用有限元法对原子力显微镜力传感器结构优化的研究

应用有限元法对原子力显微镜(AFM)力传感器进行了力学分析,并计算了它的固有频率和力弹性常数。在此基础上,对力传感器基于减小应力和应力集中的原则提出了一种优化结构,并得出了可以作为力传感器设计的依据和原则。     

原子力显微镜(AFM)力传感器及其固有频率的测试

由悬臂梁与探针集成件(Cantilever stylus)组成的力传感器是原子力显微镜的一个关键部件,固有频率(resonant frequency)是悬臂梁与探针集成件的一个重要技术指标,本文介绍了对力传感器的要求、力传感器的设计、检测力传感器的方法,着重介绍了一种采用光学象散原理组成的传感器的固有频率测试系统与方法。     

用象散法测试原子力显微镜力传感器的固有频率

原子力显微镜已成为人们观测和研究物体微观世界的强有力的工具.由悬臂梁与探针集成的力传感器是原子力显微镜的一个关键部件,而固有频率是其一个主要技术参数.本文介绍了一种采用光学象散原理测试原子力显微镜的力传感器固有频率测试系统的原理、组成和测试方法.     

原子力显微镜传感器的微机械加工技术的研究

分析了现有的AFM力传感器的工艺特点及问题。在此基础上研究用KOH溶液两步法P+自停止腐蚀制作厚度精确可控的单晶硅悬臂梁;以SiO2为掩模,SF6刻蚀硅,用RIE与各向同性湿法化学腐蚀相结合使悬臂梁探针一次成形和用湿法腐蚀锐化探针,针尖半径约50nm.制定了适于批量生产的AFM力传感器加工工艺。     

磁弹索力传感器设计方法研究

针对目前缆索的磁弹索力传感器的设计尚无比较完善的方法的现状,在讨论磁弹索力传感器基本原理的基础上,分析了磁弹索力传感器的结构及内部各磁场分布特点;从缆索、线圈、磁场、信号几方面出发,对缆索的磁弹索力传感器的设计方法进行了研究,提出了保证传感器的感应线圈内部缆索磁化均匀性、线圈安全励磁、提高灵敏度和信噪比等参数设计的具体方法与准则;根据钢缆索材料磁弹效应的材料特性优化传感器的工作点;最后针对某实际工程上应用的缆索,完成了磁弹索力传感器设计的仿真计算与实验验证,结果表明:传感器达到了预期的设计效果,且灵敏度为-0.3535mV/MPa,此设计方法用于磁弹索力传感器的设计可行。     

容错并联式六维力传感器可靠性及冗余分析

针对航空航天、国防装备等领域对高可靠性六维力传感器的迫切需求,提出将容错设计思想引入六维力传感器研究。比较分析了容错并联式六维力传感器与普通Stewart平台式六维力传感器的可靠性,基于故障树分析法(FTA),建立了容错式传感器系统和普通传感器系统的可靠性数学模型,从容错并联式六维力传感器的设计角度,推导出了测量系统失效率的函数。建立了系统可靠性与传感器冗余度的函数关系,并进行了容错并联式六维力传感器冗余分析,得出测量分支数目,提出了容错六维力传感器构型,研制出了传感器样机。     

一种新型大刚度高灵敏度的并联六维力传感器设计研究

腕力传感器是一类重要的机器人传感器,腕力传感器的结构设计好坏直接影响到传感器的各项指标。在分析了并联力传感器的力变换原理,利用并联传感器的空间力传递关系,直接推导出感测力的六维雅可比矩阵,并将六维力雅可比矩阵用具体的结构参数解析表达,在此基础上设计了一种新的并联六维力传感器,新设计的附加弹性体的采用,使该传感器具有很大的刚度,同时具有很高的检测灵敏度,从而很好地解决了传感器的刚度与灵敏度之间的矛盾,探索了传感器设计的新方法和途径。     

新型扭矩—轴向力传感器标定研究

扭矩—轴向力传感器是研究复合振动攻丝过程的重要装置。在振动攻丝机上安装扭矩和轴向力传感器,可以实现扭矩和轴向力的在线测量,对研究在振动攻丝过程中扭矩和轴向力的关系具有重要意义。为了研究新设计的扭矩—轴向力传感器的基本特性,选择了标定设备和标定方法对传感器进行静态标定和动态标定,得出传感器的静态特性和动态特性指标,为进一步设计和改造传感器结构提供理论依据。     

基于微力传感的扫描近场声显微镜

描述了一种用于检测超精表面形貌的扫描近场声显微镜 (SNAM )。以谐振频率为 1MHz的未封装伸长型晶振作为微力传感器逼近样品表面 ,在此过程中晶振受到流体阻尼 ,其振动特性发生变化 ,通过检测振动幅值的变化即可获得样品表面形貌信息。在分析SNAM检测机理的基础上设计了SNAM系统 ,测量时的垂直分辨率可达到纳米级     

