薛彥輝，石云波，趙 赟，于春華

（中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051）

0 引言

加速度計重力場翻滾實驗是利用重力加速度將加速度計輸入軸、擺軸和輸出軸方向的分量作為輸入量，通常采用等角度分割的多點翻滾程序或加速度增量線性程序，來標(biāo)定加速度計各項靜態(tài)性能參數(shù)的實驗[1]。該實驗是各種量程加速度計性能測試的主要實驗之一。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，用于進(jìn)行加速度計翻滾實驗的設(shè)備主要有精密光學(xué)分度頭、精密端齒盤、雙軸位置轉(zhuǎn)臺等。這些設(shè)備一次只能對一只微加速度計進(jìn)行實驗，且安裝微加速度計的夾具無法與翻滾驅(qū)動裝置分離。

在某863項目設(shè)備的設(shè)計過程中，需要設(shè)計一種微加速度計翻滾實驗平臺。該平臺具有如下特點：1）平臺要求能一次對多只微加速度計進(jìn)行翻滾實驗；2）微加速度計夾具能與翻滾驅(qū)動裝置自動結(jié)合與分離。為此，本文利用SolidWorks三維設(shè)計軟件設(shè)計了一種滿足上述特點的微加速度計翻滾實驗平臺，并利用軟件自帶的插件進(jìn)行了干涉檢查、制作了運動演示動畫、對關(guān)鍵零部件進(jìn)行了應(yīng)力分析。

1 翻滾實驗平臺本體設(shè)計

翻滾實驗平臺結(jié)構(gòu)采用SolidWorks 2012軟件進(jìn)行設(shè)計和仿真。該設(shè)計平臺功能強大、易學(xué)易用，同時能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量[2]。設(shè)計中采用自下而上的設(shè)計方法，即首先設(shè)計好各個零部件， 然后利用裝配關(guān)系將各個零部件進(jìn)行裝配組合[3]。

微加速度計夾具做成如圖1所示的槽形結(jié)構(gòu)。在槽內(nèi)安裝多只微加速度計，在槽的兩側(cè)分別設(shè)置方孔和圓孔。實驗時，與電機(jī)相連的銷插入方孔內(nèi)，驅(qū)動微加速度計夾具翻滾；圓孔內(nèi)插入頂桿，支撐微加速度計夾具。為了方便銷和頂桿在實驗時能準(zhǔn)確插入，將銷做成如圖2所示的梯形，頂桿做成如圖3所示的圓臺形。微加速度計夾具整體采用硬鋁，以減少翻滾部分的重量。在方孔和圓孔內(nèi)嵌套2mm厚的T8鋼套，減少與銷和頂桿的摩擦損耗。銷和頂桿采用T8鋼材料。

圖1 微加速度計夾具

圖2 銷

圖3 頂桿

平臺運動部分采用電機(jī)連接滾珠絲杠的方式。利用SolidWorks 2012軟件根據(jù)選定電機(jī)、滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌的實際尺寸建立他們的三維模型。

底座采用鋼板焊接而成，為平臺的其它零部件提供安裝、定位基準(zhǔn)。為了在實驗開始時，能將微加速度計夾具準(zhǔn)確放置在底座上，在底座上設(shè)置和夾具大小相同，深2mm的槽，如圖4所示。

圖4 底座

對實驗平臺進(jìn)行三維造型和裝配，總體機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在SolidWorks軟件主菜單中選“工具”，單擊“干涉檢查”，在彈出的對話框中選擇建立的實驗平臺裝配體，單擊“計算”進(jìn)行干涉檢查。檢查結(jié)果表明該加速度計翻滾實驗平臺未出現(xiàn)干涉，裝配關(guān)系設(shè)計合理。

圖5 實驗平臺總體機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 翻滾實驗平臺運動仿真

SolidWorks無縫集成的COSMOS Motion三維動力學(xué)仿真軟件是一款專門用于模擬機(jī)械運動和校驗機(jī)械設(shè)計的動力學(xué)插件[4]。利用這一工具可以在實際生產(chǎn)之前確定設(shè)計的可行性，同時仿真軟件可以方便地通過動畫，圖形，數(shù)據(jù)等多種形式輸出零部件的運動軌跡[5]。

