鎖緊釋放機(jī)構(gòu)接觸力測(cè)量平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與研究*

孫紅星, 柳鑫恩,, 劉擇明

(1.遼寧科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

0 引 言

鎖緊釋放機(jī)構(gòu)是對(duì)鎖緊和釋放目標(biāo)零件的重要機(jī)構(gòu)。其前端與目標(biāo)零件之間接觸力的測(cè)量能夠?yàn)殒i緊釋放過(guò)程提供重要的參數(shù)依據(jù)，對(duì)鎖緊釋放目標(biāo)零件在一定接觸力范圍內(nèi)進(jìn)行鎖緊與釋放，即能達(dá)到鎖緊釋放目的，又不會(huì)造成零件損壞。

接觸力的測(cè)量方法有很多種，醫(yī)學(xué)上假肢手接觸力采用電容法進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)假肢手的控制。聲表面波技術(shù)結(jié)合相關(guān)電路設(shè)計(jì)，作為新的力的測(cè)量方法[1,2]。基于視覺(jué)的角度，如原子顯微鏡等同樣可以實(shí)現(xiàn)接觸力的測(cè)量，但需要較高端設(shè)備[3,4]?；诠饫w的角度，光子晶體微腔和光纖環(huán)形衰蕩間接實(shí)現(xiàn)力的測(cè)量[5]。

接觸力的測(cè)量技術(shù)顯得尤為重要，首先，鎖緊過(guò)程中，要確定鎖緊裝置與目標(biāo)零件接觸與否，就要測(cè)量目標(biāo)與鎖緊手指之間力的變化，當(dāng)它們之間有力的示數(shù)，說(shuō)明鎖緊完成，并且要限制在一定的范圍內(nèi)，進(jìn)行后續(xù)相關(guān)試驗(yàn)。同時(shí)，接觸力的測(cè)量在蛇型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、玻璃清潔領(lǐng)域等領(lǐng)域都有所應(yīng)用[6]。

1 測(cè)量標(biāo)定原理

結(jié)合大量的文獻(xiàn)調(diào)研，實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)械特性，力檢測(cè)方法的難易、復(fù)雜程度，項(xiàng)目投入，以及項(xiàng)目主體后續(xù)平臺(tái)的搭建與測(cè)力課題與主體的整合，采用一種傳統(tǒng)測(cè)力對(duì)鎖緊釋放機(jī)構(gòu)懸臂梁應(yīng)變標(biāo)定的方法，進(jìn)行鎖緊釋放機(jī)構(gòu)接觸力的測(cè)量[7]。與傳統(tǒng)直接測(cè)量的方法略有不

同，傳統(tǒng)力傳感器的使用受到安裝空間，不能直接采用力傳感器等限制。該方法在測(cè)試條件不受環(huán)境，安裝空間的限制,并且該方法緊密結(jié)合鎖緊釋放機(jī)構(gòu)本身特性，進(jìn)行接觸力的測(cè)量方式的研究。原理圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一級(jí)鎖緊機(jī)構(gòu)與壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的二級(jí)頂針機(jī)構(gòu)與鎖緊釋放目標(biāo)接觸時(shí)，在鎖緊釋放機(jī)構(gòu)前端會(huì)產(chǎn)生接觸力，伴隨著接觸力的產(chǎn)生，在鎖緊釋放機(jī)構(gòu)后端懸臂梁會(huì)發(fā)生形變，形變會(huì)隨著接觸力的變化而變化，尋找該應(yīng)變與前端接觸力的相關(guān)關(guān)系。

能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鎖緊釋放機(jī)構(gòu)懸臂梁在宏觀驅(qū)動(dòng)、微觀驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式下產(chǎn)生的微小應(yīng)變信號(hào)的測(cè)量、信號(hào)調(diào)理，數(shù)據(jù)采集以及顯示分析；該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鎖緊釋放機(jī)構(gòu)前端與力傳感器器接觸產(chǎn)生的接觸力的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、放大以及顯示；該數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)中多種通道的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示、分析處理、二次保存、打印、信號(hào)提示及報(bào)警。

2 機(jī)械裝置與采集設(shè)備

2.1 鎖緊釋放機(jī)構(gòu)

