基于三維定位的工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張海濤，劉 運(yùn)

(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(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張海濤1，劉 運(yùn)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(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高工作臺(tái)的效率。本文提出了基于三維定位的工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)分析工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括同步電機(jī)偏心安裝、磁流變液阻尼器與配重塊設(shè)計(jì)和工作臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

三維定位；工作臺(tái)；機(jī)械結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

在三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中，三維定位工作臺(tái)是硬件結(jié)構(gòu)主體，奠定了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量和定位實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[1]。激光測(cè)量器件以及電機(jī)、導(dǎo)軌等通用器件共同組成了三維定位工作臺(tái)，在設(shè)計(jì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，首先要完成選型和設(shè)計(jì)操作，對(duì)工作臺(tái)的X向和Y向進(jìn)行定位，形成共平面結(jié)構(gòu)，所以，對(duì)于三維定位工作臺(tái)來說，設(shè)計(jì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)又可分解為五個(gè)部分：設(shè)計(jì)基臺(tái)，針對(duì)共平面設(shè)計(jì)二維定位平移臺(tái)部件，針對(duì)定位工作臺(tái)設(shè)計(jì)Z向定位工作臺(tái)部件，設(shè)計(jì)安裝調(diào)平機(jī)構(gòu)以及設(shè)計(jì)測(cè)量器件以及通用器件的選型。本文詳細(xì)描述了基于三維定位的工作臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)研究了方案的優(yōu)化。

1 基于三維定位的工作臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“311”原則

在設(shè)計(jì)工作臺(tái)總體結(jié)構(gòu)過程中，要遵循以下“331”原則：分別為點(diǎn)面重合、三面共面以及三線共點(diǎn)。其中點(diǎn)面重合是指側(cè)頭點(diǎn)要與其構(gòu)成的測(cè)量面重合；三面共面是指X、Y測(cè)量線分別與其導(dǎo)軌導(dǎo)向面組成的測(cè)量平面要實(shí)現(xiàn)三個(gè)平面的重合；三線共點(diǎn)是指三軸測(cè)量線要相交于一點(diǎn)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(tái)，不僅能使導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)誤差帶給平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響得到有效降低，同時(shí)從原理上還能夠使阿貝誤差對(duì)測(cè)量的影響得到消除。

圖1 “331”原則示意圖

布置設(shè)計(jì)“三線共點(diǎn)”測(cè)量系統(tǒng)。首先要在基臺(tái)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(diǎn)完成假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)三軸進(jìn)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(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)各軸光束相互垂直并于一點(diǎn)相交的目標(biāo)。調(diào)整完成之后在花崗石平臺(tái)上進(jìn)行激光器的固定，該操作與平移工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互獨(dú)立，減小激光測(cè)量由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的變形和振動(dòng)帶來的影響。

設(shè)計(jì)“三面共面”的平移臺(tái)。首先要確保在同一水平面上對(duì)X，Y軸導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向面進(jìn)行設(shè)置，并使其重合與激光測(cè)量光束組成的測(cè)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(shí)現(xiàn)X，Y導(dǎo)軌的高度相同，然后主要對(duì)X，Y激光測(cè)量光束進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其組成的測(cè)量面重合與導(dǎo)向面，“三面共面”就得以實(shí)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(jī)械加工或設(shè)計(jì)的形式，再利用激光量光束通過微調(diào)實(shí)現(xiàn)“三面共面”，最后對(duì)X、Y測(cè)量面進(jìn)行固定面對(duì)“三線共點(diǎn)”進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種設(shè)計(jì)方式，使得測(cè)量面和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向面互相重合，能使工作臺(tái)和導(dǎo)軌之間的距離得以縮短，使得在X-Y平面內(nèi)的測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)，有效降低X，Y導(dǎo)軌的直線度誤差直接帶給工作臺(tái)的影響[2]。

設(shè)計(jì)“點(diǎn)面重合”。對(duì)激光器以及三維平移臺(tái)進(jìn)行調(diào)試操作之后，還要進(jìn)一步的調(diào)節(jié)測(cè)頭高度，是其中心點(diǎn)能與X、Y測(cè)量平面實(shí)現(xiàn)重合，也即是實(shí)現(xiàn)了“點(diǎn)面重合”，進(jìn)而使得“三面共面”上的任一測(cè)量點(diǎn)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(duì)三維定位工作臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，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(tái)與基臺(tái)固定架連接在一起，Y向?qū)к壈裏向工作臺(tái)與X向工作臺(tái)連接在一起，Z向?qū)к壟c水平面相垂直，與Z向工作臺(tái)相連，X向工作臺(tái)、Y向工作臺(tái)和Z向工作臺(tái)分別做X向、Y向和Z向的自由度運(yùn)動(dòng)。各驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)X，Y向工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)，其測(cè)量定位由激光測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行，基臺(tái)和Y向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都是與X向工作臺(tái)固定連接的，同時(shí)基臺(tái)上還需要固連位移測(cè)量的激光器，Z向工作臺(tái)上需要固連激光器的反射靶鏡。三維定位工作臺(tái)的組成部分分別包括框架系統(tǒng)、導(dǎo)軌、平衡部件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及激光干涉測(cè)量儀系統(tǒng)。

