微型力敏操縱桿的結構優化設計

李寶生, 王 政

(中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

微型力敏操縱桿是武器裝備火控系統中操作手柄的核心敏感器件，將操作者作用力實時轉化成電信號并輸出到信號采集處理單元，輔助操作者完成目標搜索、瞄準與鎖定、打擊等任務[1]。隨著力敏操縱桿的廣泛應用，傳統產品的一些缺陷逐漸暴露出來：1)敏感元件封裝空間狹小[2]，導致工藝繁瑣，成品率底，限制產能;2)采用剛性結構梁，導致操作手感僵硬，操作難度大。針對以上情況,本文對微型力敏操縱桿進行結構優化設計。

1 傳感器原理簡述

力敏操縱桿原理為：采用應變電測技術，測量懸臂梁微應變[2]，如圖1所示，在懸臂梁根部封裝敏感元件感應操作者作用力導致的懸梁應變，懸臂梁根部4個平面分別封裝敏感元件，組成兩組惠斯通半橋，如圖2所示，實現對x，y軸向力的實時測量。

圖1 懸臂梁示意

圖2 敏感元件橋路連接

2 柔性梁設計

傳統力敏操縱桿采用圓柱形剛性懸臂梁結構，如圖3所示，梁根部磨4平面，用于封裝敏感元件。這種結構形式的缺點是用于敏感元件封裝的平面狹小，且所采用的剛性梁位移量很小。

圖3 圓柱形剛性懸臂梁結構示意

為增加懸臂梁敏感元件的封裝空間與撥動位移，設計了一種新型柔性梁結構，該結構由彈性元件與柔性元件組成。

2.1 彈性元件結構設計與力學分析

彈性元件采用外方內圓的空心結構，如圖4所示，在增加敏感元件封裝面積的同時滿足應變值要求。彈性元件應變值為

(1)

式中ε為應變值，F為滿量程載荷，L為在力臂長度，E為材料彈性模量，IZ為截面慣性矩，B為外方尺寸，A為內孔尺寸。

2.2 柔性元件結構設計與力學分析

2.2.1 柔性元件幾何描述

為了在有限空間內實現操縱桿的撥動行程，柔性元件采用螺旋切口結構，如圖5所示。柔性元件上端固定，下端作用橫向力F時，將向右偏轉，假設螺旋有n圈。在未受力的自然狀態下，螺旋中心的軌跡為一等螺距螺旋線[3]，按照圖示坐標，其參數方程為

(2)

式中 0≤t≤2nπ施力點坐標為(0,0，np+l)，在操作過程中，人手所感知的為該點的位移。

圖5 柔性元件幾何模型分解

2.2.2 柔性元件受力分析

可將柔性元件的幾何模型分解為奇數半圈、偶數半圈及施力桿進行力學分析[4～6]。對每一個半圈與施力桿進行力學分析，構建柔性元件在橫向力F作用下的變形計算模型，如圖5所示。

在受到橫向力F作用下，柔性元件將發生橫向彎曲，在初始平衡狀態下，圖6中各截面所受載荷為

F21=F12=F32=…=F2i-2,2i-1=F2i,2i-1=F2i-1,2i=F2i+1,2i=…=F2n-2,2n-1=F2n,2n-1=F2n-1,2n=Fg,2n=F2n,g=F

(3)

各截面1所受扭矩為

T2i+1,2i=T2i,2i+1=F(2n-2i)p+Fl

(4)

(5)

式中T為各端點所受力矩；p為螺旋節距，在變形過程中不斷發生變化，需要進行修正。

2.2.3 柔性元件形變量分析

當發生彎曲時，各端點在x-z平面內將發生位移，其中一個端點的位移包含兩部分：橫向平動產生的位移δ″和因截面扭轉角φ產生的旋轉位移δ?。

1)截面扭轉角

圖6(a)示出的(0,1)段的螺旋半圈，是0端固定、1端自由的半圓形梁，根據莫爾積分，可求得1端截面對0端截面的扭轉角φ1為

(6)

式中G為彈簧材料的切變模量；E為材料的彈性模量；μ為泊松比；I為螺旋截面對對稱軸的慣性矩；Ip為螺旋的截面極慣性矩，由螺旋絲截面形狀決定。

同理可得

(7)

(8)

2)平動位移的計算方法

如圖6(a)所示(0,1)段半圓形，根據變形疊加及莫爾積分，可求得1端的位移，將求得的位移按夾角γ分解到x方向和z方向，夾角γ為半圓梁所在平面與x-y平面的夾角

(9)

