用于不平衡冲量测试的一种六维力传感器结构设计.pdf

第 卷 第 期 年 月火炮发射与控制学报 :./.收稿日期:作者简介:李凌志()男 硕士研究生 研究方向为武器系统测试、测量研究用于不平衡冲量测试的一种六维力传感器结构设计李凌志 刘志鹏 余文鑫 马凯华 郝郎迪(.南京理工大学 机械工程学院 江苏 南京 .吉林江机特种工业有限公司 吉林 吉林)摘 要:单兵无后坐炮发射时运动十分剧烈、复杂 传统不平衡冲量测试装置不能准确测量各方向力系从而对测量结果的准确性造成影响 因此 基于十字梁型结构研究了一种可实时监测各方向力系的六维力传感器 利用有限元软件建立初始模型并进行单因素分析 基于响应面法以关键尺寸参数完成响应面试验设计结合最小二乘法得到响应面模型 采用多目标粒子群算法优化策略进行优化求解 研制原理样机并设计标定系统进行标定 仿真与实验结果表明 优化后力矩通道测量灵敏度最大提升 力通道测量灵敏度最大提升 解耦后的维间耦合最大 标定结果符合测量要求关键词:不平衡冲量测试 六维力传感器 响应面试验设计 多目标粒子群优化 数值模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:动不平衡参数作为单兵无后坐炮最重要的安全性指标之一其值会对武器射击精度和射击稳定性带来负面影响 所以如何高效、精确地测量动不平衡参数成为武器性能评估中不可或缺的一环 目前针对动不平衡参数的测试方法主要是导轨法和弹道摆法以及其他各单位基于现有装置自火炮发射与控制学报第 卷行研发的测试系统 杨则尼等利用拉压力传感器设计了一种可直接测试炮轴方向上产生的不平衡力的实验装置为导轨法测量动不平衡参数奠定了基础同时提出这种测试方法存在的问题 王志华等基于导轨法通过设计固定架台部分装置减少测试系统与发射装置因不同轴所产生的转矩庞春桥等通过自行设计的精密平衡测试装置提出后后效期的影响过程并结合相关理论提出一种轻型无后坐力炮动不平衡冲量现象的物理解释和有效评估方法单兵武器发射过程中发射器内的运动情况是十分剧烈以及复杂的 绝大多数测试系统只是针对所需参数进行点对点的测量很少会在测量过程中对测试装置受到的空间力系进行实时监测 系统的不稳定性会对测量数据产生较大影响导致与真实数据之间存在超出系统允许范围的误差六维力传感器作为工业智能化发展不可或缺的技术之一是控制系统的重要组成部分 广义六维力传感器因其能够获取空间任意力系中的三维正交力及三维正交力矩为后续各项性能指标的分析评估提供重要依据在精密装配、航空机器人、汽车路测试验、火箭发动机推力试验和风洞试验等精度要求较高的场合发挥了极其重要的作用 通过软件集成各设计分析软件对影响传感器灵敏度和刚度的 个结构参数进行同步优化得到综合能力最优的尺寸参数并验证传感器设计的合理性 还有很多学者通过改进传感器弹性体结构提高传感器灵敏度、刚度等性能解决维间耦合、测量非线性载荷等问题对其他多维力传感器的研发提供了参考 笔者基于十字梁式多维力传感器以及现有测试系统设计了一种用于不平衡冲量测试的六维力传感器使其在测试过程中可实时监测系统所受各项力系 通过响应面法对弹性体尺寸参数进行优化响应面模型选用 设计方法完成响应面试验设计并通过有限元分析求解得到 结合有限元仿真对比分析和静态标定方法证明优化过后的六维力传感器各项指标得到明显提高达到测量需求可用来指导下一步测试工作 测试系统及六维力传感器数学模型.