首先，設(shè)置實驗平臺的各個零部件為靜止零部件或運動零部件。同時，將實驗平臺裝配體中的約束副導(dǎo)入到COSMOS Motion的約束當(dāng)中。我們可以自行修改COSMOS Motion約束副當(dāng)中的條件，且在COSMOS Motion約束副中修改的條件不會影響裝配體的配合。接著，在傳感器夾具上添加旋轉(zhuǎn)副，相當(dāng)于添加了步進(jìn)電動機(jī)。然后，添加運動、約束、力、碰撞等，同時根據(jù)實驗平臺實際運動時的情況，定義各零部件運動距離和轉(zhuǎn)動角度等。通過模擬實驗平臺完成一次加速度計的翻滾實驗來調(diào)整修改設(shè)計方案。

微加速度計翻滾實驗過程如圖6所示。

圖6 翻滾實驗過程仿真

實驗時運動主要分為五步：

第一步：銷和頂桿將傳感器夾具夾緊。由電機(jī)2驅(qū)動水平絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動銷和頂桿向前運動插入傳感器夾具的孔內(nèi)，將傳感器夾具夾緊，如圖6(a)所示；

第二步：傳感器夾具向上運動到離底座表面100mm處。由電機(jī)3驅(qū)動豎直絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動傳感器夾具向上運動到離底座表面100mm處，如圖6(b)所示；

第三步：微加速度計進(jìn)行多點翻滾實驗。由電機(jī)1驅(qū)動傳感器夾具在一周內(nèi)進(jìn)行多點定位，為微加速度計提供加速度敏感基準(zhǔn)，如圖6(c)所示。為防止微加速度計的輸出信號線纏繞，電機(jī)1完成多點定位后，反轉(zhuǎn)相同的角度，如圖6(d)所示。

第四步：傳感器夾具回到底座上。由電機(jī)3反轉(zhuǎn)，驅(qū)動豎直絲杠反向旋轉(zhuǎn)，使傳感器夾具向下運動回到底座上，如圖6(e)所示。

第五步：銷和頂桿釋放傳感器夾具。由電機(jī)2反轉(zhuǎn)，驅(qū)動水平絲杠反轉(zhuǎn)，使銷和頂桿退出傳感器夾具的孔，各個零部件回到初始位置，如圖6(f)所示。

3 主要部件應(yīng)變分析

由于滾動導(dǎo)軌大約有5N的摩擦阻力，所以當(dāng)銷和頂桿向前運動插入傳感器夾具的孔內(nèi)時，連接件會有變形，此變形將直接影響銷和頂桿對傳感器夾具的夾緊程度，進(jìn)而影響實驗平臺的測試精度。對此，我們采用SolidWorks自帶的插件simulation對連接件進(jìn)行了應(yīng)變分析。

連接件的材料用鑄造碳鋼，將連接件兩端固定，中間加10N的壓力，得到應(yīng)力分布圖如圖7所示，位移分布圖如圖8所示。

圖7 連接件應(yīng)力分布圖

圖8 連接件位移分布圖

從圖中可以看出，最大應(yīng)力為1711.8N/m2，最大位移為2.856×10-6mm。在連接件這樣的應(yīng)變條件下，銷和頂桿完全可以將傳感器夾具夾緊到符合翻滾實驗要求。連接件的尺寸和材料選擇符合微加速度計翻滾實驗平臺設(shè)計要求。

表1 性能參數(shù)

4 測試數(shù)據(jù)對比與結(jié)論

按照上述設(shè)計，批量加速度計翻滾實驗平臺已加工完成，如圖9所示。用該平臺測試的加速度計性能參數(shù)和廠家測試的加速度計性能參數(shù)如表1所示。

圖9 批量加速度計翻滾實驗平臺實物

從表中數(shù)據(jù)可以看出，采用該平臺標(biāo)定的加速度計與廠家給的標(biāo)定值差別不大，可以客觀地反映加速度計內(nèi)在性能的優(yōu)劣。實踐證明，該平臺運行穩(wěn)定，標(biāo)定結(jié)果準(zhǔn)確可信。

[1]劉俊,石云波,李杰.微慣性技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:193.

[2]黃文俊,李錄平,郭克希.基于SolidWorks的汽輪機(jī)扭曲葉片造型研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2007(5):67-69.

[3]余曉鑫,田聯(lián)房,王孝洪,等.基于SolidWorks的巡線機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計及越障運動仿真[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2010(8):180-182.

[4]孟祥德,李剜順,等.CAD/CAE協(xié)同仿真技術(shù)應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2007(9):213-215.

[5]劉天祥,宋廣明,王明,韓霞.基于COSMOSMotion水稻栽植機(jī)秧針軌跡的運動分析[J].機(jī)械工程師,2009(2):102-103.