基于三维定位的工作台机械结构设计研究

张海涛，刘 运

(1．合肥通用职业技术学院，安徽 合肥 230031；2．安徽新华学院，安徽 合肥 230031)

基于三维定位的工作台机械结构设计研究

张海涛1，刘 运2

(1．合肥通用职业技术学院，安徽 合肥 230031；2．安徽新华学院，安徽 合肥 230031)

为了优化工作台的机械结构，进而提高工作台的效率。本文提出了基于三维定位的工作台机械结构的设计方案，并重点分析工作台机械结构的优化设计，主要包括同步电机偏心安装、磁流变液阻尼器与配重块设计和工作台结构参数优化设计等。

三维定位；工作台；机械结构；设计

在三维坐标测量机中，三维定位工作台是硬件结构主体，奠定了坐标测量机测量和定位实现的基础[1]。激光测量器件以及电机、导轨等通用器件共同组成了三维定位工作台，在设计其机械结构时，首先要完成选型和设计操作，对工作台的X向和Y向进行定位，形成共平面结构，所以，对于三维定位工作台来说，设计其机械结构又可分解为五个部分：设计基台，针对共平面设计二维定位平移台部件，针对定位工作台设计Z向定位工作台部件，设计安装调平机构以及设计测量器件以及通用器件的选型。本文详细描述了基于三维定位的工作台总体结构设计方案，并重点研究了方案的优化。

1 基于三维定位的工作台总体结构设计方案

1.1 工作台结构设计“311”原则

在设计工作台总体结构过程中，要遵循以下“331”原则：分别为点面重合、三面共面以及三线共点。其中点面重合是指侧头点要与其构成的测量面重合；三面共面是指X、Y测量线分别与其导轨导向面组成的测量平面要实现三个平面的重合；三线共点是指三轴测量线要相交于一点并且相互垂直。图1给出了具体的“331”原则示意图，在这种结构布局基础上构建出的定位工作台，不仅能使导轨运动误差带给平台运动的影响得到有效降低，同时从原理上还能够使阿贝误差对测量的影响得到消除。

图1 “331”原则示意图

布置设计“三线共点”测量系统。首先要在基台上完成激光器和调整结构的安装，基于预设中心交点完成假设标准四方棱体的架设步骤，该棱体的三面是相互垂直的，并在此基础上对三轴进行调整，保证棱体各面都能保持与激光器之间的相互垂直，并通过微调技术的使用，确保三轴的光束能交于一点，最终实现各轴光束相互垂直并于一点相交的目标。调整完成之后在花岗石平台上进行激光器的固定，该操作与平移工作台的结构设计相互独立，减小激光测量由于运动平台的变形和振动带来的影响。

设计“三面共面”的平移台。首先要确保在同一水平面上对X，Y轴导轨运动的导向面进行设置，并使其重合与激光测量光束组成的测量面。通过相互嵌套X-Y平面的形式确保导向面的共面，实现X，Y导轨的高度相同，然后主要对X，Y激光测量光束进行调节，使其组成的测量面重合与导向面，“三面共面”就得以实现。但是需要引起我们关注的是，在导向面共面采取的方式方法上，多采取机械加工或设计的形式，再利用激光量光束通过微调实现“三面共面”，最后对X、Y测量面进行固定面对“三线共点”进行调节。这种设计方式，使得测量面和运动导向面互相重合，能使工作台和导轨之间的距离得以缩短，使得在X-Y平面内的测量机运动，有效降低X，Y导轨的直线度误差直接带给工作台的影响[2]。

设计“点面重合”。对激光器以及三维平移台进行调试操作之后，还要进一步的调节测头高度，是其中心点能与X、Y测量平面实现重合，也即是实现了“点面重合”，进而使得“三面共面”上的任一测量点具有最低的阿贝误差。

1.2 总体结构方案

在“331”原则的基础上，对三维定位工作台进行了设计，图2给出了具体的整体结构布局示意图。由图可知：X向导轨把X向工作台与基台固定架连接在一起，Y向导轨把Y向工作台与X向工作台连接在一起，Z向导轨与水平面相垂直，与Z向工作台相连，X向工作台、Y向工作台和Z向工作台分别做X向、Y向和Z向的自由度运动。各驱动系统负责X，Y向工作台的驱动，其测量定位由激光测量系统进行，基台和Y向驱动系统都是与X向工作台固定连接的，同时基台上还需要固连位移测量的激光器，Z向工作台上需要固连激光器的反射靶镜。三维定位工作台的组成部分分别包括框架系统、导轨、平衡部件、驱动系统以及激光干涉测量仪系统。

