張海濤，劉 運

(1．合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230031；2．安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230031)

基于三維定位的工作臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

張海濤1，劉 運2

(1．合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230031；2．安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230031)

為了優(yōu)化工作臺的機械結(jié)構(gòu)，進而提高工作臺的效率。本文提出了基于三維定位的工作臺機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，并重點分析工作臺機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，主要包括同步電機偏心安裝、磁流變液阻尼器與配重塊設(shè)計和工作臺結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等。

三維定位；工作臺；機械結(jié)構(gòu)；設(shè)計

在三維坐標(biāo)測量機中，三維定位工作臺是硬件結(jié)構(gòu)主體，奠定了坐標(biāo)測量機測量和定位實現(xiàn)的基礎(chǔ)[1]。激光測量器件以及電機、導(dǎo)軌等通用器件共同組成了三維定位工作臺，在設(shè)計其機械結(jié)構(gòu)時，首先要完成選型和設(shè)計操作，對工作臺的X向和Y向進行定位，形成共平面結(jié)構(gòu)，所以，對于三維定位工作臺來說，設(shè)計其機械結(jié)構(gòu)又可分解為五個部分：設(shè)計基臺，針對共平面設(shè)計二維定位平移臺部件，針對定位工作臺設(shè)計Z向定位工作臺部件，設(shè)計安裝調(diào)平機構(gòu)以及設(shè)計測量器件以及通用器件的選型。本文詳細描述了基于三維定位的工作臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并重點研究了方案的優(yōu)化。

1 基于三維定位的工作臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

1.1 工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計“311”原則

在設(shè)計工作臺總體結(jié)構(gòu)過程中，要遵循以下“331”原則：分別為點面重合、三面共面以及三線共點。其中點面重合是指側(cè)頭點要與其構(gòu)成的測量面重合；三面共面是指X、Y測量線分別與其導(dǎo)軌導(dǎo)向面組成的測量平面要實現(xiàn)三個平面的重合；三線共點是指三軸測量線要相交于一點并且相互垂直。圖1給出了具體的“331”原則示意圖，在這種結(jié)構(gòu)布局基礎(chǔ)上構(gòu)建出的定位工作臺，不僅能使導(dǎo)軌運動誤差帶給平臺運動的影響得到有效降低，同時從原理上還能夠使阿貝誤差對測量的影響得到消除。

圖1 “331”原則示意圖

布置設(shè)計“三線共點”測量系統(tǒng)。首先要在基臺上完成激光器和調(diào)整結(jié)構(gòu)的安裝，基于預(yù)設(shè)中心交點完成假設(shè)標(biāo)準四方棱體的架設(shè)步驟，該棱體的三面是相互垂直的，并在此基礎(chǔ)上對三軸進行調(diào)整，保證棱體各面都能保持與激光器之間的相互垂直，并通過微調(diào)技術(shù)的使用，確保三軸的光束能交于一點，最終實現(xiàn)各軸光束相互垂直并于一點相交的目標(biāo)。調(diào)整完成之后在花崗石平臺上進行激光器的固定，該操作與平移工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計相互獨立，減小激光測量由于運動平臺的變形和振動帶來的影響。

設(shè)計“三面共面”的平移臺。首先要確保在同一水平面上對X，Y軸導(dǎo)軌運動的導(dǎo)向面進行設(shè)置，并使其重合與激光測量光束組成的測量面。通過相互嵌套X-Y平面的形式確保導(dǎo)向面的共面，實現(xiàn)X，Y導(dǎo)軌的高度相同，然后主要對X，Y激光測量光束進行調(diào)節(jié)，使其組成的測量面重合與導(dǎo)向面，“三面共面”就得以實現(xiàn)。但是需要引起我們關(guān)注的是，在導(dǎo)向面共面采取的方式方法上，多采取機械加工或設(shè)計的形式，再利用激光量光束通過微調(diào)實現(xiàn)“三面共面”，最后對X、Y測量面進行固定面對“三線共點”進行調(diào)節(jié)。這種設(shè)計方式，使得測量面和運動導(dǎo)向面互相重合，能使工作臺和導(dǎo)軌之間的距離得以縮短，使得在X-Y平面內(nèi)的測量機運動，有效降低X，Y導(dǎo)軌的直線度誤差直接帶給工作臺的影響[2]。

