<strong>Stewart</strong>式六维力传感器轻量化设计

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.058

工程设计学报

2022, Vol. 29

Issue (4): 419-429 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.058

优化设计

Stewart式六维力传感器轻量化设计

王晨¹(

),高波²(

),杨旭³

^1.陕西工业职业技术学院航空工程学院，陕西咸阳 712000
^2.中国航天科技集团公司陕西电器研究所，陕西西安 710065
^3.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094

Lightweight design of Stewart type six-axis force sensor

Chen WANG¹(

),Bo GAO²(

),Xu YANG³

^1.Department of Aeronautical Engineering, Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China
^2.Shaanxi Electric Appliance Research Institute, China Aerospace Science and Technology Corporation, Xi'an 710065, China
^3.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China

全文: PDF(4136 KB) HTML

摘要：

空间复合力测量是空间感知技术的重要发展方向之一。六维力传感器作为主要的空间复合力测量装置，被广泛应用于火箭发动机推力测试、航天器对接等领域。目前，轻量化已成为六维力传感器的主要研究方向之一，但由于其设计指标多且各项指标间存在相互制约，故采用理论推导、数值仿真及实验验证相结合的方法进行研究。首先，利用螺旋理论建立Stewart式六维力传感器在理想条件下的力映射模型，通过求解综合性能目标函数来确定其各向同性度理论最优时的结构参数。然后，利用ABAQUS有限元分析软件构建Stewart式六维力传感器仿真模型，并对其初始样机的质量、刚度、强度和灵敏度进行了详细分析；在此基础上，分析了上、下加载盘主要结构参数对传感器质量、刚度和强度的影响，进而对加载盘结构参数进行了优化并设计了一种具有正四面体特征的半球形减重结构，实现了传感器的轻量化设计。最后，对优化后Stewart式六维力传感器的性能进行了仿真分析和实验验证。结果表明，基于多目标参数优化结合数值仿真、实验验证可有效提高设计效率和降低设计成本；所设计的减重结构可有效改善Stewart式六维力传感器的质量分布和提高其质量利用率，优化后传感器的质量减小了17.65%且综合性能优异。研究结果可为六维力传感器的轻量化设计和综合性能优化提供参考。

关键词： 六维力传感器; 数值仿真; 质量; 刚度; 灵敏度; 精度

Abstract:

Spatial composite force measurement is one of the important development directions of spatial sensing technology. As a main spatial composite force measuring device, the six-axis force sensor is widely used in rocket engine thrust test, spacecraft docking and other fields. At present, lightweight has become one of the main research directions of six-axis force sensors. However, due to the large number of design indicators and mutual constraints among various indicators, the method of theoretical derivation, numerical simulation and experimental verification was adopted in the research. Firstly, the force mapping model of Stewart type six-axis force sensor under ideal conditions was established based on the spiral theory, and the structural parameters when the theoretical isotropy was optimal were determined by solving the comprehensive performance objective function. Then, the simulation model of Stewart type six-axis force sensor was built by using the ABAQUS finite element analysis software, and the mass, stiffness, strength and sensitivity of its initial prototype were analyzed in detail. On this basis, the influence of the main structural parameters of upper and lower loading plates on the mass, stiffness and strength of sensor was analyzed, the structural parameters of upper and lower loading plates were optimized, and a hemispherical weight reduction structure with regular tetrahedron characteristics was designed, which realized the lightweight design of sensor. Finally, the performance of optimized Stewart type six-axis force sensor was simulated and verified by experiments. The results showed that multi-objective parameter optimization combined with numerical simulation and experimental verification could effectively improve design efficiency and reduce design cost; the designed weight reduction structure could effectively improve the mass distribution of Stewart type six-axis force sensor and improve its mass utilization. After optimization, the mass of the sensor was reduced by 17.65% and its comprehensive performance was excellent. The research results can provide reference for lightweight design and comprehensive performance optimization of six-axis force sensors.

