申请/专利权人：吉林大学

申请日：2018-12-13

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN109407019B

主分类号：G01R33/12

分类号：G01R33/12;G01L3/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2023.11.14#著录事项变更;2019.03.26#实质审查的生效;2019.03.01#公开

摘要：本发明提供了一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，属于磁力和磁力矩检测领域。主要由电压转换器、功率放大器、驱动器、数据采集卡、步进电机、导轨、丝杠、四维力传感器、磁性探头及各种连接件组成。使用性价比高、精度高、可靠性好的四维力传感器通过方案ABC的安装方式实现对待检区域磁力和磁力矩六维强度全场分布的识别和检测。磁性探头置于被测永磁或电磁六维磁力发生装置待检区域，通过计算机程序将磁性探头移动到磁力和磁力矩发生装置待检区内的目标位置，磁性探头将其所受的磁力和磁力矩传给四维力传感器，再通过数据采集卡传给电脑储存；最后进行数据处理，实现对待检区域不同位置的六维磁力和磁力矩检测。

主权项：1.一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，主要由支承装置1、电气控制系统2、三自由度模组系统3、检测装置4四大部分和相关连接导线组成。其中支承装置1由调平减震脚101、支架102、底座103、电气元件安装板104和105；电气控制系统2由电压转换器201、步进电机驱动器202、功率放大器203、旋转马达驱动器204；三自由度模组系统3由Y轴导轨支承座301、Y轴丝杠支承座302、Y轴电机安装板303、Y轴电机304、Y轴丝杠固定座323、Y轴导轨324、Y轴导轨滑块325、Y轴丝杠螺母326、Y轴丝杠327、Y轴联轴器328，X轴丝杠固定座305、X轴导轨支承座306、X轴滑块307、X轴丝杠308、X轴连接块309、X轴螺母310、X轴电机321、X轴丝杠支承座330、X轴电机安装板331、X轴联轴器332，Z轴连接块311、Z轴导轨支承座312、Z轴电机安装板313、Z轴电机314、Z轴联轴器315、Z轴丝杠316、Z轴丝杠支承座317、Z轴导轨318、Z轴滑块319、Z轴丝杠螺母320、Z轴丝杠固定座322；检测装置4由旋转电机401、连接架402、固定座403、Z向四维力传感器404、Z向法兰座405、Z向探杆406、Z向探头407，Y向四维力传感器411、Y向锁紧螺母412、Y向法兰座413、Y向延长杆414、Y向探杆415、Y向探头416，X向锁紧螺母421、X向法兰座422、X向四维力传感器423、X向延长杆424、X向探杆425、X向探头426等组成；其电压转换器201、步进电机驱动器202、功率放大器203和旋转马达驱动器204固定于电气元件安装板104和105上；其连接架402具有X向、Y向、Z向三个工位，传感器磁力和磁力矩示数分别用F和M表示，所测目标位置的实际磁力和磁力矩用f和m表示，四维力传感器的轴线到磁性探头的距离用L表示，在Z向工位通过传感器的示数测得目标位置的XYZ向磁力和Z向磁力矩：在Y向工位测得目标位置的XYZ向磁力和Y向磁力矩：在X向工位测得目标位置的XYZ向磁力和X向磁力矩：则最终目标位置的六维磁力与磁力矩为：目标位置的实际驱动磁力和磁力矩分别为：

