GBT 43199-2023 机器人多维力力矩传感器检测规范

机器人多维力/力矩传感器检测规范 I 2规范性引用文件 l3术语和定义 4检测条件 4.1环境条件 4.2校准系统 4.3检测设备要求 34.4检测前的准备工作 5一般性能检测 5.1量程 5.2准确度 5.3重复性 5.4非线性 55.5零点输出 5.6零点时漂 65.7零点温漂 65.8输出时漂 5.9输出温漂 5.10过载能力 5.11输出响应时间 6特殊性能检测 6.1联合加载重复性 76.2联合加载偏差 86.3测量不确定度 6.4弹性角位移 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国机器人标准化技术委员会(SAC/TC591)归口。本文件起草单位：遨博(北京)智能科技股份有限公司、坤维(北京)科技有限公司、北京机械工业自动化研究所有限公司、北京航空航天大学、北京石油化工学院、首都师范大学、常州检验检测标准认证研究院、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、沈阳埃克斯邦科技有限公司、杭州申昊科技股份有限公司。1机器人多维力/力矩传感器检测规范本文件规定了机器人多维力/力矩传感器检测条件，描述了一般性能与特殊性能的检测方法。本文件适用于机器人使用的多维力/力矩传感器检测。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T4167—2011砝码GB/T15478—20153术语和定义压力传感器性能试验方法下列术语和定义适用于本文件。安装在机器人末端或末端附加装置上，测量三个坐标轴的力及其力矩的装置。施加在传感器上的已知作用力或力矩。传感器参考中心referencecenterofsensor传感器给出测量结果的坐标系的原点。检测中心testingcenter施加的力/力矩的直角坐标系的原点。检测坐标系testingcoordinatesystem施加载荷的直角坐标系。传感器分量componentofsensor传感器在直角坐标系中X、Y、Z坐标轴方向的受力或力矩通道。多维联合加载multidimensionalcombiningloading传感器的所有分量同时加载的一种加载方式。2传感器标校sensorcalibration按选定的直角坐标系对传感器施加载荷，获得用于传感器解耦所需全部参数的一种检测和标定方式。联合加载重复性combiningloadingrepeatability传感器多组重复联合加载测量结果之间的差异程度。传感器多组无线性相关性联合加载测量结果与理论载荷真值之间的偏离程度。测量不确定度measurementuncertainty传感器测量值与被测量理论真值的接近程度。载荷适配器loadadapter安装在传感器上模拟传感器受力情况的承载传力装置。除非另有规定，传感器的检测应在以下环境条件下进行：a)温度：15℃~35℃;b)相对湿度：30%～85%;4.2校准系统除非另有规定，检测校准系统符合以下要求。a)校准系统组成校准系统由标准力源、激励电源和读数记录装置三部分组成。其综合容差可按三部分装置容差的均方根计算，应不超过被试传感器容差的33%。综合容差也可由传感器的产品标准或随机文件规定。b)标准力源1)对于0.01级～0.05级的传感器，其容差应不超过被试传感器允许容差的33%;2)对于0.1级～4.0级的传感器，其容差应不超过被试传感器容差的33%;3)提供的仪表或监视标准力源的仪表量程，应为被试传感器满量程的125%～500%;4)力输出在整个量程范围内应连续可调，也可采用阶跃式调节，但阶跃的方式应使被试传感器在检测过程中不出现由于过冲和扰动而引起迟滞误差；5)标准力源和理论力臂构成标准力矩源。