雙軸精密離心機(jī)反轉(zhuǎn)臺(tái)精密姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

呂 磊，趙世鵬，舒 楊

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，綿陽621900）

0 引言

高精度的精密離心機(jī)主要用于對(duì)慣性設(shè)備的標(biāo)定,例如加速度計(jì)、陀螺等儀器儀表［1］。國(guó)內(nèi)對(duì)線加速度計(jì)的校準(zhǔn)主要是靜態(tài)校準(zhǔn),例如離心試驗(yàn)、重力場(chǎng)試驗(yàn)等；動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)主要是以線振動(dòng)臺(tái)為主進(jìn)行的校準(zhǔn)［2-3］。然而隨著技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)精密離心機(jī)正朝著更精確的加速度不確定度水平、大負(fù)載、多軸、溫度試驗(yàn)等方向發(fā)展,測(cè)試對(duì)象也從單一的加速度計(jì)擴(kuò)展到慣性平臺(tái)及捷聯(lián)慣組［4］。因此,國(guó)內(nèi)相關(guān)單位逐步開展了雙軸精密離心機(jī)的研發(fā)工作,以期填補(bǔ)相關(guān)技術(shù)空白。

楊亞飛［5］研究認(rèn)為,被測(cè)試加速度計(jì)在離心機(jī)上的安裝姿態(tài)誤差和精密離心機(jī)主軸姿態(tài)誤差是影響加速度計(jì)測(cè)試和標(biāo)定準(zhǔn)確度的重要因素。任順清等［6］則研究了精密離心機(jī)主軸回轉(zhuǎn)誤差中以此諧波對(duì)離心機(jī)瞬時(shí)工作半徑的影響。王洪波等［7］則對(duì)單軸精密離心機(jī)結(jié)構(gòu)誤差對(duì)其運(yùn)動(dòng)精度所造成的影響開展了深入分析,并指出主軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)半徑誤差、傾角誤差隨主軸鉛垂度誤差的增加而線性增加。綜合上述研究及相關(guān)資料,雙軸精密離心機(jī)中,工作在離心場(chǎng)中的從軸（或稱為反轉(zhuǎn)臺(tái)）其自身運(yùn)動(dòng)軸線的鉛垂度是整機(jī)實(shí)現(xiàn)較高加速度不確定度的重要環(huán)節(jié)。對(duì)雙軸精密離心機(jī),國(guó)外公開發(fā)表的研究較少且相關(guān)內(nèi)容的敘述模糊不清［8-9］,而國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究則主要集中在反轉(zhuǎn)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)平衡［10-12］等問題上,缺乏相關(guān)姿態(tài)調(diào)節(jié)功能,暫未在公開發(fā)表資料中見到相關(guān)研究?jī)?nèi)容。

因此,本文針對(duì)臂式雙軸精密離心機(jī)的從軸反轉(zhuǎn)臺(tái)在靜態(tài)下的軸線鉛垂度精密姿態(tài)調(diào)節(jié)開展研究,對(duì)雙軸精密離心機(jī)所采用的精密姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開展了設(shè)計(jì)與分析,創(chuàng)新地提出了一種具備可多方向精密調(diào)節(jié)的鉛垂度姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),并對(duì)其精度、受力、變形等方面進(jìn)行了計(jì)算分析與討論。

1 雙軸精密離心機(jī)反轉(zhuǎn)臺(tái)精密姿態(tài)調(diào)節(jié)的功能需求

1.1 雙軸精密離心機(jī)工作原理

雙軸精密離心機(jī)的構(gòu)成如圖1所示。在離心機(jī)主機(jī)中心,具有一套安裝在地面的精密旋轉(zhuǎn)主軸,支承離心機(jī)轉(zhuǎn)臂/轉(zhuǎn)盤及其上的附屬機(jī)構(gòu)。在轉(zhuǎn)臂/轉(zhuǎn)盤末端,安裝有一套精密、平行于中心主軸的從軸。隨主軸旋轉(zhuǎn)時(shí),從軸在轉(zhuǎn)臂上同時(shí)旋轉(zhuǎn),因其旋轉(zhuǎn)方向通常與軸承方向相反,故從軸轉(zhuǎn)臺(tái)也稱作反轉(zhuǎn)臺(tái)。當(dāng)反轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速大小與主軸相同、方向相反時(shí),可為反轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝的被測(cè)試件提供 “0”梯度的加速度場(chǎng)。