鎖緊釋放機(jī)構(gòu)安裝于帶有絲杠滑臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)上，通過(guò)支架與步進(jìn)電機(jī)連接，步進(jìn)電機(jī)作為鎖緊釋放機(jī)構(gòu)的一級(jí)驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)KH—01步進(jìn)電機(jī)控制器輸出脈沖的數(shù)量和速度，釋放機(jī)構(gòu)位置移動(dòng)，使其與前端力傳感器接觸。鎖緊釋放機(jī)構(gòu)內(nèi)部，鎖緊釋放機(jī)構(gòu)內(nèi)部安裝有2只壓電驅(qū)動(dòng)器，作為二級(jí)驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)器由外界HPV系列壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓控制，輸出為0～30 μm左右，屬于高精度驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)二級(jí)級(jí)頂針與前端力傳感器接觸。

2.2 機(jī)械固定平臺(tái)

機(jī)械固定平臺(tái)由底板、擋板組成，用于鎖緊釋放機(jī)構(gòu)與力傳感器固定的一種機(jī)械裝置，源于需求，應(yīng)用于實(shí)踐。

連接節(jié)的設(shè)計(jì)是結(jié)合鎖緊釋放機(jī)構(gòu)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)與力傳感器構(gòu)造設(shè)計(jì)，該連接裝置需要嚴(yán)格模擬實(shí)際鎖緊釋放機(jī)構(gòu)與鎖緊釋放目標(biāo)零部件接觸，使力傳感器與鎖緊釋放機(jī)構(gòu)前端無(wú)縫對(duì)接，其對(duì)接觸面為45°圓臺(tái)面，轉(zhuǎn)接頭一端是M6的螺栓，另一側(cè)是一個(gè)錐形體的凹面。 鎖緊釋放機(jī)構(gòu)與目標(biāo)零件接觸力測(cè)量平臺(tái)如圖2所示。

圖2 鎖緊釋放機(jī)構(gòu)接觸力測(cè)量平臺(tái)

2.3 應(yīng)變片粘貼

應(yīng)變片BX120—1AA型號(hào)；采用正確的粘貼方法和工具，在有限的位置范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行精準(zhǔn)粘貼。采用相同材料的應(yīng)變片在相同材料懸臂梁粘貼，作為溫度補(bǔ)償片。

2.4 惠斯通電橋的搭建

惠斯通電橋的轉(zhuǎn)換，將應(yīng)變限號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的變化[4]。采用高精度 0.01 %，溫度漂移5×10-6的高精度電阻，并且在相同材質(zhì)懸臂梁粘貼應(yīng)變片，作為補(bǔ)償片，橋路選擇方式即1/4橋路、半橋、全橋等，外接直流穩(wěn)壓電源作為激勵(lì)。

2.5 力傳感器及變送器

ZNLBS—V1 微小拉壓力傳感器具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性能好、溫度漂移小、量程0～5 kg，綜合精度0.03 %FS(full scale,精度1.5 g)，靈敏度1.0～2.0 mV/V。變送器ZNBSQ，輸出范圍可選0～5 V輸出，需要12 V直流電壓供電。

2.6 采集卡及信號(hào)調(diào)理

經(jīng)過(guò)廣泛的調(diào)研，選用國(guó)內(nèi)北京阿爾泰USB3202數(shù)據(jù)采集卡，該卡采集速度、精度、通道數(shù)等相關(guān)參數(shù)，性價(jià)比較高，價(jià)格合理。采用阿爾泰S1103信號(hào)調(diào)理電路。放大電路需要外接12 V直流電源供電。

3 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)

基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，與傳統(tǒng)應(yīng)變儀配套軟件相比，優(yōu)勢(shì)明顯，靈活性強(qiáng)，易于開(kāi)發(fā)、集成，不需要購(gòu)買其軟件和配套分析模塊，成本低，性價(jià)比高。另外研發(fā)周期短，自主研發(fā)具有源程序，易于二次開(kāi)發(fā)[8]。