圖2 三維工作臺(tái)水平面布置圖

2 三維定位工作臺(tái)詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 二維定位工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從功能的角度來講，X、Y方向共平面運(yùn)動(dòng)以及對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確定位的實(shí)現(xiàn)是二維定位工作臺(tái)的目標(biāo)。二維定位平移臺(tái)的結(jié)構(gòu)可以從工作臺(tái)總體的設(shè)計(jì)方案中得到，如圖形所示。

圖3 二維定位平移臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖3給出了具體的平移臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖，其組成部分包含了X向工作臺(tái)、Y向工作臺(tái)、Z向工作臺(tái)的基座、導(dǎo)軌、電機(jī)以及二維測(cè)量系統(tǒng)，在平移臺(tái)設(shè)計(jì)中包含了反射靶鏡，但是平移臺(tái)的布置是與測(cè)量系統(tǒng)的激光器相互獨(dú)立的，三個(gè)方向工作臺(tái)的基臺(tái)結(jié)構(gòu)布置呈層疊結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵問題要確保X、Y、Z方向上驅(qū)動(dòng)線、測(cè)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_(tái)上直接固定的，在X向電機(jī)驅(qū)動(dòng)下整個(gè)平移到實(shí)現(xiàn)了沿著X向?qū)к壍钠揭?，在Y向電機(jī)驅(qū)動(dòng)下Y平移臺(tái)實(shí)現(xiàn)了沿著Y向?qū)к壍钠揭啤榱舜_保驅(qū)動(dòng)線和運(yùn)動(dòng)線的同向，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)要通過對(duì)驅(qū)動(dòng)架安裝面和電機(jī)架軸線垂直精度和平面精度的設(shè)定實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)精度。

2.2 Z向定位工作臺(tái)設(shè)計(jì)

從功能的角度來說，Z向工作臺(tái)沿著垂直于X-Y面的方向在Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)下做Z向?qū)к夁\(yùn)動(dòng)。圖4給出了具體的Z向工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖，通過電機(jī)支架把Z向電機(jī)與Y向工作臺(tái)固連，沿著Z向?qū)к夠?qū)動(dòng)Z向工作臺(tái)與Y向工作臺(tái)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，Z向靶鏡是與Z向工作臺(tái)固連的，Z向激光器與基臺(tái)固連，這兩者配合共同實(shí)現(xiàn)Z向精度定位。從工作臺(tái)部件上來說，Z向定位工作臺(tái)包含了導(dǎo)軌支架、Z向工作臺(tái)、滑輪、導(dǎo)軌、Z向電機(jī)、重錘、Z向靶鏡以及電機(jī)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(dòng)四類。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來說，需要采取措施保障導(dǎo)向線、測(cè)量線和驅(qū)動(dòng)線的同向。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)架和電機(jī)架精度的設(shè)定，可以保障導(dǎo)向線與驅(qū)動(dòng)線的同向。通過調(diào)整Z向靶鏡的調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以保障導(dǎo)向線與測(cè)量線的同向。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)Z向定位工作臺(tái)的三線平行設(shè)計(jì)。

圖4 Z向定位工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

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

2.3 Z向反射靶鏡設(shè)計(jì)

Z向測(cè)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(jìn)行Z向精度定位設(shè)置的。激光器靶鏡是與Z臺(tái)固連的，而且靶鏡的反射平面要與導(dǎo)向線互相垂直，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向線與測(cè)量線的平行，所以靶鏡還有必要進(jìn)行調(diào)整機(jī)構(gòu)的添加。從設(shè)計(jì)思路上來說，調(diào)整靶鏡平面是給予三點(diǎn)支撐調(diào)平原理的，首先設(shè)置一個(gè)球面接觸的固定點(diǎn)，兩個(gè)螺釘點(diǎn)接觸的調(diào)整點(diǎn)[3]。在Z向工作臺(tái)下板上通過彈簧吊桿的拉緊彈簧懸掛靶鏡基板，這四個(gè)角的其中一個(gè)墊有鋼球，此外還要在對(duì)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(duì)調(diào)整螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)就能實(shí)現(xiàn)Z向激光器光束以及標(biāo)準(zhǔn)反射面的垂直。

2.4 基臺(tái)設(shè)計(jì)

