新型并联柔顺约束测头的结构设计与力学特性研究

发布时间：2020-08-08 16:43

【摘要】：三维精密测量技术是机械工程领域的关键技术之一,被广泛应用于微机电系统及微型元器件的精密测量和表征等领域,在很大程度上体现了一个国家的制造业发展水平。测头是精密坐标测量机的关键部件,其性能直接影响到坐标测量机的整体精度。因此,开展用于精密几何尺寸测量的新型测头研究对提高零件加工质量、促进精密测量技术进步以及先进制造业的发展具有重要意义。并联机构具有结构对称、运动链短、运动精度高、动态响应好等优点,将弹性铰链代替传统运动副得到并联柔性机构将进一步消除机械摩擦和运动副间隙对精度的影响,特别适用于对运动精度高、动态响应好等要求的测头约束支承机构。当并联机构位于奇异位形时,机构对外载荷的扰动非常敏感,以Stewart并联机构动、定平台重合时的奇异位形为工作位形,用柔性球铰替代原机构的刚性球铰,固化原驱动副,构造出一种新型并联柔顺机构,并将其应用于精密测头的约束支撑机构。基于线几何与螺旋理论,简要阐明了机构处于工作位形时具有的自由度类型。利用并联柔顺支撑机构的静力学及分支杆刚度模型,构造出测头机构的整体刚度矩阵,建立了测头的测力-位移模型,通过数值模拟和有限元软件验证了理论分析的正确性。利用Solidworks和ANSYS Workbench的协同仿真分别探究了测头x,y,z方向的灵敏度与测头特征尺寸的关系,并通过正交试验法优化了测头弹性支撑机构的各项参数。通过有限元分析软件ANSYS Workbench对测头进行了模态分析、谐响应分析和线性屈曲分析,得到了测头的前六阶固有频率和振型、位移响应曲线以及测头在x轴,y轴和z轴方向的线性屈曲临界载荷,并对并联柔顺约束测头的动态特性进行了分析。
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH112
【图文】：

稳定。测头弹性结构各向同性，分辨力达到３ｎｍ，的减小使分辨力得到进一步的改善。该测头存在移动时，测计会发生绕着Ｚ轴旋转的情况；当测移动时，在Ｘ、Ｙ方向将会产生微小的预行程。逡逑图１邋ＮＰＬ研制的电容测头结构及实物逡逑ｉｇ．邋１邋Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ邋ｐｒｏｂｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ａｎｄ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋ＮＰ

第一章绪论电感式、光纤式和光学式。逡逑１．２．１电容式逡逑如１图为英国国家物理实验室（ＮＰＬ）研发出的一种基于电容传感器的三维头，测头利用三个电容传感器来检测各方向的微小位移［１７］。该测头的弹性支撑构为三根呈１２０°均匀分布的铍铜合金悬臂。测头整体均采用了质量小，刚度强材料，结构轻巧稳定。测头弹性结构各向同性，分辨力达到３ｎｍ，量程为２０并可以通过量程的减小使分辨力得到进一步的改善。该测头存在一些缺陷：当头沿着竖直方向移动时，测计会发生绕着Ｚ轴旋转的情况；当测针不位于Ｚ轴且测头沿着Ｚ轴移动时，在Ｘ、Ｙ方向将会产生微小的预行程。逡逑

图３邋ＰＴＢ压阻测头结构及实物逡逑Ｆｉｇ．邋３邋Ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ邋ｐｒｏｂｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ａｎｄ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋ＰＴＢ逡逑如图３所示，利用单晶硅的各向异性腐蚀特性，得到厚度约为２０ｐｍ？３０ｐｍ的逡逑薄膜和厚度４００）ａｍ的中心连接体，并借助离子束掺杂技术在薄膜上添加压阻条作逡逑为敏感单元。薄膜整体大小为６．５ｘ６．５ｍｍ２，方形口大小为３＞＜３ｍｍ。薄膜背面有３逡逑组惠斯通电桥，分别可以获取沿着Ｘ，Ｙ，邋Ｚ三轴方向移动的位移。当测端受到力逡逑的作用时，力由测杆传递给薄膜，引起薄膜的产生形变，然后借助敏感单元获取逡逑变形量，最终得到测端的各向位移。该探头在Ｘ，Ｙ，Ｚ方向上的重复性分别为４．４ｎｍ，逡逑４．４ｎｍ，邋１．３ｎｍ。逡逑１．２．３电感式逡逑瑞士联邦计量检定局（ＭＥＴＡＳ）研制了一种电磁式测头，图４和图５分别为逡逑该测头的结构示意图和实物图。测头材料主要为错

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本文编号：2785825