設(shè)計“點面重合”。對激光器以及三維平移臺進行調(diào)試操作之后，還要進一步的調(diào)節(jié)測頭高度，是其中心點能與X、Y測量平面實現(xiàn)重合，也即是實現(xiàn)了“點面重合”，進而使得“三面共面”上的任一測量點具有最低的阿貝誤差。

1.2 總體結(jié)構(gòu)方案

在“331”原則的基礎(chǔ)上，對三維定位工作臺進行了設(shè)計，圖2給出了具體的整體結(jié)構(gòu)布局示意圖。由圖可知：X向?qū)к壈裍向工作臺與基臺固定架連接在一起，Y向?qū)к壈裏向工作臺與X向工作臺連接在一起，Z向?qū)к壟c水平面相垂直，與Z向工作臺相連，X向工作臺、Y向工作臺和Z向工作臺分別做X向、Y向和Z向的自由度運動。各驅(qū)動系統(tǒng)負責(zé)X，Y向工作臺的驅(qū)動，其測量定位由激光測量系統(tǒng)進行，基臺和Y向驅(qū)動系統(tǒng)都是與X向工作臺固定連接的，同時基臺上還需要固連位移測量的激光器，Z向工作臺上需要固連激光器的反射靶鏡。三維定位工作臺的組成部分分別包括框架系統(tǒng)、導(dǎo)軌、平衡部件、驅(qū)動系統(tǒng)以及激光干涉測量儀系統(tǒng)。

圖2 三維工作臺水平面布置圖

2 三維定位工作臺詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 二維定位工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

從功能的角度來講，X、Y方向共平面運動以及對運動進行精確定位的實現(xiàn)是二維定位工作臺的目標(biāo)。二維定位平移臺的結(jié)構(gòu)可以從工作臺總體的設(shè)計方案中得到，如圖形所示。

圖3 二維定位平移臺結(jié)構(gòu)圖

圖3給出了具體的平移臺結(jié)構(gòu)示意圖，其組成部分包含了X向工作臺、Y向工作臺、Z向工作臺的基座、導(dǎo)軌、電機以及二維測量系統(tǒng)，在平移臺設(shè)計中包含了反射靶鏡，但是平移臺的布置是與測量系統(tǒng)的激光器相互獨立的，三個方向工作臺的基臺結(jié)構(gòu)布置呈層疊結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中，關(guān)鍵問題要確保X、Y、Z方向上驅(qū)動線、測量線和導(dǎo)向線的平行問題以及X、Y向的導(dǎo)向面共面問題。X向?qū)к壔窃诨_上直接固定的，在X向電機驅(qū)動下整個平移到實現(xiàn)了沿著X向?qū)к壍钠揭?，在Y向電機驅(qū)動下Y平移臺實現(xiàn)了沿著Y向?qū)к壍钠揭?。為了確保驅(qū)動線和運動線的同向，在進行機械設(shè)計時要通過對驅(qū)動架安裝面和電機架軸線垂直精度和平面精度的設(shè)定實現(xiàn)驅(qū)動精度。

2.2 Z向定位工作臺設(shè)計

從功能的角度來說，Z向工作臺沿著垂直于X-Y面的方向在Z軸電機驅(qū)動下做Z向?qū)к夁\動。圖4給出了具體的Z向工作臺結(jié)構(gòu)示意圖，通過電機支架把Z向電機與Y向工作臺固連，沿著Z向?qū)к夠?qū)動Z向工作臺與Y向工作臺做相對運動，Z向靶鏡是與Z向工作臺固連的，Z向激光器與基臺固連，這兩者配合共同實現(xiàn)Z向精度定位。從工作臺部件上來說，Z向定位工作臺包含了導(dǎo)軌支架、Z向工作臺、滑輪、導(dǎo)軌、Z向電機、重錘、Z向靶鏡以及電機支架等，根據(jù)功能可以把以上零部件分為定位、導(dǎo)向、平衡和驅(qū)動四類。從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度來說，需要采取措施保障導(dǎo)向線、測量線和驅(qū)動線的同向。通過對驅(qū)動架和電機架精度的設(shè)定，可以保障導(dǎo)向線與驅(qū)動線的同向。通過調(diào)整Z向靶鏡的調(diào)整機構(gòu)，可以保障導(dǎo)向線與測量線的同向。進而實現(xiàn)Z向定位工作臺的三線平行設(shè)計。

