本發(fā)明屬于測力系統(tǒng)優(yōu)化，具體涉及一種測力系統(tǒng)及測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和裝置、測力分支結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、目前，伴隨著航空航天矢量推力技術(shù)進(jìn)步，以及工業(yè)自動化、精密制造和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對高精度矢量力測量系統(tǒng)的需求日益增長。在航空航天領(lǐng)域，相關(guān)設(shè)備(被稱為矢量力測量系統(tǒng)、試車臺、六分量天平、盒式天平、測力系統(tǒng)等)是航空航天領(lǐng)域中測量發(fā)動機(jī)推力或模型受載的關(guān)鍵設(shè)備。隨著新一代戰(zhàn)機(jī)對矢量推力技術(shù)要求的提升及風(fēng)洞載荷測量技術(shù)發(fā)展，對高精度、重載化的矢量推力測量系統(tǒng)的需求也越來越迫切。在機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用多為小型矢量力測量系統(tǒng)，普遍被稱為力覺傳感器、六維力傳感器(six-dimensional?force?sensor)、六軸力/力矩傳感器(6-axis?force/torque?sensor)等，是機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵傳感器之一。目前高精度的小型矢量力測量系統(tǒng)具有巨大的市場需求，所以進(jìn)行矢量力測量系統(tǒng)的高精度設(shè)計(jì)技術(shù)探究具有重要意義。

2、當(dāng)前測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論研究主要圍繞靈敏度分析和各向同性設(shè)計(jì)，其理論基礎(chǔ)大多建立在兩個基本假設(shè)之上：首先，假設(shè)測力分支僅受到沿軸向的載荷作用；其次，將動架、支座等非分支結(jié)構(gòu)理想化，視為無變形的剛體。在此簡化的理論假設(shè)下，設(shè)計(jì)工作側(cè)重于優(yōu)化測力系統(tǒng)分支的布局與軸向剛度，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)靈敏度和各向同性特性，此過程推導(dǎo)出諸多具有實(shí)踐價(jià)值的設(shè)計(jì)結(jié)論。然而，這種方法由于忽略了測力分支的橫向剛度以及系統(tǒng)中非測力分支的非分支結(jié)構(gòu)剛度等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特性的影響，從而一定程度上制約了測力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3、在當(dāng)前的測力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，廣泛采用有限元模型作為主要工具。典型設(shè)計(jì)流程包括設(shè)計(jì)者初步擬定基本結(jié)構(gòu)框架，隨后利用有限元分析技術(shù)對核心組件——測力分支進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對動架、支座等重要非分支結(jié)構(gòu)開展強(qiáng)度與頻率評估，此方法基本能滿足實(shí)際需求。不過這種設(shè)計(jì)方法特別依賴于設(shè)計(jì)者豐富的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，且未能充分從系統(tǒng)整體性能角度出發(fā)對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置。另一種設(shè)計(jì)方法涉及運(yùn)用有限元分析軟件創(chuàng)建相對精確的仿真模型，通過持續(xù)調(diào)整測力分支的幾何特征與布局參數(shù)，進(jìn)行全面參數(shù)迭代優(yōu)化，直至系統(tǒng)剛度等關(guān)鍵性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)。這種基于參數(shù)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式通常能獲得較佳效果。不過，此過程高度依賴龐大的計(jì)算能力資源，并要求設(shè)計(jì)者執(zhí)行復(fù)雜且耗時的分析工作流程。

4、測力分支作為測力系統(tǒng)中的重要結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。一般情況下較多使用耦合誤差作為測力系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，以反映測力系統(tǒng)中測力分支的測量性能，然而耦合誤差的來源很多，受多種因素影響，除了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)因素，還有加工裝配誤差引起的耦合誤差、材料特性引起的耦合誤差、電器耦合誤差，以及數(shù)據(jù)采集通道之間的耦合誤差等。同時耦合誤差中的對角線元素和非對角線元素對各種干擾的敏感性不明確，這種多因素及敏感性模糊的現(xiàn)狀使其直接作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)不合適，使得結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)效果不佳，制約了矢量力測量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種測力系統(tǒng)及測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和裝置、測力分支結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和裝置，用以解決使用耦合誤差作為指標(biāo)造成的結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)效果不佳的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種測力系統(tǒng)中測力分支結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，該方法包括：

3、1)根據(jù)測力分支初始的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建測力分支的仿真模型；

4、2)利用測力分支最新的仿真模型確定測力分支指標(biāo)是否收斂：若收斂則此時測力分支的結(jié)構(gòu)參數(shù)為最優(yōu)的；否則調(diào)整測力分支的結(jié)構(gòu)參數(shù)以減少測力分支指標(biāo)并重新確定測力分支的仿真模型，進(jìn)而重新執(zhí)行步驟2)進(jìn)行迭代直至收斂；

