一種夾緊力傳感器的研制

中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所，四川綿陽621000

一、引言

夾具在機械加工和設(shè)備測量中有著廣泛的應(yīng)用，夾具夾裝零件引起的工件加工誤差是精密零件加工和測量中不可忽略的影響因素。

夾裝零件導(dǎo)致的誤差主要有以下幾個方面[1-3]：

①夾緊力不足，零件在加工和測量過程中發(fā)生偏移和振動；

②在夾緊過程中，由于夾裝順序不當(dāng)或夾緊力施加不均勻，零件的理想定位加工后的狀態(tài)存在偏差；

③零件在夾緊力的作用下發(fā)生彈性形變，在加工完成撤消夾緊力后，零件由于力的釋放產(chǎn)生回彈變形，出現(xiàn)零件在力的作用下測量準(zhǔn)確、撤消力后超差的現(xiàn)象。

為了減小零件夾具系統(tǒng)的變形，對工件所施加的夾緊力應(yīng)盡量減小，但同時又必須保持加工和測量過程中零件夾具的穩(wěn)定性。理想的夾緊力，在整個加工過程中應(yīng)使所有的定位元件對零件施加正壓力，并且零件不會產(chǎn)生大的變形或損壞[4]。因此，有必要研制一種夾緊力傳感器，對夾具的夾緊力進行有效測量，以評估夾具的性能。

夾緊力傳感器是基于應(yīng)變原理的測力傳感器，目前工業(yè)領(lǐng)域所用的稱重傳感器基本都是基于應(yīng)變原理[5-6]，其彈性體結(jié)構(gòu)大多采用簡單的懸臂梁或者超靜定梁結(jié)構(gòu)，傳感器工作時，粘貼在彈性元件表面的應(yīng)變計隨彈性體變形而變形，經(jīng)惠斯通全橋測量電路轉(zhuǎn)換成電壓增量，電壓信號進行處理換算后就可以得到相應(yīng)的稱重力；應(yīng)變式傳感器的高精度和良好的穩(wěn)定性能，使其在多分量力學(xué)測量領(lǐng)域也得到應(yīng)用，如機器人用多維力傳感器[7-8]、風(fēng)洞應(yīng)變天平[9]等，這類傳感器的彈性體上加工有不同的結(jié)構(gòu)形式的測量元件，使這些測量元件在載荷的作用下，對各自預(yù)測量分量的載荷敏感，產(chǎn)生相對明顯的變形，而對其它分量載荷不敏感，不產(chǎn)生或產(chǎn)生盡量小的變形，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上對力與力矩的機械分解或部分機械分解，再通過應(yīng)變計的粘貼位置與全橋測量電路的設(shè)置，使其它分量載荷所產(chǎn)生的應(yīng)變不改變電橋的平衡狀態(tài)，實現(xiàn)力與力矩的電氣分解。夾緊力傳感器針對性較強，參照稱重傳感器和風(fēng)洞天平設(shè)計方法，進行專門設(shè)。

二、技術(shù)要求

夾緊力傳感器的研制主要用于某型機械夾具的夾緊力測量，機械夾具呈鉗狀，工作時由傳遞梁帶動接觸頭向中間做鉗制運動，接觸頭為直徑3mm圓柱，被鉗制設(shè)備鉗制位置厚2mm，兩個接觸頭放開狀態(tài)間距為2.2mm，如圖1所示。

夾緊力傳感器具體技術(shù)參數(shù)要求如下：

（1）測量精度：0.5%F.S.