圖1 雙軸精密離心機(jī)反轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the counter-rotating table in double axis precision centrifuge

1.2 雙軸精密離心機(jī)反轉(zhuǎn)臺(tái)功能需求與分析

雙軸精密離心機(jī)的反轉(zhuǎn)臺(tái)工作在高g值（g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度）離心場(chǎng)下,為實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸線與離心機(jī)地面主軸的平行度要求,以達(dá)到足夠高的離心場(chǎng)梯度精度,必須實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)臺(tái)整體在鉛垂方向上具備調(diào)節(jié)精度達(dá)到鉛垂度±10′范圍以內(nèi),從而在由于某些因素導(dǎo)致從軸與主軸平行度較差時(shí),可以實(shí)現(xiàn)從軸鉛垂度的調(diào)節(jié),恢復(fù)主軸、從軸之間的平行度關(guān)系。同時(shí),由于反轉(zhuǎn)臺(tái)需要搭載20kg質(zhì)量的試件,抵抗50g的離心場(chǎng)作用,該姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)還需滿足足夠的受力與變形要求。

結(jié)合圖1所示,離心機(jī)轉(zhuǎn)臂末端為反轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng),反轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部由軸承、內(nèi)框、外框以及兩套姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。分析可知,為保證反轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)節(jié),應(yīng)使得反轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)整體相對(duì)轉(zhuǎn)臂是 “浮動(dòng)”的,并且可在非鎖緊狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)反轉(zhuǎn)臺(tái)軸線的微動(dòng)調(diào)節(jié)。在鎖緊狀態(tài)下,可承載反轉(zhuǎn)臺(tái)在50g離心場(chǎng)作用下的受力。從空間上講,主軸與從軸需滿足空間平行度要求,故反轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)實(shí)現(xiàn)空間姿態(tài)的調(diào)節(jié)。姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的固定件與轉(zhuǎn)臂固定連接,運(yùn)動(dòng)件與反轉(zhuǎn)臺(tái)的外框固定連接,從而保證反轉(zhuǎn)臺(tái)整體隨外框在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的限定范圍內(nèi)進(jìn)行繞x軸和y軸方位上角度的微小精密調(diào)整,實(shí)現(xiàn)鉛垂度±10′（俯仰角、偏擺角）的要求。

初步分析,反轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)鉛垂度±10′可通過合理設(shè)計(jì)具有空間3個(gè)方向旋轉(zhuǎn)自由度的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn),避免在±10′結(jié)構(gòu)件之間發(fā)生干涉即可。從受力上看,估算反轉(zhuǎn)臺(tái)整體質(zhì)量約1t,在50g離心場(chǎng)下對(duì)姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)形成約50000N的作用力,方向沿離心場(chǎng)方向,合理選擇材料、設(shè)計(jì),保證結(jié)構(gòu)件足夠強(qiáng)度,即可滿足所需的受力條件。因此,初步分析認(rèn)為,所涉及的指標(biāo)要求是可實(shí)現(xiàn)的。

2 姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 球面調(diào)整定位

為實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)臺(tái)框體整體角度在圖1所示的x和y方向上同時(shí)調(diào)節(jié),設(shè)計(jì)的姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由精密配合的球運(yùn)動(dòng)副（凸、凹球面）組成。相比萬向節(jié),相互配合的球面之間在保證充分潤(rùn)滑的前提下,具有更高的角度調(diào)整靈敏度、更小的摩擦力,可實(shí)現(xiàn)角度的精密、微力、微量調(diào)節(jié)。另一方面,由于本文中的反轉(zhuǎn)臺(tái)工作在高g值的離心場(chǎng)下,在工作中將受到離心場(chǎng)作用,沿離心場(chǎng)方向受力顯著放大。而采用球面配合,增大了受力接觸面積,提高了姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的承載能力,避免了受力后的大變形對(duì)精度的影響,如圖2所示。

