为了解决某型地磅称重传感器标定装置夹具质量过重等问题， 以传统称重传感器标定装置夹具为研究对象，文通过对传统夹具左右 L板进行轻量化减重，设计了一种新型传感器夹具装置。 对新型夹具进行了有限元分析，其结果表明: 新型传感器夹具装置相比较于传统夹具装置质量减少了减小了6%，而且具有更高的刚度和强度，新型夹具应力减小了44．9%，变形量减小了56%。 对新型夹具进行模态试验以及仿真分析发现第4、6 阶模态振型对气缸与支撑柱连接部位影响较大; 通过瞬态动力学分析获得了夹具受到夹具压头压紧瞬间时的应力分布情况。 以上研究可为其他传感器夹具的设计提供一定的理论参考。

0 .引言

随着科技的进步，称重传感器在测量、控制等领域得到了广泛的使用， 同时用户对传感器的测量精度要求越来越严格， 因此为了保证称重传感器的测量精度，有必要对称重传感器进行标定，在机械制造行业中，称重传感器检测设备制造与设计已经成为机械设计领域的一大热点，如学者张博对称重传感器精确标定方法进行了研究，学者张昌明等对称重传感器标定装置托盘进行了参数化优化设计以及对称重传感器标定装置机架进行了动态特性研究，学者戴俊平等对称重传感器误差标定装置托盘提升装置进行了设计与研究，国外学者ＲATNAM M M等对托盘进行了有限元仿真分析。

国内外 目 前对称重传感器误差标定装置的研究主要采用理论分析及试验研究的方法，但其试验成本高昂，在当今对称重传感器制造成本要求越来越严谨的情况下，运用有限元分析技术来对称重传感器标定装置进行研究变得越来越重要，称重传感器夹具作为称重传感器误差标定装置中重要部件，其作用是将砝码加载过程中对称重传感器的振动传到机架上 ，其受力的大小关系到称重传感器误差标定的效率。

传统称重传感器夹具由于重量偏重，不方便在机架上装配，称重传感器标定效率不高，为了改善传统称重传感器的性能，在传统夹具的基础上，并参考文献的基础上，对其组成构件进行了轻量化设计，通过减轻重量来使其更容易装配，进而提高传感器标定效率，新型夹具在轻量化后的左 L板上增加了两个肋板，从而达到了减轻夹具重量而使其保持其强度、刚度满足使用的要求。

本文采用有限元分析方法对新、 旧型夹具力学性能进行仿真分析对比，结果表明：新型传感器夹具装置具有质量轻、强度、刚度高等优点，并且对新型称重传感器夹具的几何参数与夹具应力、变形之间的规律进行了研究，得到了新型夹具的最优几何尺寸，通过对新型称重传感器夹具进行动态特性分析，得到了其固有频率和振型，为了验证仿真结果的正确性对夹具进行了模态试验。 考虑到瞬间冲击对夹具应力、变形的影响，分析了夹具压头压紧瞬间时夹具的受力情况，综上所述本文可为其他传感器产品夹具的设计提供一定的设计参考。

1 .称重传感器误差标定装置工作原理

称重传感器标定装置基本的标定流程如下： 工作人员首先通过螺栓连接将称重传感器与夹具左右 L板连接到一起，通过气缸对夹具进行夹紧固定，然后通过XY坐标移动装置首先将砝码移动加载机构移动到托盘的中间上方，到达托盘中间上方时在气缸的推动下砝码缓慢的加载到托盘上。 当整个砝码加载过程趋于稳定后，数据采集系统开始工作，并将数据采集存储到计算机中完成一次标定过程，再重复上述步骤完成对托盘四个角标定。 称重传感器误差标定装置整体结构组成如图1所示。

