[發明專利]用于恒力磨削的三維力傳感器解耦標定及濾波方法與裝置

有效

• 申請號: 201610817962.5
• 申請日: 2016-09-12
• 公開（公告）號: CN106644253B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 張鐵;胡廣;鄒焱飚
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01L25/00
• 分類號: G01L25/00
• 代理公司: 44245 廣州市華學知識產權代理有限公司
• 代理人: 楊樹民<國際申請>=<國際公布>=<進入

1.一種用于恒力磨削的三維力傳感器解耦標定及濾波方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

1)根據三維力傳感器固定點受力的特點，在受力點附近的三個方向上分別加載恒定的重量，分別測量并記錄三個通道的輸出電壓，為了避免電壓矩陣為奇異矩陣，進行多次測量，得到標定矩陣方程；

2)根據步驟1)的標定矩陣方程，求出三維力傳感器在該受力點處的解耦矩陣，通過解耦方程求出各方向的實際受力；

3)根據步驟2)求出的解耦矩陣，為了驗證該解耦矩陣的有效性，通過在受力點的任意方向施加一個力，對比理論力值與實際測量值，確保實際測量誤差滿足應用要求；

4)采用力信號的自適應慣性濾波方法，對根據步驟3)得到的力傳感器信號中的干擾信號進行濾波處理；

5)根據步驟1)得到的力傳感器三個通道的模擬量電壓信號，通過信號放大器轉換成0～10V的模擬量電壓信號，經過端子板的A/D轉換模塊后，進入運動控制器，并在運動控制器中完成解耦與濾波處理；

所述步驟4)具體包括：

步驟41)、由于三維力傳感器測量信號中有噪聲的影響，采用自適應慣性濾波策略進行濾波處理，其中濾波參數調整策略為：

其中，s₁和s₂表示連續兩次采樣信號的變化方向，△表示濾波系數的調整速度，M表示信號變化閥值；

步驟42)、根據步驟41)的濾波參數調整方法，得到的慣性濾波為：

y(k)＝α(k)·x(k)+[1-α(k)]·y(k-1)

其中，α(k)表示k時刻的濾波系數，y(k)和y(k-1)分別表示當前時刻和上一時刻的濾波值，x(k)表示當前時刻的采樣值。

2.根據權利要求1所述用于恒力磨削的三維力傳感器解耦標定及濾波方法，其特征在于：所述步驟1)具體包括：

步驟11)、在三維力傳感器的受力點附近的三個方向懸掛已知重量的砝碼，分別測量三個通道的輸出電壓，得到矩陣方程：

其中，f_x表示X方向加載的力，C是解耦矩陣，v_x表示加載力為f_x時三個通道的輸出電壓；

步驟12)、根據步驟11)的矩陣方程，求解出解耦矩陣C＝V^-1·F，并將該矩陣用于三維力傳感器的測量中。

3.根據權利要求1所述的用于恒力磨削的三維力傳感器解耦標定及濾波方法，其特征在于：實現標定及濾波方法的裝置包括控制部分和機械部分；其中控制部分有：PC主機(1)、嵌入式控制器(2)、端子板(3)、信號放大器(4)、三維力傳感器(5)、伺服驅動器(6)和三坐標驅動及傳動機構(7)，PC主機(1)上加載有自適應慣性濾波算法，其中機械部分包括：工作臺架(8)、x軸方向運動機構(9)、y軸方向運動機構(10)、z軸方向運動機構(11)、傳感器裝夾架(12)、加工工具(13)；

所述三坐標驅動及傳動機構(7)分別由x軸、y軸、z軸三個方向運動機構組成，x軸方向運動機構(9)固定在工作臺架(8)上，y軸方向運動機構(10)固定在x軸方向運動機構(9)的滾珠滑塊(14)上，z軸方向運動機構(11)固定在y軸方向運動機構(10)的滾珠滑塊(14)上，三個方向運動機構分別通過各自伺服電機(15)連接的滾珠絲杠(16)，驅動各自滾珠絲杠(16)上安裝的滾珠滑塊(14)移動；于所述z軸滾珠滑塊(14)連接固定的傳感器裝夾架(12)上，裝有三維力傳感器(5)，三維力傳感器(5)的測力面與末端為球形的加工工具(13)連接。

4.根據權利要求3所述的用于恒力磨削的三維力傳感器解耦標定及濾波方法，其特征在于：所述控制部分的三維力傳感器(5)與信號放大器(4)通過信號導線與連接，信號放大器(4)通過串口與PC主機(1)連接，信號放大器(4)輸出數字量力信號到PC主機(1)，在PC主機(1)上進行顯示和記錄實時測量的力信號；將記錄的力信號利用三維力傳感器解耦標定算法的步驟1，計算出解耦矩陣，并利用步驟4的自適應慣性濾波算法，得到濾波之后的測量力信號。