為了解決某型地磅稱(chēng)重傳感器標定裝置夾具質(zhì)量過(guò)重等問(wèn)題， 以傳統稱(chēng)重傳感器標定裝置夾具為研究對象，文通過(guò)對傳統夾具左右 L板進(jìn)行輕量化減重，設計了一種新型傳感器夾具裝置。 對新型夾具進(jìn)行了有限元分析，其結果表明: 新型傳感器夾具裝置相比較于傳統夾具裝置質(zhì)量減少了減小了6%，而且具有更高的剛度和強度，新型夾具應力減小了44．9%，變形量減小了56%。 對新型夾具進(jìn)行模態(tài)試驗以及仿真分析發(fā)現第4、6 階模態(tài)振型對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)的應力分布情況。 以上研究可為其他傳感器夾具的設計提供一定的理論參考。

0 .引言

隨著(zhù)科技的進(jìn)步，稱(chēng)重傳感器在測量、控制等領(lǐng)域得到了廣泛的使用， 同時(shí)用戶(hù)對傳感器的測量精度要求越來(lái)越嚴格， 因此為了保證稱(chēng)重傳感器的測量精度，有必要對稱(chēng)重傳感器進(jìn)行標定，在機械制造行業(yè)中，稱(chēng)重傳感器檢測設備制造與設計已經(jīng)成為機械設計領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，如學(xué)者張博對稱(chēng)重傳感器精確標定方法進(jìn)行了研究，學(xué)者張昌明等對稱(chēng)重傳感器標定裝置托盤(pán)進(jìn)行了參數化優(yōu)化設計以及對稱(chēng)重傳感器標定裝置機架進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究，學(xué)者戴俊平等對稱(chēng)重傳感器誤差標定裝置托盤(pán)提升裝置進(jìn)行了設計與研究，國外學(xué)者ＲATNAM M M等對托盤(pán)進(jìn)行了有限元仿真分析。

國內外 目 前對稱(chēng)重傳感器誤差標定裝置的研究主要采用理論分析及試驗研究的方法，但其試驗成本高昂，在當今對稱(chēng)重傳感器制造成本要求越來(lái)越嚴謹的情況下，運用有限元分析技術(shù)來(lái)對稱(chēng)重傳感器標定裝置進(jìn)行研究變得越來(lái)越重要，稱(chēng)重傳感器夾具作為稱(chēng)重傳感器誤差標定裝置中重要部件，其作用是將砝碼加載過(guò)程中對稱(chēng)重傳感器的振動(dòng)傳到機架上 ，其受力的大小關(guān)系到稱(chēng)重傳感器誤差標定的效率。

傳統稱(chēng)重傳感器夾具由于重量偏重，不方便在機架上裝配，稱(chēng)重傳感器標定效率不高，為了改善傳統稱(chēng)重傳感器的性能，在傳統夾具的基礎上，并參考文獻的基礎上，對其組成構件進(jìn)行了輕量化設計，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，從而達到了減輕夾具重量而使其保持其強度、剛度滿(mǎn)足使用的要求。

本文采用有限元分析方法對新、 舊型夾具力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析對比，結果表明：新型傳感器夾具裝置具有質(zhì)量輕、強度、剛度高等優(yōu)點(diǎn)，并且對新型稱(chēng)重傳感器夾具的幾何參數與夾具應力、變形之間的規律進(jìn)行了研究，得到了新型夾具的最優(yōu)幾何尺寸，通過(guò)對新型稱(chēng)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，為了驗證仿真結果的正確性對夾具進(jìn)行了模態(tài)試驗。 考慮到瞬間沖擊對夾具應力、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)品夾具的設計提供一定的設計參考。

1 .稱(chēng)重傳感器誤差標定裝置工作原理

稱(chēng)重傳感器標定裝置基本的標定流程如下： 工作人員首先通過(guò)螺栓連接將稱(chēng)重傳感器與夾具左右 L板連接到一起，通過(guò)氣缸對夾具進(jìn)行夾緊固定，然后通過(guò)XY坐標移動(dòng)裝置首先將砝碼移動(dòng)加載機構移動(dòng)到托盤(pán)的中間上方，到達托盤(pán)中間上方時(shí)在氣缸的推動(dòng)下砝碼緩慢的加載到托盤(pán)上。 當整個(gè)砝碼加載過(guò)程趨于穩定后，數據采集系統開(kāi)始工作，并將數據采集存儲到計算機中完成一次標定過(guò)程，再重復上述步驟完成對托盤(pán)四個(gè)角標定。 稱(chēng)重傳感器誤差標定裝置整體結構組成如圖1所示。

2.傳感器新型夾具組成及工作原理

2．1  傳統傳感器夾具組成及工作原理

傳統稱(chēng)重傳感器標定裝置傳感器夾緊夾具機構總

體結構如圖2所示。 左右 L板1、3與稱(chēng)重傳感器采用了螺栓連接，氣缸連接頭8與氣缸連接頭橫板10 通過(guò)銷(xiāo)軸9相連，可以實(shí)現旋轉運動(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豎直方向上運動(dòng)，氣缸連接頭橫板10與夾具壓頭采用螺栓連接。

稱(chēng)重傳感器工作夾具工作原理為： 當氣缸 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動(dòng)， 從而實(shí)現對夾具進(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)裝置固定在機架上。

