稱重傳感器標(biāo)定裝置新型夾具設(shè)計(jì)及性能分析*

馮博琳，王軍利

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

稱重傳感器標(biāo)定裝置新型夾具設(shè)計(jì)及性能分析*

馮博琳，王軍利

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

為了解決某型稱重傳感器標(biāo)定裝置夾具質(zhì)量過(guò)重等問(wèn)題，以傳統(tǒng)稱重傳感器標(biāo)定裝置夾具為研究對(duì)象，文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)夾具左右L板進(jìn)行輕量化減重，設(shè)計(jì)了一種新型傳感器夾具裝置。對(duì)新型夾具進(jìn)行了有限元分析，其結(jié)果表明：新型傳感器夾具裝置相比較于傳統(tǒng)夾具裝置質(zhì)量減少了減小了6%，而且具有更高的剛度和強(qiáng)度，新型夾具應(yīng)力減小了44.9%，變形量減小了56%。對(duì)新型夾具進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)以及仿真分析發(fā)現(xiàn)第4、6階模態(tài)振型對(duì)氣缸與支撐柱連接部位影響較大；通過(guò)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析獲得了夾具受到夾具壓頭壓緊瞬間時(shí)的應(yīng)力分布情況。以上研究可為其他傳感器夾具的設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

稱重傳感器；有限元；模態(tài)分析；夾具

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，稱重傳感器在測(cè)量、控制等領(lǐng)域得到了廣泛的使用，同時(shí)用戶對(duì)傳感器的測(cè)量精度要求越來(lái)越嚴(yán)格，因此為了保證稱重傳感器的測(cè)量精度，有必要對(duì)稱重傳感器進(jìn)行標(biāo)定，在機(jī)械制造行業(yè)中，稱重傳感器檢測(cè)設(shè)備制造與設(shè)計(jì)已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)[1]，如學(xué)者張博[2]對(duì)稱重傳感器精確標(biāo)定方法進(jìn)行了研究，學(xué)者張昌明[3-4]等對(duì)稱重傳感器標(biāo)定裝置托盤進(jìn)行了參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對(duì)稱重傳感器標(biāo)定裝置機(jī)架進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究，學(xué)者戴俊平[5]等對(duì)稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置托盤提升裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，國(guó)外學(xué)者RATNAM M M[6]等對(duì)托盤進(jìn)行了有限元仿真分析。

國(guó)內(nèi)外目前對(duì)稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置的研究主要采用理論分析及試驗(yàn)研究的方法，但其試驗(yàn)成本高昂，在當(dāng)今對(duì)稱重傳感器制造成本要求越來(lái)越嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那闆r下，運(yùn)用有限元分析技術(shù)來(lái)對(duì)稱重傳感器標(biāo)定裝置進(jìn)行研究變得越來(lái)越重要，稱重傳感器夾具作為稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置中重要部件，其作用是將砝碼加載過(guò)程中對(duì)稱重傳感器的振動(dòng)傳到機(jī)架上[7]，其受力的大小關(guān)系到稱重傳感器誤差標(biāo)定的效率[8]。

傳統(tǒng)稱重傳感器夾具由于重量偏重[9]，不方便在機(jī)架上裝配，稱重傳感器標(biāo)定效率不高，為了改善傳統(tǒng)稱重傳感器的性能，在傳統(tǒng)夾具的基礎(chǔ)上，并參考文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上，對(duì)其組成構(gòu)件進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，通過(guò)減輕重量來(lái)使其更容易裝配，進(jìn)而提高傳感器標(biāo)定效率，新型夾具在輕量化后的左L板上增加了兩個(gè)肋板，從而達(dá)到了減輕夾具重量而使其保持其強(qiáng)度、剛度滿足使用的要求。

本文采用有限元分析方法對(duì)新、舊型夾具力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析對(duì)比，結(jié)果表明：新型傳感器夾具裝置具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度、剛度高等優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)新型稱重傳感器夾具的幾何參數(shù)與夾具應(yīng)力、變形之間的規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了新型夾具的最優(yōu)幾何尺寸，通過(guò)對(duì)新型稱重傳感器夾具進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，得到了其固有頻率和振型，為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性對(duì)夾具進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)?？紤]到瞬間沖擊對(duì)夾具應(yīng)力、變形的影響，分析了夾具壓頭壓緊瞬間時(shí)夾具的受力情況，綜上所述本文可為其他傳感器產(chǎn)品夾具的設(shè)計(jì)提供一定的設(shè)計(jì)參考。

