《工业控制计算机》2018年第31卷第8期
Data Acquisition and Application of Six-Dimensional Force Sensor Based on PLC
庞长富
王志明
蔡正龙
崔利贞(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)
摘要：简要介绍了六维力传感器的结构形式及其特点，并利用PLC 实现模拟量数据采集。同时以座椅疲劳耐久试验中的六维力传感器的应用为例，通过试验采集六维力传感器中的数据作为依据，对比采集到的实际数据与理论数据，验证数据采集方案的准确性。该数据采集系统的应用，可为座椅关键部件的优化设计提供参考。 关键词：六维力传感器，力值，扭矩值,PLC 控制，耐久试验
Abstract 押In this paper熏the structure and characteristics of six -axis force sensor are briefly introduced熏and the analog data acquisition is realized by using PLC.The application of the six-axis force sensor in seat fatigue endurance test is also taken as an example.The accuracy of the data acquisition scheme is verified by comparing the actual data collected with the theoretical data熏and the application of the data acquisition system.
Keywords 押six dimensional force sensor熏force value熏torque value熏PLC control熏durability test
伴随着科学技术的不断进步与发展，机器人结合六维力传感器技术得到了广泛的应用。六维力传感器能检测力在空间作用的全部信息，所以近年来对六维力传感器动态的研究和需求也明显增加[1]。本文主要用松下PLC 对六维力传感器进行编程控制，对数据进行采集处理，实时监控在座椅疲劳耐久试验中力值以及扭矩值的动态变化，为座椅部件的可靠性评价和测试指标提供依据。
1六维力传感器简介1.1总体结构
在所有的机器人传感器中，六维力传感器是最基本的传感器，是机器人不可缺少的重要组成部分，它能够检测三维力和三维扭矩，为机器人提供更为详细的感知信息，促使机器人对外界环境的变化做出实时、准确的响应[2]。
现在的六维力传感器内部结构多采用E 型膜片的研制方法，能保证测量方向的灵敏度以及刚度，并尽量避免输出信号之间的相互干扰。
1.2六维力传感器的选用
在座椅疲劳耐久试验机中，综合考虑经济以及安装要求，最终选用K6D68系列的拉扭复合力传感器，可以测量三个互相垂直方向F x 、F y 、F z 的张力和压缩力，同时可以测量三个面M x 、M y 、M z 方向的扭矩。F x 、F y 方向的力值量程为±2kN ,F z 方向的力值量程为±4kN 。M x 、M y 、M z 方向的扭矩量程为±50N ·m ，输出信号为0.4mV /V 。
表1
K6D 系列六轴力传感器量程
2数据的采集
2.1六维力传感器的测量原理
根据六维力传感的内部结构组成，采用有限元分析的方法，分析中心环形膜片敏感区域的弹性变形量，经过多次标定测量，确定六维力传感器各个方向的刚度系数，即标定校核系数[3]，如表2所示。
表2
矩阵标定使用系数
六维力传感器的基本测量原理是首先确定各个方向的标定系数，然后再通过松下PLC 进行模拟量的采集，经过算法运算转变成数字量，最终经过矩阵运算，变成实际的力值以及扭矩值，在人机交互页面上显示相应的采集数据。2.2六维力传感器的数据采集
六维力传感器在外力作用下，弹性体结构形变，贴在弹性体上的应变片发生应变引起电阻值的变化，再经电路将阻值的变化转化为电压或者电流的变化[4]。
K6D68系列六维力传感器将传感器接头标签跟放大
器对
图1K6D68六维力传感器
15
基于PLC的六维力传感器的数据采集及应用
头连接，阻值变化信号信号经过SGF放大器放大后输出模拟量
信号为0~±5V，矩阵运算采样按N/V和N·m/V运算[5]。
采用的是松下PLC进行编程,PLC选择的型号为FP-X系
列主控单元C14R，外加模拟量单元FP0-A80带8通道模拟量
电压或者电流输入，通过FPX-EFP0适配器扩展在FP-X上，根
据上面的拨码开关进行设定，确定模拟量的类型和范围，以及开
放的通道数，进行六维力传感器中模拟电压信号的采集。
本文主要以F x方向的力值计算为例，进行详细的数据采集
介绍,F x方向的力值计算公式如下所示:
F x =-108.75N/V
u1
-
200.09N/V
u2
-103.12N/V
纳米除臭装置
u3
+107.28N/V
u4
+199.07N/V
u5+98.41N/V
u6(1)
1)用松下PLC进行电压模拟量信号的采集，将CH0到CH7通道中的数据进行A/D转换，传送到相应的数据寄存器中，转化为数字量，如图2所示。
图2模拟量转化成数字量
2)将采集到的数字量经过矩阵标定系数的处理，存到数据寄存器中，如图3所示。
图3矩阵标定算法
