壓電式多維力傳感器研究

張 軍,仲育頡,任宗金,錢 敏,王郁赫,張 鵬

大連理工大學機械工程學院,高性能精密制造全國重點實驗室

0 引言

切削力是評價切削過程的重要依據(jù),精確測量切削力,研制高性能的測力儀能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)控機床切削狀態(tài)的智能監(jiān)測,提高生產(chǎn)效率。其中,壓電測力儀具有良好的靜、動態(tài)性能廣泛應用于多維矢量力測試,機械加工對象一般是具備特殊優(yōu)良性能的復合材料,對切削力精確測量提出了更高的要求[1]。

本文面向的需求是同時高精度測量切削過程中三向正交力及水平扭矩。測力裝置具有較大的工作面域,能夠為試件的裝夾提供更多的空間;扭矩的取得不需要通過復雜的解耦運算,測試精度較高;對加工位置不敏感,同一切削條件下工作臺面上各點測得切削力相同。在保證工作面域為260 mm×260 mm的基礎上,需完成要求范圍內(nèi)的多維力測試任務,具備一定的抗過載能力,主向滿足8 000 N的過載,側(cè)向滿足6 000 N的過載。

目前壓電式多支點測力儀的研究中,文獻[2]研制的9271型扭矩測力儀可測量切削過程中的四維力,在測量時要求鉆頭與測力儀回轉(zhuǎn)中心線必須一致。韓麗麗等[3]研制的無定心鉆削測力儀基于“力矩可在平面上移動,其大小不變”的原理,實現(xiàn)對鉆削過程中任意位置的軸向力及扭矩測量,該測力儀內(nèi)徑35 mm,上蓋外徑80 mm。Kistler公司研制的9257B型四支點測力儀外廓尺寸為170 mm×100 mm,可實現(xiàn)三向正交力和3個方向力矩共六維力的測量,其中力矩需要通過解耦運算取得。曲國杰[4]研制的壓電式測力儀可測量三向正交力及軸向扭矩,其工作面尺寸為128 mm×128 mm,該測力儀應用的4個傳感器采用“十字形”均勻布置在測力儀特定圓周。

本文基于平面矩形布置驗證四維力測量的優(yōu)越性,以更大的工作面域為出發(fā)點,實現(xiàn)單獨測量扭矩,提出了一種新的石英晶片,并完成多維力傳感器的設計,通過計算和仿真分析驗證了該晶片設計的合理性,并通過實驗手段研究了該類型壓電傳感器的測試性能。

1 晶片及晶組的設計

多維力傳感器作為核心,實現(xiàn)三向正交力及軸向扭矩的測量。每個傳感器由1對x0°型及3對y0°型石英晶組構成,為簡化力矩的求解過程,采用1對y0°型晶組單獨測量切向力矩。根據(jù)“力×力臂”法”在特定的力臂下,由力與扭矩的線性關系,得到水平扭矩的輸出[5-6]。

傳感器的布置方式直接影響整個測力裝置的剛度和測試精度,為測量有效工作域內(nèi)任意點的扭矩,所有性能相同的傳感器必須均勻分布在同一圓周[7]。由于工作面域較大、測試位置變化較多,采用四點支撐的傳感器布置方式,具體可分為方形布置和菱形布置,如圖1所示。

(a)方形布置

在菱形布置中[6],由于傳感器受力方向和坐標軸存在重合現(xiàn)象,造成利用效率降低和試驗數(shù)據(jù)浪費,易產(chǎn)生較大的干擾誤差[8]。方形布置由于其自身的對稱性能夠保證整體良好的穩(wěn)定,當有效測試范圍相同時,支撐跨距更小,作用于分布圓內(nèi)的外力產(chǎn)生的向間干擾較小。因此本文采用4個傳感器按照方形布置方式。

為實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換效率最高且橫向干擾最小,晶片的最大靈敏度方向需與受力方向重合[7]。傳感器以坐標軸對稱成正方形分布,測量扭矩M的剪切力方向與X、Y方向互成45°夾角,4組晶片的晶軸方向分別為分布圓的切線方向,布置情況如圖2所示。

圖2 三向疊加的晶片布置情況

因石英晶組的布置方式不同,安裝時晶片無法堆疊放置,給傳感器的制造帶來了難題。為兼顧傳感器中不同晶片布置的情況,去除相錯的8個角并保留重疊部分,使晶片的外廓變?yōu)檎诉呅?。正八邊形晶片的應用在保證測量精度的同時解決了晶片安裝難題。

2 晶片設計合理性的驗證

2.1 晶片承載能力的分析

針對同一尺寸的傳感器,當其采用方形晶片時晶片有效截面積為

(1)

式中:c為正方形邊長;d為晶片內(nèi)孔直徑。

采用正八邊形晶片時,晶片有效截面積為

(2)

新的晶片縮減了部分表面積,降低了石英晶組的承載能力,因此需要對設計的正八邊形晶片是否具備足夠的承載能力滿足測量要求進行驗證。

根據(jù)石英晶片承載極限和測力裝置的極限承載力的限定范圍,結(jié)合測試需求,可以得到石英晶片的面積應滿足[9]:

(3)

正八邊形晶片對邊距離c=20 mm,內(nèi)孔直徑d=12 mm時,其有效截面積為S=218 mm2,承載能力能夠滿足測試要求。

2.2 晶片加工可行性分析

石英晶片本身是硬脆材料,八邊形晶片在保證各邊等長的前提下,需要實現(xiàn)每個外角均為45°且對邊互相平行,提高了加工制作的難度。為保證加工完成的傳感器精度能夠滿足測試要求,針對晶片切割加工時切型角度誤差引起的敏感單元向間干擾問題,通過經(jīng)驗理論分析[10],以實現(xiàn)y0°晶片輸出小于3%的向間干擾為目標,得到石英晶片在實際加工時允許出現(xiàn)的轉(zhuǎn)角偏差,分析八邊形晶片制作加工的可行性。