（2）測量量程：100N

（3）測量間距：2mm

（4）100N力作用下位移小于0.1mm

（5）過載保護

三、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、傳感器結(jié)構(gòu)方案

夾緊力傳感器為應(yīng)變式傳感器，傳感器示意圖如圖2所示，主要由外殼、框和彈性體組成。傳感器為手持式，為方便操作，傳感器外形尺寸為120mm×36mm×22mm。彈性體和框安裝在外殼里面，外殼為長方體，中空結(jié)構(gòu)，銳邊倒圓；彈性體根部外表面與殼體內(nèi)表面為配合面，通過螺釘連接；框通過螺釘安裝在彈性體根部，為電子線路留出安裝空間，材料選用硬鋁，減輕重量的同時降低成本。

2、彈性體材料

夾緊力傳感器為應(yīng)變式傳感器，應(yīng)變式傳感器彈性體材料必須具備較高的強度、優(yōu)良的彈性性能、穩(wěn)定的彈性模量隨溫度變化趨勢、較低的線膨脹系數(shù)、較高的疲勞強度和沖擊韌性以及優(yōu)良的熱處理工藝性能與機械加工性能[9]，以保障應(yīng)變式傳感器的穩(wěn)定性和測量精確度。

針對傳感器彈性體要求，選擇馬氏體時效鋼（00Ni18Co8Mo5TiAl）作為彈性體材料，其物理參數(shù)為：

由此可見，馬氏體時效鋼可以作為夾緊力傳感器彈性體的材料。

3、彈性體設(shè)計

彈性體[10]結(jié)構(gòu)外形為長方體，采用鉗形結(jié)構(gòu)，主要包括后座、應(yīng)變梁、支撐梁和測量接口，如圖3所示。后座為彈性體的支撐結(jié)構(gòu)，后表面與框連接，側(cè)表面與殼體內(nèi)表面連接。后座向前延伸兩個量分別為應(yīng)變梁和支撐梁，呈鉗形結(jié)構(gòu)，由于一個梁就可以完成測量任務(wù)，為減少加工工序和節(jié)省材料，應(yīng)變梁和支撐梁采用的是非對稱結(jié)構(gòu)，分別用于測量和支撐。應(yīng)變梁選用的是雙聯(lián)孔的結(jié)構(gòu)形式，雙聯(lián)孔內(nèi)最薄為貼片位置，這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是保證受力產(chǎn)生一定應(yīng)變的同時，具有較大的剛度，即變形量小，根據(jù)傳感器所需要的應(yīng)變值和剛度，推算應(yīng)變梁的結(jié)構(gòu)尺寸；支撐梁為簡單的長方體懸臂梁結(jié)構(gòu)，主要起輔助支撐的作用，根據(jù)應(yīng)變梁的剛度，推算出支撐梁的結(jié)構(gòu)尺寸，使應(yīng)變梁和支撐梁在受力狀態(tài)下變形一致。應(yīng)變梁和支撐梁末端有唇形凸起，L型設(shè)計使應(yīng)變梁和支撐梁在不對稱的情況下保證凸起位于傳感器前端中部，以適應(yīng)操作人員的操作習(xí)慣；兩個唇形凸起的間距為0.2mm，如果傳感器發(fā)生過載，兩個唇形凸起會貼合在一起，防止應(yīng)變梁繼續(xù)變形導(dǎo)致?lián)p壞。測量接口共有兩個，分別處于應(yīng)變梁和支撐梁末端的唇形凸起中間，呈V型布局設(shè)計，以便測量時測量位置的迅速定位[11]。

4、彈性體受力分析

傳感器彈性體材料和結(jié)構(gòu)形式及尺寸確定后，對傳感器彈性體進行三維建模，通過ANSYS Workbench軟件對模型進行有限元分析仿真計算，設(shè)置工況為：傳感器彈性體后座固定約束，兩個測量接口接觸面分別施加100N力。

（1）獲得傳感器彈性體應(yīng)變云圖如圖4所示，從云圖可以看出傳感器彈性體四個應(yīng)變片粘貼位置的應(yīng)變值并不一樣，通過計算獲得平均應(yīng)變值為186με，滿足設(shè)計要求。

（2）獲得傳感器彈性體位移云圖如圖5所示，從云圖可以看出傳感器彈性體應(yīng)變梁測量接口除最大變形為0.0207mm，傳感器彈性體應(yīng)變梁測量接口除最大變形為0.0200mm，在100N力作用下產(chǎn)生的總位移為0.0407mm，小于技術(shù)要求0.1mm，滿足要求。

