一种大面域大量程的六维力自动化标定装置及方法

本发明属于传感器计量测试与精密装配，涉及一种大面域大量程的六维力自动化标定装置及方法。

背景技术：

1、作为高端装备与重大工程领域的关键感知元件，压电石英力传感器以石英晶片为力敏元件，将空间多维力/力矩转换为电信号输出，具备高刚度及优异的动态响应特性，广泛应用于发动机推力矢量测试、风洞天平气动力测量及船舶推进轴系受力监测等领域。其中，面向大型结构件实时载荷感知需求的大尺寸压电石英传感器，主向量程超过800kn，侧向量程亦需达到200kn以上，其在原位标定实验中所需有效面域通常要达到900mm×900mm以上。此类大尺寸、大量程压电石英传感器在出厂计量与现场服役前，须经过严格的六维力标定，以建立其输入力/力矩与输出电荷之间的精确映射关系。因此，研发能够同时满足“大尺寸装夹、超大力值加载、多维精确标定”需求的标定装置，已成为大型装备测力技术领域亟待突破的瓶颈。

2、目前，国内外学者与科研机构在六维力标定装置领域开展了大量研究。贾振元等人提出的并联式轴用压电六维力/力矩传感器及其标定方法，通过四点支撑并联结构实现空间六维力测量与标定，但配套标定装置的有效加载面域较小。刘巍等人设计了基于stewart结构的200kn六维大力传感器及其标定平台，验证了并联分载测量原理在大载荷场景下的有效性，但该平台主要用于中等载荷（200kn级）传感器的标定，当加载力值提升至1000kn量级时，其标定台架的结构刚度与抗变形能力面临严峻挑战。赵延治等人公开了一种大型多维力传感器标定加载台（中国发明专利cn201010103946.2），由上十字架、加载台立柱、下十字架及加载单元等组成，通过组合加载单元的不同安装位置实现对多维力传感器的标定加载，其优点是结构简单紧凑、加载力量程较大，但该装置的有效工作台面仍受限，难以兼容大尺寸测力装置的全面域装夹需求。燕山大学赵铁石等人提出的自标定重载并联四维测力台及其标定加载系统，面向航空航天领域对重载大测力面积多维测力台的研发需求，通过构建机械解耦测力分支实现了四维力测量与自标定，但该测力台仅适用于四维力测量场景，不具备六维力（三维力+三维力矩）的完整标定能力。

3、在标定流程自动化方面，现有的大型标定装置自动化程度普遍较低。尤其面对多维力复合加载的要求，多方向载荷的同步、协同复合加载，各维载荷的加载逻辑往往是孤立的，缺乏深度集成的自动化反馈调控系统，严重制约了标定效率以及多维耦合误差的精确捕捉。

4、综上所述，现有技术中缺乏一种能够同时满足以下综合指标的六维力标定台架：（1）主向加载力值达到1000kn、侧向加载力值达到300kn的超大载荷加载能力；（2）有效面域达到1200mm×1200mm的大尺寸装夹空间；（3）具备完整的六维力（fx、fy、fz、mx、my、mz）自动化独立及复合标定能力。因此，亟需开发一种大面域大量程的六维力自动化标定装置，为该类传感器的精准计量与工程化应用提供关键技术支撑。

技术实现思路

1、本发明为了弥补现有技术的不足，提供一种大面域大量程的六维力自动化标定装置及方法。本发明利用百吨级液压缸提升标定装置的加载量程，通过高刚度的主向加载框架和独立布置的侧向加载装置实现大力值下的六维力加载，同时将有效加载面域扩大至1200mm×1200mm；采用自动化液压控制系统实现不同标定工艺的灵活加载，满足了对不同尺寸传感器进行变加载点六维力标定的工艺需求。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案：

3、一种大面域大量程的六维力自动化标定装置，包括基座、一个主向加载装置、三个侧向加载装置及液压控制系统。所述基座是整个标定装置的支撑结构，所有结构均安装在基座表面，其上表面经过精密铣削加工，表面粗糙度控制在ra1.6，平面度控制在0.05，为上部主向加载装置与侧向加载装置提供高精度的水平基准安装面。基座底部通过地脚螺栓与地面连接固定，为主向加载装置与侧向加载装置提供刚性基准。所述主向加载装置通过上框架下方的立柱与基座刚性连接，三个侧向加载装置底部固定在基座上，并围绕主向加载装置呈品字形布置。所述液压控制系统通过液压管路与主向液压缸、侧向液压缸连接，能够控制主向与侧向载荷的同步、阶梯或交变加载，为六维力传感器的耦合误差标定提供稳定的动力源。

4、所述主向加载装置具有1000kn的加载量程和抵抗加载过程中整体结构变形的能力，能够根据需求改变主向加载点位；主向加载装置包括台面、立柱、结构承力板、上框架、蜗轮蜗杆机构、蜗轮蜗杆机构连接板、第一连接板、滚轮、主向液压缸、导轨、t型螺母、第二连接板。具体的：

