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新型轴用并联压电式六维大力传感器的研究

李映君  
【摘要】: 巨型重载制造装备是制造产业链中的基础装备,国家极端制造能力和制造水平的体现,国民经济和国防安全的重要保障,是核电、造船、化工、国防等领域大型构件精确高效制造中必备的关键设备,其工作过程中,所受载荷通常可达100kN至100MN量级,具有多维特征。对六维力测量以及实时力反馈是实现装备协调操作控制、力顺应控制的基础,也是规划和调整锻造工艺的重要依据。现有大力传感器仅可测量一维大力载荷,六维力传感器的测量范围远不能满足大力值的测量需求。 本文在国家重点基础研究发展计划(973项目)(2006CB705406)的资助下,主要研究大承载力条件下六维力的测量。具体工作如下: 1.提出了基于压电效应的多点支撑式六维力测量方法,建立了支撑点数与被测六维力的映射关系,并构建了多点支撑式六维力传感器构型库及其相对应的解耦算法。根据巨型重载操作装备机械手臂对空间六维大力动态测量的要求,规划出传感器安装位置,选择压电石英为力敏元件,推导出支撑点数与空间六维力的关系。利用有限元软件ANSYS对基于四点支撑式结构的力敏元件空间布局进行加载分析,并通过试验获得了力敏元件不同空间布局对轴上六维力传感器测量性能的影响关系,试验结果与理论分析和有限元分析相吻合,基于四点支撑式结构的力敏元件正方形布局更适合用于轴上六维力的测量。 2.研究了基于并联机构原理的六维大力值测量的方法。根据并联分流的原理,提出了利用四点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新方法,将六维大力的极小部分载荷分载到六维力传感器,并根据六维大力与分载力的映射关系,实现六维大力测量。对轴向力、横向力、弯矩和扭矩等各个方向的分载进行了分析和计算,得到了影响分载分载的各个主要参数。利用有限元软件并联分载原理进行仿真分析并进行了分载试验,验证并联分载测量原理的可行性和有效性。 3.提出一种高刚度、高线性度、强解耦非组装整体化的四点支撑压电式六维大力传感器新的结构形式。研究了该结构传感器的预紧方案,分析了预紧力对传感器测量的影响。利用有限元软件对传感器的结构进行了静、动态分析,结果表明施加载荷与输出载荷成线性关系。以量程为主要约束,以提高灵敏度和分载效果为主要目标,采用单因素的方法对结构参数进行优化,确定了传感器的主要参数。研究传感器的动态响应特性,建立传感器结构与动态特性的映射关系。有限元分析表明,施加载荷与输出载荷之间成线性关系,可以实现大力值测量;该结构传感器固有频率高,动态响应好,可以实现六维力动态测量。 4.研究了并联式轴用压电六维大力传感器的静态性能标定方法,设计了一种新型的六维大力传感器标定装置。建立了六维大力传感器的测量平台,研究了针对轴用并联压电式六维大力传感器的静态标定矩阵的解法和标定方法。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面摩擦紧固技术,并提出了基于该技术的六维大力传感器与轴紧固装置,解决了六维大力传感器轴上固定和力传递问题。 5.对并联式轴用压电六维大力传感器进行静、动态标定实验。通过静态标定实验得出该传感器的标定矩阵C,并由标定矩阵来耦合出传感器的6路信号,对影响传感器输出性能的因素进行了误差分析,得到该传感器的各向力输出性能。研究并设计了动态标定实验。实验数据表明,该结构六维力传感器非线性误差和重复性误差均小于1%,向间干扰误差小于5%。轴用并联压电式六维力传感器各个方向第一阶固有频率值均超过2000Hz,均超过要求的1000Hz,满足巨型操作机的动态测量要求。 本文研究内容对压电力敏元件在六维大力测量技术上的发展具有参考价值,可广泛应用于极端环境下多维时变大载荷的实时精确测量,可为提高大型构件的制造精度、生产效率和材料利用率,规划和调整加工工艺提供重要的技术保障,对提升我国重载制造装备的高精度、高效、节能制造能力和水平具有重要的工程实用价值。


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