动不平衡冲量测试系统笔者基于传统导轨法和现有测试系统设计了一种利用拉压传感器测量动不平衡冲量的动不平衡测试系统如图 所示对影响单兵武器发射器动不平衡冲量的因素进行受力分析笔者将六维力传感器安装在机架与拉压力传感器之间通过连接板连接 轴方向与炮轴方向一致 六维力传感器各通道之间存在维间耦合的情况在正常使用时都应经标定解耦后使用 在动不平衡冲量测试中主要测量空间力系中三维正交力矩经解耦得到对应数值同时将解耦所测数据与拉压力传感器所测数据进行对比分析所测数据可为无后坐炮的各项动不平衡参数的分析评估提供重要依据.六维力传感器设计指标结合相关数据及以往测试结果用于不平衡冲量测试的六维力传感器主要设计指标如表 所示表 六维力传感器设计指标名称范围说明 、方向的受力 方向的受力 、方向的所受力矩 方向的所受力矩/弹性体受力时的刚度/弹性体受力矩时的刚度 在进行不平衡冲量测试过程中传感器实际输入范围 考虑到传感器测量范围以及实际过载性能在进行试验设计时试验条件为 .六维力传感器数学模型笔者基于十字梁式六维力传感器提出一种新型传感器弹性体结构其由 个固定块、个应变梁、个转接块、个浮动梁和 个加载块组成 通过在应变梁上开槽令梁上应力集中于槽的两侧提高传感器精度的同时保障后续应变粘贴工作的便捷性 综合考虑六维力传感器量程、刚度等因素六维力传感器的材料选用马氏体沉淀硬化不锈第 期李凌志等:用于不平衡冲量测试的一种六维力传感器结构设计钢 材料属性如表 所示表 的材料属性密度/()泊松比弹性模量/弹性极限/屈服极限/.将设计完成的初始模型导入有限元软件进行静力学分析 在对模型施加边界条件时将固定块上螺纹孔位置的节点位移完全约束并在加载块螺纹孔处利用节点耦合 单元随后单独施加各方向所对应的载荷 考虑到传感器弹性体结构和边界约束条件的对称性在单独施加各方向载荷时 和 方向的计算结果一致因此只考虑弹性体在受到、不同载荷的情况下所得应变云图与变形情况如图 所示由图 可知弹性体受不同载荷时应变集中区域都分布在应变梁开槽处由此得到应变片粘贴位置并采用全桥电路连接 确定初始弹性体模型为后续响应面试验设计提供有限元结构分析基础初始弹性体结构、应变片 粘贴位置及各测量通道使用应变片情况如图 所示 响应面法试验设计为使六维力传感器获得更好的测量性能需要对弹性体的关键尺寸参数进行设计 由于弹性体结构复杂尺寸参数较多通过控制变量法对弹性体的各设计参数进行单因素模拟选出对传感器性能影响较大的结构参数并确定其尺寸范围采用响应面法以尺寸参数及输出应变为变量对弹性体进行响应面试验设计结合有限元仿真软件进行分析计算 采用多目标粒子群优化算法对模型进行优化求解 传感器的设计优化流程如图 所示.传感器设计指标.灵敏度对于应变式力传感器通常定义传感器灵敏度为满量程下电桥输出电压与电桥输入电压的比值 电桥连接方式采用全桥连接 定义传感器灵敏度 为()()式中:为测量电桥时的输入电压为传感器满量程输出电压为应变片灵敏系数为每个应变片在满量程时对应的微应变对于六维力传感器而言将灵敏度分为力测量灵敏度 和力矩测量灵敏度 都是由力测量通道或者力矩测量通道中灵敏度最低的通道决定假设两个通道灵敏度比值为/则/.()火炮发射与控制学报第 卷.应变柔顺矩阵应变柔顺矩阵往往用来描述六维力传感器其本身特性和其尺寸参数无关 根据六维力传感器的工作原理在量程范围内电桥输出信号值与载荷值可近似认为线性关系且维间耦合的形变量可叠加 当 单独作用时测量通道输出量为测量通道输出量为 其余测量通道输出量以此类推当 单独作用时测量通道输出量为当 单独作用时测量通道输出量为 同理以此类推 根据输入与输出近似线性的假设可以得到:()式中为表示输入与输出线性关系函数 的斜率令作用在传感器上的载荷为 传感器在载荷 的作用下发生弹性变形时应变柔顺矩阵可以表述为()式中分别为对应载荷下每个通道的灵敏度.