自整平式儀器平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

萬家海

摘 要：自整平式儀器平臺為優(yōu)異的二級減震設(shè)計專用工作臺，適用于復(fù)雜道路交通的車載環(huán)境，保證了車載中小型高精密檢測儀器的穩(wěn)定使用。文章針對自整平式儀器平臺進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)與受力分析，圍繞懸掛桿、粗整平、精整平三個層面，探討了其具體設(shè)計方案，并進(jìn)行了仿真分析與試驗驗證。

關(guān)鍵詞：自整平式儀器平臺；懸掛桿；粗整平平臺；精整平平臺

中圖分類號：TD402 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0084-02

Abstract： The self-leveling instrument platform is an excellent special worktable for two-stage damping design， which is suitable for the vehicle environment of complex road traffic， and ensures the stable use of small- and medium-sized high precision testing instruments. In this paper， the kinematics and force of the self-leveling instrument platform are analyzed， and the specific design scheme is discussed around the three aspects of suspension rod， rough leveling and finishing leveling， and the simulation analysis and experimental verification are carried out.

Keywords： self-leveling instrument platform； suspension rod； rough leveling platform； finishing leveling platform

引言

傳統(tǒng)實(shí)驗室通常遠(yuǎn)離取樣點(diǎn)，難以覆蓋廣泛流域，無法滿足在現(xiàn)場快速提供分析結(jié)果的需要。而將傳統(tǒng)實(shí)驗室儀器改裝后作為移動檢測，在使用過程中往往會面臨運(yùn)輸顛簸性、供電穩(wěn)定性、環(huán)境溫濕度變化等問題，無法保障結(jié)果的可靠性。車載中小型高精密檢測儀器（下文簡稱“儀器”）憑借其現(xiàn)場快速響應(yīng)、高可靠性等性能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用范圍、應(yīng)用價值的不斷拓寬。然而在使用儀器時需保持水平放置、確保低震動環(huán)境下使用，現(xiàn)有的復(fù)雜車載條件很難滿足其使用需求，研發(fā)一款可靠的自整平式儀器平臺（下文簡稱“平臺”）可保證車載環(huán)境下儀器的穩(wěn)定使用[1]。

1 自整平式儀器平臺的運(yùn)動學(xué)與受力分析

1.1 自整平式儀器平臺設(shè)計

儀器應(yīng)用于車載環(huán)境存在以下問題：其一車載運(yùn)行條件復(fù)雜，車輛常遇顛簸路段，無法保障儀器的水平放置；其二儀器的重心點(diǎn)非中心點(diǎn)，影響儀器車載運(yùn)行條件下的振動情況；其三平臺懸掛安裝在頂板時涉及一定的傾斜角度和載荷能力。本文擬設(shè)計一款可單桿懸掛、涵蓋粗、精整平二級整平功能的自整平式儀器平臺，分別采用重力整平與三點(diǎn)調(diào)節(jié)的方式實(shí)現(xiàn)車載環(huán)境下儀器的穩(wěn)定使用[2]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 受力分析

平臺應(yīng)用于車載環(huán)境時涉及外力作用的影響，分別采用重力整平法與步進(jìn)電機(jī)整平法完成粗、精整平。針對粗整平，所受的拉力FnY方向上的分力與平臺重力G是一對作用力與反作用力；拉力FnX方向上的分力大于摩擦力f，其合力為切向力Fhq，促使平臺做變加速運(yùn)動，運(yùn)動至粗整平最小角度時，根據(jù)重力整平法，鎖緊裝置作用，此時摩擦力f與拉力FnX方向上的分力是一對作用力與反作用力，實(shí)現(xiàn)粗整平。針對精整平，精整平頂板靜摩擦力與切向力Fhq是一對作用力與反作用力，儀器重力G1與頂板支持力F也是一對作用力與反作用力。儀器的重心點(diǎn)可能非中心點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)整平法可調(diào)節(jié)精整平重心，確保了儀器粗整平過程仍保持水平放置[3]。

1.3 運(yùn)動學(xué)分析

從粗整平運(yùn)動過程入手，平臺依靠懸掛桿實(shí)現(xiàn)與車頂固定連接，由于三級城市道路坡度不大于±30度，考慮到運(yùn)動余量，故車載過程車頂傾斜角度？琢<35°，粗整平中線受重力作用的影響，最大繞球形云臺±35°可完成粗調(diào)平動作[4]。

從精整平運(yùn)動過程入手，精整平采用三點(diǎn)調(diào)節(jié)模式實(shí)現(xiàn)同步調(diào)平，借助三個升降縮減調(diào)平耗時，依靠三角形結(jié)構(gòu)提高平臺穩(wěn)固性?？紤]粗整平角度上限與儀器整機(jī)尺寸（最大尺寸800mm*700mm*600mm），避免在調(diào)平過程中產(chǎn)生相互干擾，儀器安裝在精整平頂板中心，精整平角度？茁<6°，精整平點(diǎn)A與B、C所在連線的垂直距離l1為220mm，則其整平行程的計算公式為：