2.传感器新型夹具组成及工作原理

2．1  传统传感器夹具组成及工作原理

传统称重传感器标定装置传感器夹紧夹具机构总

体结构如图2所示。 左右 L板1、3与称重传感器采用了螺栓连接，气缸连接头8与气缸连接头横板10 通过销轴9相连，可以实现旋转运动，左右限位板5、11与大底板采用螺栓连接，左右限位板保证夹具压头4、12竖直方向上运动，气缸连接头横板10与夹具压头采用螺栓连接。

称重传感器工作夹具工作原理为： 当气缸 7 拉伸时，通过气缸连接头横板 10 带动夹具压头在左右限位板限制下在竖直方向上下运动， 从而实现对夹具进行夹紧的功能。 整个夹具装置通过四根连接杆与大底板相连接，通过大底板6 将整个装置固定在机架上。

2．2  新型传感器夹具组成及工作原理

为了减少传统夹具左右 L板重量过大对称重传感器误差标定精度及效率带来的影响，文中对左右 L板进行了减重设计，在夹具左 L板侧面打了四个圆形减重孔，底面上打了三个矩形减重孔，右 L板也进行了类似的减重设计，同时为了保证左 L板的强度与刚度，在减重后的左 L 板上设计了加强筋，新型夹具三维图及具体左右 L板结构如图3、图4所示。 新型传感器夹具的工作原理与传统传感器相同。

3.新旧夹具有限元静力学仿真对比

3.1有限元模型

经过对新型传感器夹具装置模型经过简化，得到的有限元模型如图5所示。传感器夹具材料采用Q235钢，密度等于7.85g/cm3，弹性模量E=(2.1*102)GPa、泊松比=0.3，结合传感器新型夹具模型实际情况，采用自由网格划分的方式，最后得到了理想的有限元模型，其共有173766个节点、96497个单元。

3．2  有限元分析结果对比

根据弹性力学理论可以得出夹具静力学结构的总

体平衡方程为：

［k］｛x｝=｛F｝                        （1）

式中：  ［k］为结构总体刚度矩阵；  ｛x｝为位移矢量；｛F｝为力矢量。

本文利用有限元分析方法对夹具装置进行强度、刚度分析。 在实际工作中传感器夹具装置的大底板与托架固定在一起， 当传感器需要夹紧固定或卸载时，在气缸的推动下夹具压头上下移动来完成这一动作。 在实际工作中右 L板上部分还要受到来自托盘装置1000N的集中力，在对有限元模型进行边界条件设置时，结合实际情况对夹具装置大底板采用固定约束，载荷具体施加结果如图6所示，经过有限元分析具体分析对比结果云图如图7 所示。

图7经过分析可知，传统传感器夹具的最大变形发生在右 L板，最大变形为 0．10469mm；最大应力发生在左 L板根部，最大应力为44. 431MPa。 新型夹具装置最大变形、最大应力主要发生在气缸与气缸连接头横板处，最大变形为 0．6957 mm，最大应力为38. 221 MPa。 新型夹具满足材料强度、刚度条件，与传统夹具装置相比较，新型夹具装置的应力大大减小而且质量更轻，夹具质量由传统的58．757 kg减小到55．215 kg 减小了6%，变形量由 0．10469mm增加到 0．6957mm 增加了 0．3512mm变形量有所增加，应力由44.431MPa减小到38．221MPa减小了13．98%，由于重量的减小以及新型结构的设计，使得传感器标定装置工作更加可靠更方便装配以及移动。

3．3  新型夹具左 L板尺寸优化

在设计新型夹具左 L板的构型时，根据称重传感器的几何尺寸参数要求，可以初步确定左 L板的几何尺寸模型如图8所示，其中 e= 15mm、f=286mm，不变。 当 a=26mm， b=54mm时，最大应力应变随着 d 的变化规律如图9所示。

从图9可以看出，当其他参数确定时，左 L板 X、Y、Z方向的最大应力随着 d值的增加而减小，综合考虑应力和变形对左 L板应力和变形的影响，可以看出d= 21mm时应力最小，且应力在材料许用范围内。

