摘要:針對(duì)用于測(cè)試旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)工作狀態(tài)下定子轉(zhuǎn)子摩擦力/力矩的特殊要求 ,并利用有限元法對(duì)傳感器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ,設(shè)計(jì)了組合式二維傳感器 ,該傳感器的一維測(cè)量法向正壓力;另一維測(cè)量扭矩。法向力的量程為0～200 N ,準(zhǔn)確度為0.09% ;扭矩的量程為0～2N·m , 準(zhǔn)確度為0.41 %。 滿足了試驗(yàn)要求。
關(guān)鍵詞:力傳感器;扭矩;超聲電機(jī);測(cè)量;有限元法
0 引 言
超聲電機(jī)是一種基于壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的新型電機(jī)。目前,超聲電機(jī)已廣泛應(yīng)用于照相機(jī)及攝像機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng) ,在精密儀器以及航空航天領(lǐng)域也有許多應(yīng)用。 超聲電機(jī)是通過摩擦驅(qū)動(dòng)的,其定子、轉(zhuǎn)子摩擦系數(shù)和適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力對(duì)其輸出扭矩和使用壽命有直接影響,因此 ,準(zhǔn)確的扭矩和法向力 ( 預(yù)壓力 ) 的測(cè)量顯得格外重要 ,這就需要研制專用的力傳感器對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量 。
本文針對(duì)試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)了一種力傳感器 ,它可以測(cè)量最大量程為2 N·m的扭矩 , 分辨力達(dá)到0.002Nm , 同時(shí),可以測(cè)量最大量程為 200 N 的法向力 ,分辨力達(dá)到0.2N。
1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
彈性體設(shè)計(jì)是力/力矩傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 。在保證一定剛度的前提下 ,應(yīng)盡量提高彈性體的靈敏度。試驗(yàn)要求法向力和扭矩獨(dú)立測(cè)量 ,為了將維間耦合影響盡量減少,分別設(shè)計(jì)了測(cè)量扭矩的彈性體和測(cè)量法向力的彈性體 。
1.1扭矩彈性體設(shè)計(jì)
通常的薄壁圓筒型彈性體雖然有較好的剛度 , 但其測(cè)量小量程扭矩的靈敏度較低。本文采用的是一板兩桿式結(jié)構(gòu),如圖1所示。這樣,可以把扭矩的測(cè)量轉(zhuǎn)換為彎矩的測(cè)量 ,從而可以獲得較大的應(yīng)變。同時(shí),這種結(jié)構(gòu)也減少了在豎直方向上力對(duì)其主應(yīng)變的影響,維間耦合小 。
圖1測(cè)扭矩的彈性體示意圖
彈性體中的一板兩桿是整個(gè)扭矩彈性體的設(shè)計(jì)核心 。原則是保證足夠的軸向剛度的前提下 ,又能獲得大的測(cè)量范圍和高的測(cè)量準(zhǔn)確度 ,即在測(cè)量范圍內(nèi) ,保證測(cè)量準(zhǔn)確度的前提下有良好的線性度 。
首先 ,可以利用材料力學(xué)理論對(duì)彈性體進(jìn)行簡(jiǎn)化分析 。當(dāng)彈性體受到扭力矩 M 后 , 一板兩桿彎曲 , 這時(shí) , 可以將一板簡(jiǎn)化為兩桿 , 這樣 , 每根桿端的受力為M/4R,彎矩為 m , 可以通過材料力學(xué)中解超靜定桿的方法 , 并利用桿件左端的轉(zhuǎn)角等于零的條件 , 求解出桿端的彎矩為
式中 M 為施加的扭矩, Nm; R為彈性體半徑,m; l為桿長(zhǎng) , m; m 為彎矩 , N · m。
粘貼電阻應(yīng)變計(jì)處的應(yīng)變?yōu)?br>
式中a為粘貼應(yīng)變計(jì)處與桿端的距離 , m; E 為材料的彈性模量, M Pa ; W 為桿件的截面參數(shù) , m3; δ 為桿件的厚度 ,m; h為桿件的高度, m。