Key words: six-axis force sensor numerical simulation quality stiffness sensitivity accuracy

收稿日期: 2021-11-19 出版日期: 2022-09-05

CLC:

TH 122

基金资助: 国家自然科学基金重点项目(51927809);陕西省科技统筹创新工程计划资助项目(604287478005);陕西工业职业技术学院校级项目(2022YKYB-034)

通讯作者: 高波 E-mail: 1064336813@qq.com;gaobo8868@163.com

作者简介: 王晨（1988—），男，陕西咸阳人，讲师，硕士，从事传感器设计与研发、结构优化研究，E-mail：1064336813@qq.com，https：//orcid.org/0000-0002-1332-9185

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王晨,高波,杨旭. Stewart式六维力传感器轻量化设计[J]. 工程设计学报, 2022, 29(4): 419-429.

Chen WANG,Bo GAO,Xu YANG. Lightweight design of Stewart type six-axis force sensor[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(4): 419-429.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.058 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I4/419

图1 Stewart式六维力传感器结构简图

表1 Stewart式六维力传感器各向同性度理论最优时的结构参数

各向同性度	数值
$η 1$	0.362 1
$η 1$	0.784 5
$η 3$	0.388 4
$η 4$	0.744 2

表2 Stewart式六维力传感器的理论最优各向同性度

表3 Stewart式六维力传感器量程

图2 Stewart式六维力传感器初始样机

图3 Stewart式六维力传感器有限元模型的网格密度影响无关性分析结果

图4 Stewart式六维力传感器有限元模型

荷载 F/N，M/Nm	$σ m a x$ /MPa	$ε m a x$ /10^-6	$σ e a v$ /MPa	K_F /(N/m)， K_M /(Nm/rad)			T/(mV/V)
荷载 F/N，M/Nm	$σ m a x$ /MPa	$ε m a x$ /10^-6	$σ e a v$ /MPa	设计值	仿真值	测试值	仿真值	测试值
F_x=1 500	31.39	138	17.85	0.40×10⁸	0.809 1×10⁸	0.783 2×10⁸	0.24	0.25
F_y=1 500	45.28	187	18.79	0.40×10⁸	0.821 7×10⁸	0.795 9×10⁸	0.25	0.26
F_z =1 500	23.77	112	15.83	0.40×10⁸	1.533 0×10⁸	1.399 0×10⁸	0.19	0.17
M_x=2 000	282.89	916	178.57	0.50×10⁶	1.557 0×10⁶	1.269 0×10⁶	1.18	1.41
M_y=2 000	417.79	1 124	216.11	0.50×10⁶	1.299 0×10⁶	1.093 0×10⁶	1.43	1.71
M_z=2 000	293.57	897	173.24	0.50×10⁶	2.451 0×10⁶	2.195 0×10⁶	1.12	1.29

表4 Stewart式六维力传感器初始样机的性能对比

表5 Stewart式六维力传感器初始样机的质量分布

图5 上加载盘半剖视图

图6 下加载盘半剖视图

图7 H1、H2对Stewart式六维力传感器最大应力的影响

图8 H1、H2对Stewart式六维力传感器拉压刚度的影响

图9 H1、H2对Stewart式六维力传感器扭转刚度的影响

图10 H1、H2对Stewart式六维力传感器质量的影响

图11 原加载盘减重结构示意

图12 半球形减重结构示意

图13 半球形减重结构位置圆定义

图14 上加载盘优化方案1

图15 上加载盘优化方案2

图16 下加载盘优化方案1

图17 下加载盘优化方案2

图18 加载盘减重结构优化设计过程

图19 优化后的加载盘端面结构示意

荷载F/N，M/Nm	$σ m a x$ /MPa	$ε m a x$ /10^-6	$σ e a v$ /MPa	K_F /(N/m)，K_M /(Nm/rad)	T/(mV/V)
F_x=1 500	35.15	163	19.36	0.749 1×10⁸	0.27
F_y=1 500	50.21	258	21.07	0.773 7×10⁸	0.29
F_z =1 500	26.25	147	17.24	1.279 0×10⁸	0.22
M_x=2 000	325.19	1 031	202.14	1.369 0×10⁶	1.42
M_y=2 000	396.21	1 271	208.97	1.206 0×10⁶	1.39
M_z=2 000	318.93	974	187.31	2.193 0×10⁶	1.26

表6 优化后Stewart式六维力传感器的性能

图20 优化后Stewart式六维力传感器的应力云图

图21 Stewart式六维力传感器优化样机

图22 Stewart式六维力传感器标定装置

表7 Stewart式六维力传感器优化样机的刚度、灵敏度

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