5、台面是一块上下平面经过铣削加工的矩形实心钢板，上表面留有间距为100mm的121个螺纹孔和呈x型布置的9个沉头孔，四角留有贯穿的第一圆形安装孔。立柱包括螺纹空心杆和圆形安装法兰，立柱两头加工有螺纹，并且螺纹底部焊接有安装法兰和三角形肋板。结构承力板包括一块横截面为倒梯形的底板和两块竖向立板，底板中心加工出第二圆形安装孔和圆形阵列螺栓孔，底板长度方向两侧加工出沉头螺栓孔，两块竖向立板与底板上平面焊接连接并在远离底板一侧开有螺栓孔；顶部的上框架是将钢板采用铆焊的连接方式形成的矩形框架，其上下都加工有安装平面，框架中心留有长方形通孔，长度方向的两侧各加工了两个贯穿的直槽，四角留有贯通的第三圆形安装孔。所述上框架、台面及四根立柱共同构成主向承载框架，具体连接方式为：所述立柱的上螺纹轴段穿过上框架的第三圆形安装孔并通过t型螺母连接，其下螺纹轴段穿过台面的第一圆形安装孔通过t型螺母连接；上框架上安装平面安装导轨。蜗轮蜗杆机构连接板为一块l型钢板，其竖向立板预留蜗轮蜗杆机构的安装孔和螺栓孔，底部也留有通孔；蜗轮蜗杆机构与蜗轮蜗杆机构连接板通过螺栓连接后由固定在上框架上安装平面；台面上表面通过螺栓与第二连接板连接。

6、主向液压缸首先穿过结构承力板中心的安装孔并固定连接，其次结构承力板的竖向立板穿过上框架中心的长方形通孔并且其通过沉头孔与上框架两侧的直槽固定连接，最后结构承力板的竖向立板与第一连接板固定连接。所述的第一连接板为四块竖向立板焊接围成的矩形框架，四块立板上各开有通孔；第一连接板两侧竖向立板上固定有滚轮，滚轮搭载在导轨上，形成了水平面内的调节自由度。在调节过程中，蜗轮蜗杆机构先通过螺栓与第一连接板临时连接，通过旋转蜗轮蜗杆机构的手轮改变蜗杆伸长量以改变主向液压缸的水平位置，当主向液压缸移动至合适位置后，拆卸蜗轮蜗杆机构与第一连接板间的连接螺栓，转而通过安装螺栓将结构承力板与上框架直接锁死，结构承力板与上框架硬性贴合，使滚轮竖直向上离开导轨，将调节间隙完全消除，构建刚性加载链。

7、所述基座的上表面与台面的下表面通过台面的沉头孔固定连接，该结构形式通过将液压缸产生的反作用力经结构承力板传递至封闭框架整体承担，保证了大力值加载条件下加载轴线的同轴度。

8、所述侧向加载装置具有拉压两种不同方式的加载能力，其量程分别为200kn和300kn，其同样具备水平和竖直位置调节的能力，侧向加载装置在结构上与主向框架相互独立，通过螺栓紧固于基座之上，该布置方式显著提高了装置的侧向刚度同时支持侧向跨距在0-280mm范围内调节；侧向加载装置包括侧向底架、侧向转接板、侧向加载架、侧向法兰、侧向液压缸、侧向托举块和侧向蜗轮蜗杆机构。所述侧向底架包括底板与竖向立板，三个竖向立板围成“工”字型，包括中部竖向立板和两侧竖向立板，中部竖向立板开有圆形减重孔。所述的侧向托举块是一块带有半圆形凹槽的矩形硬质橡胶块，其底部开有螺栓孔。所述的侧向转接板是一块上表面开有四条t型槽的板并且板的四角开有沉头孔，侧向转接板固定连接在侧向底架上表面。所述侧向加载架包括底板和三块竖向立板围城一侧开口的结构，前方竖向立板中心开有一个竖直方向的大直槽，大直槽四周开有四个竖直方向的小直槽，两侧竖向立板开有减重孔；侧向加载架通过t型槽螺栓与侧向转接板的t型槽连接，支持侧向加载架水平方向的位置调节；侧向蜗轮蜗杆机构固定连接在侧向加载架的底板上，被其三块竖向立板包围在中心，侧向蜗轮蜗杆机构蜗杆法兰与侧向托举块固定连接，侧向托举块半圆形凹槽与侧向液压缸的缸体外径配合。所述侧向液压缸采用双向液压缸，其缸体法兰与侧向法兰分别位于侧向加载架前部竖向立板的内、外侧并通过螺栓连接；在侧向液压缸缸体法兰螺栓松开状态下，通过侧向蜗轮蜗杆机构改变蜗杆伸长量即可调整侧向液压缸的竖直方向位置，待侧向液压缸达到合适位置时拧紧侧向液压缸缸体法兰螺栓，从而配合主向加载实现变加载点的六维力平稳标定。