圖4 Z向定位工作臺結(jié)構(gòu)示意圖

可以簡單的設(shè)計Z向工作臺為實心長方體塊，但是基于使重力影響減小的角度，在設(shè)計中使用的長方體柱是空心的，但是Z工作臺上的測量面表面要設(shè)置為實心面，其組成部分包括Z主臺體以及載物臺。

2.3 Z向反射靶鏡設(shè)計

Z向測量定位部件一般是指Z向激光器靶鏡，是為了與Z向激光器配合進行Z向精度定位設(shè)置的。激光器靶鏡是與Z臺固連的，而且靶鏡的反射平面要與導(dǎo)向線互相垂直，實現(xiàn)導(dǎo)向線與測量線的平行，所以靶鏡還有必要進行調(diào)整機構(gòu)的添加。從設(shè)計思路上來說，調(diào)整靶鏡平面是給予三點支撐調(diào)平原理的，首先設(shè)置一個球面接觸的固定點，兩個螺釘點接觸的調(diào)整點[3]。在Z向工作臺下板上通過彈簧吊桿的拉緊彈簧懸掛靶鏡基板，這四個角的其中一個墊有鋼球，此外還要在對焦完成調(diào)整螺釘?shù)陌惭b，從而完成靶鏡在基板上的固定，并用底板壓板壓緊，然后只需對調(diào)整螺釘進行調(diào)節(jié)就能實現(xiàn)Z向激光器光束以及標(biāo)準反射面的垂直。

2.4 基臺設(shè)計

作為一個安裝布置平臺，基臺包括了激光器、測頭系統(tǒng)以及三維定位工作臺，從結(jié)構(gòu)上構(gòu)成了定位工作臺的基礎(chǔ)，設(shè)計要求包括較小的力熱變形、較高的加工平面度、較穩(wěn)定的化學(xué)性能以及較好的抗震性能[4]。常用鑄鐵、花崗巖和低碳鋼作為基臺材質(zhì)，本文選用的材質(zhì)為花崗巖。Z向激光器有較多的零部件和懸掛布置要求，所以為了便于裝配，采用了中心方孔型桌式基臺設(shè)計結(jié)構(gòu)。還把基臺劃分為三個模塊，確?；_的調(diào)平與穩(wěn)定，分別為臺面、底座和千斤頂支撐，其中調(diào)平機構(gòu)是千斤頂支撐?；_臺面承載了激光器、測頭系統(tǒng)以及定位平移臺，所以在花崗巖臺面上需要安裝三維平移臺安置槽、激光器安置槽、Z臺安裝螺釘孔以及測頭系統(tǒng)安裝螺釘孔。為了實現(xiàn)X導(dǎo)軌的平面度精度，其導(dǎo)軌基座槽設(shè)置了開敞式的安置方向，保障電機槽和基座槽能便利的進行平面加工，同時還把加工基準面設(shè)置為臺面底面，以確保懸掛件和調(diào)平精度。

3 三維定位工作臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 同步電機偏心安裝

工作臺與永磁直線同步電機沒有設(shè)置中間緩沖環(huán)節(jié)，是零傳動的，工作臺與電磁推力波動是直接傳遞方式進行工作的，會對工作臺的定位精度產(chǎn)生一定的影響[5]。這一問題的解決，可以使用偏心安裝永磁定子和繞線動子的方式，產(chǎn)生一個中間緩沖環(huán)節(jié)對推力波動進行抑制和吸收。但是在實際應(yīng)用過程中，工作臺在動子帶動下運動是，定子和動子之間會產(chǎn)生一定的徑向相對位移，當(dāng)該位移足夠大時會導(dǎo)致偏心量的不足，從而增大推力波動，加大工作臺的定位波動，對定位穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。所以很有必要對定子和動子間的徑向相對位移進行研究。同步電機在工作過程中，定子和動子之間存在縫隙，沒有產(chǎn)生直接的接觸。在上層板上固定了X向定子，工作臺與動子相連。定子的固定座具有對稱結(jié)構(gòu)而且具有較小的變形量，所以在這個過程中可以假定定子的狀態(tài)是水平的，我們只需要分析工作臺的動力響應(yīng)。工作臺在移動時，可以產(chǎn)生隨時間變化的對上層板的作用，上層板同時提供動態(tài)響應(yīng)，并對工作臺動力行為產(chǎn)生一定的影響。所以，對工作臺的動力響應(yīng)進行研究，要把上層板和工作臺看做一個整體的系統(tǒng)。有實驗結(jié)果顯示，在電機驅(qū)動時，定子和動子不能超過0.1mm的徑向相對位移。