c)激励电源激励电源按被试传感器要求，应选用精密稳压电源、稳流电源、干电池或蓄电池等，其稳定度容差应不超过被试传感器容差的20%。3d)读数记录装置读数记录装置按被试传感器输出的要求，应选用数字式电压表、数字式频率计、电流表等，其准确度容差应不超过被试传感器容差的20%。e)其他检测设备其他检测设备应按检测要求配备。4.3检测设备要求检测设备符合以下要求：a)检测设备的加载维度应等于或大于传感器的测量维度，即检测设备可同时对多维力/力矩传感器的全部分量进行加载，对于六维力/力矩传感器而言，检测设备可同时加载沿直角坐标系中X、Y、Z坐标轴方向的力和绕X、Y、Z坐标轴方向的力矩；b)检测设备的测量不确定度应为被检测传感器要求测量不确定度的10%～33%;c)检测设备的载荷源为砝码时，所用砝码应不低于GB/T4167—2011中的M3级，采用其他载荷源时，其测量不确定度应优于0.05%;d)载荷适配器应有足够的刚度，可近似作刚体。4.4检测前的准备工作检测前做好各项准备工作。a)证书文件检测用的检测设备(仪器设备和计量器具等)应具有计量检定单位签发的有效期内的检定证书。b)安装传感器按产品标准或产品随机文件的规定安装在检测装置上。c)连接静态性能检测时，被试传感器与压力标准器、激励电源和读数装置的连接，应按其系统管路图、电路图及详细规范的规定进行。其他性能检测时，被试传感器与检测装置的连接，应按传感器产品标准或随机文件的规定进行。d)放置和预热将多维力/力矩传感器安装于基座上，见图1,基座的刚性应大于传感器刚性的3倍以上，从而形成固定支撑边界条件；调整多维力/力矩传感器的XY平面与大地平行，Z轴竖直向上，符合右手螺旋法则；XY平面的倾角不大于0.03°。将载荷适配器固连到传感器上，调整载荷适配器的中心(检测中心)和传感器参考中心共Z轴。被试传感器与检测有关的检测装置正确安装、连接后，应使其在检测环境条件下放置2h。检测前，仪器仪表应通电预热，预热时间按产品标准或产品随机文件的规定进行，被试传感器应通电预热0.5h。4GB/T43199—2023图1传感器检测时的安装姿态e)调整与调试调整传感器的位置和姿态，使传感器各分量的方向与检测设备的检测坐标系一致，传感器分量的方向与检测坐标系坐标轴的夹角偏差不大于±2'。对传感器各分量逐个试加载，确认传感器的输出结果是否符合坐标系方向。5一般性能检测5.1量程传感器施加多维联合加载，每次均应达到传感器分量测量的上限值，待传感器输出值稳定后，记录传感器的输出值，再返回零点，并且重复不少于3次的升和降加载循环。多维力/力矩传感器量程计算包括以下三种类型。a)线性传感器量程(Yrs)按公式(1)计算：Yrs=|b(Xn-X₁) (1)式中：b——理论工作直线的斜率；X;——测量上限的负载力值；X₁——测量下限的负载力值。b)定点使用的非线性传感器量程(Yrs)按公式(2)计算：Yrs=|Yn-Y₁|…(2)式中：c)非定点使用的非线性传感器及带刻度方程的线性传感器量程(Yrs)按公式(3)计算：Yrs=|YkH-YKL|………………(3)式中： 5.2准确度在传感器全量程范围内选择均匀分布的6～11个点进行检测，测量每个检测点对应的传感器输5GB/T43199—2023出，并且重复不少于3次的升和降循环加载。传感器准确度的计算方法应按GB/T15478—2015中5.4.2.7规定的方法计算。5.3重复性在相同测量方法、相同观测者、相同测量仪器、相同地点、相同使用条件和在短时期内对传感器同一被测量进行多次连续测量。测量应在传感器全量程范围内选择均匀分布的6～11个点进行检测，测量每个检测点对应的传感器输出，并且重复不少于3次的升和降循环加载。重复性误差(ξR)按公式(4)计算：……………λ——包含因子(可按t分布，取置信概率为95%,可按极差法取2～3);S——传感器在量程内的偏差，按公式(5)计算；Yrs——传感器量程。