9、所述的液压控制系统包括高压泵站、比例溢流阀、多通道电磁换向阀、精密压力传感器及油箱，液压控制系统通过油箱上的地脚固定连接在基座上。其用于控制主向液压缸和侧向液压缸的压力和动作，液压控制系统通过调节各路液压缸的输出力，压力控制精度不低于0.5%fs，能够实现主向与侧向载荷的同步、阶梯或交变加载，为六维力传感器的耦合误差标定提供稳定的动力源。

10、一种大面域大量程的六维力自动化标定方法，基于上述六维力自动化标定装置实现，包括以下步骤：

11、第一步：对待标定测力仪进行预处理。

12、将测力仪上表面和螺栓孔周围进行清洁，用无水乙醇清洁上表面，彻底去除表面的油污和灰尘，避免杂质影响标定效果。

13、第二步：对标定台液压缸位置进行调整。

14、以第二连接板中心沉头孔为坐标原点o，建立空间直角坐标系（如图1所示）；所述的标定台液压缸包括一个主向液压缸和三个侧向液压缸，三个侧向液压缸包括第一侧向液压缸、第二侧向液压缸、第三侧向液压缸，其中第二侧向液压缸、第三侧向液压缸位于第一侧向液压缸两侧，三者形成品字形布置。如果仅需x、y、z三个方向的单向力非变加载点标定，则不需要移动液压缸位置，否则需要手动调整液压缸位置。

15、进行mz扭矩标定时，需要调整第二侧向液压缸、第三侧向液压缸相对水平位置，松开侧向加载装置与基座连接的螺栓，将二者分别向x+和x-方向移动，使侧向加载装置中底座的螺栓孔与基座的螺栓孔对齐，对螺栓按照标准施加预紧力，配合侧向加载架在侧向转接板上的移动达到预设位置；

16、进行my/mx标定时，需要调整第二侧向液压缸、第三侧向液压缸相对竖直方向位置，松开侧向法兰与第二侧向液压缸、第三侧向液压缸连接的螺栓，转动侧向蜗轮蜗杆机构手轮，控制第二侧向液压缸、第三侧向液压缸的升降，使第二侧向液压缸、第三侧向液压缸到达预设位置时，重新用螺栓连接侧向法兰与第二侧向液压缸、第三侧向液压缸，固定液压缸位置。

17、第三步：标定测力仪。

18、步骤3.1，测力仪的安装。

19、将测力仪通过8个m12的螺栓与第二连接板连接，保证在标定过程中测力仪的位置不发生滑移，且其下表面与第二连接板紧密结合；将标定块通过8个m12的螺栓与测力仪进行连接，连接过程中保证标定块位于测力仪中心位置。

20、步骤3.2，设置标定方案。

21、标定台的使用需要设计完整的标定方案，根据测力仪量程选择相应的加载曲线，选择需要使用的加载液压缸，按照阶梯加载的方式设置好上下限力值、阶梯次数、保压时间和液压缸动作时间步，得到标定方案。

22、步骤3.3，测力仪标定操作。

23、基于步骤3.2设置的标定方案，确保测力仪安装正确且标定台周围无人员，同时打开数据采集软件同步采集测力仪输出，点击加载按键即可完成自动标定动作。具体的，开始加载后液压控制系统判断是否达到加载力值，若达到加载力值，进行保压并判断是否达到保压时间，如果达到保压时间则进行下一时间步的加载，继续判断是否完成所有时间步，如果已完成所有时间步则加载动作结束。

24、本发明的有益效果：

25、（1）承载刚度高且抗变形能力强，显著提升高载荷标定的轴线同轴度与解耦精度。由上框架、台面及立柱构成的主向承载框架，可整体闭环承担主向液压缸的大力值反作用力，保障了百吨级加载下的轴线同轴度；独立外置的侧向加载装置从结构上消除了主侧向干涉，有效抑制了侧向加载引起的台架偏转与寄生位移，大幅降低了空间力系的维间耦合干扰。

26、（2）有效加载面域广，具备优异的大尺寸空间兼容性。通过核心加载机构的空间分离与外置布局，将有效加载面域扩展至1200mm×1200mm以上，克服了传统标定台面受限于机械构件空间、普遍小于千毫米的限制，能够兼容超大尺寸、高跨距压电石英传感器的全面域多点位测试。

27、（3）可实现全维度六维力与空间复合力矩的精准模拟。通过一个主向加载装置与三个呈“品”字形对称布置的侧向加载装置协同运作，完整覆盖fx、fy、fz线值力以及mx、my、mz转矩全六维分量；侧向液压缸采用双向拉伸加载模式，配合高度与跨距调控，可平稳转化为空间复合力矩，真实模拟大型构件的复杂服役工况。

28、（4）同步自动化复合加载能力强。液压控制系统的压力控制精度优于0.5%fs，可按程控指令实现多向载荷的同步、阶梯或交变自动化复合加载，在大幅缩短标定周期的同时，利于动态捕捉并剔除各维载荷交叉干扰产生的耦合误差。