3)经过矩阵运算的数据寄存器中的数据再次经过运算，运算结果保存到数据寄存器断电保持型区域中，在人机交互页面上显示，显示的是实际测量的动态力值以及扭矩值，如图4所示。
2.3数据采集的要求
1)六维力传感器不加载，读取输出信号，经过矩阵运算之后,F x、F y、F z、M x、M y、M z每项都会有一个零点值，这个零点值需要在软件上清零，然后进行测量，保证数据采集的准确性。
2)当出现过载报警信号时，需要按报警复位，方可清除报警。测量的力值F x、F y方向有±5N的波动,F z方向有±35N的波动。测量的扭矩M x、M z方向有±0.25N·m的波动,M y方向有±0.4N·m的波动。
3数据的监控与显示
人机交互页面如图5所示，触摸屏对于测试设备正常运行、可靠性及设备在运行中出现故障及时发现和解除起着至关重要的作用。
图5人机交互页面
人机界面触摸屏监控软件主要对座垫施加力的过程进行实时地监控，并可进行一些参数的设置以及测量数据的导出，使编制的程序更加直观和方便。
在数据采集及显示的人机交互页面中，可通过实时曲线按钮，根据不同颜的线条更加直观的显示力值以及扭矩值的动态变化，而历史数据按钮可保存实时的数据，方便导出，作为试验的依据，进行后续的数据处理与分析。
4六维力传感器的应用
汽车座椅作为关键和重要
的被动安全部件，不仅要承载乘
客，而且还要在碰撞事故中肩负
着保护乘客安全的作用。
根据QC740-2005乘用车
座椅总成标准，结合座椅乘坐耐
久试验要求和试验条件，用机器
人带动人体模型模拟乘客上下车
动作，对座垫施加周期性的连续
变化载荷，加载位置可以选择座
垫上任何可能的区域，加载频率
根据标准要求，高低频均有，开展
疲劳耐久试验[6]。如图6所示。
把六维力传感器通过保护支架，固定到机器人操作手臂与人体臀部模块中间，用来检测两者相互接触所产生的力和扭矩的大小和方向。当机器人带动臀部模块运动时，六维力传感器采集实时数据，当超过设定力值或者扭矩值，发生报警，使加载的
(下转第19页
微型压力传感器芯片)
电汽锅图6座椅疲劳耐久试验
台
图4数据的采集
保存16
《工业控制计算机》2018年第31卷第8期
(上接第16页)
力值以及扭矩值维持在一定范围内，获得较好的运动控制效果。当做完指定的试验次数或者座椅表面出现破损失效，疲劳耐久测试应立即停止。
试验足够的次数后，座垫的最大永久变形量需要位于规定范围内，根据力值以及扭矩值的数据历史记录，与座椅结构设计要求的参数相比较，同时根据座椅表面的受损情况，判断座椅的可靠性以及结构设计的合理性。如图7所示。
图7
历史数据记录
5结束语
六维力传感器的数据采集也是一个比较复杂的过程，这主要是由于传感器本身输出信号与实际六维力向量的分力之间存
在相互耦合的作用，为了消除传感器信号之间的相互干扰，有必要通过试验对传感器进行标定，然后在数据采集中利用矩阵标定系数来消除传感器信号之间的相互干扰，保证测量数据的准确性。
六维力传感器是一种能够同时感知并测量变化的空间力和力矩大小及方向的全部信息的力传感器，对
其进行数据采集、动态监控，可辅助智能系统完成复杂的任务。当然对其数据的采集传输并不只局限于PLC ，作为有力的实验依据，六维力传感器的信息采集与传递对各行业的工程需求而言有着重要的作用。
参考文献
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[收稿日期:2018.4.18
]
了测试；测试效果满足《导则》要求。测试现场如图8所示。
图8系统功能现场测试图
同时，采集器也在实验室环境中进行了全面的产品测试，测试结果如下:
1)静电放电抗扰度试验。设备按《电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验》(GB /T17626.2-2006)进行静电放电抗扰度试验，试验等级:4，接触放电电压:8kV ，空气放电电压:15kV ，放电次数:10次，每次放电间隔至少为1s 。试验期间，设备符合GB /T17626.2-2006条款9中的b 要求，即功能或性能暂时丧失或降低，但在干扰停止后能自行恢复，不需要操作者干预。
2)电快速瞬变脉冲抗扰度试验。设备按《电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲抗扰度试验》(GB /T17626.4-2008)进行电快速瞬变脉冲抗扰度试验，试验等级:3，电压峰值:±2kV ，试验时间:60s 。试验期间，设备符合GB /T17626.4-2008条款9中的b 要求，即功能或性能暂时丧失或降低，但在干扰停止后能自行恢复，不需要操作者干预。
3)浪涌(冲击)抗扰度试验。设备按《电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》(GB /T17626.5-2008)进行浪涌
(冲击)抗扰度试验，试验等级:3，电压峰值:±2kV ，每分钟1次，共进行5次。试验期间，设备应符合GB /T17626.5-2008条款9中的a 要求。5结束语
对比其他国内建筑能耗数据采集器产品，本设计在RS-485接口设计中采用ADM2587E 芯片有效提高了接口的设备负载率和数据通讯的可靠性。
参考文献
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[收稿日期:2018.3.28
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