线性度和迟滞误差理想条件下传感器的输入与输出应该为线性关系但实际上由于贴片工艺及制造工艺等因素传感器实际测量过程中存在非线性误差定义传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程下输出的比值为线性度误差 同时定义传感器加载以及卸载过程中各输出点的最大差异值与满量程下输出的比值为迟滞误差线性度与迟滞误差是影响力传感器测量精度的关键因素之一.单因素分析以尺寸 为例结合控制变量法及有限元软件进行计算以传感器性能为决定因素 经过多次实验筛选选择对应变柔顺矩阵影响较大的弹性体尺寸变量如图 所示 图中为浮动梁厚度为应变梁厚度为应变梁高度为转换块厚度为转接块高度单位均为.响应面试验设计为了得到最优模型 利用响应面设计软件选择 设计方法基于弹性体的结构参数完成响应面试验设计一共 组结合仿真得到响应值 响应为施加载荷时所对应的测量通道的应变值试验条件为 由材料力学可知微应变没有单位本文中用 表示即 最后通过最小二乘法对所得数据进行拟合得到响应面模型.多目标优化的约束条件和优化目标已知响应面模型()采用多目标粒子群优化算法()对其进行优化 设置初始种群个数为 空间维数为 最大迭代次数为 根据测量要求力矩通道测量灵敏度的优先级应大于力通道测量灵敏度假设函数().().().().().()传感器弹性体在不同载荷 的作用下应具有足够的刚度:/.()传感器两个测量通道灵敏度平衡两个通道测量灵敏度的比值/尽量小/越小力和力矩测量灵敏度越接近六维力传感器的优化问题可以用如下数学问题表达:求设计变量 第 期李凌志等:用于不平衡冲量测试的一种六维力传感器结构设计()/().().标定实验对响应面模型进行多目标优化得到最优模型与初始模型进行对比分析 确定传感器最优尺寸大小并加工得到六维力传感器原理样机根据已有设备设计一种六维力传感器静态标定装置对原理样机进行静态标定实验求解出标定方程:()()式中:矩阵 为传感器输出电压矩阵 为常量笔者已提前将数据进行归零处理这里 六维力传感器及标定系统如图 所示 结果与分析.单因素仿真试验结果由于控制变量法分析过程较为单一笔者以应变梁的高度为例研究应变梁高度 在载荷、下对传感器的性能影响如图 所示 图中定义 为影响程度以百分数形式表示 为应变 为应力 为位移/转角 从图 中可以很直观地看出的大小直接影响传感器的性能最大提升 最小降低 同理通过分析其他尺寸对弹性体性能影响得到设计尺寸范围试验因素与水平如表 所示表 六维力传感器主要设计目标因素水平 水平 水平.响应面模型及优化结果由于文章篇幅有限仅给出响应面试验设计部分结果数据如表 所示表 响应面试验分析表.结合响应面设计软件采用最小二乘法对上述响应面试验设计结果数据进行拟合得出传感器弹性体在不同载荷作用下的响应面模型():().()().()火炮发射与控制学报第 卷().()().()对响应面模型()()进行统计学分析结果如表 所示表 响应面模型的相关系数及方差分析评价指标()()()().信噪比.值.通过每个响应面模型的相关系数()可以发现模型的相关系数和调整后的相关系数()值极为接近说明拟合出来的模型接近真实的物理模型 模型的信噪比均远大于说明这是一个很精确的模型对每个响应面模型进行方差分析可知每个模型的 值均小于.