全文数据：一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置技术领域本发明属于磁力和磁力矩检测领域，具体地，涉及一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置。背景技术在机械、生物、生命、医学、物理、化学、仿生、微纳控制等新兴交叉学科或领域中，由于磁力驱动具有可控性好、跨空间、无线驱动、驱动力大等特点，被广泛应用，但是目前还没有检测被控对象所受到的永磁或电磁磁力和磁力矩六维强度全场分布的自动检测装置。近年来磁力检测有所发展，现有的磁力检测装置大多是针对加工后的单个磁铁样品或带有磁铁的注塑产品，通过定性比较磁铁产品产生磁力的大小，以此来判断该产品的质量；或是通过检测磁通量密度大小来判断充磁产品的质量。然而国内对磁力和磁力矩六维强度全场分布和驱动能力的研究正处于起步阶段，研究资料相对国外较少，现有的技术中，还没有能够对磁力和磁力矩六维强度全场分布的自动检测装置。探究磁力和磁力矩六维强度全场分布规律能促进无缆驱动、空间驱动、机器人学、生物医学、微纳控制等领域的进一步发展与应用。因此，设计出磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置对多维空间磁力和磁力矩驱动和检测的发展具有重大意义。综上所述，磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测的发展迫切需要一种装置，可以使用计算机控制磁性探头到达永磁或电磁被测区域的各个位置，四维力传感器通过不同的安装方式完成对六维空间耦合的磁力和磁力矩进行自动检测。设计开发出一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置对磁力和磁力矩六维强度全场分布规律及驱动能力的研究具有重要意义与研究价值。发明内容本发明主要解决的技术问题是提供一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置。四维力传感器相对于六维力传感器成本低廉、结构简单、检测方便、精度高、可靠性好，通过改变四维力传感器的安装方式进行自动检测被检区域磁力和磁力矩六维强度全场分布大小，获取驱动能力。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，主要由支承装置、三自由度模组系统、电气控制系统、检测系统和连接器件组成。支承装置包括底座、调平减震脚、支架、电气元件安装板。三自由度模组系统包括导轨支承座、步进电机、联轴器、导轨、滑块、丝杠、丝杠螺母、丝杠支承座、电机安装板、轴承、连接块。电气控制系统包括电压转换器、步进电机驱动器、功率放大器、旋转马达驱动器。检测系统包括连接架、旋转马达、固定座、四维力传感器、法兰座、延长杆、探杆、磁性探头。连接器件包括各类螺钉、导线、螺母、连接板等。所述底座的底面有四个螺纹孔，所述的调平减震脚通过螺钉固定于螺纹孔，用于与工作台接触、承受载荷和吸收振动。所述的底座顶面有12个螺纹孔，用于固定支架和电气元件安装板；所述支架上平面有四个沉头孔用于固定三自由度模组，起支承三自由度模组的作用；所述电气元件安装板安装于底座上，用于安装电气控制元件。所述的导轨通过螺钉固定于所述的导轨支承座上，所述的电机连接板固定于导轨支承座端面，所述的丝杠支承座和丝杠固定座固定于导轨支承座上，所述丝杠两端配合轴承固定于所述丝杠支承座和丝杠固定座上。所述丝杠穿过丝杠螺母，带动丝杠螺母移动。所述步进电机通过螺钉固定于电机连接板上，电机输出轴通过联轴器与丝杠一端连接实现驱动。所述的连接架焊接加工，左端有四个孔通过螺钉与Z轴丝杠螺母相连接，带动探杆和探头进行X、Y、Z三个方向移动到设定位置；所述连接架上表面钻有四个通孔用于固定旋转电机，所述旋转电机通过固定座带动四维力传感器以及探杆和探头绕Z轴旋转到设定姿态；前竖直板和右竖直板上开有四个通孔，用于固定四维力传感器。