依據(jù)實(shí)測值l=23.12mm，可得整平行程為25mm，故平臺搭載儀器的運(yùn)動空間為長825mm、寬725mm、高600mm。

2 自整平式儀器平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真試驗

2.1 懸掛桿設(shè)計

平臺依靠懸掛桿實(shí)現(xiàn)與車頂?shù)倪B接固定，選取螺栓連接懸掛桿頂部與錨桿底部，結(jié)合實(shí)際工作條件，確保懸掛桿長度在500mm以上，并針對懸掛桿進(jìn)行了抗彎強(qiáng)度設(shè)計。

2.2 粗整平設(shè)計

平臺依靠重力作用可完成粗整平動作，但強(qiáng)化粗整平的穩(wěn)定性需借助電機(jī)與蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)完成鎖死動作。當(dāng)平臺完成粗整平動作，球形云臺接頭與支座間形成一定傾斜角度，傾角傳感器可測得傾斜角度并反饋控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動，借助蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)鎖緊桿移動將球形云臺接頭鎖死。球形云臺接頭與支座的夾角不小于30°，結(jié)合實(shí)際儀器運(yùn)行條件應(yīng)將其夾角最大值設(shè)為35°，粗整平設(shè)計采用籠式結(jié)構(gòu)，連接桿間距不影響設(shè)備所需的運(yùn)動空間，結(jié)合儀器的拆裝要求，應(yīng)將籠式結(jié)構(gòu)空間設(shè)為850mm×750mm×600mm。

2.3 精整平設(shè)計

考慮到安裝三角形結(jié)構(gòu)，精整平頂板尺寸設(shè)為830mm×730mm，并利用球連接模式對升降平臺與精整平頂板的安裝，確保球接頭可在精整平頂板上做滑動運(yùn)動，防止精整平操作的過程中引發(fā)頂板變形的問題。由于精整平角度？茁<6°、整平行程最大值為25mm、整平精度為0.1′，因此配合SST42D2121步進(jìn)電機(jī)，電動升降臺的最大行程設(shè)為30mm，最小調(diào)整量設(shè)為0.1′。

2.4 仿真試驗

選取SolidWorks軟件針對平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，平臺的總重為16.158kg，重力為158.3438N，設(shè)車載高精密監(jiān)測儀器與平臺的自重為80kg，在城市交通道路上的行車速度為20km/h，并分別針對球接頭、粗整平運(yùn)動、精整平運(yùn)動進(jìn)行仿真分析。

首先針對球接頭進(jìn)行應(yīng)力分析（如圖2所示），仿真分析得出在最大荷載作用下球頭所受應(yīng)力的最大值為45.36MPa，該數(shù)值遠(yuǎn)小于最大許用應(yīng)力113MPa，且最大變形量為0.037mm，說明球頭未產(chǎn)生嚴(yán)重變形。

其次針對粗整平運(yùn)動過程進(jìn)行仿真分析（如圖3所示），仿真結(jié)果表明當(dāng)粗整平運(yùn)動達(dá)到最大傾角時，其整平角度的最大值為41.42°，且未產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，而粗整平夾角最大值為35°，證明該設(shè)計符合平臺粗整平運(yùn)動要求。

最后針對精整平運(yùn)動過程進(jìn)行仿真分析（如圖4所示），選取三角形結(jié)構(gòu)中的A點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動仿真，當(dāng)精整平運(yùn)動到達(dá)最大傾角時，其整平角度最大值為8.7°精整平運(yùn)動仿真分析示意圖，且未出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，三點(diǎn)在配合下共同完成整平動作，符合運(yùn)動要求。

利用懸掛桿將平臺固定在車頂上，調(diào)整懸掛桿角度的過程中觀察傾角儀讀數(shù)，依次完成粗整平與精整平調(diào)節(jié)，進(jìn)行試驗驗證。在觀察粗、精整平驗證結(jié)果時可以發(fā)現(xiàn)，誤差都隨車頂傾角增大而變大，粗、精整平角度最大值分別為y軸向0.731°和0.0088°，均符合設(shè)計要求[5]。

3 結(jié)論

通過仿真分析與試驗驗證，本文設(shè)計的自整平式儀器平臺可單桿懸掛安裝，操作便捷性強(qiáng)，涵蓋粗、精二級整平功能，有效滿足運(yùn)動與荷載需求，保障車載環(huán)境下中小型高精密檢測儀器的穩(wěn)定使用，具備較強(qiáng)應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]蒙占彬，曹宇光，張士華.自升式平臺齒輪條升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2013（11）：33-35.

[2]陳慎金，成龍，王鵬江，等.一種用于井下測量的自整平式儀器平臺設(shè)計[J].礦業(yè)科學(xué)學(xué)報，2018，3（05）：65-71.

[3]程佳鳴，陶云飛，吳淼.自整平式儀器平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2018，37（08）：248-250.

[4]隋成華，徐之力，徐丹陽.基于Wi-Fi通訊的大功率光功率計的研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2019，32（01）：155-160.

[5]徐成雙.諧波減速器精度測試儀設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].南京信息工程大學(xué)，2017.