為了解決某型地磅稱重傳感器標(biāo)定裝置夾具質(zhì)量過重等問題， 以傳統(tǒng)稱重傳感器標(biāo)定裝置夾具為研究對象，文通過對傳統(tǒng)夾具左右 L板進(jìn)行輕量化減重，設(shè)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(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度，新型夾具應(yīng)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(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(xué)分析獲得了夾具受到夾具壓頭壓緊瞬間時的應(yīng)力分布情況。 以上研究可為其他傳感器夾具的設(shè)計提供一定的理論參考。

0 .引言

隨著科技的進(jìn)步，稱重傳感器在測量、控制等領(lǐng)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(yán)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(jìn)行標(biāo)定，在機械制造行業(yè)中，稱重傳感器檢測設(shè)備制造與設(shè)計已經(jīng)成為機械設(shè)計領(lǐng)域的一大熱點，如學(xué)者張博對稱重傳感器精確標(biāo)定方法進(jìn)行了研究，學(xué)者張昌明等對稱重傳感器標(biāo)定裝置托盤進(jìn)行了參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計以及對稱重傳感器標(biāo)定裝置機架進(jìn)行了動態(tài)特性研究，學(xué)者戴俊平等對稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置托盤提升裝置進(jìn)行了設(shè)計與研究，國外學(xué)者ＲATNAM M M等對托盤進(jìn)行了有限元仿真分析。

國內(nèi)外 目 前對稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置的研究主要采用理論分析及試驗研究的方法，但其試驗成本高昂，在當(dāng)今對稱重傳感器制造成本要求越來越嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那闆r下，運用有限元分析技術(shù)來對稱重傳感器標(biāo)定裝置進(jìn)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(biāo)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(guān)系到稱重傳感器誤差標(biāo)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(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)的基礎(chǔ)上，對其組成構(gòu)件進(jìn)行了輕量化設(shè)計，通過減輕重量來使其更容易裝配，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板上增加了兩個肋板，從而達(dá)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(xué)性能進(jìn)行仿真分析對比，結(jié)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(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，通過對新型稱重傳感器夾具進(jìn)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(jié)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(yīng)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(shè)計提供一定的設(shè)計參考。

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(jìn)行夾緊固定，然后通過XY坐標(biāo)移動裝置首先將砝碼移動加載機構(gòu)移動到托盤的中間上方，到達(dá)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(dāng)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(biāo)定過程，再重復(fù)上述步驟完成對托盤四個角標(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，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(dāng)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(jìn)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(biāo)定精度及效率帶來的影響，文中對左右 L板進(jìn)行了減重設(shè)計，在夾具左 L板側(cè)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(jìn)行了類似的減重設(shè)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(shè)計了加強筋，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。

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(jié)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(jié)果對比

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夾具裝置進(jìn)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(dāng)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(jìn)行邊界條件設(shè)置時，結(jié)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(jié)果如圖6所示，經(jīng)過有限元分析具體分析對比結(jié)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(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 0．6957 mm，最大應(yīng)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(yīng)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(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，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。

3．3  新型夾具左 L板尺寸優(yōu)化

在設(shè)計新型夾具左 L板的構(gòu)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(dāng) a=26mm， b=54mm時，最大應(yīng)力應(yīng)變隨著 d 的變化規(guī)律如圖9所示。

從圖9可以看出，當(dāng)其他參數(shù)確定時，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)力和變形對左 L板應(yīng)力和變形的影響，可以看出d= 21mm時應(yīng)力最小，且應(yīng)力在材料許用范圍內(nèi)。

當(dāng) a=26mm，d=21mm時最大應(yīng)力應(yīng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)理論可以得出新型夾具的動力學(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(jié)果的準(zhǔn)確性。 實驗設(shè)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(fù)頻域法計算固有頻率和振型，采用頻響函數(shù)綜合法， 結(jié)合模態(tài)置信準(zhǔn)則，對模態(tài)分析結(jié)果的精準(zhǔn)度做出判斷 。通過對模態(tài)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行、對比發(fā)現(xiàn)，有限元分析結(jié)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(shè)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(jié)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(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(dāng)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(yīng)避免傳感器標(biāo)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(jìn)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(shè)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(yīng)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(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。 通過云圖可以看出最大應(yīng)力小于材料的屈服強度，表示夾具裝置滿足設(shè)計要求。

6.結(jié)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(jìn)行了減重設(shè)計， 同時為了保證能很好的夾緊夾具，在左 L板側(cè)邊增加了兩個肋板。采用有限元分析技術(shù)，對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，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(jié)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(xué)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(jié)論可為稱重傳感器夾具裝置的優(yōu)化設(shè)計、以及其他傳感器夾具裝置的設(shè)計提供一定的理論參考。