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特种六分力传感器设计原理研究

作　者: 张景柱
导　师: 徐诚；吴翔
学　校: 南京理工大学
专　业: 兵器科学与技术
关键词: 六分力传感器设计解耦算法优化设计动态特性性能评价体系校准
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

六分力传感器能同时检测到三维空间的全力信息,是随着机器人技术的发展而出现的一种新传感器。本文主要围绕复杂环境下六分力传感器系统设计原理的若干关键技术和实验校准等问题进行深入研究,并研制出“气动力—惯性力复合离心试验”用六分力传感器系统,完成的主要工作如下:1、系统地总结分析了六分力传感器的概念原理、特点及工程应用,重点回顾了六分力传感器及其关键技术的国内外研究状况。并从测量系统理论的角度,分析了六分力传感器系统的数学理论基础。2、在对比分析六种可选用的测力敏感元件方案的基础上,对并联结构和盒式结构六分力传感器分别进行总体方案分析,并重点提出了一种新型八正交梁结构六分力传感器系统的总体设计方案,同时详尽阐述了其结构设计、工艺、布片组桥及测量原理等关键技术。3、针对维间耦合严重制约着传感器测量精度的问题,对多分力传感器解耦算法进行全面系统分析,分别针对静态解耦和动态解耦,提出几种有效的解耦方法及策略。4、以并联结构六分力传感器为研究对象,推导出其主要性能指标的解析解,分析了主要性能指标的性能椭球特性;引入性能影响因子,考察了无量纲化的关键结构参数与主要性能指标的量化关系,绘制出主要性能指标的二维性能图谱;并在此基础上提出了面向性能指标(DFP)的传感器设计策略。针对盒式结构六分力传感器的关键部件——力敏元件与弹性连杆进行优化设计,提出了一种基于正交试验和APDL的结构优化方法,并采用该方法实现了力敏元件的优化设计,同时推导出新型柔性铰链的柔度解析计算公式,并考察了关键结构参数对新型柔性铰链柔度性能的影响规律。利用有限元仿真软件,对新研制八正交梁结构六分力传感器进行静力学特性分析及模态分析;以维间耦合最小为目标函数建立了其结构优化数学模型,实现了结构尺寸优化;并考察了结构参数变化影响固有频率的规律。完成了新型六分力传感器的动态特性仿真研究,获取了其受到阶跃或冲击载荷后的动态响应,提取了其动态性能指标值。5、建立了六分力传感器性能的通用评价指标体系模型和AHP-FUZZY评价模型,为六分力传感器的性能综合评价提供了理论依据,并给出了新型六分力传感器系统的评价实例,评价结果良好;同时建立了并联结构六分力传感器评价指标体系。6、完成了新型八正交梁结构六分力传感器的静态校准和准动态实验,实验结果表明:传感器的精度、准度、线性度等比较理想,达到了复合离心试验的使用要求。

特种六分力传感器设计原理研究

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