同時(shí) , 利用有限元軟件, 對(duì)彈性元件的扭矩M 、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、應(yīng)力之間線性關(guān)系進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化 ,其應(yīng)力分布圖如圖2所示。
圖 2 扭矩彈性體應(yīng)力分布圖
最終確定參數(shù):彈性體半徑R =0.01 m , 桿件高度 h =0.002m ,桿件厚度 δ= 0.005m , 桿件長(zhǎng)度 L=0.03m。 材料為硬鋁合金 ,在應(yīng)變最大處的對(duì)稱地粘貼兩對(duì)電阻應(yīng)變計(jì),組成惠斯登電橋 。
1.2 法向力彈性體設(shè)計(jì)
商業(yè)化的一維力傳感器一般不僅對(duì)所測(cè)方向靈敏度較高 ,而對(duì)其他方向的力也敏感 ,即其他方向的力和力矩對(duì)其主應(yīng)變也有影響 。 而這一點(diǎn)應(yīng)該盡量避免 ,日本學(xué)者 KoyuAbe
提出了一種H型結(jié)構(gòu)的平行梁結(jié)構(gòu),很好地解決了這個(gè)問題 。
本文中,法向力的測(cè)量采用與其類似的雙孔平行梁式彈性體。這種結(jié)構(gòu)也利用了應(yīng)力集中, 在不減弱彈性體剛度的條件下,同樣可以測(cè)得較大應(yīng)變。同時(shí),消除了測(cè)力的位置改變對(duì)法向力測(cè)量的影響 ,符合試驗(yàn)的要求。彈性體設(shè)計(jì)中 ,也利用有限元法對(duì)其進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化 ,其應(yīng)力分布如圖 3所示 。
圖 3 法向力彈性體應(yīng)力分布圖
2 檢測(cè)電路
檢測(cè)電路利用 8個(gè)應(yīng)變計(jì)組成兩組惠斯登電橋 , 將彈性體的形變轉(zhuǎn)換成應(yīng)變計(jì)的電壓信號(hào)輸出 。 電橋的輸出電壓信號(hào)后接電壓放大電路 , 然后 , 由 200k/s速率的數(shù)據(jù)采集卡將放大后的電壓信號(hào)讀入計(jì)算機(jī) , 最終 , 利labvi ew軟件編程得到數(shù)值 ,如圖4所示。
圖 4 檢測(cè)電路示意圖
3 傳感器的標(biāo)定
扭矩傳感器標(biāo)定如圖 5 所示 ,所施加力的方向平行于所貼電阻應(yīng)變計(jì)的平面 ,這樣 ,電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量的應(yīng)變就是純扭矩所產(chǎn)生的。經(jīng)過多次加載試驗(yàn)測(cè)試 , 獲得結(jié)果如圖6和表1所示 。
在圖 6中 ,利用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合 ,數(shù)據(jù)曲線上面的擬合公式為加載擬合公式 , 下面擬合公式為減載擬合公式 。
同時(shí) ,對(duì)傳感器的維間耦合也作了測(cè)試 。當(dāng)扭矩彈性體受到200N法向力(即圖5中Z向 ) 的作用時(shí) , 耦合影響小于0.084 %。 當(dāng)法向力彈性體受到2N·m 扭矩的作用時(shí) ,耦合影響小于0.13 %。另外,當(dāng)扭矩彈性體分別受到圖5中 X 方向和Y方向各50N力, 耦合影響分別小于0.9 %和0.6 % ,這一方面表明了扭矩傳感器對(duì)空間3個(gè)方向上的力不敏感 ,另一方面 ,也證明了圖 5 的扭矩加載方法
的可靠 。
4 結(jié) 論
通過用材料力學(xué)理論對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì) , 用有限元方法進(jìn)行分析 ,試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證 , 得出這種力/力矩傳感器的性能是可靠的 ,它不但能夠消除微小扭桿在測(cè)量過程中的不對(duì)稱加載、附加彎矩 、 摩擦力等的影響 ,同時(shí) ,還獲得了在 0～2 N · m 作用范圍內(nèi)的 0 . 002 N ·m 的分辨力 ,滿足了超聲電機(jī)的摩擦力/力矩的測(cè)量要求 。
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