3.2 磁流變液阻尼器與配重塊設(shè)計

要保障平穩(wěn)的工作臺運動，要確保驅(qū)動電機負載的穩(wěn)定性。同時由于在運動時會有一定的摩擦力存在，也會產(chǎn)生一定的負載擾動，從而產(chǎn)生定位和驅(qū)動精度的影響，所以要無沖擊固緊工作臺，并把擾動因素的影響降至最低。在定位時需要提供柔性阻尼力，降低擾動影響，確保納米級精度定位。在驅(qū)動過程中，通過阻尼力大小的調(diào)整，對導(dǎo)軌摩擦阻力進行實時修正滾動，實現(xiàn)阻力均勻化。為了確保導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，分別將動子與連桿與工作臺固定。同時還要對稱防止兩個阻尼器槽。在三軸方向上工作臺均安裝了無沖擊固緊阻尼裝置，但是還需要把配重塊加裝到Z軸上。阻尼裝置總是提供阻礙系統(tǒng)運動的力，配重塊的重力可以與工作臺重力進行抵消，運行工作臺系統(tǒng)時，就減少了電機驅(qū)動力，可以選用小功率電機。

3.3 工作臺結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

工作臺X向受力分析

圖5 工作臺X向受力分析

下式為工作臺運動方程:

(1)

其中：

(2)

將(2)中代入(1)并進行整理可得電機動子運動方程:

(3)

和工作臺運動方程:

(4)

在X向工作臺系統(tǒng)中，(3)和(4)式為動力學(xué)模型。在該模型的基礎(chǔ)上，進一步的完成優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)取值。從頻率特性方面來說，線性系統(tǒng)包括系統(tǒng)參數(shù)和動態(tài)結(jié)構(gòu)，因此，研究過程中的頻率特性盡管具有穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，但是其中必然會蘊含動態(tài)過程的規(guī)律性。我們構(gòu)建了微分方程作為數(shù)學(xué)模型，并使用MATLAB軟件對系統(tǒng)線性化模型進行提取，實現(xiàn)系統(tǒng)的頻域分析。在分析過程中，采用的輸出數(shù)據(jù)為工作臺X軸的加速度。圖6給出了具體的頻率特性示意圖。頻率特性是一種穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，對結(jié)構(gòu)參數(shù)值進行改變，也會相應(yīng)的改變系統(tǒng)的頻率特性，所以要對系統(tǒng)運動的平穩(wěn)性進行著重關(guān)注，選用系統(tǒng)諧振峰值作為頻率特性指標(biāo)，越小的諧振峰值，就代表系統(tǒng)具有越好的系統(tǒng)平穩(wěn)性。

圖6 工作臺X軸頻率特性

4 結(jié)論

本研究通過對基于三維定位的工作臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案分析，提出方案的優(yōu)化措施，并經(jīng)過仿真實驗證明該優(yōu)化設(shè)計效果很好，具有一定的現(xiàn)實意義。

[1] 王琦．納米三坐標(biāo)測量機的精度設(shè)計與誤差修正[D]．合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文，2006．

[2] 費業(yè)泰，王晨晨，尚平．微納米級三維測量“331”系統(tǒng)及其測量方法[P]．中國：ZL200810196741，2008．

[3] 馬立，榮偉彬，孫立寧．三維納米級微動工作臺的設(shè)計與分析[J]．光學(xué)精密工程，2006，14(6)：1017-1024．

[4] 王偉麗，范光照，劉玉圣．基于共平面二維工作平臺的精密測量系統(tǒng)[J]．中國計量學(xué)院學(xué)報，2005．16(4)：264-267．

[5] 轉(zhuǎn)臺設(shè)計指導(dǎo)書[S]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011．

[責(zé)任編輯：崔海瑛]

張海濤(1979-)，男，安徽合肥人，助教，從事機械工程方面的研究。

省質(zhì)量工程項目“軟件工程綜合實踐教育中心”(2014sxzx021)。

TH721

A

2095-0063(2016)06-0004-05

2016-06-07

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.06.002