柔性铰并联六维力传感器误差分析与实验研究

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近年来,基于柔性并联机构的六维力传感器以其较高的测量精度深受重视并得到了快速发展,但是在加工制造和工作过程会不可避免地由于自身原因使测力平台产生形位误差,严重影响着传感器精度、线性度、灵敏度等静态性能指标,使其难以满足精确测量的工作环境。本课题结合工程实际,对柔性铰6-UPUR六维力传感器机构本身误差因素进行探讨,并开展静态标定实验进行验证。主要的研究如下:  首先,运用Denavit-Hartenberg(以下简称D-H)建模方法推导出传感器加工制造误差模型,并通过虚设运动副的方法将各个误差源映射为四类D-H参数,并针对主要误差源(测力平台和固定平台的半径误差,分支中间U副和下定位块U副的两运动轴线的间距误差,单维力传感器安装误差)运用蒙塔卡洛方法对其进行分析。  其次,基于Euler-Bernoulli梁理论和假设小变形理论,给出传感器所应用的两种R副的柔度矩阵,运用柔性串联支路的变形叠加原理和并联组合的变形协调条件,求取了传感器整体刚度矩阵,构建了标定变形误差模型,借助有限元分析软件ANSYS Workbench对传感器进行静力分析,得出由各维施加力的变化所引起的测力平台形位变化,并与理论计算结果进行对比。  再次,给出基于并联机构的六维力传感器的力学模型,并对传感器加工制造误差和标定变形误差进行综合;给出传感器精度和其它静态性能指标的定义,并针对理想情况和计入各项误差两种情况下进行对比分析,得出误差对传感器静态性能的影响。  最后,开展静态标定实验,得出由最小二乘法解耦计算得出的标定矩阵和误差矩阵;采用激光干涉仪对传感器标定过程中的结构变形进行检测,进而对传感器三种情况下得到的一阶静力影响系数矩阵进行比较分析,并对柔性并联六维力传感器参数优化提供指导。
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