正交并联六轴力传感器耦合误差测量模型及实验分析

为解决并联六轴力传感器量程提升受限问题,设计了一种正交构型并联六轴力传感器。正交并联六轴力传感器是基于并联六轴力传感器的一种构型上的改进,具有承载能力强、解耦性能良好的优势,但同时该力传感器的耦合误差输出具有自身的特点。考虑该力传感器测量分支间摩擦以及正交结构自身特点引起的耦合误差输出,建立了正交并联六轴力传感器耦合误差测量模型。基于所建立的测量模型,通过数值算例分析探讨了传感器设计参数与两种耦合误差输出之间的影响关系,据此研制了一种正交并联六轴力传感器。最后对传感器样机进行了实验,得到其误差分布及检验测量精度。实验所得传感器各维力/力矩在各方向误差分别为0.43%/0.31%,0.18%/0.68%,0.80%/1.28%。     

一种整体式力敏微型机械手

介绍一种集成有二维力传感器的整体式微型机械手 ,并建立了该机械手的力学模型。该机械手由三组平行片簧构成 ,能同时测量抓取力和沿机械手轴向的装配力。检测结果表明 ,两个集成在机械手中的力传感器互不干涉。     

正弦力法动态力传感器灵敏度不确定度评定

随着汽车技术的日益发展,动态力传感器在汽车NVH、模态试验中用到的越来越多,一般采用动态法校准.本文依据振动与冲击传感器校准方法,以标准振动传感器为标准器,采用正弦力法校准动态力传感器灵敏度,并计算动态力传感器灵敏度测量值的不确定度,确保量准的准确一致和正确传递.     

外骨骼足端人机接触力测量装置研究

下肢外骨骼机器人系统中,足端接触力的测量是人机交互运动控制的基础,针对设计上面临的足地接触状态复杂、趾关节挠曲运动、重量及尺寸空间限制等问题,提出基于分布式传感器布局,以及刚柔结合的足端人机接触力测量装置结构方案。采用 6 自由度全约束的人机连接方案实现与人足的可靠连接,通过多传感器布置方式来应对复杂的足端受力状况,采用刚柔结合的双层结构,结合多个运动副,解决传感器之间内应力问题,并实现顺应趾关节弯曲的需求,设计了高精度的供电及信号放大电路,并建立力平衡方程实现力信号的合成,最后开展了与三维力台的对比实验,验证了功能指标和测量精度符合设计需求。     

基于预测的立体视觉/力反馈研究

提出了一种多传感器混合的机器人伺服控制方案 ,该方案在任务初始阶段利用视觉传感器对对象进行跟踪 ,在任务的末段利用力传感器对对象运动进行引导。这样就避免了使用单个传感器所产生的强冲击 ,增加了机器人控制的柔顺性和鲁棒性。在视觉跟踪阶段 ,为了提高跟踪速度 ,利用约束卡尔曼滤波器建立预测器 ,对物体图像的未来位置进行预测 ,这样就减小了图像处理的区域 ,提高了图像处理的速度。从仿真结果来看 ,视觉 /力反馈的混合控制提高了机器人对任务的适应性和工作过程的柔顺性。     

机械解耦自标定并联六维力传感器设计及仿真

针对传统多维力传感器研制后均需繁冗的加载标定这一现状,提出了多维力传感器“自标定”设计理念,通过钢球滚动机械解耦,设计了一种弱耦合全压向力自标定正交并联六维力传感器结构。论证了该六维力传感器的滚动解耦原理,分析了其自标定原理。基于螺旋理论建立了该六维力传感器理想数学模型,计算得到其一阶静力影响系数矩阵。考虑分支弹性变形,基于高次超静定结构力学求解原理,对该六维力传感器进行了受力分析与仿真计算,结合数值算例论证了其自标定特性,从而为该新型六维力传感器的研制奠定基础。     

TY4C型恒张力数字化检测放线车

对我公司自主开发的TY4C型恒张力数字化检测放线车从结构、恒张力放线原理、传感器布置及检测数据的采集与分析、主要技术指标等方面进行了阐述。该车具有高放线精度、在线张力检测及高性价的特点。     

飞机杆力传感器检测仪研制

针对某型飞机杆力传感器测试的实际需要,提出了相应的杆力传感器检测仪的设计方案,分析了其基本测试原理和过程,加工制造了该型检测仪并进行了实际测试。结果表明,该型飞机杆力传感器检测仪操作简单,功能完善,智能化程度高,检测快速准确,为飞机杆力传感器性能检测提供了科学的手段,具有较好的推广前景。     

六分量力传感器及其校准系统

对当前国内外多分量测力传感器进行了分析,从理论上探讨了六分量力传感器的数学模型。在传统的牛顿迭代算法中引入了遗传算法的思想,创造了随机牛顿算法;对逐步回归算法进行了研究与相应的改进,并进行了大量的结果对比分析;设计开发了六分量力传感器及其校准系统,从而使六分量力传感器的精度得到可靠的保证。     

Feed Cutting Force Estimation from the Current Measurement with Hybrid Learning

It is very important to use reliable and inexpensive sensors to obtain useful information about manufacturing processing, such as cutting force, for monitoring automated machining. In this paper, the feed cutting force is measured using an inexpensive current sensor installed on the a.c servo motor of a CNC turning centre. The factors that affect a feed drive system are analysed in detail, and a model of the feed drive system for estimating feed cuttinng force is presented. The feed cutting force is estimated using feed motor current measurement and neuro-fuzzy techniques. Experimental results demonstrate that this medthod can accurately estimate feed cutting force within an error of 5%.