可得1端在x方向的位移為

(10)

在z方向的位移為

(11)

同理，根據圖6(b),(1,2)段半圓形梁的受力關系求得2端的位移，分解得到2端在x方向的位移為

sin(π+γ+φ1)

(12)

在z方向的位移為

cos(π+γ+φ1)

(13)

根據圖6(c)所示(2i-2,2i-1)段半圓形梁的受力關系求得2i-1端的位移，分解得到2i-1端在x方向的位移為

(14)

在z方向的位移為

(15)

根據圖6(d)所示(2i-1,2i)段半圓形梁的受力關系求得2i端的位移，分解得到2i端在x方向的位移為

(16)

在z方向的位移為

(17)

2n端所產生的平動位移量受之前的各點影響，其x方向平動位移為

(18)

z方向的平動位移為

(19)

3)截面扭轉變形所產生的位移計算方法

2i-1端截面的偏轉角φ2i-1導致該端點以后的螺旋線中心線發生偏轉，角度為φ2i-1/2，螺旋線最后端點2n在x方向的位移為

(20)

z方向的位移為

(21)

2i端偏轉角φ2i對引起2n端x向位移為

(22)

z向位移為

(23)

可得各端點偏轉導致2n端x方向的位移為

(24)

z方向位移為

(25)

4)施力點位移

施力點的位移由螺旋末端2n端，與圓柱桿偏轉位移組成，如圖6(g)所示，施力點偏轉角為

(26)

施力點的x方向位移為

(27)

施力點的z方向位移為

(28)

3 算例分析

常用力敏操縱桿有多種，如拇指力操作、手扳力操作等，根據使用方法不同其外形體積與性能參數各有不同，本文以拇指力微型操縱桿為例，目前市面上常用的拇指力微型操縱桿如圖7所示。按以往經驗，拇指力操縱桿量程為3LB(13.3N)，拇指易感知撥動行程不小于3 mm。

圖7 拇指力用微型操縱桿實物與尺寸

為了增大彈性元件的應變值與柔性元件的撥動位移，選擇強度高，彈性模量小的鈦合金(TC11)為材料，彈性模量E=1.18×1011Pa，泊松比μ=0.3。根據產品空間并布局以量程需求，設計柔性機構的具體尺寸參數如圖8所示，從圖中可以得出，彈性元件力臂L=35.4 mm，貼片處外方尺寸B=2.6 mm，內孔直徑A=2.1 mm。柔性元件螺距p=2 mm，共8圈，直徑D=7.2 mm，螺旋絲截面寬b=2 mm，高h=1.4 mm，施力桿長度l=13 mm。

圖8 柔性機構具體尺寸

由式(1)得，彈性元件應變值為1817×10-6，滿足一般應變敏感元件的測量要求[7]。

計算柔性元件施力端位移量為

φg=0.089=10.2°

δg,x=3.8 mm

δg,z=-0.28 mm

施力桿所產生移動如圖9所示。

圖9 施力桿移動示意圖

4 測試與誤差分析

按圖8完成柔性梁制作，并完成敏感元件封裝，組裝測試，如圖10所示。采用圖2的橋路連接敏感元件，采用±5VDC供電，加載3LB后測試橋路輸出為1.48 V，x向位移為4.2 mm，z向位移-0.31 mm。

圖10 組裝及測試實物照片

可得應變值

(29)

式中u為橋路輸出，為1.48 V；E為橋路單端電壓，為5 V;K為敏感元件靈敏度，所選用的敏感元件靈敏度為170。

通過計算結果與測試結果對比可得，彈性元件的應變值與柔性元件的位移值均存在誤差，應變值的誤差產生主要由以下幾方面：1)敏感元件靈敏度系數(K值)誤差；2)機械加工誤差，尤其是空心敏感部位形狀誤差直接導致應變值誤差；3)敏感元件封裝位置誤差，彈性元件為懸臂梁原理，粘貼位置改變力臂長度，引起誤差。

柔性元件位移誤差產生由以下幾方面：1)機械加工誤差；2)計算過程忽略了微小的彈性元件與施力桿的彈性位移。

5 結 論

1)設計一種微型操縱桿用柔性梁結構，彈性元件采用空心結構，滿足應變要求的前提下，有效增加了敏感元件的封裝空間，柔性元件采用螺旋結構，施力過程中產生操作者易感知的撥動行程，改善操作手感。

2)為微型力敏操縱桿用柔性梁設計提供了一種有效的計算方法。