当 a=26mm，d=21mm时最大应力应变随着 b的变化规律如图10所示。

4.新型夹具模态特性分析

为了获得新型夹具的动态特性，对新型夹具进行结构动力学分析的一种手段就是采用模态分析，通过模态分析可以用来检验新型夹具的结构设计能否克服共振、疲劳，等受迫振动引起的有害效果。

根据弹性力学理论可以得出新型夹具的动力学方程为：

．．            ．

［M］｛x｝+［C］｛x｝+［k］｛x｝=［F］          （2）

式中：  ［M］—质量矩阵；  ［C］—阻尼矩阵；  ［K］—刚

··   ·

度矩阵；  ｛x｝｛x｝｛x｝—加速度矢量、速度矢量以及位移矢量；  ［F］为力矢量。本文研究的是无阻尼下的固有模态分析，因此式 （2）可简化为：

析。

考虑到夹具实际工作一般处于低阶模态， 因此，十分有必要分析传感器夹具的固有频率、振型。 通过模态试验来验证有限元分析结果的准确性。 实验设备采用 PCB力锤，实验数据的采集选用 PXI-4462 数据采集卡，模态分析软件选择上海宏勤科技有限公司的 Modalview模态软件，模态试验现场如图13所示。 使用最小二乘复频域法计算固有频率和振型，采用频响函数综合法， 结合模态置信准则，对模态分析结果的精准度做出判断 。通过对模态试验数据进行、对比发现，有限元分析结果与模态实验频率比较接近， 表明夹具装置有限元模型可以作为静态分析和优化设计的模型。 个别模态频率偏较大原因：有限元模型略去了部分尺寸较小的连接件。 模态分析结果如表1所示。

通过对称重传感器夹具的前6 阶模态振型云图进行分析比较，传感器夹具前6阶振型主要表现为气缸、气缸连接头横板的弯曲振动和扭转振动。在前6阶模态振型中第4阶、6阶模态振型会对气缸与气缸连接头横板连接处产生振动变形，气缸连接头横板处所受到的载荷会增加，其模态振型云图如图 14所示。

从图14中通过对4、6阶模态振型云图分析对比，

可以看出当振动频率为181． 01、525．12Hz时气缸与气缸连接头横板处会产生较大的变形， 因此，在实际工作中应避免传感器标定装置工作在这两个频率。

5.新型夹具瞬态特性分析

由于传感器夹具在夹紧过程中要受到夹具压头的冲击，因此，有必要对夹具在受到冲击载荷时的瞬态受力情况进行分析。 在实际传感器夹紧过程中气缸连接头横板受到气缸对其1457．4N的推力，根据实际夹具工作情况，设置好夹具有限元模型的约束和边界条件，经过有限元分析计算，得到了夹具压头压紧瞬间时夹具的应力云图如图15所示。

从图 15 可以看出在压头压紧夹具的过程中，夹具受到的最大应力发生在左 L板根部应为192．9MPa，夹具压头与左L板接触的瞬间最大应力发生在两者接触部位，最大应力为60．788 MPa。 通过云图可以看出最大应力小于材料的屈服强度，表示夹具装置满足设计要求。

6.结论

文中针对传统称重传感器夹具重量过大的缺点，对夹具装置的左右 L板进行了减重设计， 同时为了保证能很好的夹紧夹具，在左 L板侧边增加了两个肋板。采用有限元分析技术，对新型称重传感器夹具的性能进行了仿真分析，得出如下结论：

（1）新型称重传感器夹具装置的设计，解决了目前传统夹具重量偏大、移动不灵活等缺点。

（2）通过模态分析，得知夹具装置的振型为气缸的摆动、扭转时，气缸与四根支撑柱变形量较大，该结果可为称重传感器安全使用提供一定的依据。

（3）通过瞬态动力学分析，确定了夹具装置在受到压紧装置压紧时的动态载荷变化范围。

上述结论可为称重传感器夹具装置的优化设计、以及其他传感器夹具装置的设计提供一定的理论参考。