基于三维定位的工作台机械结构设计分析

周祥荣

摘 要：本文主要从三维定位工作台机械结构设计以及维定位工作台结构优化设计这两个方面进行阐述，为优化三维定位工作台机械结构设计方案提供合理的参考意见。

关键词：三维定位；工作台；机械结构；设计分析

0 引言

在三维左边测量机中，三维定位工作台属于硬件结构主体，这是坐标测量机测量以及定位奠定基础。三维定位工作台的主要构建包括激光测量机、电机以及导轨等通用器件等。在进行三维定位工作台机械结构设计时要对其结构进行分析，选择合理的设计方案，最终促进方案优化。

1 三维定位的工作台机械结构设计

1.1 二维定位工作台机械结构设计

就功能而言，微微定位工作台设计的主要目标是X、Y方向公平面运动以及对运动进行准确定位。从工作台总体的设计方案中可以得出，二维定位工作台结构主要包括X向工作台、Y向工作台以及Z向工作台中的基座、导轨以及二维测量系统等[1]。反射靶镜被包含在平移台的设计中，但是平移台的布置与测量系统的激光器是两个相互独立的个体，层叠结构是3个方向工作台的基台结构布置的基本形式。在设计中，处理好X、Y、Z方向上的驱动线、测量线以及导向线等问题，确保X、Y、Z共面。X向导轨直接固定在在基台上的，在X向电机驱动的情况下能实现沿着X向导轨平移的效果。在Y向电机工作的情况下，Y平移台沿着Y向导轨实现了平移。为了使驱动线与运行线保持在相同的运动方向。在设计机械时，要借助驱动架安装面和电机架轴线垂直精度以及平面精度最终得到保证精度的效果。

1.2 Z向定位工作台的设计

从功能上来看，在Z轴电机工作的情况下，Z向工作台会沿着与X—Y垂直的方向做Z向导轨运动。借助电机支架将Z向电机与Y向工作台相连接，沿着Z向导轨驱动，Z向工作台与Y向工作台维持相对运动的状态。Z向靶镜与Z向工作台是相互连接的，Z向的激光器与机台保持连接的状况，这两者之间的配合程度直接影响Z向定位精度。就工作台部件而言，Z向定位工作主要包括了导航支架、滑轮、Z向工作台、电机、Z向靶镜和电机支架等。就功能划分，可以将上面的零部件划分为4个类型。分别为定位、导向、驱动以及平衡。从结构设计上来看，需要采取有效的措施保障导向线、测量线以及驱动线保持在相同的方向上。通过设置驱动架以及电机架的精度，最终确保导向线与驱动线保持在同一个方向。对Z向靶镜进行适当地调整，能有效地确保导向线与测量线保持在同一方向，最终实现Z向定位工作台的三线平行设计。将Z向工作台设计为实心的长方体块，考虑到重力影响减少的因素，在设计过程中使用空心的长方柱体。但是Z工作台的表面应该设置为实心的，其主要部分包括Z主台体和载物台。

1.3 对Z向反射靶镜的设计

Z向激光器靶镜是Z向测量定位的主要部件，主要是为了配合Z向激光器而进行Z向精度定位而设计的。Z台与激光器相连接，激光器的反射平面则与导向线垂直，最终保证导向线与测量线互相平行，所以，在设计过程中有必要对靶镜的结构进行调整。从设计层面而言，对靶镜的调整正好应用了三点支撑调屏原理。首先，在全面上设计一个固定点，两个螺钉点接触作为调整点。在Z向工作台下板上利用弹簧吊杆的拉紧弹簧悬挂靶镜基板，在这4个角中的其中一个角里垫钢球。然后还要进行对焦处理，最终调整螺钉，最终将靶镜在基板上固定。

1.4 对基台的设计

基台属于一个安装布置平台，激光器、测头系統以及三维定位工作台均属于基台，这些从结构上就构成了基台的定位基础。在进行基台设计时，要力热变形保持在较小的范围、加工平面较高、化学性能稳定等，同时还要具有较好的抗震性能。铸铁、花岗岩和低碳钢是基台设计经常使用的材料。为了便于装配，将其设计为中心方孔型桌式基台设计结构。将基台分为3个模块，台面、底座以及千斤顶支撑，这些都具有较强的稳定性。其中千斤顶支撑属于调平结构。基台台面装有激光器，测头系统和定位平移台等，因此，在基台台面上有必要安装三维平移台安置槽、激光器安置槽等。为了X导轨的平面度精度更加精确，它的导轨槽主要设置了开敞式的安装螺丝钉以及测头系统安装螺丝钉等。为了保证电机槽和基座槽更有利于平面加工，同时将加工基准设置为台面底面，最终保证悬挂件以及调屏精度。

2 三维定位工作台结构优化设计

在工作台与永磁直线同步电机中，没有设置中间缓冲环节，属于零传动状态。工作台与电磁推力波动的工作状态是通过直接传递方式进行的，这会影响工作台的定位精度[2]。因此，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，这能有效地对推力波动起到抑制或者吸收的功能。但在实际工作中，由于定子与动子之间会形成位移，使得偏心量不足，最终加大了推力波动，使得工作台的定位波动加大，不利于其定位的稳定性。所以，可以在在上层板上固定X向定子，将工作台与动子连接。定子的固定座具有对称结构并且其变形量较小，因此，在这一过程中可以将定子假设为水平运动的状态，我们需要对工作台的动力响应进行进一步地分析。工作台在移动的过程中，随着时间的变化会对上层板产生作用，因此，在研究过程中，应将上层板与工作台看做一个有机的整体。

3 结语

本文通过对三维定位工作台机械结构设计方案的分析，并提出了合理优化方案，希望能给三维定位工作台机械结构设计提供有效的意见。

参考文献

[1]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，2015，56（2）：32-43.

[2]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，2015，78（1）：50-58.

（作者单位：广东美的制冷设备有限公司）