轴用压电式六维大力值测力仪分载研究

　　1　引　　言

　　巨型重载操作装备是制造产业链中的基础装备,对其进行六维力测量及实时力反馈是实现多装备协调操作控制、力顺应控制的基础[1-4]。由于传统的应变式传感器无法满足动态的大力值测量[5-9],所以通常采用压电式六维大力值测力仪,然而对100 kN至100MN量级的六维力,压电石英传感器采用直接测量法无法实现,需通过测量与被测大力存在恒定比例关系的分载力来间接测量,即大力分载测量的机理[10]。常用的方法有机械分载或质量分载[11],但没有明确的分载理论公式,进行大力值测力仪设计时只能依据经验和辅助实验的方法,由此带来大量的重复性工作,耗费人力和物力,测力仪也没有进行尺寸优化,显得很笨重,占用空间大。石英晶组作为压电石英传感器的力敏元件,其允许承受的载荷为定值,分载过小或过大将导致石英晶组失效或灵敏度降低。因此,对分载及分载比公式进行详细的理论分析是轴用压电式六维大力值测力仪设计中必须解决的关键问题。

        本文通过对测力仪的各向分载原理分析,推导出了各向分载比公式,利用ANSYS软件进行仿真分析,对轴向理论分载比公式进行了修正,通过实验对各向分载比公式进行了验证。

　　2　轴向分载原理及其分载比

　　2.1　轴向分载原理

　　轴用压电式六维大力值测力仪是通过在空间测力平面布置4个三向力传感器(简称传感器)实现六维力测量的。传感器本体由上盖、下体、4个传感器组成,利用上夹具、下夹具固定在被测轴上,所有连接部分均用螺钉连接,且传感器本体与轴不接触。当轴端加载一个六维力时, 4个传感器上分别不同程度的感受到3个方向的力分量,3个力矩则是通过4个传感器感受到的12个力分量进行一定的耦合并乘以力臂求得,即间接得出[12-13]。所以进行分载研究时,只需考虑3个力的分载, 3个力矩的分载可通过3个力的分载间接求出,并规定测力仪某方向的分载比等于4个传感器在该方向所受力的总和与被测轴在该方向所受力之比。

　　测量过程中,设定所有的接触面变形始终满足位移边界条件,则整体结构变形是连续的,满足应变协调方程。如图1为轴用压电式六维大力值测力仪结构示意图,Z方向为轴向,X方向为横向。由上、下夹具及传感器本体串联组成的测力仪与被测轴在轴向可视为机械并联结构,同样, 4个传感器与下体内环(简称内环)、下体外环(简称外环)在轴向也可视为机械并联结构,据相并联结构在轴向满足并联区域变形一致的协调方程,力在垂直于轴向的各个截面将按照各个构件的轴向刚度进行力的分配,轴端所受的轴向力FZ绝大部分由轴、上下夹具、内外环等分担,4个传感器上分担的轴向力只是轴端轴向力的很小部分,即为轴向分载原理。