所述的法兰座通过螺钉固定于四维力传感器端面，法兰座轴向和径向钻有光孔；所述延长杆一端有螺纹，穿过法兰座径向光孔通过螺母锁紧，实现与法兰座的连接；所述延长杆底端钻有光孔，所述磁性探头通过光孔配合，并通过径向顶丝锁紧；所述磁性探头通过胶粘于有机玻璃棒探杆底端，用于磁力和磁力矩感应。所述的检测方案ABC基于四维力传感器检测原理设计。设传感器磁力和磁力矩示数分别用F和M表示，所测目标位置的实际磁力和磁力矩用f和m表示，四维力传感器的轴线到磁性探头的距离用L表示。通过方案A，能够直接通过传感器的示数测得目标检测位置的磁力和磁力矩，即：通过方案B，测得目标位置的实际磁力和磁力矩为：通过方案C，测得目标位置的实际磁力和磁力矩为：在检测区域某一位置得到的实际驱动磁力和磁力矩分别为：所述连接器件包括导线、螺钉、螺母、连接板等。本发明的优势在于：本装置结构简单、可靠性好、使用方便、成本低廉、检测精度高；三自由度模组采用精密步进电机、精密滚珠丝杠、精密导轨，可通过计算机程序控制各轴联动，定位精度高，可实现自动控制；检测装置基于传感器检测原理设计，结构简单、拆卸方便。自动检测时，通过计算机程序控制探杆和探头运动到磁力和磁力矩的被测区域，四维力传感器通过安装方案ABC可对磁力和磁力矩六维强度全场分布的大小进行实时检测，从而获取磁力和磁力矩的驱动能力。附图说明图1为本发明的总体结构示意图图2为本发明的支承装置细节图图3为本发明的电气控制系统安装细节图图4为本发明的三自由度模组系统安装细节图图5为本发明的检测装置安装方案A细节图图6为本发明的检测装置安装方案B细节图图7为本发明的检测装置安装方案C细节图图8为本发明的自动检测实验流程图具体实施方法以下结合附图对本发明进行进一步说明：如图1所示，本发明为一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，主要由支承装置1、电气控制系统2、三自由度模组系统3、检测装置4四大部分和相关连接导线组成。支承装置1依次为：调平减震脚101、支架102、底座103、电气元件安装板104和105；电气控制系统2依次为：电压转换器201、步进电机驱动器202、功率放大器203、旋转马达驱动器204；三自由度模组系统3依次为：Y轴导轨支撑座301、Y轴丝杠支承座302、Y轴电机安装板303、Y轴电机304、Y轴丝杠固定座323、Y轴导轨324、Y轴导轨滑块325、Y轴丝杠螺母326、Y轴丝杠327、Y轴联轴器328，X轴丝杠支承座305、X轴导轨支承座306、X轴导轨滑块307、X轴丝杠308、X轴连接块309、X轴丝杠螺母310、X轴电机321，Z轴连接块311、Z轴导轨支承座312、Z轴电机安装板313、Z轴电机314、Z轴联轴器315、Z轴丝杠316、Z轴丝杠支承座317、Z轴导轨318、Z轴滑块319、Z轴丝杠螺母320、Z轴丝杠固定座322；检测装置4依次为：旋转马达401、连接架402、固定座403、Z向四维力传感器404、Z向法兰座405、Z向探杆406；计算机、导线、螺钉等部件未在图中表示。本发明中支承装置细节如图2所示。底座103的底面和顶面钻有螺纹孔，用于连接调平减震脚101、支架102和电气元件安装板104和105；支架102采用焊接工艺加工，通过M8的螺钉安装于底座103上表面；4个调平减震脚101分别通过M5的螺钉安装在底座103的下表面，用于承载、调平和减振；电气元件安装板104和105通过M4的螺钉安装于底座101上表面，用于安装各电气控制元件。本发明的电气控制系统安装细节如图3所示。电压转换器201通过螺钉安装于电气元件安装板105上，用于将220V电压转换为电机需要的12V电压；功率放大器203通过螺钉安装于电气控制板105上，用于对四维力传感器采集到的力和力矩信号进行转换、传输；旋转电机驱动器204通过螺钉连接于电气安装板104上，用于驱动旋转电机；步进电机驱动器202通过螺钉安装于电气元件安装板104上，用于驱动X、Y、Z轴的步进电机。