一种六维力测量实验装置设计【字数：10012】
伴随着近几年科学技术的不断发展完善，在科技研发、加工制造业等领域，对于空间六维力（即沿着空间中三个坐标轴方向的力，以及绕着三个坐标轴的力矩）的测量及其精度要求更为严格。将外部输入的力信号转换为电信号输出的器件则被称为力测量装置，其中，因为六维力测量装置因其能够同时对空间三维坐标系中的力信息进行测量，成为了力测量装置中最具代表性的一类测量装置。本文利用斯特沃德平台（Stewart platform）结构紧凑、刚度大的结构特点，根据Stewart平台的静力学关系研究，尝试建立了空间六维力的测量装置的模型，进行了一种新的六维力测量装置的结构设计、进行了误差原因分析和仿真结果校正。
目 录
1. 绪论1
1.1 空间六维力1
1.1.1 力1
1.1.2 力矩1
1.1.3 力偶1
1.1.4 刚体1
1.2 国内外的六维力测量装置1
1.2.1 力测量装置1
1.2.2国外的发展现状2
1.2.3 国内的发展现状2
1.3 课题来源及研究目的与意义3
2. 装置结构设计4
2.1六维力测量装置的外形选择5
2.1.1 国内外一些测量装置的外形5
2.1.2 Stewart平台6
2.2 六维力测试装置的结构外形和具体参数6
2.2.1 测力平台部分7
2.2.1.1 下平台7
2.2.1.2 上平台8
2.2.1.3 平台间连接杆8
2.2.2 标定框架部分11
2.2.2.1 各种型材12
2.2.2.2 各种连接件12
2.2.2.3 滑轮13
2.2.3 其他零件13
2.2.3.1 拉环13
2.2.2.2 螺母14
2.2.2.3 螺钉14
2.2.2.4 砝码14
2.3 大致结构参数15
2.4 外载荷加载方式16
2.4.1 简单力的加载方式16
2.4.2 简单力矩的加载方式17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
/> 3. 分析计算18
3.1 建立静态数学模型18
3.2 各向同性分析20
4. 六维力测量装置静态标定研究22
4.1 静态标定步骤22
4.2 静态标定实验22
5. 总结24
5.1该设计的优点与不足24
5.1.1 优点24
5.1.2 不足24
参考文献25
1． 绪论
1.1 空间六维力
本文试设计的六维力实验装置用于测量空间六维力，也就是沿空间坐标轴的3个力分量（Fx,Fy,Fz），以及绕坐标轴的3个力矩分量(Mx,My,Mz)[1]。
1.1.1 力
力是力学中的几大基本概念之一，由物体与物体之间的相互作用产生。通常来讲，力具有三个要素，分别为大小、方向和作用点。如果一个力作用于某一物体，对物体运动产生的效果相当于另外的几个力同时作用于该物体时产生的效果，则这几个力就是原先那个作用力的分力。
1.1.2 力矩
力矩在物理学中，指的是作用力使得物体绕着某一旋转轴或者某一支点转动的趋势，可以分为力对轴的矩和力对点的矩。转动力矩又称为转矩，在某些情况下也被称为扭矩。力矩时矢量，其等于径向矢量与作用力的叉积。
1.1.3 力偶
力偶，物理名词，是指作用于同一刚体上的，大小相等、方向相反，但作用线不在同一直线上的一对力。力偶能使物体产生纯转动的效应。例如，操作员转动丝锥时，双手施加的力偶对丝锥来说并不会产生方向为横向的侧压力，这样的方式钻得的孔才能与表面垂直。
1.1.4 刚体
所谓刚体，指的是存在某个物体，在其运动中或者受到力的作用时，其形状以及大小不会发生改变。举例来说，就是若一个物体为刚体，则其内部任意两点之间的距离永远不会发生变化。但是在宇宙中并没有刚体的存在，刚体只是研究者把实际存在的物体经过抽象化所得到的，能简化问题的研究的理想模型。在静力学中，我们研究的对象主要就是刚体，所以有时静力学也被称为刚体静力学。