1 稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置工作原理

稱重傳感器標(biāo)定裝置基本的標(biāo)定流程如下：工作人員首先通過(guò)螺栓連接將稱重傳感器與夾具左右L板連接到一起，通過(guò)氣缸對(duì)夾具進(jìn)行夾緊固定，然后通過(guò)XY坐標(biāo)移動(dòng)裝置首先將砝碼移動(dòng)加載機(jī)構(gòu)移動(dòng)到托盤的中間上方，到達(dá)托盤中間上方時(shí)在氣缸的推動(dòng)下砝碼緩慢的加載到托盤上。當(dāng)整個(gè)砝碼加載過(guò)程趨于穩(wěn)定后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)始工作，并將數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中完成一次標(biāo)定過(guò)程，再重復(fù)上述步驟完成對(duì)托盤四個(gè)角標(biāo)定。稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2 傳感器新型夾具組成及工作原理

2.1 傳統(tǒng)傳感器夾具組成及工作原理

傳統(tǒng)稱重傳感器標(biāo)定裝置傳感器夾緊夾具機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。左右L板1、3與稱重傳感器采用了螺栓連接[11]，氣缸連接頭8與氣缸連接頭橫板10通過(guò)銷軸9相連，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，左右限位板5、11與大底板采用螺栓連接，左右限位板保證夾具壓頭4、12豎直方向上運(yùn)動(dòng)，氣缸連接頭橫板10與夾具壓頭采用螺栓連接。

稱重傳感器工作夾具工作原理為：當(dāng)氣缸7拉伸時(shí)，通過(guò)氣缸連接頭橫板10帶動(dòng)夾具壓頭在左右限位板限制下在豎直方向上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具進(jìn)行夾緊的功能。整個(gè)夾具裝置通過(guò)四根連接桿與大底板相連接，通過(guò)大底板6將整個(gè)裝置固定在機(jī)架上。

1.右L板 2. 稱重傳感器 3. 左L板 4. 左夾具壓頭5. 左限位板 6. 大底板 7.氣缸 8.氣缸連接頭 9. 銷軸 10.氣缸連接頭橫板等組成 11. 右限位板 12. 右?jiàn)A具壓頭 13.螺栓圖2 傳統(tǒng)傳感器夾具結(jié)構(gòu)圖

2.2 新型傳感器夾具組成及工作原理

為了減少傳統(tǒng)夾具左右L板重量過(guò)大對(duì)稱重傳感器誤差標(biāo)定精度及效率帶來(lái)的影響，文中對(duì)左右L板進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)，在夾具左L板側(cè)面打了四個(gè)圓形減重孔，底面上打了三個(gè)矩形減重孔，右L板也進(jìn)行了類似的減重設(shè)計(jì)，同時(shí)為了保證左L板的強(qiáng)度與剛度，在減重后的左L板上設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋，新型夾具三維圖及具體左右L板結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。新型傳感器夾具的工作原理與傳統(tǒng)傳感器相同。

圖3 新型夾具三維圖

(a)傳統(tǒng)夾具左L板 (b)傳統(tǒng)夾具右L板

(c)新型夾具左L板 (d)新型夾具右L板圖4 夾具左右L板三維圖

3 新舊夾具有限元靜力學(xué)仿真對(duì)比

3.1 有限元模型

經(jīng)過(guò)對(duì)新型傳感器夾具裝置模型經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，得到的有限元模型如圖5所示。傳感器夾具材料采用Q235鋼，其密度ρ=(7.85)g/cm3，彈性模量E=(2.1×102)GPa、泊松比μ=0.3。結(jié)合傳感器新型夾具模型實(shí)際情況，采用自由網(wǎng)格劃分的方式，最后得到了理想的有限元模型，其共有173766個(gè)節(jié)點(diǎn)、96497個(gè)單元。