本发明的三维模组系统安装细节如图4所示。三个方向的移动分别为X轴、Y轴、Z轴，每个轴上的零部件相同。Y轴电机安装板303安装于Y轴导轨支承座301的左端面，用于安装Y轴电机304；Y轴丝杠固定座323通过螺钉固定于Y轴导轨支承座301的右端面，Y轴丝杠支承座302通过螺钉固定于Y轴导轨支承座301的上表面；Y轴导轨324通过螺钉固定于导轨支承座301上表面，Y轴导轨滑块325与Y轴导轨324配合；Y轴丝杠327穿过Y轴丝杠螺母326通过支承座302和固定座323固定；丝杠327自由端和步进电机304通过联轴器328连接，实现驱动；X轴导轨支承座306通过连接块与Y轴丝杠螺母326连接，Z轴导轨支承座312通过Z轴连接块311与X轴丝杠螺母310连接，X轴和Z轴上的部件连接方式同Y轴，通过两两垂直的安装方式实现三个方向的运动。本发明的检测装置安装方案A细节如图5所示。旋转电机401固定于连接架402上表面，该连接架402通过高质量焊接工艺加工；旋转电机401与Z向四维力传感器404通过一个固定座403相连接，用于带动Z向四维力传感器404旋转；Z向四维力传感器404下端与法兰座405通过螺钉连接；法兰座405在端面钻有配合孔，径向钻有螺纹顶丝孔和配合孔；有机玻璃棒探杆406与法兰座405端面光孔配合，通过径向顶丝锁紧；磁性探头407用胶粘于有机玻璃棒探杆406底端。设传感器磁力和磁力矩示数分别用F和M表示，所测目标位置的实际磁力和磁力矩用f和m表示，四维力传感器的轴线到磁性探头的距离用L表示，则通过方案A测得的实际磁力和磁力矩大小为：本发明的检测装置安装方案B细节如图6所示。Y向四维力传感器411右端面通过螺钉固定于连接架，Y向法兰座413通过螺钉与Y向四维力传感器411左端面连接，Y向延长杆414穿过Y向法兰座413的配合孔并用螺母412锁紧；Y向有机玻璃棒探杆415与Y向延长杆414的底部光孔配合，径向通过螺钉锁紧；磁性探头416用胶粘于Y向有机玻璃棒探杆415底端。设传感器磁力和磁力矩示数分别用F和M表示，所测目标位置的实际磁力和磁力矩用f和m表示，四维力传感器的轴线到磁性探头的距离用L表示，则通过方案B测得的实际磁力和磁力矩大小为：本发明的检测装置安装方案C细节如图7所示。X向四维力传感器423通过螺钉与连接架相连，X向法兰座422通过螺钉固定于X向四维力传感器423右端面；X向延长杆424与X向法兰座422径向光孔配合并用螺母421锁紧；X向有机玻璃棒探杆425与X向延长杆424底端的光孔配合，径向顶丝锁紧；磁性探头426用胶粘于有机玻璃棒探杆425底端。设传感器磁力和磁力矩示数分别用F和M表示，所测目标位置的实际磁力和磁力矩用f和m表示，四维力传感器的轴线到磁性探头的距离用L表示，则通过方案C测得的实际磁力和磁力矩大小为：以下结合附图8对本发明磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测流程进一步说明：开始实验，首先将探头移至磁场中，设置探头零点；然后设定检测位置，规划运动轨迹，打开步进电机驱动器，通过XYZ轴运动将磁性探头移动到目标检测位置；再开启方案A的四维力传感器进行磁力和磁力矩检测，传感器将所测的磁力和磁力矩大小通过数据采集卡传输给计算机自动储存；再开启方案B的四维力传感器进行磁力和磁力矩检测，传感器将所测的磁力和磁力矩大小通过数据采集卡传输给计算机自动储存；再开启方案C的四维力传感器进行磁力和磁力矩检测，传感器将所测的磁力和磁力矩大小通过数据采集卡传输给计算机自动储存；检查是否获取足够的实验数据，如果没有，则修改命令重新设定检测位置、规划运动轨迹继续实验，如果获取到足够的数据，最后经过数据处理和换算关系：得到在检测区域某一位置的实际驱动磁力和磁力矩分别为：最后结束实验。