5、強度校核

同樣通過ANSYS Workbench軟件對模型進行有限元分析仿真計算，設(shè)置工況為：傳感器彈性體后座固定約束，兩個測量接口接觸面分別施加強制位移0.1mm。獲得傳感器彈性體應(yīng)力云圖如圖6所示，從云圖可以看出傳感器彈性體產(chǎn)生最大應(yīng)力值為3.62×108N/m2，遠(yuǎn)小于屈服極限1.75×109N/m2，滿足要求。

四、傳感器校準(zhǔn)及檢驗

傳感器彈性體加工完成，經(jīng)過退火處理、應(yīng)變片粘貼和組橋、靈敏度補償、溫度補償、零點補償以及防潮等工藝處理后，對傳感器進行校準(zhǔn)[12]和檢驗。

1、傳感器校準(zhǔn)

校準(zhǔn)方式如圖7所示，將完成制作的傳感器彈性體通過螺釘固定在支撐臺上，在測量接口處通過砝碼進行重力加載，其中加載頭與測量接頭的接觸部分的結(jié)構(gòu)形式與被檢測機械夾具接觸頭結(jié)構(gòu)形式相同，使傳感器的校準(zhǔn)狀態(tài)的受力狀況與使用狀態(tài)的受力狀況相同。

傳感器通電后，對傳感器彈性體進行三次砝碼加載，加載力與傳感器信號輸出的對應(yīng)關(guān)系圖如圖8所示，從圖中可以看出傳感器輸出的重復(fù)性和線性度良好，通過計算獲得傳感器精度優(yōu)于0.2%F.S.[13]。

傳感器應(yīng)變片組橋方式采用惠斯通電橋，已知輸出信號ΔU、應(yīng)變值ε和激勵電壓U0之間的關(guān)系為：

其中，K—應(yīng)變片靈敏度系數(shù)。

經(jīng)變換可得應(yīng)變值為：

計算獲得實際測量應(yīng)變值為175με。

2、傳感器滿量程位移測量

在傳感器校準(zhǔn)狀態(tài)下，將砝碼加載至滿量程100N狀態(tài)，利用螺旋測微儀對應(yīng)變梁上測量接口位移進行測量，測量結(jié)果為0.019mm；將傳感器彈性體倒掛安裝，即使支撐梁上測量接口接觸面向上，安裝砝碼盤將砝碼加載至滿量程100N狀態(tài)，利用螺旋測微儀對應(yīng)變梁上測量接口位移進行測量，測量結(jié)果為0.019mm。由此獲得傳感器在100N夾緊力的作用下的總變形為0.038mm，滿足要求。

五、結(jié)論

與普通應(yīng)變傳感器設(shè)計流程不同，夾緊力傳感器的設(shè)計是以剛度設(shè)計為基礎(chǔ)的，為了得到較大剛度，在傳感器靈敏度上有所讓步。事實上，傳感器靈敏度并不是傳感器的唯一重要參數(shù)，傳感器在使用過程中，尤其是在航空航天領(lǐng)域的使用中，使用者更關(guān)心的是傳感器的穩(wěn)定性，高剛度有利于提高傳感器的穩(wěn)定性。

從校準(zhǔn)和檢驗結(jié)果上看，夾緊力傳感器應(yīng)變和位移的理論計算值和實際測量值大體一致，略有差異，這種差異是傳感器制作過程中產(chǎn)生的加工誤差、貼片位置偏移以及檢測的測量手段等多方面引起的，并不影響傳感器的使用性能。

夾緊力傳感器裝配后與配套儀表連接（圖9），已使用在某設(shè)備機械夾具夾緊力的檢測，具有操作簡單、穩(wěn)定性好、測量精度高等優(yōu)點，夾緊力傳感器的研制是成功的。