基于数值模拟的冶金自动化传感器弹性机构优化

    引言

    对于多维的力和力矩的测量，传统的单向力传感器显然是难以办到的，为了解决这一难题出现了多维力传感器，并且被广泛的应用到了许多领域。在本文当中设计了一种基于应变的六维力传感器。这种传感器的主要原理是将电阻应变敏感元件安装于弹性元件上。这种力传感器具有测试灵敏、大刚度以及较好的线性等特点。在下面的图1中使出了这种传感器的弹性体的结构简图。从图中可以看到这种传感器在传感器其身上开有两层大小和形状都相同的孔型，并且各个孔型之间呈45度的角度错开布置，整体结构是薄壁圆筒。图中所示的A、B区是处于孔与孔之间的薄壁，而C区是处于孔层与孔层之间的环形薄壁结构。在孔间薄壁上布置有4个薄片分别用来测量侧向分力以及轴向扭矩，而环形薄壁结构区具有8个敏感部位，主要用来测量轴向力以及两侧向的弯矩。一般来说，任意组合结构尺寸会造成计算量太大，影响传感器的动、静态性能。为了对结构进行优化，减少计算量，在本文中采用正交试验的方法进行优化。

图1 传感器弹性体的结构简图

    一、试验计划

    1.1试验准则。在一般的试验中发现，对于传感器的设计，如若增加了灵敏性那么就会使得传感器的固有频率降低，而且降低的幅度还很大。为了使二者能够达到一个很好的优化，兼顾到两个方面，那么对于系统来说具有重要意义。为此，本文综合考虑后，增加固有频率与领面度两者的乘积这一指标，即W=S×K。S-领敏度；K-固有频率。除此之外还要考虑到结构参数作为因素，例如圆环高度、弹性体基于数值模拟的冶金自动化传感器弹性机构优化薄壁厚度以及孔间薄壁厚度等。

    1.2水平确定。依据传感器的原尺寸作为传感器弹性体的基本结构尺寸进行设计，然后在这些原尺寸的基础上进行上下的变动。每个因素以此为基础，上下浮动的范围不要超过基本尺寸的10%。根据实际的要求，从而获得了如下的正交试验的水平表。

表1 弹性体正交试验水平表

    1.3正交试验表。从表1中可以看到在这个实验中，具有四个影响因素以及四个水平，因此可以采用下面表2的方式对实验结果进行表示。

表2 正交表与分析计算结果

    在表2中所示的A、B、C、D下面所对应的每一列代表1个元素，而数字1、2、3、4代表表1中的水平，详细情况可以参考表1，每一行代表进行1次试验，需要进行16次试验。在表2中对应的元素下各个水平都会出现4次，这样就使得情况考虑的比较全面，而且都是任意搭配的。由于这种搭配均匀、水平均匀性使得这16次试验具有代表性，能够全面的反映真实情况，反映各个因素各水平对指标的影响情况。