八邊形晶片在加工時因無法保證完全對稱,導致晶體坐標系偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生制造誤差如圖3(a)所示,晶片測量布置如圖3(b)所示。

(a)晶片偏轉(zhuǎn)示意圖

對于y0°晶片在石英晶軸偏轉(zhuǎn)下的輸出電荷與外力間有關系如式(4):

(4)

采用COMSOL內(nèi)置優(yōu)化物理場進行計算,晶片優(yōu)化計算軌跡如圖4所示,設計變量為三軸偏轉(zhuǎn)角x、y、z,為保證計算精度,約束范圍根據(jù)經(jīng)驗理論取[-0.1,0.1]rad,求解目標函數(shù)θ=|x|+|y|+|z|最大允許偏轉(zhuǎn)范圍。

圖4 晶片優(yōu)化計算軌跡

根據(jù)計算結(jié)果,容差范圍取θ=|x|+|y|+|z|≤0.153 57 rad。為滿足石英敏感材料的向間干擾小于3%,當晶片在加工時的偏轉(zhuǎn)誤差在此范圍內(nèi),傳感器精度能夠滿足測試要求。

3 傳感器的研制

傳感器共采用4個石英晶組實現(xiàn)四維力的測量,組合晶組中包括一對x0°型晶組測量法向力Fz;3對y0°型晶組測量切向力Fx、Fy及M,其中測量X、Y向的晶組最大靈敏軸互成90°夾角,測量M向的晶組最大靈敏軸與另兩組互成45°夾角。由于4個傳感器在此布置條件下輸出方向各不相同,按照其分布位置從右下方位開始以順時針方向?qū)ζ溥M行編號1 ～4號,各傳感器中石英晶組的受力方向如圖5所示。

圖5 各晶組受力方向

在每個晶片與晶片之間放置1個電極片,通過電極片收集外載荷作用在晶片上產(chǎn)生的電荷。為保證傳感器裝配工藝的簡單易行及標定過程的合理性[11],各單元晶組的組序排列如圖6所示。

圖6 組合晶組組序排列

為便于正八邊形晶組安裝時找準45°晶軸方向,晶盒的4個角設計成圓弧形并保留直角邊作為傳感器裝配到測力儀時的基準面。在確定殼體基本外形的基礎上,為了盡量減小傳感器的外廓尺寸,使其有更小的體積和質(zhì)量,將4個方向電極引線的插頭布置于殼體相鄰的兩側(cè)平面上。完成結(jié)構化的晶組通過上蓋及殼體封裝在晶盒內(nèi)構成完整的傳感器[12],傳感器的三維結(jié)構圖如圖7所示。

圖7 傳感器結(jié)構圖

研制的4個傳感器如圖8所示,根據(jù)編號在殼體上做出相應標記。每個傳感器均有4路輸出且不同傳感器的同一位置分別對應不同的被測方向。

圖8 傳感器實物及各輸出對應被測方向

4 傳感器性能的檢定

4.1 實驗設計

正常的三維力傳感器標定裝置僅能實現(xiàn)3個方向正交力Fz、Fx和Fy的標定,無法應用于與Fx和Fy向夾角45°的剪切力。

由于每個傳感器承受的剪切力方向均不相同,該方向標定裝置的加載點應位于夾角45°方向上且高度在測力單元的中心。其在兼顧引線位置的情況下根據(jù)各傳感器理論剪切力正方向隨時調(diào)整施加作用力,標定裝置如圖9所示。

(a)俯視角度

實驗裝置主要由加載裝置、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機和Dewesoft 6標定軟件組成[13],為了使輸出電壓與力值匹配,將X、Y向的電荷靈敏度系數(shù)設為8.00 pC/N,將Z向的電荷靈敏度系數(shù)設為4.00 pC/N。標定試驗采用階梯加載方法:z向最大加載力為4 kN,階梯力取1 kN;x、y及切向最大加載力為2 kN,階梯力取500 N。

各傳感器受力正方向見圖5,傳感器引出線的位置固定,用于測試三向正交力的常規(guī)標定塊因自身三面環(huán)抱的結(jié)構,標定時對傳感器施加作用力的方向也是唯一且確定的。

4.2 結(jié)果分析

由于采用同一標定裝置,在測量X向和Y向時,受到傳感器引線接頭方向限制,實際作用力方向存在和理論載荷正方向相同和相反2種情況。各傳感器實際輸出極性如表1所示,與預期的輸出極性相符合,傳感器的方向正確。

表1 傳感器各向輸出極性

各傳感器標定結(jié)果具有相似的現(xiàn)象,由于篇幅有限,僅列出了1號傳感器的實驗數(shù)據(jù)加以討論分析。實驗時在每個加載點重復進行3次加載,記錄數(shù)據(jù)并取其平均值,各向輸出數(shù)值如表2所示。

表2 1號傳感器各向輸出 mV

表3 1號傳感器性能指標

實驗所測的傳感器各向向間干擾均小于5%,各向非線性誤差和重復性誤差均小于0.5%,干擾較小,靈敏度較高,具備良好的測試性能,可以用于之后測力儀的裝配。

5 結(jié)論

本文針對復合材料等特殊材料的工件加工過程中的多維力測試需求,提出了一種采用新型晶片的特殊傳感器,并在理論分析的基礎上從晶片承載能力及加工工藝難度兩方面驗證了其制造的可行性。標定試驗證明,傳感器輸出現(xiàn)象符合理論,各向向間干擾均小于5%,非線性誤差和重復性誤差均小于0.5%,具有良好的測試性能。