传感器在量程内的偏差(S)按公式(5)计算：m——校验点个数；Su,——传感器正行程标准偏差，按公式(6)计算；Sp,——传感器反行程标准偏差，按公式(7)计算。传感器正行程标准偏差(Su,)按公式(6)计算：………式中：……n——重复检测次数；Yu,——传感器正行程的第i点第j次的测量值；Yu,——传感器正行程的平均值。传感器反行程标准偏差(Sp)按公式(7)计算：式中：n——重复检测次数；5.4非线性对传感器施加不少于3次的多维联合预加载，每次多维联合加载均应达到传感器测量的上限值，待传感器输出值稳定后，返回零点。在传感器全量程范围内选择均匀分布的6～11个点进行检测，测量每个检测点对应的传感器输出，并且重复不少于3次的升和降循环加载。线性传感器的非线性指标(ξL)按公式(8)计算：6GB/T43199—2023……(8)式中：y₁——测量总平均值；Yrs——传感器量程。非线性传感器的非线性度指标(ξ)按公式(9)计算：式中：y₁——测量总平均值；y——测量值；Yrs——传感器量程。5.5零点输出传感器所加负载为零时，对应传感器的输出值为零点输出。5.6零点时漂传感器施加负载为零时，读取传感器零点输出值；每隔0.5h记录一次零点输出值，从开始记录起连续进行的时间不应少于2h。传感器的零点时漂(d₂)按公式(10)计算：……(10)式中：△Yto——零点漂移检测期间零点示值的最大差值；Yrs——传感器量程。5.7零点温漂传感器施加负载为零时，读取传感器零点输出值，记录此刻温度；加热传感器环境温度至传感器产品标准或产品随机文件规定的上限值，保温2h后，记录零点输出值。传感器的零点温漂(dr)按公式(11)计算：……(11)式中：△Yr——零点温漂检测期间传感器输出的最大差值；Yrs——传感器量程；Tmx—-零点温漂检测的最高温度值；T。——零点温漂检测的起始温度值。5.8输出时漂传感器通电预热0.5h后，传感器所有分量同时被加载至满量程，记录传感器输出值；每隔0.5h记录一次零点示值，从开始记录起连续进行的时间不应少于2h。7GB/T43199—2023传感器的输出时漂(S,)按公式(12)计算：……(12)△Yirs——输出时漂检测期间满载读数的最大差值；Yrs——传感器量程。5.9输出温漂传感器通电预热0.5h后，传感器所有分量同时被加载至满量程，记录此刻温度及输出值；加热传感器环境温度至传感器产品标准或产品随机文件规定的上限值，保温2h后，记录输出值。传感器的输出温漂(Sr)按公式(13)计算：……(13)△Yrrs——输出温漂检测期间传感器满载输出的最大差值；Yrs——传感器量程；Tmx——输出温漂检测的最高温度值；T₀——输出温漂检测的起始温度值。5.10过载能力传感器通电预热0.5h后，对传感器各分量施加规定的超负荷负载，保持5min,记录超负荷负载，卸载后恢复0.5h。同时测量并记录过载能力检测前后的零点输出值，两者相差不超过满量程输出的千分之三，可认定过载能力检测有效。过载能力以超负荷负载与量程的百分比表示。5.11输出响应时间对传感器施加阶跃多维联合加载，用瞬态记录仪记录传感器输出值达到90%预定载荷的响应波6特殊性能检测6.1联合加载重复性6.1.1检测方法在传感器各分量额定量程的60%～80%范围内各选取一载荷值，对各分量同时进行n次的重复加载，计算各分量的联合加载重复性。6.1.2计算方法联合加载重复性计算方法如下。a)联合加载重复性传感器各分量联合加载重复性(S)按公式(14)计算：……………8GB/T43199—2023式中：s(X;)——传感器各分量测量结果的标准偏差，按公式(15)计算；X;mx——传感器第i分量的额定量程；b)各分量测量结果的标准偏差重复性联合加载结束后，传感器各分量测量结果的标准偏差[s(X;)]按公式(15)计算：式中：△X;——传感器各分量测量结果的偏差，按公式(16)式计算；n——各分量固定载荷重复加载次数，n≥7。