新型
地磅稱重傳感器氣缸砝碼組件設(shè)計(jì)要求
針對(duì)傳統(tǒng)稱重傳感器標(biāo)定裝置的氣缸砝碼組件存在重量偏重裝配困難較大等問題，對(duì)傳統(tǒng)氣缸砝碼組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型氣缸砝碼裝置對(duì)新型氣缸砝碼裝置的特性進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果表明:新型裝置相比于傳統(tǒng)裝置質(zhì)量減小了14.9%，具有質(zhì)量輕應(yīng)力應(yīng)變小等優(yōu)點(diǎn)通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn):第6階模態(tài)振型會(huì)對(duì)支撐板產(chǎn)生振動(dòng)變形，從而使得支撐板所受的載荷增加。此研究可為氣缸砝碼組件設(shè)計(jì)提供一定理論參考。
科學(xué)技術(shù)日新月異的進(jìn)步使得傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，如在測(cè)量控制以及信息等領(lǐng)域傳感器的應(yīng)用越來越廣，傳感器種類的發(fā)展越來越多傳感器可靠性的高低對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響，因此，提高傳感器工作可靠性對(duì)稱重傳感器進(jìn)行標(biāo)定的重要性不言而喻。從目前來看國內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)稱重傳感器托盤進(jìn)行理論分析及試驗(yàn)研究。國外的學(xué)者對(duì)托盤的靜態(tài)變形進(jìn)行了研究分析。國內(nèi)如王艷菊等利用ANSYS有限元分析軟件分析了稱重傳感器標(biāo)定裝置托盤的彎曲特性,并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;桑軍等利用有限元分析COSMOSWorks軟件,優(yōu)化設(shè)計(jì)了整裝整卸托盤縱梁裝置的特性。
本文通過對(duì)傳統(tǒng)氣缸砝碼進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),同時(shí)為了提高氣缸砝碼加載裝置的剛度和強(qiáng)度,在新型裝置的支撐板上增加了兩個(gè)支撐柱,設(shè)計(jì)出一種新型氣缸砝碼裝置用來解決目前氣缸砝碼裝置重量過重、不方便裝配等問題。通過有限元分析軟件對(duì)新型裝置進(jìn)行了仿真分析,仿真結(jié)果表明新型氣缸砝碼裝置具有應(yīng)力應(yīng)變小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。
1.地磅稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置工作原理
在測(cè)試前,首先將地磅稱重傳感器固定到傳感器底座上,然后將砝碼放置到托盤的正中央上方。砝碼放置好以后，按啟動(dòng)按鈕，使氣缸驅(qū)動(dòng)砝碼組對(duì)稱重傳感器進(jìn)行加載，加載卸載完成后，完成一次標(biāo)定過程。一次標(biāo)定過程完成后利用計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理形成傳感器誤差檢測(cè)測(cè)試報(bào)表，由打印機(jī)打印輸出，測(cè)試數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，為后期稱重傳感器產(chǎn)品打印合格證書和質(zhì)量追蹤提供方便然后，再對(duì)托盤左上角左下角右上角右下角4角進(jìn)行標(biāo)定，地磅稱重傳感器誤差標(biāo)定裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.氣缸砝碼組件模型及其慣性力計(jì)算
2.1氣缸砝碼組件模型
傳統(tǒng)稱重傳感器標(biāo)定裝置的氣缸砝碼裝置主要由氣缸法蘭盤支撐板砝碼桿砝碼等組成。主要零件尺寸為:砝碼的直徑為 300mm,厚80mm;砝碼桿的長(zhǎng)度為554.5mm;法蘭盤厚度為 20mm；長(zhǎng)寬都是240mm;支撐板的厚度為30mm;傳統(tǒng)稱重傳感器標(biāo)定裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，支撐板與X Y方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用螺栓連接。新型氣缸砝碼裝置三維圖如圖2（b)所示。與傳撐板采用了鏤空設(shè)計(jì)，大大降低了氣缸砝碼裝置的重量。新型支撐板設(shè)計(jì)材料采用鋁合金，與傳統(tǒng)支撐板采用結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計(jì)相比又進(jìn)一步降低了氣缸砝碼裝置的重量，而且剛度強(qiáng)度更好，支撐板三維模型圖如圖3所示。
2.2氣缸砝碼組件慣性力計(jì)算
實(shí)際稱重傳感器標(biāo)定裝置工作情況Y坐標(biāo)方向上氣缸砝碼裝置移動(dòng)距離L=300mm;往返周期單項(xiàng)為T=3s,移動(dòng)部件重量為m=234kg,機(jī)械傳遞效率為90%,步進(jìn)伺服電機(jī)的加速時(shí)間t=0.1s,因此電機(jī)加速與減速時(shí)間總共為t1=0.2s,電機(jī)勻速運(yùn)行時(shí)間t2=1.3s，根據(jù)氣缸砝碼裝置移動(dòng)距離，可得出如下方程:
3.有限元靜力學(xué)分析
3.1有限元模型
新型稱重傳感器標(biāo)定裝置氣缸砝碼裝置有限元模型如圖4所示。支撐板材料采用鋁合金，密度2.7g/立方米，彈性模量E=71.7GPA,泊松比U=0.33.其他零件材料采用Q235方鋼，密度7.85g/c立方米，彈性模量E=200GPa,泊松比u=0.3.材料屬性定義完成之后，對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的選擇及劃分的疏密對(duì)分析結(jié)果的精確性有著重要的影響，由于氣缸砝碼組件較平整，尖角和凹凸面較少，文中采用了自由網(wǎng)格劃分方法對(duì)氣缸砝碼裝置有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.本文對(duì)氣缸砝碼組件進(jìn)行靜力學(xué)分析，砝碼與砝碼桿之間的接觸采用綁定方式，經(jīng)過有限元網(wǎng)格劃分共有151 812個(gè)節(jié)點(diǎn)、78 746個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元。
3.2有限元分析結(jié)果對(duì)比
根據(jù)氣缸砝碼組件工作的實(shí)際工況，在對(duì)稱重傳感器標(biāo)定裝置進(jìn)行傳感器誤差標(biāo)定時(shí)，氣缸砝碼組件支撐板與X、Y方向運(yùn)動(dòng)裝置采用螺栓連接在一起，所以將氣缸砝碼組件有限元模型支撐板采用Fixed Support固定約束，而氣缸砝碼組件自身重量不可忽略，因此將氣缸砝碼組件有限元模型整體施加標(biāo)準(zhǔn)地球重力.由于氣缸砝碼組件在X、Y方向方向移動(dòng)是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌帶動(dòng)氣缸砝碼來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)在運(yùn)行過程中存在著加速與減速，因此在加載過程中在 方向還存在著慣性力，所以將氣缸砝碼組件有限元模型整體在X方向施加2.14m/s2的加速度,載荷具體施加情況如圖5所示.
4.模態(tài)分析
固有模態(tài)振型頻率以及阻尼比是每一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)不可缺少的固有特征，因此，研究氣缸砝碼裝置的固有頻率以及振型也是必要的［］模態(tài)分析技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域如在汽車領(lǐng)域人們研究如何提高車輛乘坐舒適性，在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域研究如何降低各種噪聲對(duì)環(huán)境的污染
當(dāng)今對(duì)產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)分析采用模態(tài)分析已經(jīng)成為了一種重要手段［］它可以對(duì)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)以及優(yōu)化設(shè)計(jì).在實(shí)際工程當(dāng)中，一般低階振型決定結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性.
本文對(duì)氣缸砝碼裝置的前階模態(tài)進(jìn)行分析，得出預(yù)應(yīng)力模態(tài)下氣缸砝碼組件前階固有頻率及對(duì)應(yīng)振型，如表1所示。
通過對(duì)比氣缸砝碼組件的各階位移云圖，發(fā)現(xiàn)在氣缸砝碼組件的前6階模態(tài)振型中第6階模態(tài)振型會(huì)對(duì)支撐板產(chǎn)生振動(dòng)變形，從而使得支撐板所受的載荷增加，增加了稱重傳感器氣缸砝碼裝置的變形，減小了其剛度與強(qiáng)度，從而進(jìn)一步影響傳感器的精度.其應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示。模態(tài)分析中振動(dòng)的幅值是一個(gè)相對(duì)量，其大小不能反映實(shí)際稱重傳感器標(biāo)定裝置在標(biāo)定傳感器過程中氣缸砝碼裝置所受到的真實(shí)幅值情況。
從圖7中可以看出，在第6階模態(tài)，氣缸砝碼裝置的最大變形量發(fā)生在支撐板上。因此，在氣缸砝碼設(shè)計(jì)過程中，要著重考慮支撐板的剛度與強(qiáng)度，該研究結(jié)果可為以后氣缸砝碼裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。
5.結(jié)論
（1）新型地磅稱重傳感器標(biāo)定裝置氣缸砝碼裝置支撐板采用中空設(shè)計(jì)，創(chuàng)新使用兩根鏤空支撐柱，使得氣缸砝碼組件的質(zhì)量大幅度降低。分析得出在工作狀態(tài)下氣缸砝碼裝置變形量減小了46.47%，應(yīng)力減小了78.82%，從而證明了新型裝置具有質(zhì)量輕強(qiáng)度剛度高的特點(diǎn)。
（2）通過對(duì)氣缸砝碼裝置進(jìn)行模態(tài)分析獲得了氣缸砝碼裝置在工作中的共振頻率。為氣缸砝碼裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論參考，避免氣缸砝碼裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的盲目性，提高設(shè)計(jì)效率。