表明该响应面模型显著这意味着模型可以用来指导下一步的设计根据约束条件和优化目标得到弹性体最优尺寸参数与初始设计时的参数对比如表 所示性能参数对比如表 所示 由表 可知优化模型每个测量通道的响应值相比初始模型均大幅增加其中 测量方向的响应值最高提升了.方向测量方向的响应值提升了.符合传感器测量需求表 弹性体尺寸参数对比模型初始.最优.表 弹性体性能对比项目初始模型.最优模型.增长率/.静态标定对原理样机进行力/力矩加载试验设计一种静态标定装置对传感器进行静态标定所有测量通道输出均为对应电压(/)标定结果如图 所示并计算得到传感器标定方程如式()所示第 期李凌志等:用于不平衡冲量测试的一种六维力传感器结构设计.()根据传感器标定方程计算得到六维力传感器各通道灵敏度(/)与维间干扰如表 所示 可知加工得到的六维力传感器力测量灵敏度为./力矩测量灵敏度为./经静态解耦后各通道之间耦合误差最大为.表 六维力传感器灵敏度与耦合误差通道灵敏度/(/)直接耦合误差/.根据计算得知六维力传感器各维度的线性度及迟滞误差如表 所示 可知该传感器的线性度均小于 最大的线性度是 方向为.最大的迟滞误差是 方向为.表 六维力传感器线性度与迟滞误差项目线性度.迟滞误差.与有限元分析结果相比通过标定得到的六维力传感器各项静态性能指标力测量通道灵敏度较低力矩测量通道维间耦合较高 造成这种现象的原因有如下几点:零件加工误差、贴片工艺限制和标定过程中力加载方向等方面六维力传感器通过静态标定后各项性能指标达到测量需求 结束语笔者以改进单兵武器动不平衡冲量测试系统为目标针对测试系统工作状态时的受力情况设计了一种可实时监测正交力系的六维力传感器通过单因素分析和响应面法试验设计结合有限元分析得到响应面模型基于多目标粒子群优化算法得到最优结构尺寸参数并搭建六维力传感器静态标定系统优化结果表明力矩通道响应数值最大提升 力通道响应数值最大提升.标定结果表明传感器力测量灵敏度为./力矩测量灵敏度为./解耦后各通道维间耦合误差最大为.线性度和迟滞误差均小于设计并研发的六维力传感器具有良好的测量性能满足实际测量需求 研究结果可为多维力传感器在单兵武器动不平衡测试系统中的应用提供参考参考文献 蒋潇蓉郁家耀周君涛等.基于 的某无后坐炮发射动态仿真分析.兵器装备工程学报():.杨则尼吴承鉴崔玉江.无坐力炮不平衡力的实验研究.弹道学报():.王志华赵兆丁玮等.一种动不平衡冲量测试装置:.庞春桥陶钢李召等.轻型无后坐力炮的动不平衡冲量特性.兵工学报():.贺辉李响马洪强.六分量车轮力传感器结构多目标优化设计.机械科学与技术():.韩康陈立恒李行等.高灵敏度大量程六维力传感器设计.仪器仪表学报():.蔡大军姚建涛李颖康等.重载并联六维力传感器及静态标定.计量学报():.():.():./.:.(下转第 页)火炮发射与控制学报第 卷 结论笔者根据某大口径火炮液体气压式高平机的基本结构建立了液体气压式高平机不平衡力矩计算模型研究了高平机主要设计参数对其平衡性能的影响规律并以某大口径火炮液体气压式高平机为例引入遗传算法对平衡性能进行优化设计得出主要结论如下:)高平机主要设计参数后支点与耳轴点的距离、活塞 及活塞杆直径、初始气体压力 对高平机工作中的平衡性能影响较大 合理调整高平机后支点与耳轴点的距离、活塞及活塞杆直径、初始气体压力可有效提高高平机的平衡性能)优化分析结果表明通过该设计优化方法可将高平机不平衡力矩降低约 有效降低了火炮高低调炮时的不平衡力矩提高了高平机的平衡性能具有一定的优越性和工程应用价值参考文献 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