圖5 新型夾具有限元模型圖

3.2 有限元分析結(jié)果對(duì)比

根據(jù)彈性力學(xué)理論可以得出夾具靜力學(xué)結(jié)構(gòu)的總體平衡方程為：

[k]{x}={F}

(1)

式中：[k]為結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣；{x}為位移矢量；{F}為力矢量。

本文利用有限元分析方法對(duì)夾具裝置進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析。在實(shí)際工作中傳感器夾具裝置的大底板與托架固定在一起，當(dāng)傳感器需要夾緊固定或卸載時(shí)，在氣缸的推動(dòng)下夾具壓頭上下移動(dòng)來(lái)完成這一動(dòng)作。在實(shí)際工作中右L板上部分還要受到來(lái)自托盤裝置1000N的集中力，在對(duì)有限元模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)夾具裝置大底板采用固定約束，載荷具體施加結(jié)果如圖6所示，經(jīng)過(guò)有限元分析具體分析對(duì)比結(jié)果云圖如圖7所示。

圖6 新型夾具載荷具體施加結(jié)果圖

(a)傳統(tǒng)稱重傳感器夾具裝置的變形與應(yīng)力云圖

(b)新型稱重傳感器夾具裝置的變形與應(yīng)力云圖圖7 具體分析對(duì)比結(jié)果云圖

圖7經(jīng)過(guò)分析可知，傳統(tǒng)傳感器夾具的最大變形發(fā)生在右L板，最大變形為0.10469mm；最大應(yīng)力發(fā)生在左L板根部，最大應(yīng)力為44.431MPa。新型夾具裝置最大變形、最大應(yīng)力主要發(fā)生在氣缸與氣缸連接頭橫板處，最大變形為0.6957mm,最大應(yīng)力為38.221MPa。新型夾具滿足材料強(qiáng)度、剛度條件，與傳統(tǒng)夾具裝置相比較，新型夾具裝置的應(yīng)力大大減小而且質(zhì)量更輕，夾具質(zhì)量由傳統(tǒng)的58.757kg減小到55.215kg減小了6%，變形量由0.10469mm增加到0.6957mm增加了0.3512mm變形量有所增加，應(yīng)力由44.431MPa減小到38.221MPa減小了13.98%，由于重量的減小以及新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得傳感器標(biāo)定裝置工作更加可靠更方便裝配以及移動(dòng)。

3.3 新型夾具左L板尺寸優(yōu)化

在設(shè)計(jì)新型夾具左L板的構(gòu)型時(shí)，根據(jù)稱重傳感器的幾何尺寸參數(shù)要求，可以初步確定左L板的幾何尺寸模型如圖8所示，其中e=15mm、f=286mm，不變。當(dāng)a=26mm，b=54mm時(shí)，最大應(yīng)力應(yīng)變隨著d的變化規(guī)律如圖9所示。

圖8 左L板的幾何尺寸圖

(a)最大應(yīng)力

(b)最大變形

從圖9可以看出，當(dāng)其他參數(shù)確定時(shí)，左L板X、Y、Z方向的最大應(yīng)力隨著d值的增加而減小，綜合考慮應(yīng)力和變形對(duì)左L板應(yīng)力和變形的影響，可以看出d=21mm時(shí)應(yīng)力最小，且應(yīng)力在材料許用范圍內(nèi)。

當(dāng)a=26mm，d=21mm時(shí)最大應(yīng)力應(yīng)變隨著b的變化規(guī)律如圖10所示。

(a)最大變形

(b)最大應(yīng)力圖10 參數(shù)b的變化對(duì)左L板應(yīng)力變形的影響

從圖10可以看出，可以看出，當(dāng)d=21mm為定值時(shí)，b=54mm時(shí)應(yīng)力、變形相對(duì)較小，且應(yīng)力在材料許用范圍內(nèi)。

當(dāng)b=54mm，d=21mm時(shí)最大應(yīng)力、變形隨著a的變化規(guī)律如圖11所示。

(a)最大應(yīng)力

(b)最大變形圖11 參數(shù)a的變化對(duì)左L板應(yīng)力變形的影響

從圖11可以看出,當(dāng)d=21mm,b=54mm，a=34mm時(shí)，在相同載荷作用下勻，最大的應(yīng)力應(yīng)變值相比于其他參數(shù)值較小，且未超過(guò)材料許用值。

