自整平式儀器平臺機械結構設計分析

萬家海

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

關鍵詞：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 文獻標志碼：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

傳統實驗室通常遠離取樣點，難以覆蓋廣泛流域，無法滿足在現場快速提供分析結果的需要。而將傳統實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輸顛簸性、供電穩定性、環境溫濕度變化等問題，無法保障結果的可靠性。車載中小型高精密檢測儀器（下文簡稱“儀器”）憑借其現場快速響應、高可靠性等性能優勢，實現了應用范圍、應用價值的不斷拓寬。然而在使用儀器時需保持水平放置、確保低震動環境下使用，現有的復雜車載條件很難滿足其使用需求，研發一款可靠的自整平式儀器平臺（下文簡稱“平臺”）可保證車載環境下儀器的穩定使用[1]。

1 自整平式儀器平臺的運動學與受力分析

1.1 自整平式儀器平臺設計

儀器應用于車載環境存在以下問題：其一車載運行條件復雜，車輛常遇顛簸路段，無法保障儀器的水平放置；其二儀器的重心點非中心點，影響儀器車載運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調節的方式實現車載環境下儀器的穩定使用[2]，其結構如圖1所示。

1.2 受力分析

平臺應用于車載環境時涉及外力作用的影響，分別采用重力整平法與步進電機整平法完成粗、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動，運動至粗整平最小角度時，根據重力整平法，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，實現粗整平。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。儀器的重心點可能非中心點，步進電機整平法可調節精整平重心，確保了儀器粗整平過程仍保持水平放置[3]。

1.3 運動學分析

從粗整平運動過程入手，平臺依靠懸掛桿實現與車頂固定連接，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°可完成粗調平動作[4]。

從精整平運動過程入手，精整平采用三點調節模式實現同步調平，借助三個升降縮減調平耗時，依靠三角形結構提高平臺穩固性。考慮粗整平角度上限與儀器整機尺寸（最大尺寸800mm*700mm*600mm），避免在調平過程中產生相互干擾，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：

依據實測值l=23.12mm，可得整平行程為25mm，故平臺搭載儀器的運動空間為長825mm、寬725mm、高600mm。

2 自整平式儀器平臺機械結構設計及仿真試驗

2.1 懸掛桿設計

平臺依靠懸掛桿實現與車頂的連接固定，選取螺栓連接懸掛桿頂部與錨桿底部，結合實際工作條件，確保懸掛桿長度在500mm以上，并針對懸掛桿進行了抗彎強度設計。

2.2 粗整平設計

平臺依靠重力作用可完成粗整平動作，但強化粗整平的穩定性需借助電機與蝸輪蝸桿結構完成鎖死動作。當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轉動，借助蝸輪蝸桿結構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°，結合實際儀器運行條件應將其夾角最大值設為35°，粗整平設計采用籠式結構，連接桿間距不影響設備所需的運動空間，結合儀器的拆裝要求，應將籠式結構空間設為850mm×750mm×600mm。

2.3 精整平設計

考慮到安裝三角形結構，精整平頂板尺寸設為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動，防止精整平操作的過程中引發頂板變形的問題。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步進電機，電動升降臺的最大行程設為30mm，最小調整量設為0.1′。

2.4 仿真試驗

選取SolidWorks軟件針對平臺的機械結構進行三維建模，平臺的總重為16.158kg，重力為158.3438N，設車載高精密監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、粗整平運動、精整平運動進行仿真分析。

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

其次針對粗整平運動過程進行仿真分析（如圖3所示），仿真結果表明當粗整平運動達到最大傾角時，其整平角度的最大值為41.42°，且未產生干涉現象，而粗整平夾角最大值為35°，證明該設計符合平臺粗整平運動要求。

最后針對精整平運動過程進行仿真分析（如圖4所示），選取三角形結構中的A點進行運動仿真，當精整平運動到達最大傾角時，其整平角度最大值為8.7°精整平運動仿真分析示意圖，且未出現干涉現象，三點在配合下共同完成整平動作，符合運動要求。

利用懸掛桿將平臺固定在車頂上，調整懸掛桿角度的過程中觀察傾角儀讀數，依次完成粗整平與精整平調節，進行試驗驗證。在觀察粗、精整平驗證結果時可以發現，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°，均符合設計要求[5]。

3 結論

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

參考文獻：

[1]蒙占彬，曹宇光，張士華.自升式平臺齒輪條升降系統結構設計[J].機械設計與制造，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計[J].礦業科學學報，2018，3（05）：65-71.

[3]程佳鳴，陶云飛，吳淼.自整平式儀器平臺機械結構設計[J].煤炭技術，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].傳感技術學報，2019，32（01）：155-160.

[5]徐成雙.諧波減速器精度測試儀設計與實現[D].南京信息工程大學，2017.