Para resolver o problema técnico causado pelo aumento da massa e pela diminuição da frequência natural em sensores de força piezoelétricos multidimensionais de grande área devido à expansão da área de teste no monitoramento da força de corte de peças de grande tamanho, foi introduzido o conceito de redução de peso. Foi desenvolvido um sensor de força piezoelétrico multidimensional de grande área e realizadas análises teóricas sistemáticas e validações experimentais. Por meio da análise funcional da estrutura, foram definidas as restrições de projeto para a redução de peso e as direções de otimização; a otimização topológica foi utilizada para obter a estrutura inicial e determinar os principais parâmetros dimensionais. Um modelo proxy dos parâmetros e objetivos de otimização foi estabelecido combinando o planejamento experimental com o método da superfície de resposta. Em seguida, com um algoritmo de otimização multiobjetivo, foram otimizados os parâmetros para definir o projeto final e fabricar o protótipo do sensor. Finalmente, o desempenho do sensor leve foi verificado por meio de calibrações estáticas, dinâmicas e experimentos reais de fresagem. Os resultados experimentais mostraram que a massa total medida do sensor caiu 8,3%, a primeira frequência natural aumentou 33,2%, a linearidade e repetibilidade direcionais foram menores que 0,5%, o erro de acoplamento direcional foi inferior a 3%, e as frequências naturais triaxiais não foram inferiores a 1,9 kHz; os experimentos de força de fresagem verificaram a estabilidade dos testes na área de trabalho, revelando claramente uma resposta sensível a diferentes condições de trabalho, provando que o sensor leve mantém um desempenho excelente. Este estudo fornece orientação teórica para o projeto estrutural futuro de sensores de força e para a melhoria das frequências naturais, possuindo um valor claro de aplicação em engenharia.

área de teste; medição de força de corte; análise de superfície de resposta; redução de peso