綜合考慮左L板的幾何尺寸對(duì)夾具應(yīng)、變形的變化規(guī)律，結(jié)合夾具應(yīng)力、變形最大值與分布狀況，當(dāng)d=21mm,b=54mm，a=34mm時(shí)為夾具最優(yōu)尺寸參數(shù)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析最優(yōu)尺寸參數(shù)夾具應(yīng)力、變形云圖如圖12所示。

(a)最大應(yīng)力云圖

(b)最大變形云圖圖12 最優(yōu)尺寸參數(shù)夾具應(yīng)力、變形云圖

從圖12可以看出,最優(yōu)尺寸下夾具的應(yīng)力、變形分布比較均勻，最大變形量為0.046mm,最大應(yīng)力為24.4418MPa,相比于傳統(tǒng)夾具，最優(yōu)尺寸下的新型夾具應(yīng)力減小了44.9%，變形量減小了56%。

4 新型夾具模態(tài)特性分析

為了獲得新型夾具的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)新型夾具進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的一種手段就是采用模態(tài)分析，通過(guò)模態(tài)分析可以用來(lái)檢驗(yàn)新型夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否克服共振、疲勞，等受迫振動(dòng)引起的有害效果。

根據(jù)彈性力學(xué)理論可以得出新型夾具的動(dòng)力學(xué)方程為：

(2)

(3)

由于結(jié)構(gòu)以固有頻率ω振動(dòng)，所以位移為：

x=xsin(ωt)

(4)

將式(3)帶入式(4)得：

([k]-ω2[M]){x}={0}

(5)

稱重傳感器標(biāo)定裝置在工作時(shí)會(huì)受到電機(jī)、砝碼加載過(guò)程、以及進(jìn)給系統(tǒng)移動(dòng)等所產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)。考慮到傳感器夾具本身所處的工作環(huán)境，因此，研究夾具的固有頻率、振型是不可缺少的[12]。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在機(jī)械行業(yè)得到了大量的應(yīng)用，相應(yīng)的機(jī)械產(chǎn)品軟件的開(kāi)發(fā)促進(jìn)了模態(tài)分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用。對(duì)夾具進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種重要的方法就是采用模態(tài)分析[13]。

考慮到夾具實(shí)際工作一般處于低階模態(tài)，因此，十分有必要分析傳感器夾具的固有頻率、振型[14]。通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用PCB力錘，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集選用PXI-4462數(shù)據(jù)采集卡，模態(tài)分析軟件選擇上海宏勤科技有限公司的Modalview模態(tài)軟件，模態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示。使用最小二乘復(fù)頻域法計(jì)算固有頻率和振型，采用頻響函數(shù)綜合法，結(jié)合模態(tài)置信準(zhǔn)則，對(duì)模態(tài)分析結(jié)果的精準(zhǔn)度做出判斷[15]。通過(guò)對(duì)模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行、對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有限元分析結(jié)果與模態(tài)實(shí)驗(yàn)頻率比較接近，表明夾具裝置有限元模型可以作為靜態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型。個(gè)別模態(tài)頻率偏較大原因：有限元模型略去了部分尺寸較小的連接件。模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

圖13 模態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

通過(guò)對(duì)稱重傳感器夾具的前6階模態(tài)振型云圖進(jìn)行分析比較，傳感器夾具前6階振型主要表現(xiàn)為氣缸、氣缸連接頭橫板的彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在前 6 階模態(tài)振型中第4 階、6階模態(tài)振型會(huì)對(duì)氣缸與氣缸連接頭橫板連接處產(chǎn)生振動(dòng)變形，氣缸連接頭橫板處所受到的載荷會(huì)增加，其模態(tài)振型云圖如圖14所示。

(a)夾具4階模態(tài)振型云圖

(b)夾具6階模態(tài)振型云圖圖14 夾具4、6階模態(tài)振型云圖

從圖14中通過(guò)對(duì)4、6階模態(tài)振型云圖分析對(duì)比，可以看出當(dāng)振動(dòng)頻率為181.01、525.12Hz時(shí)氣缸與氣缸連接頭橫板處會(huì)產(chǎn)生較大的變形，因此，在實(shí)際工作中應(yīng)避免傳感器標(biāo)定裝置工作在這兩個(gè)頻率。

