三维测量试验样机结构虚拟设计

　　三维物体的测量与重构技术在机械工程、工业设计等领域已经得到广泛应用,传统的测量方法有接触式探针测量、断层测量和投影测量等,但这些方法普遍存在精度低、算法复杂、不能测量物体内部轮廓或破坏被测物体等缺陷[1-2],制约了该技术在各领域的进一步应用和发展.针对传统方法的各种缺陷,文献[3]提出了一种基于浮力的三维物体轮廓测量及重构的新方法.按照功能,该方法对应的设备可以划分为测量系统、数据转换系统、重构系统和控制系统等.测量系统是整个设备的基础和关键之一,用一台分析天平精密测量特定力的大小,测量结果将作为数据转换和重构系统的初始输入.

　　测量系统的基本要求是在测量过程中保证系统的稳定性,同时要有足够的灵敏度,其原理方案已经得到论证并找出了主要的不稳定因素[4].根据原理方案的研究,设计了预期能够满足要求的中刀结构和轴承结构方案的实现形式.在设计阶段大部分零部件尺寸还未确定,又难以测量摩擦系数、微观位移等参数的准确值,因此难以通过理论计算的方法比较两种结构的性能,有必要应用试验手段进行比较.

　　为使试验结果具有可比性,需保证2种结构的试验样机相关参数完全一致,如重要部件要能够完全互换,结构重心要能够调节且易于计算坐标等;设计中大量参数相互关联,如改变结构某尺寸,必须重新确定相关尺寸,否则会影响结构,同时要重新对各性能参数进行分析、校核和计算等.这些因素使设计过程复杂、重复且易出错.传统设计方法计算量大,设计周期长,设计的结构不紧凑,不便于采用.

　　虚拟设计是以计算机为工具,融合各种现代设计方法的设计手段,可以使设计过程可视化、结构模型参数化、参数计算程序化,适合结构复杂、关联性强、计算量大或性能要求严格的机械设计[5].作者应用Pro/E软件对三维测量试验样机主体结构进行的虚拟设计,是一个建立样机参数化实体模型和不断分析、计算、优化的过程.

　　1　试验样机结构方案

　　经过理论论证,图1、图2所示的中刀结构和轴承结构都预期能够满足测量系统要求.

　　测量时,左桶内液面的陆续变化破坏结构中初始的力系平衡,横梁随之产生微小偏转使力系达到新的平衡,读取天平在2个状态时的值,完成一次测量.天平读数差值与被测物体所受浮力变化有关,间接反映了被测物体对应断层的面积和重心信息[3],是系统的测量对象.为使差值准确反映断层信息,需使横梁偏转灵敏且稳定.

　　横梁偏转需克服支点处的摩擦力矩,当摩擦力矩较大时,差值不能准确反映浮力的变化,以致当浮力改变很微小时天平读数没有变化.如果在偏转时支点由于不稳定产生了微小的滑移,差值同样不能准确反映浮力的变化.因此,为了得到较精确的测量结果,要求支点处摩擦力矩足够小且支点位置固定,理论计算也表明这是影响测量精度的主要因素.