基于并联分载原理的压电式六维大力传感器研究

Aiming at huge heavy load manipulators with huge inertia, heavy impact, and big load, this project is to break through dynamic measurement key technologies of multi-dimensional time-vary heavy load on huge heavy load manipulators, to reveal mechanical behavior and dynamic response rule for huge heavy load manipulator's actuator in extreme loading conditions, and to research influence principle of force measuring sensor system under conditions of temperature and impact, by using ways of mechanism analysis, numerical modeling, numerical simulation and experimental validation. According to piezoelectric quartz crystal's characteristics with high stiffness, high sensitivity, good natural frequency, high stability and low damping, the online measuring principle and method on six-dimensional heavy load based on piezoelectric effect in conditions of heavy load and big impact are presented. The multi force sensing elements spatial layout and decoupling method for measurement of six-dimensional heavy force based on parallel load sharing principle will be researched. Six-dimensional heavy force sensor based on piezolelectric and parallel structure type will be designed and fabricated to solve conflict between heavy load capability and six-dimensional force measurement. The significance of this project is not only to improve dynamic performance and controlling precision for heavy load manipulators, but also to provide scientific basis and technical basis for design, manupulation, and force feedback control of huge heavy load manipulators under conditions of huge heavy load and big impact.

本项目针对大惯量、大冲击、大载荷重载操作装备，通过机理分析、数字建模、数值仿真与实验验证相结合的途径，突破重载操作装备多维时变大载荷动态测量关键技术，揭示极端载荷条件下多自由度重载操作装备的力学行为与动态响应规律，研究温度和冲击恶劣工况对测力传感器系统的影响规律，依据压电石英晶体高刚度、高灵敏度、高固有频率、高稳定性和低阻尼的特点，提出重载、强冲击条件下基于压电效应的六维大力在线测量原理和方法，研究基于并联结构原理的六维大力测量多力敏元件分布结构与解耦方法，设计并研制压电式六维大力传感器，解决大承载能力和六维力测量之间的矛盾，提高重载大惯量操作装备的动态特性和控制精度，为实现重载、强冲击条件下重载操作装备设计、制造与力反馈控制提供科学依据和技术基础。

本项目研究目标是大惯量、大冲击、大载荷极端工况下重载操作装备多维时变大载荷动态测量关键技术，解决大承载能力和多维力同时测量技术难题。首次提出了基于并联分载原理和压电效应的支撑式结构的压电六维大力传感器测量原理和方法，发展出了高温、重载、大冲击力从一维到六维的大力测量原理和方法，提出了压电式六维大力传感器新的弹性体结构形式，从理论分析、仿真分析、实验分析相结合方面研究了传感器弹性体和力敏原件空间布局结构形式，推导出了基于压电效应的六维大力测量多力敏元件分布结构与解耦方法，建立了力敏元件空间布局点数与被测六维大力的映射关系。提出了利用支撑式结构及大力承载轴刚性并联来实现并联多维分载测量方法，初步解释并推导出了六维大力传感器的轴向、横向、力矩及扭矩理论分载比公式。实现了基于并联分载原理和压电效应的高灵敏度、高刚度、高线性度和强解耦的压电式六维大力传感器的结构设计，建立了传感器静力学和动力学模型，揭示了传感器所受外力与其弹性体变形、内部应力及应变的本质关系，得到了传感器零部件属性和结构参数对传感器静、动态特性影响的规律。基于LABVIEW技术、神经网络技术、最小二乘法技术等数据处理技术相结合的方式，实现了压电式六维大力传感器静态标定的解耦算法研究，设计了一种能满足大量程六维力传感器静态标定的装置，为传感器建模和解耦提供了数据和评价依据。搭建了六维大力传感器静动态标定实验平台，针对传感器的测量要求和实际安装条件，提出了一种基于胀紧原理的六维力传感器紧固装置，解决了六维力传感器轴上固定和力传递问题。对研制的压电式六维大力传感器进行了静/动态标定实验，通过实验数据分析研究了影响六维大力传感器测量精度误差产生的各种因素，建立并推导出了各种原因引起的六维大力传感器的测量误差误差模型和公式，研究了抗干扰措施和提高信噪比的方法，针对高温场合等极端环境下传感器应用开展了高温环境下测试信号传输的稳定性控制技术方面的研究。研制了压电式六维大力传感器样机，并将其在重载操作装备上进行应用试验，对快锻工况、剁断等工况进行了冲击力测量试验，试验测试效果良好，验证了项目研究内容和研究方法的合理性和有效性，为实现重载、强冲击条件下重载操作装备设计、制造与力反馈控制提供了科学依据和技术基础。