5 新型夾具瞬態(tài)特性分析

由于傳感器夾具在夾緊過(guò)程中要受到夾具壓頭的沖擊，因此，有必要對(duì)夾具在受到?jīng)_擊載荷時(shí)的瞬態(tài)受力情況進(jìn)行分析。在實(shí)際傳感器夾緊過(guò)程中氣缸連接頭橫板受到氣缸對(duì)其1457.4N的推力，根據(jù)實(shí)際夾具工作情況，設(shè)置好夾具有限元模型的約束和邊界條件，經(jīng)過(guò)有限元分析計(jì)算，得到了夾具壓頭壓緊瞬間時(shí)夾具的應(yīng)力云圖如圖15所示。

(a)夾具壓頭壓緊瞬間應(yīng)力云圖

(b)夾具壓頭壓緊瞬間夾具左L板應(yīng)力云圖圖15 夾緊瞬間夾具應(yīng)力云圖

從圖15可以看出在壓頭壓緊夾具的過(guò)程中，夾具受到的最大應(yīng)力發(fā)生在左L板根部應(yīng)為192.9MPa，夾具壓頭與左L板接觸的瞬間最大應(yīng)力發(fā)生在兩者接觸部位，最大應(yīng)力為60.788 MPa。通過(guò)云圖可以看出最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，表示夾具裝置滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

文中針對(duì)傳統(tǒng)稱重傳感器夾具重量過(guò)大的缺點(diǎn)，對(duì)夾具裝置的左右L板進(jìn)行了減重設(shè)計(jì)，同時(shí)為了保證能很好的夾緊夾具，在左L板側(cè)邊增加了兩個(gè)肋板。采用有限元分析技術(shù)，對(duì)新型稱重傳感器夾具的性能進(jìn)行了仿真分析，得出如下結(jié)論：

(1)新型稱重傳感器夾具裝置的設(shè)計(jì)，解決了目前傳統(tǒng)夾具重量偏大、移動(dòng)不靈活等缺點(diǎn)。

(2)通過(guò)模態(tài)分析，得知夾具裝置的振型為氣缸的擺動(dòng)、扭轉(zhuǎn)時(shí)，氣缸與四根支撐柱變形量較大，該結(jié)果可為稱重傳感器安全使用提供一定的依據(jù)。

(3)通過(guò)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，確定了夾具裝置在受到壓緊裝置壓緊時(shí)的動(dòng)態(tài)載荷變化范圍。

上述結(jié)論可為稱重傳感器夾具裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)、以及其他傳感器夾具裝置的設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

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(編輯 李秀敏)

Design and Performance Analysis of a New Type of Fixture for Calibration of Load Cell

FENG Bo-lin, WANG Jun-li

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong Shaanxi 723000, China)

In order to solve the problems such as the quality of the fixture of a certain type of load cell calibration device is too heavy. In this paper, a new type of sensor fixture device was designed based on the weight reduction of the traditional fixture and the left and right L board, and the property of the new type of fixture was analyzed by using the finite element analysis technology. The results show that the quality of the new type of sensor was reduced by 6%,and the stiffness and strength were higher compared to traditional fixture device, the stress of the new fixture was reduced by 44.9% and the deformation was reduced by 56%. The dynamic characteristics of a new type of sensor were studied by modal analysis and modal experimental, the results show that the fourth and sixth modes were of great influence on the connection part of the cylinder and supporting column; the stress distribution of the clamp pressed by the pressing head of the clamp was obtained by transient dynamic analysis. The above research can provide some theoretical reference for the design of other sensor fixture.

weighing sensor; finite element; modal analysis; fixture

1001-2265(2017)05-0040-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.011

2017-01-16；

2017-02-07

國(guó)家自然科學(xué)基金(51605270) ；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目 (2016JM1030)；陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(15JK1142)

馮博琳(1992—)，男，陜西富平人，陜西理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程,(E-mail)18091604285@163.com；通信作者：王軍利(1977—)，男，陜西寶雞人，陜西理工大學(xué)講師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)及氣動(dòng)彈性。

TH164;TG65

A