1.2 国内外的六维力测试装置
迄今为止，国内外对于多维力测量装置的标定系统均有一定程度的研究。其中，我国从20实际80年代初期开始，对六维力测量装置进行了研究。
1.2.1 力测量装置
将外部输入的力的量值转化为相关电信号并输出的器件被称为力测量装置，力测量装置根据种类的不同，可以测量拉力、压力、张力、重力、扭矩等力学量。力测量装置一般由三个部分组成，分别为：力敏元件（铝合金、合金钢、不锈钢等弹性体）、转换原件（一般常见的时电阻应变片）、电路部分（PCB板、漆包线等）。
六维力传感器主要形式有筒形结构[2]、十字结构[3]、双头式结构[4]以及Stewart平台结构[5]。这些传感器测的六维力相对较小,目前尚无六维大力测量研究的报道[6]。
1.2.2 国外的发展现状
据笔者搜索的相关文献中，国外较早对多维力测量装置进行研究的是意大利的G.colonetti计量研究所，他们开发了一种轴向载荷最大量程105KN、径向载荷最大量程6KN、3个力矩的量程均为2KNm的标定平台[7]。但是，这个标定平台具有较低的相对扩展不确定度。
韩国庆尚国立大学设计了一种力最大量程为500N，力矩最大量程为50Nm的六维力测量装置标定系统[8](如图1.1所示)。这种标定系统的工作平台结构紧凑、标定精度较高，在不进行加载部件的更换的情况下，也能够实现对六维力的标定工作。
图1.1庆尚国立大学设计的六维力标定装置
1.2.3 国内的发展现状
浙江省计量科学院的相关研究人员设计了一种三向力测量装置的标定系统，利用单向力测量装置测量加载的力的大小[9]。利用该装置能轻松实现对三向力测量装置的标定，但还无法同时对力矩进行标定。
大连交通大学的林盛、王春等设计了一种应用闭环反馈控制机制的六维力标定系统[10]（如图1.2）。该标定系统通过采用力反馈控制系统来达到对标定力的精确加载的目的，同时还通过定位机构上安装的光栅尺来实现对六维力测量装置的直线位移和角位移的精确定位。
目 录
1. 绪论1
1.1 空间六维力1
1.1.1 力1
1.1.2 力矩1
1.1.3 力偶1
1.1.4 刚体1
1.2 国内外的六维力测量装置1
1.2.1 力测量装置1
1.2.2国外的发展现状2
1.2.3 国内的发展现状2
1.3 课题来源及研究目的与意义3
2. 装置结构设计4
2.1六维力测量装置的外形选择5
2.1.1 国内外一些测量装置的外形5
2.1.2 Stewart平台6
2.2 六维力测试装置的结构外形和具体参数6
2.2.1 测力平台部分7
2.2.1.1 下平台7
2.2.1.2 上平台8
2.2.1.3 平台间连接杆8
2.2.2 标定框架部分11
2.2.2.1 各种型材12
2.2.2.2 各种连接件12
2.2.2.3 滑轮13
2.2.3 其他零件13
2.2.3.1 拉环13
2.2.2.2 螺母14
2.2.2.3 螺钉14
2.2.2.4 砝码14
2.3 大致结构参数15
2.4 外载荷加载方式16
2.4.1 简单力的加载方式16
2.4.2 简单力矩的加载方式17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
/> 3. 分析计算18
3.1 建立静态数学模型18
3.2 各向同性分析20
4. 六维力测量装置静态标定研究22
4.1 静态标定步骤22
4.2 静态标定实验22
5. 总结24
5.1该设计的优点与不足24
5.1.1 优点24
