張海濤，劉 運

(1．合肥通用職業(yè)技術學院，安徽 合肥 230031；2．安徽新華學院，安徽 合肥 230031)

基于三維定位的工作臺機械結構設計研究

張海濤1，劉 運2

(1．合肥通用職業(yè)技術學院，安徽 合肥 230031；2．安徽新華學院，安徽 合肥 230031)

為了優(yōu)化工作臺的機械結構，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構的設計方案，并重點分析工作臺機械結構的優(yōu)化設計，主要包括同步電機偏心安裝、磁流變液阻尼器與配重塊設計和工作臺結構參數(shù)優(yōu)化設計等。

三維定位；工作臺；機械結構；設計

在三維坐標測量機中，三維定位工作臺是硬件結構主體，奠定了坐標測量機測量和定位實現(xiàn)的基礎[1]。激光測量器件以及電機、導軌等通用器件共同組成了三維定位工作臺，在設計其機械結構時，首先要完成選型和設計操作，對工作臺的X向和Y向進行定位，形成共平面結構，所以，對于三維定位工作臺來說，設計其機械結構又可分解為五個部分：設計基臺，針對共平面設計二維定位平移臺部件，針對定位工作臺設計Z向定位工作臺部件，設計安裝調(diào)平機構以及設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構設計方案，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構設計方案

1.1 工作臺結構設計“311”原則

在設計工作臺總體結構過程中，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頭點要與其構成的測量面重合；三面共面是指X、Y測量線分別與其導軌導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，在這種結構布局基礎上構建出的定位工作臺，不僅能使導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)整結構的安裝，基于預設中心交點完成假設標準四方棱體的架設步驟，該棱體的三面是相互垂直的，并在此基礎上對三軸進行調(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。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構設計相互獨立，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軸導軌運動的導向面進行設置，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平面的形式確保導向面的共面，實現(xiàn)X，Y導軌的高度相同，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向面，“三面共面”就得以實現(xiàn)。但是需要引起我們關注的是，在導向面共面采取的方式方法上，多采取機械加工或設計的形式，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)。這種設計方式，使得測量面和運動導向面互相重合，能使工作臺和導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導軌的直線度誤差直接帶給工作臺的影響[2]。

設計“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 總體結構方案

在“331”原則的基礎上，對三維定位工作臺進行了設計，圖2給出了具體的整體結構布局示意圖。由圖可知：X向導軌把X向工作臺與基臺固定架連接在一起，Y向導軌把Y向工作臺與X向工作臺連接在一起，Z向導軌與水平面相垂直，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。各驅動系統(tǒng)負責X，Y向工作臺的驅動，其測量定位由激光測量系統(tǒng)進行，基臺和Y向驅動系統(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)、導軌、平衡部件、驅動系統(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構設計

2.1 二維定位工作臺結構設計

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。二維定位平移臺的結構可以從工作臺總體的設計方案中得到，如圖形所示。

圖3 二維定位平移臺結構圖

圖3給出了具體的平移臺結構示意圖，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、導軌、電機以及二維測量系統(tǒng)，在平移臺設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構布置呈層疊結構。在設計中，關鍵問題要確保X、Y、Z方向上驅動線、測量線和導向線的平行問題以及X、Y向的導向面共面問題。X向導軌基座是在基臺上直接固定的，在X向電機驅動下整個平移到實現(xiàn)了沿著X向導軌的平移，在Y向電機驅動下Y平移臺實現(xiàn)了沿著Y向導軌的平移。為了確保驅動線和運動線的同向，在進行機械設計時要通過對驅動架安裝面和電機架軸線垂直精度和平面精度的設定實現(xiàn)驅動精度。

2.2 Z向定位工作臺設計

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軸電機驅動下做Z向導軌運動。圖4給出了具體的Z向工作臺結構示意圖，通過電機支架把Z向電機與Y向工作臺固連，沿著Z向導軌驅動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軌支架、Z向工作臺、滑輪、導軌、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、導向、平衡和驅動四類。從結構設計的角度來說，需要采取措施保障導向線、測量線和驅動線的同向。通過對驅動架和電機架精度的設定，可以保障導向線與驅動線的同向。通過調(diào)整Z向靶鏡的調(diào)整機構，可以保障導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計。

圖4 Z向定位工作臺結構示意圖

可以簡單的設計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向線互相垂直，實現(xiàn)導向線與測量線的平行，所以靶鏡還有必要進行調(diào)整機構的添加。從設計思路上來說，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準反射面的垂直。

2.4 基臺設計

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，從結構上構成了定位工作臺的基礎，設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，本文選用的材質為花崗巖。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計結構。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)平機構是千斤頂支撐。基臺臺面承載了激光器、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導軌的平面度精度，其導軌基座槽設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 三維定位工作臺結構優(yōu)化設計

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，當該位移足夠大時會導致偏心量的不足，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構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。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，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)。有實驗結果顯示，在電機驅動時，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計

要保障平穩(wěn)的工作臺運動，要確保驅動電機負載的穩(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。在驅動過程中，通過阻尼力大小的調(diào)整，對導軌摩擦阻力進行實時修正滾動，實現(xiàn)阻力均勻化。為了確保導軌的導向精度，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，就減少了電機驅動力，可以選用小功率電機。

3.3 工作臺結構參數(shù)優(yōu)化設計

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)式為動力學模型。在該模型的基礎上，進一步的完成優(yōu)化結構參數(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)結構，因此，研究過程中的頻率特性盡管具有穩(wěn)態(tài)響應，但是其中必然會蘊含動態(tài)過程的規(guī)律性。我們構建了微分方程作為數(shù)學模型，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，對結構參數(shù)值進行改變，也會相應的改變系統(tǒng)的頻率特性，所以要對系統(tǒng)運動的平穩(wěn)性進行著重關注，選用系統(tǒng)諧振峰值作為頻率特性指標，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 結論

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

[1] 王琦．納米三坐標測量機的精度設計與誤差修正[D]．合肥工業(yè)大學碩士論文，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計與分析[J]．光學精密工程，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]．中國計量學院學報，2005．16(4)：264-267．

[5] 轉臺設計指導書[S]．哈爾濱工業(yè)大學，2011．

[責任編輯：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