多維力傳感器可以用于檢測空間的力信息,在風洞試驗、機器人裝配、起落架載荷測試、航天器對接等領域具有重要的應用價值。

本文提出了兩種機械解耦的并聯三維力傳感器的新構型,分別建立了其測量模型,并對兩種并聯三維力傳感器進行了具體的結構設計,基于有限元軟件對兩種并聯三維力傳感器進行了力學分析,最后搭建了機械解耦并聯三維力傳感器的標定實驗系統并開展了標定研究。

主要內容如下:首先,基于鋼球的滾動原理提出了兩種機械解耦的并聯三維力傳感器的新構型,推導了理想情況兩種機械解耦并聯三維力傳感器的靜力映射關系;分析了測量分支中鋼球的滾動測量原理,進而推導了考慮滾動摩阻的機械解耦并聯三維力傳感器測量模型;最終推導了同時考慮傳感器預緊力和滾動摩阻的機械解耦并聯三維力傳感器綜合測量模型。

其次,分析了并聯三維力傳感器的測量性能,基于提出的兩種機械解耦的并聯三維力傳感器的新構型,對其進行了詳細的結構設計,同時設計了兩種機械解耦并聯三維力傳感器通用的靜態標定加載裝置,并進行了關鍵零部件的強度校核;使用有限元軟件對兩種機械解耦并聯三維力傳感器進行了虛擬標定和模態分析。

最后,研制了機械解耦并聯三維力傳感器樣機,編寫了數據采集系統的采集程序,搭建其靜態標定實驗系統;進而探究了不同預緊載荷對機械解耦并聯三維力傳感器測量精度的影響,基于最小二乘法對實驗數據進行處理,得到了不同預緊力下傳感器的誤差矩陣和標定矩陣,對解耦的三維力傳感器的研究有一定的參考價值。