基于电容测量原理的精密球铰链多维运动位移测量方法研究

发布时间：2017-10-15 09:24

  本文关键词：基于电容测量原理的精密球铰链多维运动位移测量方法研究

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【摘要】：球铰链是一种应用较普遍的三自由度机械关节,具有结构紧凑、运动灵活等特点,已成为并联机构、工业机器人、汽车零部件和医疗器械等重要机械装备的关键基础构件。由于球铰链的机构结构空间限制,合适的多维角度测量器件缺乏,目前的球铰链一般没有配置运动位移测量传感器。但是,随着机械装备工作精度要求的不断提高,对球铰链运动精度的要求也越来越高,若能设计一种球铰链的关节传感器使之能够实现空间多维回转角度的精密检测,将有利于铰链传动的监测与控制;开展球铰链的关节间隙测量方法研究,不仅可用于分析球铰链间隙误差的随机性特点进而提高球铰链传动精度,而且可为系统误差预测和反馈提供参考依据。因此,研究球铰链多维运动位移检测方法、研制多维位移测量传感器装置具有重要意义。本论文结合国家自然科学基金项目“基于柱状电容传感器的高精度主轴回转误差在线检测方法研究(No.51275465)”和浙江省自然科学基金重点项目“基于球面电容传感器的机器人精密球关节多维运动位移检测研究(No.LZ16E050001)”,以球铰链空间多维运动位移测量为研究对象,基于电容测量原理,提出精密球铰链的运动位移检测方案,采用理论分析、计算机仿真和实验研究相结合的方法,重点研究精密球铰链二维回转角度和关节间隙的检测技术。论文的主要研究内容包括:第1章首先介绍论文的研究背景和意义,阐述了球铰链的结构和特点。然后综述了球形转子空间回转角度和球面关节间隙检测技术的国内外相关研究现状,最后提出了论文研究的主要思路与框架结构。第2章分析球铰链的运动学原理,明确被测位移量,提出了基于球面电容传感器的精密球铰链多维运动位移检测原理。介绍电容传感器测量的基本原理和应用,并且阐述了传感器边缘效应产生的原因和消减方法。第3章基于变极板面积型的电容传感器原理,提出一种球冠形电极结构的球面电容传感器用于精密球铰链二维回转角位移检测的方法,建立球铰链空间二维回转角度与待测电容值关系的理论模型。分析了电容极板的结构参数设计对传感器的电容值影响,并通过Ansoft Maxwell软件仿真验证了球铰链二维回转角度测量方案的可行性。第4章基于变极板间隙型的电容传感器原理,分别提出球冠形电极结构和球面弧形电极结构的球面电容传感器用于精密球铰链关节间隙测量的方法,建立测量电容值与球铰链的球头相对于球窝产生空间偏心位移关系的理论模型。分析了电容极板的结构参数设计对传感器的电容值影响,并通过Ansoft Maxwell软件仿真验证了球铰链关节间隙测量方案的可行性。第5章设计和搭建球铰链多维运动位移测量的模拟实验平台,主要对传感器电极和实验的部分辅助连接件等进行结构设计和安装调试等。然后分别对自制的、简化结构的球面电容传感器原型开展球铰链二维回转角度测量和球铰链单自由度偏心位移测量实验研究,在静态条件下对驱动电极和感应电极之间的相对位移与传感器电容值变化进行了检测,通过商品化的精密电容测量仪测量极板间的电容值,将测量结果与理论电容值进行对比分析,验证测量方案的可行性与正确性。第6章对论文的研究工作进行总结,并对后续的研究工作提出了建议。
【关键词】：精密球铰链 关节转角 关节间隙 位移测量 球面电容传感器 仿真分析 实验研究
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-27
• 1.1 论文研究的背景及意义11-12
• 1.2 球铰链类型与结构12-15
• 1.3 球铰链空间回转角度检测的国内外研究现状15-23
• 1.3.1 基于结构解耦的测量方法16-17
• 1.3.2 基于光学原理的测量方法17-20
• 1.3.3 基于磁场理论的测量方法20-23
• 1.4 球铰链关节间隙检测的国内外研究现状23-24
• 1.5 论文的主要研究内容24-26
• 1.6 本章小结26-27
• 2 精密球铰链的多维运动位移测量原理27-36
• 2.1 引言27
• 2.2 球铰链多维运动位移的测量分析27-30
• 2.2.1 不考虑球头在球窝中运动偏心的情况27-29
• 2.2.2 考虑球头在球窝中运动偏心的情况29-30
• 2.3 电容传感器的基本原理与应用30-35
• 2.3.1 变间隙型电容传感器32
• 2.3.2 变面积型电容传感器32-34
• 2.3.3 电容传感器的边缘效应34-35
• 2.4 基于电容传感器的球铰链多维位移测量方案35
• 2.5 本章小结35-36
• 3 精密球铰链的二维回转角度测量方法研究36-49
• 3.1 引言36
• 3.2 球铰链二维回转角度的测量方案36-43
• 3.2.1 基于球冠形电极的SCS测量原理分析36-39
• 3.2.2 基于变极板面积原理的SCS电容值理论建模39-43
• 3.3 SCS球面电极的结构参数设计分析43-45
• 3.3.1 极板间隙变化对测量电容值的影响43-44
• 3.3.2 极板正对面积变化对测量电容值的影响44-45
• 3.4 基于SCS的球铰链二维回转角度测量仿真研究45-48
• 3.5 本章小结48-49
• 4 精密球铰链的关节间隙测量方法研究49-70
• 4.1 引言49
• 4.2 球铰链关节间隙的测量方案49-59
• 4.2.1 基于球冠形电极的SCS测量原理分析49-51
• 4.2.2 基于变极板间隙原理的SCS电容值理论建模51-54
• 4.2.3 基于球面弧形电极的SCS改进型设计54-59
• 4.3 SCS球面电极的结构参数设计分析59-61
• 4.3.1 球冠形电极的结构参数对SCS电容值的影响59-60
• 4.3.2 球面弧形电极的结构参数对SCS电容值的影响60-61
• 4.4 基于SCS的球铰链关节间隙测量仿真研究61-69
• 4.4.1 基于球冠形电极的SCS检测球铰链间隙仿真研究61-65
• 4.4.2 基于球面弧形电极的SCS检测球铰链间隙仿真研究65-69
• 4.5 本章小结69-70
• 5 精密球铰链的多维运动位移测量方法实验研究70-80
• 5.1 引言70
• 5.2 基于SCS的球铰链多维位移实验系统的构建70-76
• 5.2.1 基于SCS的球铰链二维回转角度测量系统构建70-73
• 5.2.2 基于SCS的球铰链单自由度偏心位移测量系统构建73-75
• 5.2.3 微弱电容信号的检测75-76
• 5.3 基于SCS的球铰链回转角度测量实验研究76-77
• 5.4 基于SCS的球铰链偏心位移测量实验研究77-79
• 5.5 本章小结79-80
• 6 结论80-83
• 6.1 总结80-81
• 6.2 展望81-83
• 致谢83-85
• 参考文献85-91
• 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目91

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本文编号：1036346