权利要求：1.一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，主要由支承装置1、电气控制系统2、三自由度模组系统3、检测装置4四大部分和相关连接导线组成。其中支承装置1由调平减震脚101、支架102、底座103、电气元件安装板104和105；电气控制系统2由电压转换器201、步进电机驱动器202、功率放大器203、旋转马达驱动器204；三自由度模组系统3由Y轴导轨支承座301、Y轴丝杠支承座302、Y轴电机安装板303、Y轴电机304、Y轴丝杠固定座323、Y轴导轨324、Y轴导轨滑块325、Y轴丝杠螺母326、Y轴丝杠327、Y轴联轴器328，X轴丝杠固定座305、X轴导轨支承座306、X轴滑块307、X轴丝杠308、X轴连接块309、X轴螺母310、X轴电机321、X轴丝杠支承座330、X轴电机安装板331、X轴联轴器332，Z轴连接块311、Z轴导轨支承座312、Z轴电机安装板313、Z轴电机314、Z轴联轴器315、Z轴丝杠316、Z轴丝杠支承座317、Z轴导轨318、Z轴滑块319、Z轴丝杠螺母320、Z轴丝杠固定座322；检测装置4由旋转电机401、连接架402、固定座403、Z向四维力传感器404、Z向法兰座405、Z向探杆406、Z向探头407，Y向四维力传感器411、Y向锁紧螺母412、Y向法兰座413、Y向延长杆414、Y向探杆415、Y向探头416，X向锁紧螺母421、X向法兰座422、X向四维力传感器423、X向延长杆424、X向探杆425、X向探头426等组成。2.根据权利要求1所述的磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，其特征在于：底座103底面连接四只调平减震脚101置于工作台上，支架102通过螺钉固定于底座103上，电气元件安装板104和105通过螺钉固定于底座103上，电压转换器201、步进电机驱动器202、功率放大器203和旋转马达驱动器204通过螺钉固定于电气元件安装板104和105上。3.根据权利要求1所述的磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，其特征在于：Y轴导轨支承座301通过螺钉固定于支架102上，Y轴丝杠支承座302通过螺钉固定于Y轴导轨支承座301上，Y轴电机安装板303通过螺钉安装于Y轴导轨支承座301左端，Y轴步进电机304通过螺钉安装于Y轴电机安装板303上，Y轴丝杠固定座323通过螺钉固定于Y轴导轨支承座301的右端，Y轴导轨324通过螺钉固定于Y轴导轨支承座301上，导轨滑块325与Y轴导轨324配合，Y轴丝杠327穿过Y轴丝杠螺母326通过Y轴联轴器328与Y轴电机304相连接，X轴和Z轴安装特征与Y轴相同，XYZ轴两两垂直安装实现探杆和探头三个方向的直线运动。4.根据权利要求1所述的磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，其特征在于：连接架402通过螺钉安装于Z轴丝杠螺母320上，旋转马达401安装于连接架402上，固定座403连接旋转马达401和Z向四维力传感器404，Z向法兰座405通过螺钉与Z向四维力传感器404连接，Z向探杆406与Z向法兰座405底面的光孔配合通过螺钉锁紧，Z向探杆406下端粘有Z向探头407；Y向四维力传感器411安装于连接架402上，Y向法兰座413通过螺钉连接于Y向四维力传感器411端面，Y向延长杆414穿过Y向法兰座413的配合孔通过螺母412锁紧，Y向探杆415与Y向延长杆414底端光孔配合通过径向螺钉锁紧，Y向探头416用胶粘于Y向探杆415底端；X向四维力传感器423安装于连接架402上，X向法兰座422通过螺钉安装于X向四维力传感器423端面，X向延长杆424穿过X向法兰座422的配合孔通过螺母421锁紧，X向探杆425与X向延长杆424底端的光孔配合通过径向螺钉锁紧，X向探头426用胶粘于X向探杆425底端。5.根据权利要求1所述的磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置，其特征在于：工作时，通过计算机程序规划磁性探头407416426的运动轨迹；计算机控制三自由度模组系统3运动，从而将磁性探头407416426移至被测区域初始位置并按所设轨迹运动到目标检测位置；通过四维力传感器404411423进行磁力和磁力矩检测；所测数据通过数据采集卡传输至计算机进行存储；最后再进行数据处理，通过三种方案求出待测区域目标位置的磁力和磁力矩大小，实现自动检测被测区域磁力和磁力矩六维强度全场分布的目的。

百度查询： 吉林大学 一种磁力和磁力矩六维强度全场分布自动检测装置

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