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

周祥榮

摘 要：本文主要從三維定位工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及維定位工作臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，為優(yōu)化三維定位工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案提供合理的參考意見。

關(guān)鍵詞：三維定位；工作臺(tái)；機(jī)械結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)分析

0 引言

在三維左邊測(cè)量機(jī)中，三維定位工作臺(tái)屬于硬件結(jié)構(gòu)主體，這是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量以及定位奠定基礎(chǔ)。三維定位工作臺(tái)的主要構(gòu)建包括激光測(cè)量機(jī)、電機(jī)以及導(dǎo)軌等通用器件等。在進(jìn)行三維定位工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選擇合理的設(shè)計(jì)方案，最終促進(jìn)方案優(yōu)化。

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

1.1 二維定位工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

就功能而言，微微定位工作臺(tái)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是X、Y方向公平面運(yùn)動(dòng)以及對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。從工作臺(tái)總體的設(shè)計(jì)方案中可以得出，二維定位工作臺(tái)結(jié)構(gòu)主要包括X向工作臺(tái)、Y向工作臺(tái)以及Z向工作臺(tái)中的基座、導(dǎo)軌以及二維測(cè)量系統(tǒng)等[1]。反射靶鏡被包含在平移臺(tái)的設(shè)計(jì)中，但是平移臺(tái)的布置與測(cè)量系統(tǒng)的激光器是兩個(gè)相互獨(dú)立的個(gè)體，層疊結(jié)構(gòu)是3個(gè)方向工作臺(tái)的基臺(tái)結(jié)構(gòu)布置的基本形式。在設(shè)計(jì)中，處理好X、Y、Z方向上的驅(qū)動(dòng)線、測(cè)量線以及導(dǎo)向線等問題，確保X、Y、Z共面。X向?qū)к壷苯庸潭ㄔ谠诨_(tái)上的，在X向電機(jī)驅(qū)動(dòng)的情況下能實(shí)現(xiàn)沿著X向?qū)к壠揭频男Ч?。在Y向電機(jī)工作的情況下，Y平移臺(tái)沿著Y向?qū)к墝?shí)現(xiàn)了平移。為了使驅(qū)動(dòng)線與運(yùn)行線保持在相同的運(yùn)動(dòng)方向。在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，要借助驅(qū)動(dòng)架安裝面和電機(jī)架軸線垂直精度以及平面精度最終得到保證精度的效果。

1.2 Z向定位工作臺(tái)的設(shè)計(jì)

從功能上來(lái)看，在Z軸電機(jī)工作的情況下，Z向工作臺(tái)會(huì)沿著與X—Y垂直的方向做Z向?qū)к夁\(yùn)動(dòng)。借助電機(jī)支架將Z向電機(jī)與Y向工作臺(tái)相連接，沿著Z向?qū)к夠?qū)動(dòng)，Z向工作臺(tái)與Y向工作臺(tái)維持相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。Z向靶鏡與Z向工作臺(tái)是相互連接的，Z向的激光器與機(jī)臺(tái)保持連接的狀況，這兩者之間的配合程度直接影響Z向定位精度。就工作臺(tái)部件而言，Z向定位工作主要包括了導(dǎo)航支架、滑輪、Z向工作臺(tái)、電機(jī)、Z向靶鏡和電機(jī)支架等。就功能劃分，可以將上面的零部件劃分為4個(gè)類型。分別為定位、導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)以及平衡。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來(lái)看，需要采取有效的措施保障導(dǎo)向線、測(cè)量線以及驅(qū)動(dòng)線保持在相同的方向上。通過設(shè)置驅(qū)動(dòng)架以及電機(jī)架的精度，最終確保導(dǎo)向線與驅(qū)動(dòng)線保持在同一個(gè)方向。對(duì)Z向靶鏡進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，能有效地確保導(dǎo)向線與測(cè)量線保持在同一方向，最終實(shí)現(xiàn)Z向定位工作臺(tái)的三線平行設(shè)計(jì)。將Z向工作臺(tái)設(shè)計(jì)為實(shí)心的長(zhǎng)方體塊，考慮到重力影響減少的因素，在設(shè)計(jì)過程中使用空心的長(zhǎng)方柱體。但是Z工作臺(tái)的表面應(yīng)該設(shè)置為實(shí)心的，其主要部分包括Z主臺(tái)體和載物臺(tái)。