5、測力分支指標(biāo)為三個方向的忽略變形因素的彈阻誤差系數(shù)；其中某向忽略變形因素的彈阻誤差系數(shù)為其余兩向測力分支分別對所述某向測力產(chǎn)生的忽略變形因素的彈阻誤差系數(shù)的和，且其余一向測力分支對所述某向測力產(chǎn)生的忽略變形因素的彈阻誤差系數(shù)為其余一向測力分支和所述某向測力分支的數(shù)量比、其余一向測力分支和所述某向測力分支的軸向剛度比、以及其余一向測力分支的側(cè)偏剛度和其余一向測力分支的軸向剛度的比值的乘積。

6、進(jìn)一步地，所述仿真模型為有限元仿真模型。

7、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)裝置，包括處理器，所述處理器執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序以實(shí)現(xiàn)上介紹的測力系統(tǒng)中測力分支結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的步驟。

8、本發(fā)明為改進(jìn)型發(fā)明創(chuàng)造，本發(fā)明的測力系統(tǒng)中測力分支結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和計(jì)算機(jī)裝置，考慮到彈阻誤差是耦合誤差的主要成分之一，且彈阻誤差設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)比較全面，考慮測力的軸向剛度、側(cè)偏剛度對結(jié)構(gòu)性能的影響，與測力系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)具有較高的相關(guān)性，本發(fā)明將彈阻誤差作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評價(jià)指標(biāo)，用以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。而且，在進(jìn)行測力系統(tǒng)中測力分支結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，采用的是忽略變形因素的彈阻誤差系數(shù)，可以提高后續(xù)整個測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的效率。另外，本發(fā)明為一種將彈阻誤差和仿真相結(jié)合的通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，充分發(fā)揮理論方法在分析結(jié)構(gòu)性能與設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系方面在形變、局部載荷精確計(jì)算方面的優(yōu)勢。

9、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，該方法包括：

10、1)根據(jù)測力分支初始的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建測力系統(tǒng)中測力分支的仿真模型；

11、2)利用測力分支最新的仿真模型確定測力分支指標(biāo)是否收斂：若未收斂則調(diào)整測力分支的結(jié)構(gòu)參數(shù)以減少測力分支指標(biāo)并重新確定測力分支的仿真模型，進(jìn)而重新執(zhí)行步驟2)進(jìn)行迭代直至收斂；若收斂則執(zhí)行步驟3)；

12、測力分支指標(biāo)為三個方向的忽略變形因素的彈阻誤差系數(shù)；其中，某向忽略變形因素的彈阻誤差系數(shù)為其余兩向測力分支分別對所述某向測力產(chǎn)生的忽略變形因素的彈阻誤差系數(shù)的和，且其余一向測力分支對所述某向測力產(chǎn)生的忽略變形因素的彈阻誤差系數(shù)為其余一向測力分支和所述某向測力分支的數(shù)量比、其余一向測力分支和所述某向測力分支的軸向剛度比、以及其余一向測力分支的側(cè)偏剛度和其余一向測力分支的軸向剛度的比值的乘積；

13、3)根據(jù)非分支結(jié)構(gòu)初始的結(jié)構(gòu)參數(shù)和步驟2)最終確定的測力分支的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建測力系統(tǒng)的仿真模型；其中，非分支結(jié)構(gòu)為測力系統(tǒng)中除測力分支以外的結(jié)構(gòu)；

14、4)利用測力系統(tǒng)最新的仿真模型確定非分支結(jié)構(gòu)指標(biāo)是否滿足指標(biāo)要求：若是則此時非分支結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為最優(yōu)的；若否則調(diào)整非分支結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)并重新確定測力系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)而重新執(zhí)行步驟4)進(jìn)行迭代，直至非分支結(jié)構(gòu)指標(biāo)滿足指標(biāo)要求。

15、進(jìn)一步地，步驟4)中非分支結(jié)構(gòu)指標(biāo)為各個方向的非分支結(jié)構(gòu)評價(jià)系數(shù)，且某向的非分支結(jié)構(gòu)評價(jià)系數(shù)為該某向的考慮變形因素的彈阻誤差系數(shù)與某向的忽略變形因素的彈阻誤差系數(shù)的差值；

16、其中，某向的考慮變形因素的彈阻誤差系數(shù)為其余兩向的測力分支分別對所述某向測力產(chǎn)生的考慮變形因素的彈阻誤差系數(shù)的和，且考慮變形因素的彈阻誤差系數(shù)為：

17、

18、式中，tfi,ji表示i向測力分支對y向測力產(chǎn)生的彈阻誤差系數(shù)；ni表示i方向測力分支的數(shù)量；nj表示j方向測力分支的數(shù)量；kfi,ui表示在全局坐標(biāo)系中i向測力分支沿i向的力分量引起的沿i向的位移剛度，稱為i向測力分支的軸向剛度；kfj,uj表示在全局坐標(biāo)系中j向測力分支沿j向的力分量引起的沿j向的位移剛度，稱為j向測力分支的軸向剛度；kfi,uj表示在全局坐標(biāo)系中j向測力分支沿i向的力分量引起的沿i向的位移剛度，稱為j向測力分支的軸向剛度；kfk,θj表示在全局坐標(biāo)系中j向測力分支繞k向的力矩分量引起的繞k向的彎曲剛度；表示在全局坐標(biāo)系下i向測力分支沿i向位移的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下j向測力分支沿i向位移的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下j向測力分支繞k向彎曲的平均值；