設(shè)計(jì)中,采用了左右對(duì)稱各布置一套配合球面的方案。理想地,在調(diào)整過程中,以反轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框架幾何中心位置為調(diào)整中心,則要求兩套配合球面的球心均為該中心,以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)球面的同時(shí)、配合移動(dòng)。結(jié)合反轉(zhuǎn)臺(tái)安裝等其他方面的要求,設(shè)計(jì)球運(yùn)動(dòng)副直徑為2000mm,球心位于框體中心。因此,由于球心與框體中心重合,理論上反轉(zhuǎn)臺(tái)框體可實(shí)現(xiàn)保持中心位置不發(fā)生各方向位移的前提下進(jìn)行球坐標(biāo)系下的角度調(diào)節(jié)。

圖2 反轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)調(diào)整用球運(yùn)動(dòng)副機(jī)構(gòu)三維模型及其示意圖Fig.2 3D model of counter-rotating table and schematic diagram of the attitude adjusting sphere joint

如圖3所示,反轉(zhuǎn)臺(tái)框體與凸球面固定連接,且凸球面上有一根較長(zhǎng)的調(diào)整桿沿球面法向向外延伸。凹球面與轉(zhuǎn)臂固定連接（轉(zhuǎn)臂未在圖中示出）,凹球面中心有孔,凸球面調(diào)整桿從其中穿過。安裝完成后,左右2套配合球面均密切貼合。工作時(shí),通過對(duì)調(diào)整桿在各個(gè)不同的方向上施加作用,使反轉(zhuǎn)臺(tái)框體在球面定位下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的調(diào)節(jié)。

圖3 兩組球運(yùn)動(dòng)副組成的角度姿態(tài)調(diào)節(jié)能力示意圖Fig.3 Schematic diagram of the attitude adjusting sphere joint

事實(shí)上,為保證±10′的角度調(diào)節(jié)行程要求,結(jié)合球面直徑2000mm,只需保證接觸球面中固定凹球面的中心角比凸球面的中心角大±10′即可。但是,為保證球副之間有足夠的接觸面積,應(yīng)增大凹球面面積和體積以適當(dāng)提高強(qiáng)度、減小變形和應(yīng)力集中,故本方案中采用凹球面的中心角比凸球面的中心角大±1°的設(shè)計(jì)。

2.2 萬向節(jié)精密螺桿

凸球面延伸穿過凹球面中心孔直至外部的調(diào)整桿是用于對(duì)反轉(zhuǎn)臺(tái)框體施加作用,使其在球面內(nèi)發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用點(diǎn)。如圖4所示,萬向節(jié)精密螺桿組件包含：精密螺桿、鎖緊螺母、萬向節(jié)以及從凸球面延伸出來的調(diào)整桿。

圖4 姿態(tài)調(diào)節(jié)精密螺桿組件示意圖Fig.4 Schematic diagram of the attitude adjusting precise screw bar components

如圖4所示,本文研究中,調(diào)整桿截面設(shè)計(jì)為正方形,直角邊與鉛垂線成45°夾角。精密螺桿頭端面成規(guī)則平面,理想情況下與調(diào)整桿的四方平面實(shí)現(xiàn)完全的面接觸。4組精密調(diào)節(jié)的螺桿沿調(diào)整桿周向4個(gè)平面均勻布置,也與鉛垂線成45°夾角,互相之間成90°夾角。精密螺桿與萬向節(jié)通過螺紋連接,螺桿可沿萬向節(jié)內(nèi)的螺紋方向旋轉(zhuǎn)伸縮移動(dòng)。精密螺桿頭端的平面與調(diào)整桿的四方平面完全面接觸,且可以產(chǎn)生平面內(nèi)的相對(duì)移動(dòng),螺桿與調(diào)整桿之間的作用力沿接觸平面的法向方向。

反轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整其O-xz平面內(nèi)（即繞y軸）鉛垂度如圖5所示,調(diào)整桿初始位置為圖5中的黑色實(shí)線。調(diào)整過程為：首先將4組精密螺桿旋松,調(diào)整桿在O-xz平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)（即繞y軸旋轉(zhuǎn)）,調(diào)整至合適角度后,將4組精密螺桿依次旋緊,使得螺桿頭端平面與調(diào)整桿四方平面完全接觸,且相互之間不再發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),調(diào)整后的位置為圖5中的黑色虛線。由于螺桿安裝在萬向節(jié)上,螺桿隨調(diào)整桿角度變化而變化的同時(shí)保持良好接觸和受力,即螺桿可始終與調(diào)整桿的相應(yīng)接觸面保持垂直,但此時(shí)螺桿與調(diào)整桿的接觸位置產(chǎn)生了微小平移。

反轉(zhuǎn)臺(tái)框體在O-yz平面內(nèi)角度調(diào)整的簡(jiǎn)化模型示意圖如圖6所示,初始位置時(shí)的反轉(zhuǎn)臺(tái)框體、螺桿位置為圖6中的實(shí)線。松開所有精密螺桿與調(diào)整桿的接觸,通過精密螺桿調(diào)整反轉(zhuǎn)臺(tái)框體在球運(yùn)動(dòng)副內(nèi)的相對(duì)位置,達(dá)到所需的角度值θ,依照一定次序旋緊所有精密螺桿。由于萬向節(jié)的作用,可以保證在調(diào)整過程中精密螺桿的頭端平面與調(diào)整桿的四方平面始終保持良好的平面接觸,但仍可在接觸面內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)滑移。

基于兩組同直徑、共球心的配合球面接觸作用,可以較大程度地保持反轉(zhuǎn)臺(tái)框體作為一個(gè)整體在球運(yùn)動(dòng)副內(nèi)進(jìn)行全向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),進(jìn)行相對(duì)角度關(guān)系和姿態(tài)的調(diào)節(jié)。兩套共8組精密螺桿配合萬向節(jié),實(shí)現(xiàn)多方向角度變化下螺桿對(duì)調(diào)整桿的有效接觸與支承。

為實(shí)現(xiàn)球面接觸良好的相對(duì)運(yùn)動(dòng),在凹球面（相對(duì)轉(zhuǎn)臂固定的球面）上開設(shè)有氣體靜壓節(jié)流小孔,在運(yùn)動(dòng)時(shí)可采用對(duì)凹球面供給具有一定壓力的潔凈氣體,在配合球面上形成氣體靜壓軸承原理的氣膜,實(shí)現(xiàn)配合球面的低摩擦球面運(yùn)動(dòng),從而提高反轉(zhuǎn)臺(tái)框體對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的靈敏度,實(shí)現(xiàn)螺桿驅(qū)動(dòng)下的全向角度精密調(diào)整。

精密配合的球面是實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的核心,而精密螺桿的調(diào)節(jié)能力是反轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)精度調(diào)節(jié)的核心問題。已知本方案中的球面半徑為SR=1000mm,當(dāng)一套（共4組）精密螺桿在O-xz平面內(nèi)成垂直布置,假定實(shí)際工程中,操作螺桿完整地旋轉(zhuǎn)一圈是操作調(diào)整過程中較為容易實(shí)現(xiàn)的,工程中實(shí)際可控的精密調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為δ,即精密螺桿螺距為δ。已知球面半徑,當(dāng)螺距取值δ=1.5mm時(shí),有

實(shí)際工程中,操作控制精密螺桿每次旋轉(zhuǎn)半圈,則螺桿可有效準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)半圈（180°）,則螺桿調(diào)整精度約為2.578′,即當(dāng)旋轉(zhuǎn)精密螺桿半圈時(shí),臺(tái)面鉛垂度可產(chǎn)生2.578′的角度變化。通過一系列逐步精密調(diào)整,可實(shí)現(xiàn)鉛垂度10′以內(nèi)的精度要求。

3 姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的受力分析與討論

機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)的目的最終都是把反轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)節(jié)到了鉛垂度要求較高（±10′）的范圍內(nèi),實(shí)際上對(duì)機(jī)構(gòu)的受力分析只需要校核最大誤差情況下的受力就可以了,其余條件下的受力必然滿足要求。

