批量微加速度計翻滾實驗平臺設計

薛彥輝，石云波，趙 赟，于春華

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051）

0 引言

加速度計重力場翻滾實驗是利用重力加速度將加速度計輸入軸、擺軸和輸出軸方向的分量作為輸入量，通常采用等角度分割的多點翻滾程序或加速度增量線性程序，來標定加速度計各項靜態性能參數的實驗[1]。該實驗是各種量程加速度計性能測試的主要實驗之一。在現有技術條件下，用于進行加速度計翻滾實驗的設備主要有精密光學分度頭、精密端齒盤、雙軸位置轉臺等。這些設備一次只能對一只微加速度計進行實驗，且安裝微加速度計的夾具無法與翻滾驅動裝置分離。

在某863項目設備的設計過程中，需要設計一種微加速度計翻滾實驗平臺。該平臺具有如下特點：1）平臺要求能一次對多只微加速度計進行翻滾實驗；2）微加速度計夾具能與翻滾驅動裝置自動結合與分離。為此，本文利用SolidWorks三維設計軟件設計了一種滿足上述特點的微加速度計翻滾實驗平臺，并利用軟件自帶的插件進行了干涉檢查、制作了運動演示動畫、對關鍵零部件進行了應力分析。

1 翻滾實驗平臺本體設計

翻滾實驗平臺結構采用SolidWorks 2012軟件進行設計和仿真。該設計平臺功能強大、易學易用，同時能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產品質量[2]。設計中采用自下而上的設計方法，即首先設計好各個零部件， 然后利用裝配關系將各個零部件進行裝配組合[3]。

微加速度計夾具做成如圖1所示的槽形結構。在槽內安裝多只微加速度計，在槽的兩側分別設置方孔和圓孔。實驗時，與電機相連的銷插入方孔內，驅動微加速度計夾具翻滾；圓孔內插入頂桿，支撐微加速度計夾具。為了方便銷和頂桿在實驗時能準確插入，將銷做成如圖2所示的梯形，頂桿做成如圖3所示的圓臺形。微加速度計夾具整體采用硬鋁，以減少翻滾部分的重量。在方孔和圓孔內嵌套2mm厚的T8鋼套，減少與銷和頂桿的摩擦損耗。銷和頂桿采用T8鋼材料。

圖1 微加速度計夾具

圖2 銷

圖3 頂桿

平臺運動部分采用電機連接滾珠絲杠的方式。利用SolidWorks 2012軟件根據選定電機、滾珠絲杠和滾動導軌的實際尺寸建立他們的三維模型。

底座采用鋼板焊接而成，為平臺的其它零部件提供安裝、定位基準。為了在實驗開始時，能將微加速度計夾具準確放置在底座上，在底座上設置和夾具大小相同，深2mm的槽，如圖4所示。

圖4 底座

對實驗平臺進行三維造型和裝配，總體機械結構，如圖5所示。在SolidWorks軟件主菜單中選“工具”，單擊“干涉檢查”，在彈出的對話框中選擇建立的實驗平臺裝配體，單擊“計算”進行干涉檢查。檢查結果表明該加速度計翻滾實驗平臺未出現干涉，裝配關系設計合理。

圖5 實驗平臺總體機械結構

2 翻滾實驗平臺運動仿真

SolidWorks無縫集成的COSMOS Motion三維動力學仿真軟件是一款專門用于模擬機械運動和校驗機械設計的動力學插件[4]。利用這一工具可以在實際生產之前確定設計的可行性，同時仿真軟件可以方便地通過動畫，圖形，數據等多種形式輸出零部件的運動軌跡[5]。

首先，設置實驗平臺的各個零部件為靜止零部件或運動零部件。同時，將實驗平臺裝配體中的約束副導入到COSMOS Motion的約束當中。我們可以自行修改COSMOS Motion約束副當中的條件，且在COSMOS Motion約束副中修改的條件不會影響裝配體的配合。接著，在傳感器夾具上添加旋轉副，相當于添加了步進電動機。然后，添加運動、約束、力、碰撞等，同時根據實驗平臺實際運動時的情況，定義各零部件運動距離和轉動角度等。通過模擬實驗平臺完成一次加速度計的翻滾實驗來調整修改設計方案。

微加速度計翻滾實驗過程如圖6所示。

圖6 翻滾實驗過程仿真

實驗時運動主要分為五步：

第一步：銷和頂桿將傳感器夾具夾緊。由電機2驅動水平絲杠旋轉，帶動銷和頂桿向前運動插入傳感器夾具的孔內，將傳感器夾具夾緊，如圖6(a)所示；

第二步：傳感器夾具向上運動到離底座表面100mm處。由電機3驅動豎直絲杠旋轉，帶動傳感器夾具向上運動到離底座表面100mm處，如圖6(b)所示；

第三步：微加速度計進行多點翻滾實驗。由電機1驅動傳感器夾具在一周內進行多點定位，為微加速度計提供加速度敏感基準，如圖6(c)所示。為防止微加速度計的輸出信號線纏繞，電機1完成多點定位后，反轉相同的角度，如圖6(d)所示。

第四步：傳感器夾具回到底座上。由電機3反轉，驅動豎直絲杠反向旋轉，使傳感器夾具向下運動回到底座上，如圖6(e)所示。

第五步：銷和頂桿釋放傳感器夾具。由電機2反轉，驅動水平絲杠反轉，使銷和頂桿退出傳感器夾具的孔，各個零部件回到初始位置，如圖6(f)所示。

3 主要部件應變分析

由于滾動導軌大約有5N的摩擦阻力，所以當銷和頂桿向前運動插入傳感器夾具的孔內時，連接件會有變形，此變形將直接影響銷和頂桿對傳感器夾具的夾緊程度，進而影響實驗平臺的測試精度。對此，我們采用SolidWorks自帶的插件simulation對連接件進行了應變分析。

連接件的材料用鑄造碳鋼，將連接件兩端固定，中間加10N的壓力，得到應力分布圖如圖7所示，位移分布圖如圖8所示。

圖7 連接件應力分布圖

圖8 連接件位移分布圖

從圖中可以看出，最大應力為1711.8N/m2，最大位移為2.856×10-6mm。在連接件這樣的應變條件下，銷和頂桿完全可以將傳感器夾具夾緊到符合翻滾實驗要求。連接件的尺寸和材料選擇符合微加速度計翻滾實驗平臺設計要求。

表1 性能參數

4 測試數據對比與結論

按照上述設計，批量加速度計翻滾實驗平臺已加工完成，如圖9所示。用該平臺測試的加速度計性能參數和廠家測試的加速度計性能參數如表1所示。

圖9 批量加速度計翻滾實驗平臺實物

從表中數據可以看出，采用該平臺標定的加速度計與廠家給的標定值差別不大，可以客觀地反映加速度計內在性能的優劣。實踐證明，該平臺運行穩定，標定結果準確可信。

[1]劉俊,石云波,李杰.微慣性技術[M].北京:電子工業出版社,2005:193.

[2]黃文俊,李錄平,郭克希.基于SolidWorks的汽輪機扭曲葉片造型研究[J].機械設計與制造,2007(5):67-69.

[3]余曉鑫,田聯房,王孝洪,等.基于SolidWorks的巡線機器人機械本體設計及越障運動仿真[J].機械設計與制造,2010(8):180-182.

[4]孟祥德,李剜順,等.CAD/CAE協同仿真技術應用研究[J].機械設計與制造,2007(9):213-215.

[5]劉天祥,宋廣明,王明,韓霞.基于COSMOSMotion水稻栽植機秧針軌跡的運動分析[J].機械工程師,2009(2):102-103.