王軍利， 馮博琳， 賀洋洋， 熊 超， 張昌明， 黃崇麗

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置機(jī)架的輕量化設(shè)計(jì)

王軍利， 馮博琳， 賀洋洋， 熊 超， 張昌明， 黃崇麗

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

為了解決稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置機(jī)架質(zhì)量過重、搬運(yùn)困難等問題，通過三維建模軟件ProE對機(jī)架進(jìn)行參數(shù)化建模，利用有限元分析技術(shù)對稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置機(jī)架進(jìn)行有限元分析。以機(jī)架質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用響應(yīng)面法對機(jī)架立柱、導(dǎo)桿直徑、空心圓鋼管壁厚進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真優(yōu)化。經(jīng)對機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，機(jī)架質(zhì)量降幅達(dá)24.6%。

稱重傳感器； 蠕變誤差； 輕量化設(shè)計(jì)； 有限元分析

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳感器技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)非常廣泛，傳感器檢測設(shè)備的開發(fā)研制已成為傳感器測量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。為了獲得稱重傳感器穩(wěn)定、可靠、高精度的信息，就要對其進(jìn)行有效的誤差標(biāo)定與補(bǔ)償[1]。目前，國內(nèi)正在使用的傳統(tǒng)稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置檢測過程中存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、測量誤差大等不足[2-5]。

本文在保證機(jī)架材料不發(fā)生強(qiáng)度破壞的條件下，采用響應(yīng)面法對稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析機(jī)架立柱、導(dǎo)桿直徑、空心圓鋼管壁厚對機(jī)架質(zhì)量、應(yīng)力或者變形的影響，通過繪制質(zhì)量、應(yīng)力、變形與優(yōu)化參數(shù)響應(yīng)云圖的方法對其進(jìn)行描述，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段能夠考慮這些參數(shù)對機(jī)架力學(xué)性能的影響而對其進(jìn)行有效控制，從而使機(jī)架質(zhì)量減輕，進(jìn)而減弱工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率。

1 檢測裝置工作原理

1.機(jī)架；2.稱重傳感器；3.脫離機(jī)構(gòu)；4.氣缸；5.多用壓頭；6.傳感器定位裝置；7.砝碼組；8.調(diào)平裝置圖1 稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置模型

稱重傳感器誤差檢測原理具體如下：在對稱重傳感器進(jìn)行蠕變誤差檢測時(shí)，首先在載荷施加部位將稱重傳感器固定好，然后通過氣缸控制砝碼使其勻速向下移動(dòng)，一但砝碼加載到稱重傳感器上，傳感器上的彈性體將受到砝碼力的作用產(chǎn)生變形，從而粘結(jié)在彈性體上的應(yīng)變片也發(fā)生變形，由于應(yīng)變片形狀發(fā)生了改變使得其電阻值發(fā)生變化，從而將力信號轉(zhuǎn)換為電信號，最后通過放大電路對信號進(jìn)行處理，然后對采集來的數(shù)據(jù)分析處理判斷數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確合格。稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置如圖1所示。

2 機(jī)架靜力學(xué)有限元分析

機(jī)架是稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置的關(guān)鍵部件，需要從多方面考慮其設(shè)計(jì)的合理性，機(jī)架的材料選用結(jié)構(gòu)鋼，采用焊接連接方式，整體結(jié)構(gòu)采用螺栓連接[6-9]。首先將在ProE中建立的機(jī)架模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，以靜力學(xué)分析技術(shù)為基礎(chǔ)，對機(jī)架三維實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析。

在導(dǎo)入幾何模型后進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)置，在ANSYS Workbench中自帶材料庫，在材料庫中選擇常用的材料結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量、泊松比選擇默認(rèn)值即可，密度取7850 kg/m3。材料屬性定義完成之后，對導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這是非常關(guān)鍵的一步，對分析結(jié)果的精確性有密切關(guān)系。對于模型的網(wǎng)格劃分要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行，滿足要求即可。在ANSYS Workbench中自帶多種網(wǎng)格劃分形式，機(jī)架由于結(jié)構(gòu)簡單，采用自由網(wǎng)格劃分方法即可，具體劃分結(jié)果如圖2所示。網(wǎng)格劃分完成后在Static Structural中添加Force和Fixed Support，可以對機(jī)架進(jìn)行約束條件和受力情況的設(shè)定。其中Force(力)添加區(qū)域如圖3所示的圓形區(qū)域，大小為1000 N，F(xiàn)ixed Support添加位置為機(jī)架4個(gè)調(diào)平裝置的下底面。在設(shè)置好加載和約束的邊界條件后，ANSYS Workbench會(huì)根據(jù)設(shè)置要求自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算求解，在1000 N載荷作用下機(jī)架總變形云圖和應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖2 機(jī)架有限元模型圖 圖3 機(jī)架承受的最大載荷