1)參數(shù)調(diào)整模塊：通道選擇、頻率采樣數(shù)的選擇、接線選擇、放大倍數(shù)的選擇，電橋方式選擇、橋路電壓的選擇；2)數(shù)據(jù)采集模塊：開(kāi)始采集，可以多通道同時(shí)采集，阿爾泰數(shù)據(jù)采集卡不能像NI采集卡那樣直接采用DAQ進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，需要采用調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)的方式，在LabVIEW中添加調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)，并且對(duì)其參數(shù)路徑進(jìn)行配置，多種調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)分別使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集；3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：多通道原始數(shù)據(jù)采用TDMS文件進(jìn)行存儲(chǔ)，TDMS分為文件名、通道組名、通道名，每一通道顯示一種數(shù)據(jù)，可以對(duì)多通道大量數(shù)據(jù)進(jìn)行高速存儲(chǔ),實(shí)驗(yàn)中的部分參數(shù)、擬合方程等采用電子表格進(jìn)行存儲(chǔ)；4)數(shù)據(jù)顯示模塊：對(duì)原始數(shù)據(jù)、測(cè)試中處理后的二次數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行顯示,對(duì)于測(cè)試中相關(guān)中間參數(shù)可以采用電子表格進(jìn)行添加、錄入；5)數(shù)據(jù)處理模塊：可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、拆分，調(diào)零整合等多種方式處理；6)數(shù)據(jù)擬合模塊：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)線性擬合、指數(shù)擬合、冪函數(shù)擬合、廣義線性擬合、多項(xiàng)式擬合等多種擬合方式的擬合，工程實(shí)際中以多項(xiàng)式擬合效果最好，應(yīng)用效果需要采用相關(guān)參數(shù)進(jìn)行權(quán)衡；7)數(shù)據(jù)提示及報(bào)警模塊：能夠人工設(shè)定預(yù)警信號(hào)的范圍，對(duì)于到達(dá)設(shè)定上限和下限范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行提示和預(yù)警;8)打印模塊：對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的部分?jǐn)?shù)據(jù)表格及相關(guān)中間數(shù)據(jù)信息能夠直接打印成文檔，進(jìn)行保存。

4 擬合方法

采用最小二乘法對(duì)應(yīng)變信號(hào)與接觸力信號(hào)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。

假設(shè)有一實(shí)驗(yàn)，共有m個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，xi為應(yīng)變信號(hào)，yi為接觸力信號(hào)，畫出m個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的直角坐標(biāo)圖像獲得每個(gè)數(shù)據(jù)的xi和yi對(duì)應(yīng)關(guān)系

(1)

(2)

y=[y1,y2,y3,…,ym]T,A=[a0,a1,a2,…,an]

則一元線性回歸的數(shù)據(jù)模型為y=XAT，這是一個(gè)不相容線性方程組，當(dāng)rank(X)=2

A=(XTX)-1XTy,y=AX

(3)

5 基于懸臂梁理論的測(cè)量標(biāo)定步驟

1)基于懸臂梁理論建立應(yīng)變測(cè)量的標(biāo)定模型。

2)采用宏觀驅(qū)動(dòng)與微觀驅(qū)動(dòng)分別對(duì)鎖緊釋放機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，同時(shí)測(cè)量懸臂梁的形變的變化，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

3)在搭建好的鎖緊釋放機(jī)構(gòu)接觸力測(cè)量平臺(tái)上，分別對(duì)應(yīng)宏觀驅(qū)動(dòng)控制、微觀驅(qū)動(dòng)控制下的接觸力進(jìn)行采集，存儲(chǔ)。

4)采用數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行擬合和標(biāo)定，對(duì)于擬合出來(lái)的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行存儲(chǔ)。

5)根據(jù)擬合的函數(shù)關(guān)系，測(cè)試條件下，由應(yīng)變信號(hào)推理出接觸力信號(hào)的變化。

6 信號(hào)的采集與分析

6.1 應(yīng)變信號(hào)的采集

采用信號(hào)調(diào)理放大電路對(duì)惠斯通電橋的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，將放大器輸出連接到數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)端子口，再通過(guò)USB或以太網(wǎng)等多種形式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X。

6.2 接觸力信號(hào)的采集

在機(jī)械固定平臺(tái)上安裝力傳感器，將連接節(jié)安裝力傳感器上，便于模擬鎖緊目標(biāo)零件與鎖緊釋放機(jī)構(gòu)的接觸，力的信號(hào)可以通過(guò)航空插頭與顯示儀表連接，也可以通過(guò)航空插頭與變送器連接，再連接數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)端口，進(jìn)而連接到上位機(jī)。

