本文以電阻應(yīng)變式傳感器靜態(tài)稱重理論為基礎(chǔ)，對一款電子秤承重系統(tǒng) 進(jìn)行了介紹，對承重系統(tǒng)塑料材質(zhì)作了選擇，通過一款“支承體”零件設(shè)計(jì)舉例分析，對塑 料承重系統(tǒng)的推廣應(yīng)用作了說明。

一、電子秤承重系統(tǒng)介紹 在多種多樣的采用電阻應(yīng)變式靜態(tài)稱重設(shè)計(jì) 方案的電子衡器中，承重系統(tǒng)都起著核心結(jié)構(gòu)件 的作用，引用相關(guān)定義，此處對承重系統(tǒng)介紹為 “承受及傳遞外載荷及固定傳感器的具有足夠強(qiáng)度 和剛度的結(jié)構(gòu)零部件”。據(jù)此介紹，電子衡器的承 重系統(tǒng)包括三部分：即指承重面和支承體以及作 為核心部件的傳感器。如圖1所示，為一個(gè)典型 的電子秤承重系統(tǒng)。

其中“承重面1”承受外來的載荷，并將外載 荷傳遞給“電阻應(yīng)變式傳感器2”的一端，“電阻 應(yīng)變式傳感器2”的另外一端則固定于“支承體上。介紹中還提到，承重面和支承體還應(yīng)具有 足夠的強(qiáng)度和剛度。足夠的強(qiáng)度是指需要保證該電子秤在受到一定的沖擊載荷（一般為傳感器滿量 程的2.5倍即2.5FS時(shí)，結(jié)構(gòu)不會(huì)受到剪切破壞； 足夠的剛度則是指承重面及支承體在滿量程載荷 FS時(shí)，其彎曲變形不會(huì)超出設(shè)計(jì)所要求的范圍， 因而不會(huì)影響產(chǎn)品秤量的穩(wěn)定性。該款塑料承重 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正是基于以上理解而開展的。

二、塑料承重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和影響因素

承重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮各種因素， 既要保證工作性能，又要工藝性好，同時(shí)要節(jié)約 成本，也要兼顧外觀。合理的結(jié)構(gòu)是在最小重量 條件下具有最好的強(qiáng)度及剛度，所以其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 包括以下幾個(gè)方面的要求。

(一）剛度：包括靜剛度和動(dòng)剛度，靜剛度限 制外力作用下的變形量，動(dòng)剛度則主要是指結(jié)構(gòu) 的抗振能力及熱變形能力，對靜態(tài)電子秤而言，此 處所言的剛度就是靜剛度，對于電子秤而言, 支承系統(tǒng)的變形量可以作為設(shè)計(jì)輸入而給定，但 大多數(shù)情況下則是通過相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的，下 文案例中的零件也是試驗(yàn)獲取剛度值的例子。

（二）強(qiáng)度：要求在最大外載荷（包括突然性 載荷下，保證機(jī)架不會(huì)受到損壞，機(jī)架的強(qiáng)度 包括靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。此處的強(qiáng)度指的是靜強(qiáng) 度，主要是相關(guān)結(jié)構(gòu)件不致剪切破壞即可，通過 下文的剪力圖，可指導(dǎo)相關(guān)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

（三）穩(wěn)定性：包括結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和精度穩(wěn)定性 即尺寸穩(wěn)定性。電子秤承重系統(tǒng)受壓或壓變 斜彎時(shí)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的問題較少出現(xiàn)，此處帶 過，下文不作討論。

（四）此外，還要求有美觀的造型，電子秤整體 的外觀造型很大程度上決定于承重系統(tǒng)的造型, 實(shí)用、美觀和低成本是設(shè)計(jì)的基本原則，按照比 例、統(tǒng)調(diào)、平衡及安定等規(guī)則使得承重系統(tǒng)與產(chǎn) 品的外觀融為一體。

三、電子秤承重系統(tǒng)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)舉例 如圖2所示，為某款電子秤的支承體零件, 現(xiàn)以該零件的設(shè)計(jì)舉例。

支承體局部結(jié)構(gòu)與傳感器裝配示意，如圖2 所示。

該電子秤的最大秤量為10kg,分度值為2g, 精密度為1/5000，屬于III級(jí)電子秤。下面分別從材 質(zhì)的選擇、受力情況分析、設(shè)計(jì)過程等方面進(jìn)行 簡單分析如下：

一材質(zhì)及關(guān)鍵尺寸的選擇 該零件既是一個(gè)承重的功能件，同時(shí)因?yàn)槎?/span> 位較高，對外觀又有較高的要求，所以選用了綜 合性能較好的ABS121工程塑料作為原材料，設(shè)計(jì) 零件平均壁厚為2mm,并采用加強(qiáng)筋。這樣的設(shè) 計(jì)一方面可以保證零件的使用要求，同時(shí)可以節(jié) 約原材料的用量。加強(qiáng)筋厚度為b=0.7a=1.4mm,

加強(qiáng)筋的高度取6b=8.4mm,取8.5mm。零件的外 形尺寸約為：長x寬x高=212mm x 150mm x 23mm。上述數(shù)據(jù)部分是通過查手冊搜集而得，部 分是設(shè)計(jì)輸入要求，下一步要考慮筋位的分布， 就要清楚零件的受力情況，以使結(jié)構(gòu)更加合理。