图2 三维工作台水平面布置图

2 三维定位工作台详细结构设计

2.1 二维定位工作台结构设计

从功能的角度来讲，X、Y方向共平面运动以及对运动进行精确定位的实现是二维定位工作台的目标。二维定位平移台的结构可以从工作台总体的设计方案中得到，如图形所示。

图3 二维定位平移台结构图

图3给出了具体的平移台结构示意图，其组成部分包含了X向工作台、Y向工作台、Z向工作台的基座、导轨、电机以及二维测量系统，在平移台设计中包含了反射靶镜，但是平移台的布置是与测量系统的激光器相互独立的，三个方向工作台的基台结构布置呈层叠结构。在设计中，关键问题要确保X、Y、Z方向上驱动线、测量线和导向线的平行问题以及X、Y向的导向面共面问题。X向导轨基座是在基台上直接固定的，在X向电机驱动下整个平移到实现了沿着X向导轨的平移，在Y向电机驱动下Y平移台实现了沿着Y向导轨的平移。为了确保驱动线和运动线的同向，在进行机械设计时要通过对驱动架安装面和电机架轴线垂直精度和平面精度的设定实现驱动精度。

2.2 Z向定位工作台设计

从功能的角度来说，Z向工作台沿着垂直于X-Y面的方向在Z轴电机驱动下做Z向导轨运动。图4给出了具体的Z向工作台结构示意图，通过电机支架把Z向电机与Y向工作台固连，沿着Z向导轨驱动Z向工作台与Y向工作台做相对运动，Z向靶镜是与Z向工作台固连的，Z向激光器与基台固连，这两者配合共同实现Z向精度定位。从工作台部件上来说，Z向定位工作台包含了导轨支架、Z向工作台、滑轮、导轨、Z向电机、重锤、Z向靶镜以及电机支架等，根据功能可以把以上零部件分为定位、导向、平衡和驱动四类。从结构设计的角度来说，需要采取措施保障导向线、测量线和驱动线的同向。通过对驱动架和电机架精度的设定，可以保障导向线与驱动线的同向。通过调整Z向靶镜的调整机构，可以保障导向线与测量线的同向。进而实现Z向定位工作台的三线平行设计。

图4 Z向定位工作台结构示意图

可以简单的设计Z向工作台为实心长方体块，但是基于使重力影响减小的角度，在设计中使用的长方体柱是空心的，但是Z工作台上的测量面表面要设置为实心面，其组成部分包括Z主台体以及载物台。

2.3 Z向反射靶镜设计

Z向测量定位部件一般是指Z向激光器靶镜，是为了与Z向激光器配合进行Z向精度定位设置的。激光器靶镜是与Z台固连的，而且靶镜的反射平面要与导向线互相垂直，实现导向线与测量线的平行，所以靶镜还有必要进行调整机构的添加。从设计思路上来说，调整靶镜平面是给予三点支撑调平原理的，首先设置一个球面接触的固定点，两个螺钉点接触的调整点[3]。在Z向工作台下板上通过弹簧吊杆的拉紧弹簧悬挂靶镜基板，这四个角的其中一个垫有钢球，此外还要在对焦完成调整螺钉的安装，从而完成靶镜在基板上的固定，并用底板压板压紧，然后只需对调整螺钉进行调节就能实现Z向激光器光束以及标准反射面的垂直。

2.4 基台设计

作为一个安装布置平台，基台包括了激光器、测头系统以及三维定位工作台，从结构上构成了定位工作台的基础，设计要求包括较小的力热变形、较高的加工平面度、较稳定的化学性能以及较好的抗震性能[4]。常用铸铁、花岗岩和低碳钢作为基台材质，本文选用的材质为花岗岩。Z向激光器有较多的零部件和悬挂布置要求，所以为了便于装配，采用了中心方孔型桌式基台设计结构。还把基台划分为三个模块，确保基台的调平与稳定，分别为台面、底座和千斤顶支撑，其中调平机构是千斤顶支撑。基台台面承载了激光器、测头系统以及定位平移台，所以在花岗岩台面上需要安装三维平移台安置槽、激光器安置槽、Z台安装螺钉孔以及测头系统安装螺钉孔。为了实现X导轨的平面度精度，其导轨基座槽设置了开敞式的安置方向，保障电机槽和基座槽能便利的进行平面加工，同时还把加工基准面设置为台面底面，以确保悬挂件和调平精度。