3.1 球運(yùn)動(dòng)副組件受力的有限元分析

球運(yùn)動(dòng)副組件采用38CrMoAlA軸承鋼,材料具有較好的剛性、強(qiáng)度和穩(wěn)定性,在調(diào)質(zhì)和表面滲氮后具有良好的表面耐磨性。由于反轉(zhuǎn)臺(tái)外框承載整個(gè)反轉(zhuǎn)臺(tái)軸承、臺(tái)面、被測(cè)試件等部組件,而姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)承擔(dān)調(diào)整個(gè)反轉(zhuǎn)臺(tái)外框并實(shí)現(xiàn)其精密調(diào)節(jié)姿態(tài)。因此,總質(zhì)量為1t的反轉(zhuǎn)臺(tái)在50g離心場(chǎng)作用下產(chǎn)生的作用力將全部作用在轉(zhuǎn)臂遠(yuǎn)端的一對(duì)球運(yùn)動(dòng)副上,如圖7所示。

圖7 球運(yùn)動(dòng)副的配合球面組件示意圖Fig.7 Schematic diagram of the sphere joint components

球運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)直徑為2m,假設(shè)最差情況下（即最大角度調(diào)整時(shí)）,凸球面與凹球面之間將達(dá)到最大的角度差（即10′）,如圖8所示。此時(shí),理論上講,凹球面上的受力是不均勻的,且受力面不再對(duì)稱,但是受力面積未發(fā)生變化,這可理解為作用在凹球面上的作用力在法向方向發(fā)生了一點(diǎn)變化,即產(chǎn)生了一個(gè)分量

Fx僅為總受力F的0.29%,故在球運(yùn)動(dòng)副組件的受力有限元分析中,可以不考慮角度偏差對(duì)球運(yùn)動(dòng)副受力造成的影響,按照作用力為垂直的法向方向進(jìn)行分析即可。

圖9為球運(yùn)動(dòng)副受力的有限元計(jì)算結(jié)果。圖9（a）中,最大應(yīng)力發(fā)生在凹球面內(nèi)圓孔倒角處,應(yīng)力值為50.73MPa。圖9（b）中,最大變形發(fā)生在凸球面組件的安裝面（即受力面）上,變形量約為6.24μm,由于變形量非常小,故變形對(duì)姿態(tài)精度等的影響可以忽略不計(jì)。

圖8 球運(yùn)動(dòng)副受力方向示意圖Fig.8 Schematic diagram of the sphere joint in the forced direction

圖9 球運(yùn)動(dòng)副受力有限元分析Fig.9 FEM analysis of the sphere joint

3.2 精密螺桿的受力計(jì)算分析

理想情況（即反轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)誤差為0,無需進(jìn)行任何調(diào)整）下,在正常運(yùn)行過程中,反轉(zhuǎn)臺(tái)外框體與轉(zhuǎn)臂方向一致,如圖10所示。假設(shè)凹球面與凸球面嚴(yán)密、良好配合,則反轉(zhuǎn)臺(tái)在重力方向和離心場(chǎng)方向上的絕大部分受力都是由球運(yùn)動(dòng)副來承擔(dān)的,包括反轉(zhuǎn)臺(tái)的重力和離心場(chǎng)作用力。此時(shí),反轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)姿用精密螺桿是不受力的,僅在離心機(jī)啟動(dòng)、轉(zhuǎn)速變化、停止的過程中,精密螺桿需向反轉(zhuǎn)臺(tái)框體提供作用力,使反轉(zhuǎn)臺(tái)隨轉(zhuǎn)臂整體運(yùn)動(dòng)。

圖10 最大誤差θ=10′時(shí)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)受力分析示意圖Fig.10 Schematic diagram of load analysis with maximum error θ=10′

