精密調(diào)平工作臺的研究與設計

柴鵬 馮麗 李雅寧

摘要：具有高精度的調(diào)平工作臺是精密測量設備重要組成部分之一。本文設計了楔形塊推動精密微小軸承機構實現(xiàn)工作臺的調(diào)平，避免了構件之間存在滑動摩擦的現(xiàn)象。分析了調(diào)平的具體操作過程，計算了偏轉(zhuǎn)角度與驅(qū)動進給位移的關系。該平臺具有結構簡單緊湊、承載能力強、成本低等優(yōu)點。

關鍵詞：調(diào)平;算法;精密測量

1.前沿

隨著科技水平的不斷提高，現(xiàn)代制造業(yè)向著精密制造的方向發(fā)展，這對測量設備的精度提出了更高的要求，往往達到微米級，甚至亞微米級。精密調(diào)平工作臺是圓柱度儀、齒輪測量機、三坐標測量機等測量設備的重要組成部分，因此，人們對調(diào)平工作臺所要實現(xiàn)調(diào)平的精度要求也越來越高。目前，國內(nèi)使用的精密調(diào)平工作臺多使用凸輪[1]、楔塊[2]機構實現(xiàn)調(diào)平，沒有避免構件之間的滑動摩擦，由其產(chǎn)生的蠕變現(xiàn)象降低了調(diào)節(jié)的精度;國外使用的精密調(diào)節(jié)工作臺已完全達到自動化的程度[3]，通過計算機分析傳感器采集到的數(shù)據(jù)，控制電機的旋轉(zhuǎn)量來實現(xiàn)工作臺的調(diào)節(jié)，但價格非常昂貴。因此設計一種結構簡單、性能可靠、價格較低、避免滑動摩擦的精密調(diào)平工作臺是現(xiàn)代測量行業(yè)的一個重要課題。

2.三點調(diào)平算法

2.1調(diào)平原理

工作臺調(diào)平的過程如圖1所示，首先將工件固定在調(diào)平工作臺上，調(diào)平工作臺固定在測量儀器的轉(zhuǎn)臺上，如圖1（a）所示。工件軸線與轉(zhuǎn)臺軸線的夾角及方位角通?？赏ㄟ^測量儀器的位移傳感器測得，根據(jù)調(diào)平算法，可求得工作臺水平調(diào)節(jié)的角度，再將角度轉(zhuǎn)化為微分頭的位移，調(diào)節(jié)微分頭，使得工件軸線與轉(zhuǎn)臺軸線平行，如圖1（b）所示，即實現(xiàn)工作臺的調(diào)平功能。

（a） ? ? ? ? ? ? ? （b）

圖1 ?調(diào)平原理圖

2.2三點調(diào)平算法

三點調(diào)平算法是在工作臺面下方設置三個支撐點[4]，該三點均布于工作臺底部，如圖2所示，△ABC為等邊三角形，且其邊長a=200mm，O'為工作臺的圓心，A點為固定支撐點，B、C為兩個活動支撐點，通過調(diào)整兩個活動支撐點在z軸方向的距離來實現(xiàn)工作臺的調(diào)平。以A點為圓心，建立坐標系，設α、β分別為工作臺與x、y軸的夾角。則B、C兩點需要調(diào)整的距離為：

（1）

圖2 ?三點支撐分布圖

通過測量面1、2的測量可得到工件軸線與轉(zhuǎn)臺軸線的夾角φ，及方位角ω，建立如圖3所示的坐標系。調(diào)平過程即為工件軸線AK繞x軸旋轉(zhuǎn)β角度，再繞y軸旋轉(zhuǎn)α角度，使其與z軸平行的AD重合的過程。

圖3 三點調(diào)平坐標系

根據(jù)幾何運算得到角度之間的關系：

由上式即可求出：

（2）

將式（2）帶入式（1）得B、C兩點調(diào)整距離s1、s2的表達式：

（3）

3.精密調(diào)平工作臺的設計

3.1結構組成

本文所述精密調(diào)平工作臺的結構示意圖，如圖4所示，主要由工作面、底座、及調(diào)平機構組成。

圖4精密調(diào)平工作臺結構示意圖

3.2調(diào)平機構

精密調(diào)平工作臺的調(diào)節(jié)范圍很小，本文所述調(diào)平工作臺的調(diào)節(jié)范圍為±1?。

由調(diào)平算法可知，三點調(diào)平工作臺的一個調(diào)節(jié)點為固定點，其余兩個點為活動點。本設計采用楔形塊推動精密微小軸承的機構實現(xiàn)活動點的調(diào)平。固定在工作臺下方的精密微小軸承與楔形塊通過工作面和底座之間的拉簧緊密接觸，通過旋轉(zhuǎn)微分頭推動楔形塊的運動實現(xiàn)軸承的上下移動，如圖5所示。

圖5 ?調(diào)平原理

1-工作面;2-精密軸承;3-微分頭;4-楔塊;5-彈簧;6-底座;7-滾珠

4.結論

本文在精密調(diào)平工作臺的設計上采用了楔形塊推動精密微小軸承的機構，給出了調(diào)平進給量的計算方法。該精密調(diào)平工作臺具有如下特點：

（1）采用轉(zhuǎn)動摩擦取代了滑動摩擦，有利于提高調(diào)節(jié)精度;

（2）該裝置結構緊湊、安裝調(diào)試方便、加工成本低。

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作者簡介：

柴鵬（1988.3—），男，甘肅會寧人，碩士研究生，專業(yè)：機械設計及理論。