3 三维定位工作台结构优化设计

3.1 同步电机偏心安装

工作台与永磁直线同步电机没有设置中间缓冲环节，是零传动的，工作台与电磁推力波动是直接传递方式进行工作的，会对工作台的定位精度产生一定的影响[5]。这一问题的解决，可以使用偏心安装永磁定子和绕线动子的方式，产生一个中间缓冲环节对推力波动进行抑制和吸收。但是在实际应用过程中，工作台在动子带动下运动是，定子和动子之间会产生一定的径向相对位移，当该位移足够大时会导致偏心量的不足，从而增大推力波动，加大工作台的定位波动，对定位稳定性产生不良影响。所以很有必要对定子和动子间的径向相对位移进行研究。同步电机在工作过程中，定子和动子之间存在缝隙，没有产生直接的接触。在上层板上固定了X向定子，工作台与动子相连。定子的固定座具有对称结构而且具有较小的变形量，所以在这个过程中可以假定定子的状态是水平的，我们只需要分析工作台的动力响应。工作台在移动时，可以产生随时间变化的对上层板的作用，上层板同时提供动态响应，并对工作台动力行为产生一定的影响。所以，对工作台的动力响应进行研究，要把上层板和工作台看做一个整体的系统。有实验结果显示，在电机驱动时，定子和动子不能超过0.1mm的径向相对位移。

3.2 磁流变液阻尼器与配重块设计

要保障平稳的工作台运动，要确保驱动电机负载的稳定性。同时由于在运动时会有一定的摩擦力存在，也会产生一定的负载扰动，从而产生定位和驱动精度的影响，所以要无冲击固紧工作台，并把扰动因素的影响降至最低。在定位时需要提供柔性阻尼力，降低扰动影响，确保纳米级精度定位。在驱动过程中，通过阻尼力大小的调整，对导轨摩擦阻力进行实时修正滚动，实现阻力均匀化。为了确保导轨的导向精度，分别将动子与连杆与工作台固定。同时还要对称防止两个阻尼器槽。在三轴方向上工作台均安装了无冲击固紧阻尼装置，但是还需要把配重块加装到Z轴上。阻尼装置总是提供阻碍系统运动的力，配重块的重力可以与工作台重力进行抵消，运行工作台系统时，就减少了电机驱动力，可以选用小功率电机。

3.3 工作台结构参数优化设计

工作台X向受力分析

图5 工作台X向受力分析

下式为工作台运动方程:

(1)

其中：

(2)

将(2)中代入(1)并进行整理可得电机动子运动方程:

(3)

和工作台运动方程:

(4)

在X向工作台系统中，(3)和(4)式为动力学模型。在该模型的基础上，进一步的完成优化结构参数取值。从频率特性方面来说，线性系统包括系统参数和动态结构，因此，研究过程中的频率特性尽管具有稳态响应，但是其中必然会蕴含动态过程的规律性。我们构建了微分方程作为数学模型，并使用MATLAB软件对系统线性化模型进行提取，实现系统的频域分析。在分析过程中，采用的输出数据为工作台X轴的加速度。图6给出了具体的频率特性示意图。频率特性是一种稳态响应，对结构参数值进行改变，也会相应的改变系统的频率特性，所以要对系统运动的平稳性进行着重关注，选用系统谐振峰值作为频率特性指标，越小的谐振峰值，就代表系统具有越好的系统平稳性。

图6 工作台X轴频率特性

4 结论

本研究通过对基于三维定位的工作台机械结构设计方案分析，提出方案的优化措施，并经过仿真实验证明该优化设计效果很好，具有一定的现实意义。

[1] 王琦．纳米三坐标测量机的精度设计与误差修正[D]．合肥工业大学硕士论文，2006．

[2] 费业泰，王晨晨，尚平．微纳米级三维测量“331”系统及其测量方法[P]．中国：ZL200810196741，2008．

[3] 马立，荣伟彬，孙立宁．三维纳米级微动工作台的设计与分析[J]．光学精密工程，2006，14(6)：1017-1024．

[4] 王伟丽，范光照，刘玉圣．基于共平面二维工作平台的精密测量系统[J]．中国计量学院学报，2005．16(4)：264-267．

[5] 转台设计指导书[S]．哈尔滨工业大学，2011．

[责任编辑：崔海瑛]

张海涛(1979-)，男，安徽合肥人，助教，从事机械工程方面的研究。

省质量工程项目“软件工程综合实践教育中心”(2014sxzx021)。

TH721

A

2095-0063(2016)06-0004-05

2016-06-07

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