如圖10所示,理想情況下,反轉(zhuǎn)臺(tái)外框與水平方向的夾角為0°（圖10中右側(cè)的黑色實(shí)線框）,此時(shí)反轉(zhuǎn)臺(tái)鉛垂度為理想的0°。假設(shè)反轉(zhuǎn)臺(tái)經(jīng)過調(diào)整后,鉛垂度剛好調(diào)節(jié)至θ=10′的情況（符合要求的最差情況,圖10中右側(cè)的紅色實(shí)線框）,此時(shí)反轉(zhuǎn)臺(tái)外框與水平方向的夾角為θ=10′, 由于離心場(chǎng)對(duì)反轉(zhuǎn)臺(tái)左右兩部分的作用力不再共線,而是與水平線形成偏移距離h,由于反轉(zhuǎn)臺(tái)框體尺寸較大（約2m）,其離心場(chǎng)梯度不可忽略。根據(jù)受力分析,容易得到：F1＜F2、M1＜M2, 因?yàn)榍蜻\(yùn)動(dòng)副無法產(chǎn)生相應(yīng)的平衡力矩,所以需要由精密螺桿提供。

已知反轉(zhuǎn)臺(tái)中心點(diǎn)o與主軸的距離為6m,該位置處的離心場(chǎng)為50g,反轉(zhuǎn)臺(tái)半徑為0.65m,則得到反轉(zhuǎn)臺(tái)的離心場(chǎng)近點(diǎn)a和遠(yuǎn)點(diǎn)b所處位置的離心場(chǎng)分別為41.67g和58.33g。忽略反轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整角度誤差（θ=10′）對(duì)離心場(chǎng)梯度的影響,反轉(zhuǎn)臺(tái)的離心場(chǎng)近點(diǎn)a′和遠(yuǎn)點(diǎn)b′的離心場(chǎng)仍為 41.67g和58.33g。假設(shè)反轉(zhuǎn)臺(tái)左右兩部分的集中質(zhì)量均為1t,則有

則精密螺桿需提供的作用力Ft為

由計(jì)算結(jié)果可知,此時(shí)的精密螺桿受力較小?？紤]最壞的情況,即只有最外側(cè)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)受力,而該單側(cè)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)全部作用力又都集中在其中1根精密螺桿上,此時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在Ft作用下的變形云圖如圖11所示。

圖11 精密螺桿有限元分析云圖Fig.11 FEM analysis of the precise screw bar

此時(shí),帶萬向節(jié)的精密螺桿變形最大約為0.47μm,最大應(yīng)力為1.1561MPa。因此,本設(shè)計(jì)中姿態(tài)調(diào)節(jié)的精密螺桿受力良好,工程上易于實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文探討了利用兩組同直徑的球運(yùn)動(dòng)副進(jìn)而實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)臺(tái)在空間上多個(gè)角度的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)能力,再利用帶有萬向節(jié)的4組精密螺桿,配合反轉(zhuǎn)臺(tái)在球運(yùn)動(dòng)副內(nèi)的微小角度調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)雙軸精密離心機(jī)所需的反轉(zhuǎn)臺(tái)鉛垂度精度。

經(jīng)過受力分析可知,反轉(zhuǎn)臺(tái)在離心場(chǎng)方向和重力場(chǎng)方向上的受力主要由配合球運(yùn)動(dòng)副承受。當(dāng)反轉(zhuǎn)臺(tái)鉛垂度調(diào)節(jié)至最大允許誤差（10′）時(shí),由于離心場(chǎng)作用而形成的力矩由精密螺桿來平衡。經(jīng)過受力分析,可知該工況下精密螺桿受力較小,狀況良好。綜上所述,本文所分析的姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以滿足雙軸精密離心機(jī)的反轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)精密調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)要求。

文中沒有對(duì)球運(yùn)動(dòng)副的受力開展分析。實(shí)際上,由于在離心機(jī)的設(shè)計(jì)中,球運(yùn)動(dòng)副的設(shè)計(jì)沒有受到尺寸以及重量方面的嚴(yán)格限制,故在合理選擇球運(yùn)動(dòng)副的材料,完成結(jié)構(gòu)形式以及尺寸等重要參數(shù)的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化之后,可以實(shí)現(xiàn)球運(yùn)動(dòng)副在變形和應(yīng)力集中方面的良好設(shè)計(jì)結(jié)果。