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小工作空间压电式六维力传感器研究

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小工作空间压电式六维力传感器研究

火箭发射的安全性和经济性与燃料贮箱栅格的精密加工密切相关。

小工作空间压电式六维力传感器研究

传统加工方法难以达到栅格加工精度要求,镜像铣削凭借其效率高、通用性强、精度高等优点,成为解决大型薄壁构件加工问题的有效途径。为保证镜像铣削的加工精度,应准确获取支撑末端所受多维力、力矩信息并灵敏感知支撑力的微小变化,实时调整支撑末端的位置和支撑力的大小,为局部加工区域提供刚度补偿。

显然,支撑力信号实时测量是火箭贮箱筒段栅格镜像加工与装备可靠运行的重要保证。此外,支撑末端要求高度集成,力传感器单元被限制在Ф17mm的狭小工作空间内。支撑力信号是由力传感器获取的,因此研制用于小工作空间内多维支撑力测量的传感器,并对其进行精确标定是保证舱壁栅格加工精度的基础。

提出相应的解决方案,研制出了在小工作空间内用于六维支撑力测量的高灵敏度压电力传感器。本文以支撑力信号测量为研究对象,针对支持力信号测量空间受限、多维、分辨率低的测试难点,从测试原理、理论推导、结构仿真和实验标定等方面,对支撑力测试的难点进行分析研究。

首先基于支撑末端在工作中的受力情况,总结归纳出支撑力信号测试的难点。利用六维力作用下压电晶片的应力分布规律,求出感生电荷量与六维应力之间的对应关系,得到晶组和电极片的组合形式,实现了小工作空间内六维支撑力的测量。之后对压电力传感器晶组、壳体的结构进行设计。确定了小工作空间内力传感器的预紧形式,建立预紧状态下传感器的力学模型,分析力在传感器上的传递过程,得到了在不同量程内预紧部件刚度的许用范围。

利用ANSYS Workbench软件对传感器进行仿真建模,分别对传感器进行模态和静力结构分析,结果均满足镜像铣削过程中对支撑力的测量要求。根据测试系统分辨率的影响因素,对信号采集系统中各元器件进行合理选型,完成了力测试系统的搭建。

最后对研制的压电力传感器进行标定实验,得到了力传感器的静、动态标定指标。对静态标定指标的影响因素进行分析,重点分析偏载对向间干扰的影响,提出了衡量加载点偏差程度的判别方法。针对机械连接偏载不可避免事实,提出了克服偏载对归一化系数影响的输出比例归一化法,将最大向间干扰降至5%以内。之后,对力传感器进行了分辨率测试实验,实验结果表明,研制的压电式六维力传感器满足支撑力测量的需求。