(a) 機(jī)架變形云圖 (b) 機(jī)架應(yīng)力云圖圖4 機(jī)架變形云圖和應(yīng)力云圖

由圖4可以看出支架最大變形為0.83 mm，發(fā)生在支架與氣缸的連接處；最大應(yīng)力為15.513 MPa，發(fā)生在支架與氣缸連接的位置。

3 機(jī)架輕量化設(shè)計(jì)

為了使機(jī)架更輕便靈活，有必要對機(jī)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在保證機(jī)架結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求的前提下，減輕機(jī)架的質(zhì)量，從而使其移動(dòng)更方便靈活，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

機(jī)架材料擬用圓形鋼管和空心圓形鋼管(裝置立柱由于需要受力所以采用實(shí)心鋼管，機(jī)架橫梁不承受重力，只是起到穩(wěn)定機(jī)架作用，所以采用空心圓形鋼管)，其優(yōu)點(diǎn)為：耗材少、價(jià)格便宜、強(qiáng)度剛度都能夠符合實(shí)際工作狀況的要求。因此，優(yōu)化參數(shù)選擇立柱的直徑、導(dǎo)桿的直徑以及空心圓鋼管壁厚。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以機(jī)架質(zhì)量最小為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，在保證機(jī)架力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)機(jī)架質(zhì)量的最小化，機(jī)架的質(zhì)量用數(shù)學(xué)函數(shù)G(x)表示，該目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)描述為minG(x)。

3.2 優(yōu)化約束條件

在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，機(jī)架的力學(xué)性能必須要滿足材料強(qiáng)度要求。由于該機(jī)架由結(jié)構(gòu)鋼制造，機(jī)架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力不應(yīng)該超過材料的屈服極限[σs]，因此將機(jī)架最大應(yīng)力不應(yīng)該超過材料的屈服極限作為一個(gè)約束條件。

從稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置機(jī)架輕量化設(shè)計(jì)的實(shí)際性考慮，根據(jù)檢測裝置實(shí)際裝配制造要求，給定立柱直徑范圍為24 mm≤DS_R≤30 mm，導(dǎo)桿直徑范圍為24 mm≤DS_R2≤30 mm，空心圓鋼管壁厚厚度范圍為2 mm≤DS_T≤2.5 mm。因此，將立柱、導(dǎo)桿、空心圓鋼管壁厚尺寸應(yīng)在給定尺寸范圍內(nèi)作為一個(gè)約束條件。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化分析結(jié)果

本文選用ANSYS Workbench中的響應(yīng)面優(yōu)化方法，在分析之前根據(jù)約束條件及目標(biāo)函數(shù)設(shè)定好具體參數(shù)；最后選擇優(yōu)化數(shù)目，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文選擇100組設(shè)計(jì)參數(shù)作為樣本進(jìn)行分析。全部設(shè)置完成后，計(jì)算機(jī)開始對機(jī)架模型進(jìn)行優(yōu)化，得出關(guān)系變化如圖5—圖8所示。