作為一個(gè)安裝布置平臺(tái)，基臺(tái)包括了激光器、測(cè)頭系統(tǒng)以及三維定位工作臺(tái)，從結(jié)構(gòu)上構(gòu)成了定位工作臺(tái)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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(tái)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(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。還把基臺(tái)劃分為三個(gè)模塊，確?；_(tái)的調(diào)平與穩(wěn)定，分別為臺(tái)面、底座和千斤頂支撐，其中調(diào)平機(jī)構(gòu)是千斤頂支撐?；_(tái)臺(tái)面承載了激光器、測(cè)頭系統(tǒng)以及定位平移臺(tái)，所以在花崗巖臺(tái)面上需要安裝三維平移臺(tái)安置槽、激光器安置槽、Z臺(tái)安裝螺釘孔以及測(cè)頭系統(tǒng)安裝螺釘孔。為了實(shí)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(jī)槽和基座槽能便利的進(jìn)行平面加工，同時(shí)還把加工基準(zhǔn)面設(shè)置為臺(tái)面底面，以確保懸掛件和調(diào)平精度。

3 三維定位工作臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 同步電機(jī)偏心安裝

工作臺(tái)與永磁直線同步電機(jī)沒有設(shè)置中間緩沖環(huán)節(jié)，是零傳動(dòng)的，工作臺(tái)與電磁推力波動(dòng)是直接傳遞方式進(jìn)行工作的，會(huì)對(duì)工作臺(tái)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(dòng)子的方式，產(chǎn)生一個(gè)中間緩沖環(huán)節(jié)對(duì)推力波動(dòng)進(jìn)行抑制和吸收。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，工作臺(tái)在動(dòng)子帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)是，定子和動(dòng)子之間會(huì)產(chǎn)生一定的徑向相對(duì)位移，當(dāng)該位移足夠大時(shí)會(huì)導(dǎo)致偏心量的不足，從而增大推力波動(dòng)，加大工作臺(tái)的定位波動(dòng)，對(duì)定位穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。所以很有必要對(duì)定子和動(dòng)子間的徑向相對(duì)位移進(jìn)行研究。同步電機(jī)在工作過程中，定子和動(dòng)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(tái)與動(dòng)子相連。定子的固定座具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)而且具有較小的變形量，所以在這個(gè)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(tái)的動(dòng)力響應(yīng)。工作臺(tái)在移動(dòng)時(shí)，可以產(chǎn)生隨時(shí)間變化的對(duì)上層板的作用，上層板同時(shí)提供動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并對(duì)工作臺(tái)動(dòng)力行為產(chǎn)生一定的影響。所以，對(duì)工作臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，要把上層板和工作臺(tái)看做一個(gè)整體的系統(tǒng)。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，定子和動(dòng)子不能超過0.1mm的徑向相對(duì)位移。

3.2 磁流變液阻尼器與配重塊設(shè)計(jì)

要保障平穩(wěn)的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，要確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載的穩(wěn)定性。同時(shí)由于在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)有一定的摩擦力存在，也會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)載擾動(dòng)，從而產(chǎn)生定位和驅(qū)動(dòng)精度的影響，所以要無沖擊固緊工作臺(tái)，并把擾動(dòng)因素的影響降至最低。在定位時(shí)需要提供柔性阻尼力，降低擾動(dòng)影響，確保納米級(jí)精度定位。在驅(qū)動(dòng)過程中，通過阻尼力大小的調(diào)整，對(duì)導(dǎo)軌摩擦阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)修正滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)阻力均勻化。為了確保導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，分別將動(dòng)子與連桿與工作臺(tái)固定。同時(shí)還要對(duì)稱防止兩個(gè)阻尼器槽。在三軸方向上工作臺(tái)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(yùn)動(dòng)的力，配重塊的重力可以與工作臺(tái)重力進(jìn)行抵消，運(yùn)行工作臺(tái)系統(tǒng)時(shí)，就減少了電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，可以選用小功率電機(jī)。

3.3 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

工作臺(tái)X向受力分析

圖5 工作臺(tái)X向受力分析

下式為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方程:

(1)

其中：

(2)

將(2)中代入(1)并進(jìn)行整理可得電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方程:

(3)

和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方程:

(4)

在X向工作臺(tái)系統(tǒng)中，(3)和(4)式為動(dòng)力學(xué)模型。在該模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(dòng)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(huì)蘊(yùn)含動(dòng)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(duì)系統(tǒng)線性化模型進(jìn)行提取，實(shí)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(tái)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(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)值進(jìn)行改變，也會(huì)相應(yīng)的改變系統(tǒng)的頻率特性，所以要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性進(jìn)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(tái)X軸頻率特性

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)基于三維定位的工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案分析，提出方案的優(yōu)化措施，并經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)證明該優(yōu)化設(shè)計(jì)效果很好，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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

[2] 費(fèi)業(yè)泰，王晨晨，尚平．微納米級(jí)三維測(cè)量“331”系統(tǒng)及其測(cè)量方法[P]．中國：ZL200810196741，2008．

[3] 馬立，榮偉彬，孫立寧．三維納米級(jí)微動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)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(tái)的精密測(cè)量系統(tǒng)[J]．中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2005．16(4)：264-267．

[5] 轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)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(jī)械工程方面的研究。

省質(zhì)量工程項(xiàng)目“軟件工程綜合實(shí)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