1.3 對(duì)Z向反射靶鏡的設(shè)計(jì)

Z向激光器靶鏡是Z向測(cè)量定位的主要部件，主要是為了配合Z向激光器而進(jìn)行Z向精度定位而設(shè)計(jì)的。Z臺(tái)與激光器相連接，激光器的反射平面則與導(dǎo)向線垂直，最終保證導(dǎo)向線與測(cè)量線互相平行，所以，在設(shè)計(jì)過程中有必要對(duì)靶鏡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。從設(shè)計(jì)層面而言，對(duì)靶鏡的調(diào)整正好應(yīng)用了三點(diǎn)支撐調(diào)屏原理。首先，在全面上設(shè)計(jì)一個(gè)固定點(diǎn)，兩個(gè)螺釘點(diǎn)接觸作為調(diào)整點(diǎn)。在Z向工作臺(tái)下板上利用彈簧吊桿的拉緊彈簧懸掛靶鏡基板，在這4個(gè)角中的其中一個(gè)角里墊鋼球。然后還要進(jìn)行對(duì)焦處理，最終調(diào)整螺釘，最終將靶鏡在基板上固定。

1.4 對(duì)基臺(tái)的設(shè)計(jì)

基臺(tái)屬于一個(gè)安裝布置平臺(tái)，激光器、測(cè)頭系統(tǒng)以及三維定位工作臺(tái)均屬于基臺(tái)，這些從結(jié)構(gòu)上就構(gòu)成了基臺(tái)的定位基礎(chǔ)。在進(jìn)行基臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，要力熱變形保持在較小的范圍、加工平面較高、化學(xué)性能穩(wěn)定等，同時(shí)還要具有較好的抗震性能。鑄鐵、花崗巖和低碳鋼是基臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)常使用的材料。為了便于裝配，將其設(shè)計(jì)為中心方孔型桌式基臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。將基臺(tái)分為3個(gè)模塊，臺(tái)面、底座以及千斤頂支撐，這些都具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。其中千斤頂支撐屬于調(diào)平結(jié)構(gòu)。基臺(tái)臺(tái)面裝有激光器，測(cè)頭系統(tǒng)和定位平移臺(tái)等，因此，在基臺(tái)臺(tái)面上有必要安裝三維平移臺(tái)安置槽、激光器安置槽等。為了X導(dǎo)軌的平面度精度更加精確，它的導(dǎo)軌槽主要設(shè)置了開敞式的安裝螺絲釘以及測(cè)頭系統(tǒng)安裝螺絲釘?shù)?。為了保證電機(jī)槽和基座槽更有利于平面加工，同時(shí)將加工基準(zhǔn)設(shè)置為臺(tái)面底面，最終保證懸掛件以及調(diào)屏精度。

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

在工作臺(tái)與永磁直線同步電機(jī)中，沒有設(shè)置中間緩沖環(huán)節(jié)，屬于零傳動(dòng)狀態(tài)。工作臺(tái)與電磁推力波動(dòng)的工作狀態(tài)是通過直接傳遞方式進(jìn)行的，這會(huì)影響工作臺(tái)的定位精度[2]。因此，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)，這能有效地對(duì)推力波動(dòng)起到抑制或者吸收的功能。但在實(shí)際工作中，由于定子與動(dòng)子之間會(huì)形成位移，使得偏心量不足，最終加大了推力波動(dòng)，使得工作臺(tái)的定位波動(dòng)加大，不利于其定位的穩(wěn)定性。所以，可以在在上層板上固定X向定子，將工作臺(tái)與動(dòng)子連接。定子的固定座具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)并且其變形量較小，因此，在這一過程中可以將定子假設(shè)為水平運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，我們需要對(duì)工作臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步地分析。工作臺(tái)在移動(dòng)的過程中，隨著時(shí)間的變化會(huì)對(duì)上層板產(chǎn)生作用，因此，在研究過程中，應(yīng)將上層板與工作臺(tái)看做一個(gè)有機(jī)的整體。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)三維定位工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析，并提出了合理優(yōu)化方案，希望能給三維定位工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效的意見。

參考文獻(xiàn)

[1]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，2015，56（2）：32-43.

[2]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(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，78（1）：50-58.

（作者單位：廣東美的制冷設(shè)備有限公司）