2．2  新型傳感器夾具組成及工作原理

為了減少傳統夾具左右 L板重量過(guò)大對稱(chēng)重傳感器誤差標定精度及效率帶來(lái)的影響，文中對左右 L板進(jìn)行了減重設計，在夾具左 L板側面打了四個(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(lèi)似的減重設計，同時(shí)為了保證左 L板的強度與剛度，在減重后的左 L 板上設計了加強筋，新型夾具三維圖及具體左右 L板結構如圖3、圖4所示。 新型傳感器夾具的工作原理與傳統傳感器相同。

3.新舊夾具有限元靜力學(xué)仿真對比

3.1有限元模型

經(jīng)過(guò)對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，密度等于7.85g/cm3，彈性模量E=(2.1*102)GPa、泊松比=0.3，結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)節點(diǎn)、96497個(gè)單元。

3．2  有限元分析結果對比

根據彈性力學(xué)理論可以得出夾具靜力學(xué)結構的總

體平衡方程為：

［k］｛x｝=｛F｝                        （1）

式中：  ［k］為結構總體剛度矩陣；  ｛x｝為位移矢量；｛F｝為力矢量。

本文利用有限元分析方法對夾具裝置進(jìn)行強度、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(pán)裝置1000N的集中力，在對有限元模型進(jìn)行邊界條件設置時(shí)，結合實(shí)際情況對夾具裝置大底板采用固定約束，載荷具體施加結果如圖6所示，經(jīng)過(guò)有限元分析具體分析對比結果云圖如圖7 所示。

圖7經(jīng)過(guò)分析可知，傳統傳感器夾具的最大變形發(fā)生在右 L板，最大變形為 0．10469mm；最大應力發(fā)生在左 L板根部，最大應力為44. 431MPa。 新型夾具裝置最大變形、最大應力主要發(fā)生在氣缸與氣缸連接頭橫板處，最大變形為 0．6957 mm，最大應力為38. 221 MPa。 新型夾具滿(mǎn)足材料強度、剛度條件，與傳統夾具裝置相比較，新型夾具裝置的應力大大減小而且質(zhì)量更輕，夾具質(zhì)量由傳統的58．757 kg減小到55．215 kg 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構的設計，使得傳感器標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

在設計新型夾具左 L板的構型時(shí)，根據稱(chēng)重傳感器的幾何尺寸參數要求，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 a=26mm， b=54mm時(shí)，最大應力應變隨著(zhù) d 的變化規律如圖9所示。

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

當 a=26mm，d=21mm時(shí)最大應力應變隨著(zhù) b的變化規律如圖10所示。

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，對新型夾具進(jìn)行結構動(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)檢驗新型夾具的結構設計能否克服共振、疲勞，等受迫振動(dòng)引起的有害效果。

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

．．            ．

［M］｛x｝+［C］｛x｝+［k］｛x｝=［F］          （2）

式中：  ［M］—質(zhì)量矩陣；  ［C］—阻尼矩陣；  ［K］—剛

··   ·

度矩陣；  ｛x｝｛x｝｛x｝—加速度矢量、速度矢量以及位移矢量；  ［F］為力矢量。本文研究的是無(wú)阻尼下的固有模態(tài)分析，因此式 （2）可簡(jiǎn)化為：

析。

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。 通過(guò)模態(tài)試驗來(lái)驗證有限元分析結果的準確性。 實(shí)驗設備采用 PCB力錘，實(shí)驗數據的采集選用 PXI-4462 數據采集卡，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)試驗現場(chǎng)如圖13所示。 使用最小二乘復頻域法計算固有頻率和振型，采用頻響函數綜合法， 結合模態(tài)置信準則，對模態(tài)分析結果的精準度做出判斷 。通過(guò)對模態(tài)試驗數據進(jìn)行、對比發(fā)現，有限元分析結果與模態(tài)實(shí)驗頻率比較接近， 表明夾具裝置有限元模型可以作為靜態(tài)分析和優(yōu)化設計的模型。 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)分析結果如表1所示。

通過(guò)對稱(chēng)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階振型主要表現為氣缸、氣缸連接頭橫板的彎曲振動(dòng)和扭轉振動(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。

從圖14中通過(guò)對4、6階模態(tài)振型云圖分析對比，

可以看出當振動(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)際工作中應避免傳感器標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其1457．4N的推力，根據實(shí)際夾具工作情況，設置好夾具有限元模型的約束和邊界條件，經(jīng)過(guò)有限元分析計算，得到了夾具壓頭壓緊瞬間時(shí)夾具的應力云圖如圖15所示。

從圖 15 可以看出在壓頭壓緊夾具的過(guò)程中，夾具受到的最大應力發(fā)生在左 L板根部應為192．9MPa，夾具壓頭與左L板接觸的瞬間最大應力發(fā)生在兩者接觸部位，最大應力為60．788 MPa。 通過(guò)云圖可以看出最大應力小于材料的屈服強度，表示夾具裝置滿(mǎn)足設計要求。

6.結論

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

（1）新型稱(chēng)重傳感器夾具裝置的設計，解決了目前傳統夾具重量偏大、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)、扭轉時(shí)，氣缸與四根支撐柱變形量較大，該結果可為稱(chēng)重傳感器安全使用提供一定的依據。

（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。

上述結論可為稱(chēng)重傳感器夾具裝置的優(yōu)化設計、以及其他傳感器夾具裝置的設計提供一定的理論參考。