二受力情況分析 1首先作如下簡化

①將傳感器所受的分布載荷簡化為集中載荷N ；

②將傳感器傳遞給塑料底殼的剪力及彎矩簡 化為彎矩IM-M,其大小為m ；

③將塑料底殼簡化為材質(zhì)具有連續(xù)性、均勻 性和各向同性的桿件，找出其彎矩分布的規(guī)律。

（2）簡化后的支承體受力情況如圖3所示。

（3）作相關(guān)計(jì)算：

D截面外加載荷：N=98N A截面及C截面支撐力：FA=FC=49N B截面兩側(cè)彎矩：

m 1=49x 0.07=3.43 Nl*m) m 2=49 x0.07-98 x 0.03=0.49 Nl*m)

D截面兩側(cè)彎矩：

m3=49x 0.1-98 x0.03=1.96(N*m) m4=49x 0.1-98 x0.03=1.96(N*m)

（4）根據(jù)上述數(shù)據(jù)繪制FS-x及m-x圖形，如 圖4所示。

0圖示較大彎矩出現(xiàn)在B、D截面，其中B 截面兩側(cè)為固定傳感器位置，該截面出現(xiàn)了最大彎矩，而D截面會(huì)隨著秤體受力點(diǎn)的變化而移位, 此處僅作特例說明。

㈢優(yōu)化設(shè)計(jì)

到此階段，可進(jìn)行細(xì)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的 成敗就在筋位布置的合理性。過少的筋會(huì)導(dǎo)致結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度較差、剛性不足。特別是當(dāng)剛度不足時(shí)， 會(huì)直接影響到傳感器的使用性能，其影響的程度 此處不作論述；過多的筋則會(huì)導(dǎo)致零件重量增 加，成本上升，直接影響到產(chǎn)品的市場競爭力。 所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)依據(jù)受力分析的結(jié)果來進(jìn)行優(yōu) 化，如圖5所示。

依據(jù)初始經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其理論 基礎(chǔ)主要是塑料件的一些基本性能，比如ABS塑 料在常溫下可制作具有一定強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性 的零部件。其一，綜合考慮其受力及變形的方式, 設(shè)計(jì)所要分析的側(cè)重點(diǎn)則為該零件的強(qiáng)度及剛度， 因?yàn)椴粚儆诩?xì)長桿，可不考慮其穩(wěn)定性；其二， 塑料制品的強(qiáng)度及剛度不需要嚴(yán)格計(jì)算，一般都 是通過樣機(jī)測試的數(shù)據(jù)反饋給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，根據(jù) 實(shí)際需要進(jìn)行改模。可見，若能遵循上述布筋圖 線進(jìn)行原始設(shè)計(jì)，如圖5所示的“1”、“2”兩條 筋上按比例增加高度，同時(shí)在其附近增加筋位的 數(shù)量，就有可能一次到位，有效地減少改模的工 作量、節(jié)約項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間、實(shí)現(xiàn)零件成本的優(yōu)化。

四運(yùn)用3D軟件根據(jù)外觀對零件進(jìn)行結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)后，使用M odel Analysis軟件對塑料件的各點(diǎn) 傳遞函數(shù)及模太擬合分析后表明，零件的注塑工 藝性良好。

四、塑料承重系統(tǒng)的推廣應(yīng)用

電子秤塑料承重系統(tǒng)與傳統(tǒng)的鋼質(zhì)承重系 統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)就是減少了零部件的數(shù)量，同時(shí) 降低了成本。但與鋼材相比，塑料的彈性模模量 不高，例如ABS:彈性模量E=2.0GPa—2.5GPa,泊 松比 p=0.38_0.4。而普通鋼材 E=180GPa_220GPa, 泊松比卜=0.25_0.3。這就決定了塑料承重系統(tǒng)若 單獨(dú)使用，則只能用于載荷較小、精度要求不高產(chǎn)品精密度不高于II級(jí)的設(shè)計(jì)及使用場合。

綜合塑料及鋼材的特點(diǎn)，新的設(shè)計(jì)中將兩者 結(jié)合起來使用，即一方面利用塑料的易成型、成 本低、便于修改等優(yōu)點(diǎn)，另一方面利用鋼材的高 強(qiáng)度及耐候性的優(yōu)點(diǎn)，使得新型“塑料結(jié)合鋼材” 承重系統(tǒng)成為了推廣應(yīng)用的主流。依托不同的制 造工藝，“塑料結(jié)合鋼材”主要有以下幾種形式： 1塑料包鋼件：此形式是以鋼件為嵌件，在 注塑或壓塑機(jī)上成型而得；

Q鋼板包塑件：此形式是以塑料件為嵌件， 在沖壓機(jī)上對鋼板進(jìn)行成形而得；

0機(jī)械連接：此形式是通過螺釘固定或熱鉚 塑料等方式使得塑件與鋼件連接成為一體而得。

五、小結(jié)

承重系統(tǒng)作為一臺(tái)電子秤的核心部件，其結(jié) 構(gòu)零件無論采用何種設(shè)計(jì)方式，除了工藝、技術(shù)、 成本的考慮外，還必須搜集市場及客戶的需求， 并不斷進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以滿足客戶需求為根本 出發(fā)點(diǎn)和最終目的，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)突破創(chuàng)新。