6.3 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

可以對(duì)鎖緊釋放機(jī)構(gòu)宏觀和微觀兩種驅(qū)動(dòng)控制下產(chǎn)生的兩種應(yīng)變與力的采集與標(biāo)定，最終實(shí)現(xiàn)在不能使用力傳感器或者不易安裝力傳感器的實(shí)驗(yàn)條件下，鎖緊釋放機(jī)構(gòu)接觸力的測(cè)量，為微裝配和微操作系統(tǒng)中力控制、測(cè)量、應(yīng)用提供了更加方便，快捷的測(cè)量及控制方式[8]。

測(cè)試條件下，實(shí)測(cè)力與擬合力的關(guān)系如圖3所示。

圖3 實(shí)測(cè)力與擬合力的關(guān)系

實(shí)測(cè)力是傳感器傳輸上來(lái)鎖緊釋放機(jī)構(gòu)前端接觸的接觸力，擬合力是通過(guò)用實(shí)驗(yàn)條件下擬合的應(yīng)變—接觸力的函數(shù)關(guān)系，將測(cè)試條件下的應(yīng)變信號(hào)作為輸入，計(jì)算出來(lái)的接觸力的變化趨勢(shì)，由圖分析，效果較好。計(jì)算力是根據(jù)應(yīng)變—應(yīng)力—力的相關(guān)公式，計(jì)算出力的變化趨勢(shì)，由于在傳遞的過(guò)程中有摩擦等損耗，必定會(huì)使計(jì)算力小于實(shí)際的接觸力，而標(biāo)定法測(cè)量出來(lái)的計(jì)算力，不受損耗的影響，力由鎖緊釋放機(jī)構(gòu)前端傳遞想后端懸臂梁的過(guò)程中，懸臂梁會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變的變化，但需要的是應(yīng)變的變化趨勢(shì)，即使有損耗，對(duì)于接觸力的標(biāo)定主體來(lái)說(shuō)，并無(wú)影響，間接提高了測(cè)量的精度。

6.4 誤差分析

如圖3所示，計(jì)算力是由應(yīng)變—應(yīng)力—接觸力方式計(jì)算得出，為測(cè)量方法一；擬合力是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器標(biāo)定應(yīng)變得出，為方法二，即本文主要測(cè)力方法。實(shí)測(cè)力為標(biāo)準(zhǔn)的力傳感器測(cè)量出的接觸力的實(shí)際值，將方法一與方法二計(jì)算出的力的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)接觸力的值進(jìn)行比較，圖3共257組數(shù)據(jù)，從施加外力開(kāi)始，即第100組開(kāi)始取數(shù)據(jù)，每間隔10組取一組，共取15組數(shù)據(jù)繪制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)方法一與方法二計(jì)算接觸力誤差對(duì)比圖，如圖4所示。

表1 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 N

圖4 方法一與方法二的誤差對(duì)比

方法一計(jì)算接觸力誤差波動(dòng)較大，并且隨著實(shí)際接觸力的增大，誤差逐漸增大。通過(guò)擬合方法計(jì)算接觸力的方法二得到的接觸力結(jié)果誤差較小，通過(guò)對(duì)該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，體現(xiàn)了通過(guò)接觸力標(biāo)定應(yīng)變，間接測(cè)量接觸力的方法，誤差小，效果好，精度高。

7 結(jié) 論

基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集及分析和測(cè)力方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)于宏觀與微觀雙驅(qū)動(dòng)控制下接觸力度測(cè)量、小信號(hào)測(cè)量?？傮w成本較低，可操作性較高，便于集成、整合，軟件研發(fā)周期短，使用便捷，效率高。數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)屬于自主開(kāi)發(fā)基于LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)的軟件操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于懸臂梁應(yīng)變信號(hào)力的標(biāo)定，拓寬了應(yīng)變信號(hào)應(yīng)用渠道，為鎖緊與釋放機(jī)構(gòu)接觸力的測(cè)量，以及相關(guān)其他接觸力的測(cè)量，應(yīng)變的測(cè)量與分析提供了新的方法。如微加持力的測(cè)量、微釋放與微裝配、力測(cè)量與控制、橋梁載荷試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)，機(jī)械部件的應(yīng)變檢測(cè)和診斷等，提供了相關(guān)數(shù)據(jù)支撐與技術(shù)指導(dǎo)[8]。