c)各分量测量结果的偏差重复性多维联合加载结束后，传感器各分量测量结果的偏差(△X;;)按公式(16)计算：△X;;=X;;-X(i=1,2,…,v;j=1,2,…,n)式中：X;——第j次重复联合加载时传感器第i分量的测量值；X,——传感器各分量测量结果的平均值，按公式(17)计算；n——各分量固定载荷重复加载次数，n≥7。d)各分量测量结果的平均值重复性多维联合加载结束后，传感器各分量测量结果的平均值(X)按公式(17)计算：n——各分量固定载荷重复加载次数，n≥7;X;——第j次重复联合加载时传感器第i分量的测量值；6.2联合加载偏差6.2.1检测方法多维力/力矩传感器联合加载偏差检测方法如下。a)采用正交设计原则，编制联合加载表，在传感器各分量额定量程内，联合加载表中的载荷应均匀分布。对于六维传感器，联合加载载荷组数应不少于24组；等于或少于五维的传感器，联合加载载荷组数不应少于18组；联合加载载荷不应与传感器标校载荷重复(检测前，送检方需提供传感器标校的载荷表)。b)按编制好的联合加载表依次施加载荷。6.2.2计算方法多维力/力矩传感器联合加载偏差的计算方法如下。9a)联合加载偏差多维力/力矩传感器联合加载偏差(D)按公式(18)计算：GB/T43199—2023式中：d(F;)——传感器联合加载各分量载荷测量值的检测标准偏差，按公式(19)计算；Xmx——传感器各分量额定量程，单位为牛(N)或牛米(N·m);b)联合加载各分量测量结果的标准偏差传感器联合加载各分量载荷测量值的检测标准偏差[d(F;)]按公式(19)计算：△F;——传感器各分量的m组载荷测量误差，按公式(20)计算；m——传感器各分量测试组数；c)联合加载下的传感器各分量测量误差对传感器各分量施加m组联合加载的检验载荷L;(i=1,2,…,v;j=1,2,…,m),传感器的m组测量结果为F;(i=1,2,…,v;j=1,2,…,m),传感器在联合加载下，各分量的m组载荷测量误差(△F;)按公式(20)计算：△F=F;;-L;(i=1,2,…v;j=1,2,…,m)△F——传感器第i分量在第j组联合加载中的测量误差，单位为牛(N)或牛米(N·m);F;;——传感器第i分量在第j组联合加载中的测量结果，单位为牛(N)或牛米(N·m);L;——传感器第i分量在第j组联合加载中的检验载荷值，单位为牛(N)或牛米(N·m);m——传感器各分量测试组数。6.3测量不确定度6.3.1检测方法多维力/力矩传感器测量不确定度检测方法包括：a)联合加载重复性(传感器测量重复性)引入的传感器不确定度分量u;检测方法应符合6.1.1;b)联合加载偏差(传感器测量准确性)引入的传感器不确定度分量u;检测方法应符合6.2.1。6.3.2计算方法多维力/力矩传感器测量不确定度计算方法如下。a)计算传感器测量不确定度传感器测量不确定度(U;)按公式(21)计算：GB/T43199—2023式中：i——传感器的分量，i=1,2,…,v;k——置信水平为P的包含因子，一般情况下，取k=2,置信水平P约为95%;u;——传感器第i分量合成标准不确定度，按公式(22)计算。b)计算传感器各分量合成标准不确定度传感器各分量合成标准不确定度(u;)按公式(22)计算：u;=√ui+uz+ua+uī(i=1,2,…,v)……(22)式中：u——联合加载重复性引入的传感器各分量不确定度分量，按公式(23)计算；u;₂——联合加载偏差引入的传感器各分量不确定度分量，用联合加载偏差D。表征，即u;z=D.;us——载荷源不确定度引入的传感器各分量不确定度分量，按公式(24)计算；u;₄——检测设备引入的传感器各分量不确定度分量，可由检测设备的不确定度确定；c)联合加载重复性引入的传感器各分量不确定度分量联合加载重复性引入的传感器各分量不确定度分量(u;)按公式(23)计算：