新型拱形亭式纳米三坐标测量机的主体结构设计

　　随着纳米测试技术的发展,对三坐标测量机性能及精度不断提出新的更高的要求[1],人们通过对传统三坐标测量机多方面改进,使得三坐标测量机的性能逐步提高,但要实现纳米级精度测量,还有很多问题亟待解决。其中纳米三坐标测量机的主体结构对精度及性能的影响引起广泛重视,因此对主体结构进行优化设计,减小测量机结构的力变形、热变形,提高测量机的稳定性,成为纳米三坐标测量机研究的重要组成部分[2]。本文在结构变形分析的基础上,应用AN-SYS进行优化设计,提出了一种新型拱形亭式纳米三坐标测量机的机架结构。

　　1　结构变形分析

　　三坐标测量机的主体结构主要有悬臂式、龙门式、单拱式等。

　　1·1　悬臂式结构

　　悬臂式结构是应用最广泛的三坐标测量机结构,其结构紧凑、耗材少、测量范围大。但立柱和横梁的变形较大。

　　悬臂式测量机结构,主要是受Z轴载荷,引起横梁和立柱都发生变形,其受力简图如图1所示, P为施加在梁上的载荷。采用结构力学位移计算方法中的单位载荷法求其形变。

　　1·2　龙门式结构

　　龙门式结构具有对称性,相对于悬臂式结构更加稳定,为三次超静定结构。受力简图如图2所示,采用力法原理[3]分析结构的内力,用单位载荷法求其形变。

　　1·3　单拱式结构

　　单拱式结构首次由合肥工业大学研制第一代纳米三坐标测量机时提出[4],设计思想主要参照古代桥梁设计,属于三次超静定结构。受力分析简图如图3所示,由于没有立柱,只有拱形架受力。

　　当单位载荷作用于拱顶时,变形量Δy为:

　　通过以上计算可以看出,悬臂式结构的横梁和立柱都发生较大的变形,龙门式结构和单拱形结构的梁中心因受力产生变形,相比较而言,悬臂式结构的变形最大,单拱式结构的变形最小。结构变形量的大小将影响纳米三坐标测量机的性能和精度,因此纳米三坐标测量机主体结构的优化设计,就是通过结构形式和结构参数的选择使测量机的力变形、热变形最小,从而有效提高测量机结构的稳定性,以实现纳米级测量精度。

　　2　拱形亭式结构优化设计

　　应用ANSYS有限元分析软件通过力变形分析、模态分析,对纳米测量机机架的结构参数进行优化设计。

　　2·1　变形量计算

　　为了进一步减小变形,提高结构精度,在单拱形结构设计的基础上,考虑力、热变形的对称性,设计了一种新型拱形亭式纳米测量机的机架结构,四面拱形框架,顶部内面为球面,如图4所示。