新型地磅称重传感器气缸砝码组件设计要求
针对传统称重传感器标定装置的气缸砝码组件存在重量偏重装配困难较大等问题，对传统气缸砝码组件的结构进行了改进，设计了一种新型气缸砝码装置对新型气缸砝码装置的特性进行了仿真分析，分析结果表明:新型装置相比于传统装置质量减小了14.9%，具有质量轻应力应变小等优点通过模态分析发现:第6阶模态振型会对支撑板产生振动变形，从而使得支撑板所受的载荷增加。此研究可为气缸砝码组件设计提供一定理论参考。
科学技术日新月异的进步使得传感器的应用领域迅速扩大，如在测量控制以及信息等领域传感器的应用越来越广，传感器种类的发展越来越多传感器可靠性的高低对产品质量有着重要的影响，因此，提高传感器工作可靠性对称重传感器进行标定的重要性不言而喻。从目前来看国内外学者主要针对称重传感器托盘进行理论分析及试验研究。国外的学者对托盘的静态变形进行了研究分析。国内如王艳菊等利用ANSYS有限元分析软件分析了称重传感器标定装置托盘的弯曲特性,并对其进行了实验验证;桑军等利用有限元分析COSMOSWorks软件,优化设计了整装整卸托盘纵梁装置的特性。
本文通过对传统气缸砝码进行轻量化设计,同时为了提高气缸砝码加载装置的刚度和强度,在新型装置的支撑板上增加了两个支撑柱,设计出一种新型气缸砝码装置用来解决目前气缸砝码装置重量过重、不方便装配等问题。通过有限元分析软件对新型装置进行了仿真分析,仿真结果表明新型气缸砝码装置具有应力应变小、质量轻等优点。
1.地磅称重传感器误差标定装置工作原理
在测试前,首先将地磅称重传感器固定到传感器底座上,然后将砝码放置到托盘的正中央上方。砝码放置好以后，按启动按钮，使气缸驱动砝码组对称重传感器进行加载，加载卸载完成后，完成一次标定过程。一次标定过程完成后利用计算机对采集的数据进行处理形成传感器误差检测测试报表，由打印机打印输出，测试数据存入数据库中，为后期称重传感器产品打印合格证书和质量追踪提供方便然后，再对托盘左上角左下角右上角右下角4角进行标定，地磅称重传感器误差标定装置总体结构如图1所示。

2.气缸砝码组件模型及其惯性力计算
2.1气缸砝码组件模型
传统称重传感器标定装置的气缸砝码装置主要由气缸法兰盘支撑板砝码杆砝码等组成。主要零件尺寸为:砝码的直径为 300mm,厚80mm;砝码杆的长度为554.5mm;法兰盘厚度为 20mm；长宽都是240mm;支撑板的厚度为30mm;传统称重传感器标定装置总体结构如图2(a)所示，支撑板与X Y方向运动机构采用螺栓连接。新型气缸砝码装置三维图如图2（b)所示。与传撑板采用了镂空设计，大大降低了气缸砝码装置的重量。新型支撑板设计材料采用铝合金，与传统支撑板采用结构钢设计相比又进一步降低了气缸砝码装置的重量，而且刚度强度更好，支撑板三维模型图如图3所示。

2.2气缸砝码组件惯性力计算

实际称重传感器标定装置工作情况Y坐标方向上气缸砝码装置移动距离L=300mm;往返周期单项为T=3s,移动部件重量为m=234kg,机械传递效率为90%,步进伺服电机的加速时间t=0.1s,因此电机加速与减速时间总共为t1=0.2s,电机匀速运行时间t2=1.3s，根据气缸砝码装置移动距离，可得出如下方程:

3.有限元静力学分析
3.1有限元模型
新型称重传感器标定装置气缸砝码装置有限元模型如图4所示。支撑板材料采用铝合金，密度2.7g/立方米，弹性模量E=71.7GPA,泊松比U=0.33.其他零件材料采用Q235方钢，密度7.85g/c立方米，弹性模量E=200GPa,泊松比u=0.3.材料属性定义完成之后，对导入的模型进行网格划分.网格结构的选择及划分的疏密对分析结果的精确性有着重要的影响，由于气缸砝码组件较平整，尖角和凹凸面较少，文中采用了自由网格划分方法对气缸砝码装置有限元模型进行网格划分.本文对气缸砝码组件进行静力学分析，砝码与砝码杆之间的接触采用绑定方式，经过有限元网格划分共有151 812个节点、78  746个网络单元。
3.2有限元分析结果对比
根据气缸砝码组件工作的实际工况，在对称重传感器标定装置进行传感器误差标定时，气缸砝码组件支撑板与X、Y方向运动装置采用螺栓连接在一起，所以将气缸砝码组件有限元模型支撑板采用Fixed Support固定约束，而气缸砝码组件自身重量不可忽略，因此将气缸砝码组件有限元模型整体施加标准地球重力.由于气缸砝码组件在X、Y方向方向移动是通过电机驱动导轨，导轨带动气缸砝码来实现，电机在运行过程中存在着加速与减速，因此在加载过程中在  方向还存在着惯性力，所以将气缸砝码组件有限元模型整体在X方向施加2.14m/s2的加速度,载荷具体施加情况如图5所示.

 
4.模态分析

固有模态振型频率以及阻尼比是每一个机械结构不可缺少的固有特征，因此，研究气缸砝码装置的固有频率以及振型也是必要的［］模态分析技术已经广泛运用在各个领域如在汽车领域人们研究如何提高车辆乘坐舒适性，在环境保护领域研究如何降低各种噪声对环境的污染
当今对产品动力学分析采用模态分析已经成为了一种重要手段［］它可以对产品的动态特性进行评价以及优化设计.在实际工程当中，一般低阶振型决定结构的动态特性.
本文对气缸砝码装置的前阶模态进行分析，得出预应力模态下气缸砝码组件前阶固有频率及对应振型，如表1所示。

通过对比气缸砝码组件的各阶位移云图，发现在气缸砝码组件的前6阶模态振型中第6阶模态振型会对支撑板产生振动变形，从而使得支撑板所受的载荷增加，增加了称重传感器气缸砝码装置的变形，减小了其刚度与强度，从而进一步影响传感器的精度.其应变云图如图7所示。模态分析中振动的幅值是一个相对量，其大小不能反映实际称重传感器标定装置在标定传感器过程中气缸砝码装置所受到的真实幅值情况。

从图7中可以看出，在第6阶模态，气缸砝码装置的最大变形量发生在支撑板上。因此，在气缸砝码设计过程中，要着重考虑支撑板的刚度与强度，该研究结果可为以后气缸砝码装置的优化设计提供一定的理论参考。
5.结论
（1）新型地磅称重传感器标定装置气缸砝码装置支撑板采用中空设计，创新使用两根镂空支撑柱，使得气缸砝码组件的质量大幅度降低。分析得出在工作状态下气缸砝码装置变形量减小了46.47%，应力减小了78.82%，从而证明了新型装置具有质量轻强度刚度高的特点。
（2）通过对气缸砝码装置进行模态分析获得了气缸砝码装置在工作中的共振频率。为气缸砝码装置机械结构优化设计提供一定的理论参考，避免气缸砝码装置机械结构设计过程中的盲目性，提高设计效率。