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三维压电测力平台结构优化设计与性能标定 由于压电式三维测量平台具有高刚性、高灵敏度、高频率、频率响应面积大、线性好等优点，因此能够及时、准确地探测三向静和动态力，并将其应用于自动检测和中医理论的研究。从目前国内外同类产品的生产和研究可以看出，测量平台的结构形状是一套组合的（例如，瑞士-keel公司的9.7b、新产品的9.14l测量力平台、ydxm-94、ydxm-97测量力平台等）。主要由工作站、底部和四个三维压石英传感器组成。安装过程中，四个传感器的性能和高度必须严格遵守这一要求。为了满足这一要求，必须生产出工艺复杂、成本高的复杂传感器。由于测量平台的安装和调试需要很大的问题，结构简单、安装方便、成本低、精度高、结构形式完全相同。 1 弹性环与传感器最佳组合设计 整体式三维压电测力平台(图1)是在刀杆式车削测力仪的基础上,经过多次设计和反复调试研制而成的. 该测力平台最突出的特点是突破了国内外同类产品的组合式结构形式,采用了整体式结构,只需2个传感器,大大简化了装配工艺,降低了成本. 在确定了测力平台的整体结构后,对弹性环参数进行优化设计,选择出最佳组合,并根据弹性环与传感器的刚度计算出预紧力的大小及二者之间的最小过盈量. 1.1 弹性环结构参数约束条件 弹性环的优化设计就是选择出弹性环R(外径)、r(内径)、H(厚度)的最佳组合. 从提高刚度和固有频率出发,显然希望R和H越大r越小越好,可它们分别受测力平台的长度、宽度和传感器的厚度的影响,所以R、H、r3因素均有一定合理的变化范围. 为了克服弹性环结构参数选择的盲目性,实现动态参数设计的目标,弹性环结构参数应满足下列约束条件:1)保证测力仪三向刚性均达到100 N/μm; 2)三向刚度力求相近; 3)装传感器时弹性环的最大拉应力应小于其材料许用应力. 利用结构有限元分析程序DDJ-W计算弹性环的刚度和应力,可获得R、H、r与刚度间的对应关系. 而3因素对刚度的影响程度可用离差大小来评价,R因素对Ky影响的离差表示为Ryd. 3因素对3个方向的刚度Kx、Ky、Kz影响的大小顺序分别为 HxdrxdRxd rydRydHyd rzdRzdHzd 根据优化计算结果和离差大小,可确定R、H、r的最佳组合方案. 1.2 kcyk有效测量的方法 测力平台为整体式双弹性环对称结构,每个弹性环由2个弹性半环和1个长形槽组成,长形槽内装夹1个三维压电石英力传感器. 为使传感器能测切向力,必须施加足够的预紧力,它的大小主要取决于主切削力Fp的量程、传感器与弹性环的切向刚度Kt与Kp以及两者接触面的摩擦因数μ,即 Fp=FzKt/(Kt+Kp)μ(1)Fp=FzΚt/(Κt+Κp)μ(1) 为达到一定的Fp值,传感器与弹性环采用过盈配合,所需最小过盈量为 Δmin=Fp(Kty+Kpy)/KtyKpy(2)Δmin=Fp(Κty+Κpy)/ΚtyΚpy(2) 式中:Kty与Kpy分别为传感器与弹性环的y向刚度. 为将传感器装入弹性环长槽内需将弹性环在y向拉开,其拉力为 Fl=KpyΔ(3)Fl=ΚpyΔ(3) 由上可见,为了实现理想设计,理论上希望Kty与Kpy越大越好,但实际上传感器的刚度Kty一般是确定了的. 若Kpy?Kty,可使测力平台固有频率增大,但因弹性环分载过大使其灵敏度降低. 反之,若Kpy?Kty,可使测力平台灵敏度提高,但固有频率下降. 综上所述,兼顾灵敏度与固有频率,本测力平台取Kpy≈Kty. 从图1可看出,当测力平台受Fy作用时,传感器A受压力作用,传感器B受拉力作用,一压一拉具有“推挽”特点. 根据这一特点,将传感器电路设计成不同方向的信号输出(图2),即2个传感器同时受压力时,输出信号相反,互相抵消,输出为零. 而当测力平台在Fy作用下,2个传感器分别受压力或拉力时,则A传感器受压为(+)信号输出,B传感器受拉也为(+)信号输出,2个信号相加使测力平台的y向灵敏度提高1倍. 同样,当测力平台受反方向Fy作用时,输出亦反向. 2 温度补偿作用 切削温度不单对切削过程本身有直接影响,而且对检测切削过程的测力平台也有着不可忽视的影响,尤其是瞬变温度对零点漂移的影响比较严重. 温度补偿主要是补偿测力平台中测量Fy的X0°晶组,该晶组因特定切型受温度影响最大. 温度补偿是利用结构自身所具有的“推挽”特点以及传感器电路的特殊设计实现的. 当温度升高时,材料热膨胀引起的应力作用于传感器,使2个传感器同时受压力作用,这时信号输出相反,正负互相抵消,消除了由于温度瞬变引起的零点漂移,达到了温度补偿的功效(图3). 3 平台测量台性能测试 3.1 无预载时、无预载时小力值测试 整体式三维压电测力平台的静态性能标定是在专用标定装置上进行的. 经过多次调整实验,各项技术性能指标均达到设