從圖5我們可以看出隨著空心圓鋼管壁厚厚度以及立柱、導(dǎo)桿直徑的增大，機(jī)架的質(zhì)量也在增大，因此適當(dāng)減小空心圓鋼管壁厚厚度或者減小立柱、導(dǎo)桿直徑都可以使得機(jī)架的質(zhì)量減小。從圖6、圖7我們可以看出，機(jī)架的最大變形、最大應(yīng)力隨著空心圓鋼管壁厚厚度、立柱、導(dǎo)桿直徑的增加而減?。豢招膱A鋼管壁厚對機(jī)架最大變形、最大應(yīng)力的影響程度要高于立柱、導(dǎo)桿。從圖8我們可以看出各個(gè)輸入?yún)?shù)輸出參數(shù)的影響程度，第一欄可以看出各個(gè)參數(shù)的靈敏度值都是正值，說明隨著上述參數(shù)的增大，機(jī)架質(zhì)量也在增大；第二、三欄可以看出各個(gè)參數(shù)的靈敏度值都是負(fù)值，說明隨著各個(gè)參數(shù)的增大，機(jī)架的變形、應(yīng)力在減小。圖8為我們對機(jī)架的優(yōu)化研究指明了方向。通過優(yōu)化分析：當(dāng)立柱直徑為24.408 mm(圓整為24 mm)、導(dǎo)桿直徑為19 mm、空心圓形鋼管壁厚為2 mm時(shí)為最優(yōu)解，優(yōu)化后的機(jī)架總變形云圖和應(yīng)力云圖如圖9所示。優(yōu)化后的數(shù)據(jù)和原始結(jié)構(gòu)參數(shù)對最大應(yīng)力變形及質(zhì)量的變化對比如表1所示。

圖5 質(zhì)量與壁厚、立柱直徑的響應(yīng)云圖 圖6 機(jī)架最大變形與壁厚、立柱直徑的響應(yīng)云圖

圖7 機(jī)架最大應(yīng)力與壁厚、立柱直徑的響應(yīng)云圖 圖8 輸出參數(shù)對輸入?yún)?shù)靈敏度的變化關(guān)系

(a) 機(jī)架變形云圖 (b) 機(jī)架應(yīng)力云圖圖9 優(yōu)化后機(jī)架變形云圖和應(yīng)力云圖

空心圓形鋼管壁厚/mm立柱直徑/mm導(dǎo)桿直徑/mm最大應(yīng)力/MPa最大變形/mm機(jī)架質(zhì)量/kg優(yōu)化前2.5303015.5130.08375.327優(yōu)化后224.408(圓整為24)1917.0420.09656.798優(yōu)化效果---增加9.8%增加15.67%減小24.6%

由表1我們可以看出，優(yōu)化后的機(jī)架應(yīng)力、變形有所增加，但仍然滿足材料強(qiáng)度要求。優(yōu)化后的機(jī)架質(zhì)量由75.327 kg減小到56.798 kg，質(zhì)量減小了24.6%。

4 結(jié) 論

針對稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：

(1)對稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置機(jī)架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)架最大應(yīng)力、最大變形發(fā)生在機(jī)架上端與氣缸砝碼連接的部位；

(2)對稱重傳感器蠕變誤差檢測裝置機(jī)架進(jìn)行尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，以最小質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，以立柱、導(dǎo)桿直徑、空心圓鋼管厚度為設(shè)計(jì)變量，在保證機(jī)架材料不發(fā)生強(qiáng)度破壞的條件下，實(shí)現(xiàn)機(jī)架質(zhì)量的最小化，通過有限元分析計(jì)算得到了輸出參數(shù)對輸入?yún)?shù)的靈敏圖，為機(jī)架的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)指明了方向；

(3)對影響機(jī)架質(zhì)量的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，優(yōu)化后機(jī)架的質(zhì)量減少了24.6%，達(dá)到了減輕質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)目的，對其他裝置機(jī)架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)以及借鑒意義。

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[責(zé)任編輯：謝 平]

Lightweight design to frame of the creep error detection device of load cells

WANG Jun-li, FENG Bo-lin, HE Yang-yang, XIONG Chao, ZHANG Chang-ming, HUANG Chong-li

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

To cope with such ubiquitous problems as heavy weight of its rack and carrying difficulty of creep error detection device of weighing sensor, finite element analysis technology is used to study the frame by modeling through ProE software at first. Taking the minimum frame quality as the optimization target, the response surface method has been used to optimize the wall thickness of the frame column and to guide rod diameter and hollow round steel tube. After optimizing the size of the rack structure, the rack quality has decreased by 24.6%.

weighing sensor; greep error; lightweight design; finite element analysis

2096-3998(2017)04-0012-05

2016-10-11

2017-01-07

陜西省科技廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016JM1030)；陜西理工學(xué)院人才啟動(dòng)項(xiàng)目(SLGQD13(2)-21)

王軍利(1977—)，男，陜西省寶雞市人，陜西理工大學(xué)講師，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)及氣動(dòng)彈性；馮博琳(1992—)，男，陜西省富平縣人，陜西理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。

TH123+.2

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