整体式三维压电测力平台的研制

　　由于压电式三维测力平台具有高刚度、高灵敏度、高固有频率、频率响应范围宽、线性好等优良特性,可及时而准确地测出三向静、动态力,所以已广泛地应用于切削基础理论的研究及自动检测和控制中.从目前国内外同类产品的生产和研究中可以看出,测力平台的结构形式均为组合式(例如几乎独占国际市场的瑞士Kistler公司的9257B、新产品9254测力平台、国内一直处于领先地位的大连理工大学的YDXM-Ⅲ94、YDXM-Ⅲ97测力平台等),主要由工作台、底座和4个三维压电石英力传感器组成,用螺栓连接.在装配过程中,4个传感器的性能和高度要严格保持一致,为满足这一要求,必须生产出数倍的工艺复杂、成本很高的传感器进行筛选,这使得测力平台的装配和调试相当复杂.针对上述问题,迫切需要设计出一种结构简捷、装调方便、成本低廉、精度高、结构形式完全不同于组合式结构的测力平台.

　　1　测力平台的结构优化设计

　　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[1],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　弹性环的优化设计

　　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[2].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

　　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　测力平台的结构设计

　　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[3].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