為了解決某型地磅稱重傳感器標定裝置夾具質(zhì)量過重等問題， 以傳統(tǒng)稱重傳感器標定裝置夾具為研究對象，文通過對傳統(tǒng)夾具左右 L板進行輕量化減重，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(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%。 對新型夾具進行模態(tài)試驗以及仿真分析發(fā)現(xiàn)第4、6 階模態(tài)振型對氣缸與支撐柱連接部位影響較大; 通過瞬態(tài)動力學分析獲得了夾具受到夾具壓頭壓緊瞬間時的應力分布情況。 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

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

國內(nèi)外 目 前對稱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，在當今對稱重傳感器制造成本要求越來越嚴謹?shù)那闆r下，運用有限元分析技術來對稱重傳感器標定裝置進行研究變得越來越重要，稱重傳感器夾具作為稱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程中對稱重傳感器的振動傳到機架上 ，其受力的大小關系到稱重傳感器誤差標定的效率。

傳統(tǒng)稱重傳感器夾具由于重量偏重，不方便在機架上裝配，稱重傳感器標定效率不高，為了改善傳統(tǒng)稱重傳感器的性能，在傳統(tǒng)夾具的基礎上，并參考文獻的基礎上，對其組成構件進行了輕量化設計，通過減輕重量來使其更容易裝配，進而提高傳感器標定效率，新型夾具在輕量化后的左 L板上增加了兩個肋板，從而達到了減輕夾具重量而使其保持其強度、剛度滿足使用的要求。

本文采用有限元分析方法對新、 舊型夾具力學性能進行仿真分析對比，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，并且對新型稱重傳感器夾具的幾何參數(shù)與夾具應力、變形之間的規(guī)律進行了研究，得到了新型夾具的最優(yōu)幾何尺寸，通過對新型稱重傳感器夾具進行動態(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 .稱重傳感器誤差標定裝置工作原理

稱重傳感器標定裝置基本的標定流程如下： 工作人員首先通過螺栓連接將稱重傳感器與夾具左右 L板連接到一起，通過氣缸對夾具進行夾緊固定，然后通過XY坐標移動裝置首先將砝碼移動加載機構移動到托盤的中間上方，到達托盤中間上方時在氣缸的推動下砝碼緩慢的加載到托盤上。 當整個砝碼加載過程趨于穩(wěn)定后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始工作，并將數(shù)據(jù)采集存儲到計算機中完成一次標定過程，再重復上述步驟完成對托盤四個角標定。 稱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(tǒng)傳感器夾具組成及工作原理

傳統(tǒng)稱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 通過銷軸9相連，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，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，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： 當氣缸 7 拉伸時，通過氣缸連接頭橫板 10 帶動夾具壓頭在左右限位板限制下在豎直方向上下運動， 從而實現(xiàn)對夾具進行夾緊的功能。 整個夾具裝置通過四根連接桿與大底板相連接，通過大底板6 將整個裝置固定在機架上。

2．2  新型傳感器夾具組成及工作原理

為了減少傳統(tǒng)夾具左右 L板重量過大對稱重傳感器誤差標定精度及效率帶來的影響，文中對左右 L板進行了減重設計，在夾具左 L板側面打了四個圓形減重孔，底面上打了三個矩形減重孔，右 L板也進行了類似的減重設計，同時為了保證左 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(tǒng)傳感器相同。

3.新舊夾具有限元靜力學仿真對比

3.1有限元模型

經(jīng)過對新型傳感器夾具裝置模型經(jīng)過簡化，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個節(jié)點、96497個單元。

3．2  有限元分析結果對比

根據(jù)彈性力學理論可以得出夾具靜力學結構的總

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行強度、剛度分析。 在實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，在氣缸的推動下夾具壓頭上下移動來完成這一動作。 在實際工作中右 L板上部分還要受到來自托盤裝置1000N的集中力，在對有限元模型進行邊界條件設置時，結合實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。 新型夾具滿足材料強度、剛度條件，與傳統(tǒng)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(tǒng)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。

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，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 a=26mm， b=54mm時，最大應力應變隨著 d 的變化規(guī)律如圖9所示。

從圖9可以看出，當其他參數(shù)確定時，左 L板 X、Y、Z方向的最大應力隨著 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時應力最小，且應力在材料許用范圍內(nèi)。

當 a=26mm，d=21mm時最大應力應變隨著 b的變化規(guī)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態(tài)特性，對新型夾具進行結構動力學分析的一種手段就是采用模態(tài)分析，通過模態(tài)分析可以用來檢驗新型夾具的結構設計能否克服共振、疲勞，等受迫振動引起的有害效果。

根據(jù)彈性力學理論可以得出新型夾具的動力學方程為：

．．            ．

［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。本文研究的是無阻尼下的固有模態(tài)分析，因此式 （2）可簡化為：

析。

考慮到夾具實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。 通過模態(tài)試驗來驗證有限元分析結果的準確性。 實驗設備采用 PCB力錘，實驗數(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)試驗現(xiàn)場如圖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(shù)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 。通過對模態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行、對比發(fā)現(xiàn)，有限元分析結果與模態(tài)實驗頻率比較接近， 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。

通過對稱重傳感器夾具的前6 階模態(tài)振型云圖進行分析比較，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和扭轉(zhuǎn)振動。在前6階模態(tài)振型中第4階、6階模態(tài)振型會對氣缸與氣缸連接頭橫板連接處產(chǎn)生振動變形，氣缸連接頭橫板處所受到的載荷會增加，其模態(tài)振型云圖如圖 14所示。

從圖14中通過對4、6階模態(tài)振型云圖分析對比，

可以看出當振動頻率為181． 01、525．12Hz時氣缸與氣缸連接頭橫板處會產(chǎn)生較大的變形， 因此，在實際工作中應避免傳感器標定裝置工作在這兩個頻率。

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)_擊載荷時的瞬態(tài)受力情況進行分析。 在實際傳感器夾緊過程中氣缸連接頭橫板受到氣缸對其1457．4N的推力，根據(jù)實際夾具工作情況，設置好夾具有限元模型的約束和邊界條件，經(jīng)過有限元分析計算，得到了夾具壓頭壓緊瞬間時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，表示夾具裝置滿足設計要求。

6.結論

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

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

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

（3）通過瞬態(tài)動力學分析，確定了夾具裝置在受到壓緊裝置壓緊時的動態(tài)載荷變化范圍。

上述結論可為稱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。