19、非分支結(jié)構(gòu)指標(biāo)滿足指標(biāo)要求指的是各個方向的非分支結(jié)構(gòu)評價(jià)系數(shù)均小于設(shè)定評價(jià)閾值。

20、進(jìn)一步地，某向的考慮變形因素的彈阻誤差系數(shù)為該某向的載測比減1，載測比為施加的載荷與測力分支合成的力分量的比值。

21、進(jìn)一步地，該方法還包括：

22、5)利用步驟4)最終確定的測力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定測力系統(tǒng)的仿真模型；

23、6)利用測力系統(tǒng)最新的仿真模型評估測力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是否滿足穩(wěn)定性要求：若滿足則完成整個測力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；若不滿足則對測力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，利用微調(diào)后的結(jié)構(gòu)參數(shù)重新確定測力系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)而重新執(zhí)行步驟6)進(jìn)行迭代，直至測力系統(tǒng)的穩(wěn)定性滿足穩(wěn)定性要求。

24、進(jìn)一步地，步驟3)中根據(jù)變形比矩陣評估穩(wěn)定性，且變形比矩陣為：

25、

26、或者

27、

28、式中，u和ue均表示變形比矩陣；表示在全局坐標(biāo)系下x向測力分支沿y向位移的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下x向測力分支沿x向位移的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下y向測力分支沿x向位移的平均值；在全局坐標(biāo)系下y向測力分支沿y向位移的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下z向測力分支沿x向位移的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下z向測力分支沿z向位移的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下x向測力分支繞y向彎曲的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下y向測力分支繞x向彎曲的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下z向測力分支繞x向彎曲的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下z向測力分支沿x向位移的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下y向測力分支沿z向位移的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下z向測力分支沿y向位移的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下x向測力分支繞z向彎曲的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下y向測力分支繞z向彎曲的平均值；表示在全局坐標(biāo)系下z向測力分支繞y向彎曲的平均值。

29、其中，變形比矩陣ue中各元素越接近于1，測力系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好；變形比矩陣u中第一列和第三列的元素越接近1，第二列和第四列的元素越接近0，測力系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。

30、進(jìn)一步地，根據(jù)變形比矩陣評估穩(wěn)定性的方式為：

31、計(jì)算變形比矩陣ue的跡或者范數(shù)，并相應(yīng)與u1的跡或者范數(shù)作差得到相應(yīng)的差值，u1為與ue對應(yīng)的理想變形比矩陣：若得到的差值小于對應(yīng)的設(shè)定差值閾值判定測力系統(tǒng)的穩(wěn)定性滿足穩(wěn)定性要求；否則判定測力系統(tǒng)的穩(wěn)定性不滿足穩(wěn)定性要求；或者

32、計(jì)算矩陣uut的跡或者范數(shù)，并相應(yīng)與u2u2t的跡或者范數(shù)作差得到相應(yīng)的差值，u2為與u對應(yīng)的理想變形比矩陣：若得到的差值小于對應(yīng)的設(shè)定差值閾值判定測力系統(tǒng)的穩(wěn)定性滿足穩(wěn)定性要求；否則判定測力系統(tǒng)的穩(wěn)定性不滿足穩(wěn)定性要求。

33、進(jìn)一步地，測力分支的仿真模型和測力系統(tǒng)的仿真模型均為有限元仿真模型。

34、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)裝置，包括處理器，所述處理器執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序以實(shí)現(xiàn)上介紹的測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的步驟。

35、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種測力系統(tǒng)，所述測力系統(tǒng)為采用上述介紹的測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法優(yōu)化得到的測力系統(tǒng)。

36、本發(fā)明為改進(jìn)型發(fā)明創(chuàng)造，本發(fā)明的測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、計(jì)算機(jī)裝置和測力系統(tǒng)，考慮到彈阻誤差是耦合誤差的主要成分之一，且彈阻誤差設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)比較全面，考慮測力的軸向剛度、側(cè)偏剛度對結(jié)構(gòu)性能的影響，與測力系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)具有較高的相關(guān)性，本發(fā)明將彈阻誤差作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評價(jià)指標(biāo)，用以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。而且，在進(jìn)行測力系統(tǒng)中測力分支結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，采用的是忽略變形因素的彈阻誤差系數(shù)，可以提高后續(xù)整個測力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的效率，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行除了測力分支以外的非測力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對測力系統(tǒng)各部分進(jìn)行定量化設(shè)計(jì)，提升了測力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。另外，本發(fā)明為一種將彈阻誤差和仿真相結(jié)合的通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，充分發(fā)揮理論方法在分析結(jié)構(gòu)性能與設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系方面在形變、局部載荷精確計(jì)算方面的優(yōu)勢。