5.1.2 不足24
参考文献25
1． 绪论
1.1 空间六维力
本文试设计的六维力实验装置用于测量空间六维力，也就是沿空间坐标轴的3个力分量（Fx,Fy,Fz），以及绕坐标轴的3个力矩分量(Mx,My,Mz)[1]。
1.1.1 力
力是力学中的几大基本概念之一，由物体与物体之间的相互作用产生。通常来讲，力具有三个要素，分别为大小、方向和作用点。如果一个力作用于某一物体，对物体运动产生的效果相当于另外的几个力同时作用于该物体时产生的效果，则这几个力就是原先那个作用力的分力。
1.1.2 力矩
力矩在物理学中，指的是作用力使得物体绕着某一旋转轴或者某一支点转动的趋势，可以分为力对轴的矩和力对点的矩。转动力矩又称为转矩，在某些情况下也被称为扭矩。力矩时矢量，其等于径向矢量与作用力的叉积。
1.1.3 力偶
力偶，物理名词，是指作用于同一刚体上的，大小相等、方向相反，但作用线不在同一直线上的一对力。力偶能使物体产生纯转动的效应。例如，操作员转动丝锥时，双手施加的力偶对丝锥来说并不会产生方向为横向的侧压力，这样的方式钻得的孔才能与表面垂直。
1.1.4 刚体
所谓刚体，指的是存在某个物体，在其运动中或者受到力的作用时，其形状以及大小不会发生改变。举例来说，就是若一个物体为刚体，则其内部任意两点之间的距离永远不会发生变化。但是在宇宙中并没有刚体的存在，刚体只是研究者把实际存在的物体经过抽象化所得到的，能简化问题的研究的理想模型。在静力学中，我们研究的对象主要就是刚体，所以有时静力学也被称为刚体静力学。
1.2 国内外的六维力测试装置
迄今为止，国内外对于多维力测量装置的标定系统均有一定程度的研究。其中，我国从20实际80年代初期开始，对六维力测量装置进行了研究。
1.2.1 力测量装置
将外部输入的力的量值转化为相关电信号并输出的器件被称为力测量装置，力测量装置根据种类的不同，可以测量拉力、压力、张力、重力、扭矩等力学量。力测量装置一般由三个部分组成，分别为：力敏元件（铝合金、合金钢、不锈钢等弹性体）、转换原件（一般常见的时电阻应变片）、电路部分（PCB板、漆包线等）。
六维力传感器主要形式有筒形结构[2]、十字结构[3]、双头式结构[4]以及Stewart平台结构[5]。这些传感器测的六维力相对较小,目前尚无六维大力测量研究的报道[6]。
1.2.2 国外的发展现状
据笔者搜索的相关文献中，国外较早对多维力测量装置进行研究的是意大利的G.colonetti计量研究所，他们开发了一种轴向载荷最大量程105KN、径向载荷最大量程6KN、3个力矩的量程均为2KNm的标定平台[7]。但是，这个标定平台具有较低的相对扩展不确定度。
韩国庆尚国立大学设计了一种力最大量程为500N，力矩最大量程为50Nm的六维力测量装置标定系统[8](如图1.1所示)。这种标定系统的工作平台结构紧凑、标定精度较高，在不进行加载部件的更换的情况下，也能够实现对六维力的标定工作。
图1.1庆尚国立大学设计的六维力标定装置
1.2.3 国内的发展现状
浙江省计量科学院的相关研究人员设计了一种三向力测量装置的标定系统，利用单向力测量装置测量加载的力的大小[9]。利用该装置能轻松实现对三向力测量装置的标定，但还无法同时对力矩进行标定。
大连交通大学的林盛、王春等设计了一种应用闭环反馈控制机制的六维力标定系统[10]（如图1.2）。该标定系统通过采用力反馈控制系统来达到对标定力的精确加载的目的，同时还通过定位机构上安装的光栅尺来实现对六维力测量装置的直线位移和角位移的精确定位。
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