开始时刻；冲击垫块则为冲击剪断传力钢丝提供冲击面，冲击面与冲击气缸的冲击方向垂直；则通过调节可移动升降台使得冲击垫块的冲击面与传力钢丝平行且微接触，以抑制冲击气缸冲击剪断传力钢丝时的正交方向的扰动；绝缘柱I和绝缘柱II分别插在L型支架两侧的固定安装孔里，分别用于固定金属丝I和金属丝II的一端；金属丝I和金属丝II的另一自由端在动态标定实验过程中分别绕接在冲击垫块两侧的传力钢丝上，以辅助检测阶跃结束时刻；空气压缩机、气动电磁阀与气管为冲击气缸的工作提供气源与启停控制；据此，传力钢丝将载荷施加到力传感器上的待标定方向上之后，冲击剪断传力钢丝之...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨双龙，徐科军，刘厚德，梁斌，查富圆，杨睿，朱晓俊，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34