万家海

摘 要：自整平式仪器平台为优异的二级减震设计专用工作台，适用于复杂道路交通的车载环境，保证了车载中小型高精密检测仪器的稳定使用。文章针对自整平式仪器平台进行了运动学与受力分析，围绕悬挂杆、粗整平、精整平三个层面，探讨了其具体设计方案，并进行了仿真分析与试验验证。

关键词：自整平式仪器平台；悬挂杆；粗整平平台；精整平平台

中图分类号：TD402 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）20-0084-02

Abstract： The self-leveling instrument platform is an excellent special worktable for two-stage damping design， which is suitable for the vehicle environment of complex road traffic， and ensures the stable use of small- and medium-sized high precision testing instruments. In this paper， the kinematics and force of the self-leveling instrument platform are analyzed， and the specific design scheme is discussed around the three aspects of suspension rod， rough leveling and finishing leveling， and the simulation analysis and experimental verification are carried out.

Keywords： self-leveling instrument platform； suspension rod； rough leveling platform； finishing leveling platform

引言

传统实验室通常远离取样点，难以覆盖广泛流域，无法满足在现场快速提供分析结果的需要。而将传统实验室仪器改装后作为移动检测，在使用过程中往往会面临运输颠簸性、供电稳定性、环境温湿度变化等问题，无法保障结果的可靠性。车载中小型高精密检测仪器（下文简称“仪器”）凭借其现场快速响应、高可靠性等性能优势，实现了应用范围、应用价值的不断拓宽。然而在使用仪器时需保持水平放置、确保低震动环境下使用，现有的复杂车载条件很难满足其使用需求，研发一款可靠的自整平式仪器平台（下文简称“平台”）可保证车载环境下仪器的稳定使用[1]。

1 自整平式仪器平台的运动学与受力分析

1.1 自整平式仪器平台设计

仪器应用于车载环境存在以下問题：其一车载运行条件复杂，车辆常遇颠簸路段，无法保障仪器的水平放置；其二仪器的重心点非中心点，影响仪器车载运行条件下的振动情况；其三平台悬挂安装在顶板时涉及一定的倾斜角度和载荷能力。本文拟设计一款可单杆悬挂、涵盖粗、精整平二级整平功能的自整平式仪器平台，分别采用重力整平与三点调节的方式实现车载环境下仪器的稳定使用[2]，其结构如图1所示。

1.2 受力分析

平台应用于车载环境时涉及外力作用的影响，分别采用重力整平法与步进电机整平法完成粗、精整平。针对粗整平，所受的拉力FnY方向上的分力与平台重力G是一对作用力与反作用力；拉力FnX方向上的分力大于摩擦力f，其合力为切向力Fhq，促使平台做变加速运动，运动至粗整平最小角度时，根据重力整平法，锁紧装置作用，此时摩擦力f与拉力FnX方向上的分力是一对作用力与反作用力，实现粗整平。针对精整平，精整平顶板静摩擦力与切向力Fhq是一对作用力与反作用力，仪器重力G1与顶板支持力F也是一对作用力与反作用力。仪器的重心点可能非中心点，步进电机整平法可调节精整平重心，确保了仪器粗整平过程仍保持水平放置[3]。

1.3 运动学分析

从粗整平运动过程入手，平台依靠悬挂杆实现与车顶固定连接，由于三级城市道路坡度不大于±30度，考虑到运动余量，故车载过程车顶倾斜角度？琢<35°，粗整平中线受重力作用的影响，最大绕球形云台±35°可完成粗调平动作[4]。

从精整平运动过程入手，精整平采用三点调节模式实现同步调平，借助三个升降缩减调平耗时，依靠三角形结构提高平台稳固性。考虑粗整平角度上限与仪器整机尺寸（最大尺寸800mm*700mm*600mm），避免在调平过程中产生相互干扰，仪器安装在精整平顶板中心，精整平角度？茁<6°，精整平点A与B、C所在连线的垂直距离l1为220mm，则其整平行程的计算公式为：

依据实测值l=23.12mm，可得整平行程为25mm，故平台搭载仪器的运动空间为长825mm、宽725mm、高600mm。

2 自整平式仪器平台机械结构设计及仿真试验

2.1 悬挂杆设计

平台依靠悬挂杆实现与车顶的连接固定，选取螺栓连接悬挂杆顶部与锚杆底部，结合实际工作条件，确保悬挂杆长度在500mm以上，并针对悬挂杆进行了抗弯强度设计。

2.2 粗整平设计

平台依靠重力作用可完成粗整平动作，但强化粗整平的稳定性需借助电机与蜗轮蜗杆结构完成锁死动作。当平台完成粗整平动作，球形云台接头与支座间形成一定倾斜角度，倾角传感器可测得倾斜角度并反馈控制电动机转动，借助蜗轮蜗杆结构锁紧杆移动将球形云台接头锁死。球形云台接头与支座的夹角不小于30°，结合实际仪器运行条件应将其夹角最大值设为35°，粗整平设计采用笼式结构，连接杆间距不影响设备所需的运动空间，结合仪器的拆装要求，应将笼式结构空间设为850mm×750mm×600mm。

2.3 精整平设计

考虑到安装三角形结构，精整平顶板尺寸设为830mm×730mm，并利用球连接模式对升降平台与精整平顶板的安装，确保球接头可在精整平顶板上做滑动运动，防止精整平操作的过程中引发顶板变形的问题。由于精整平角度？茁<6°、整平行程最大值为25mm、整平精度为0.1′，因此配合SST42D2121步进电机，电动升降台的最大行程设为30mm，最小调整量设为0.1′。

2.4 仿真试验

选取SolidWorks软件针对平台的机械结构进行三维建模，平台的总重为16.158kg，重力为158.3438N，设车载高精密监测仪器与平台的自重为80kg，在城市交通道路上的行车速度为20km/h，并分别针对球接头、粗整平运动、精整平运动进行仿真分析。

首先针对球接头进行应力分析（如图2所示），仿真分析得出在最大荷载作用下球头所受应力的最大值为45.36MPa，该数值远小于最大许用应力113MPa，且最大变形量为0.037mm，说明球头未产生严重变形。

其次针对粗整平运动过程进行仿真分析（如图3所示），仿真结果表明当粗整平运动达到最大倾角时，其整平角度的最大值为41.42°，且未产生干涉现象，而粗整平夹角最大值为35°，证明该设计符合平台粗整平运动要求。

最后针对精整平运动过程进行仿真分析（如图4所示），选取三角形结构中的A点进行运动仿真，当精整平运动到达最大倾角时，其整平角度最大值为8.7°精整平运动仿真分析示意图，且未出现干涉现象，三点在配合下共同完成整平动作，符合运动要求。

利用悬挂杆将平台固定在车顶上，调整悬挂杆角度的过程中观察倾角仪读数，依次完成粗整平与精整平调节，进行试验验证。在观察粗、精整平验证结果时可以发现，误差都随车顶倾角增大而变大，粗、精整平角度最大值分别为y轴向0.731°和0.0088°，均符合设计要求[5]。

3 结论

通过仿真分析与试验验证，本文设计的自整平式仪器平台可单杆悬挂安装，操作便捷性强，涵盖粗、精二级整平功能，有效满足运动与荷载需求，保障车载环境下中小型高精密检测仪器的稳定使用，具备较强应用价值。

参考文献：

[1]蒙占彬，曹宇光，张士华.自升式平台齿轮条升降系统结构设计[J].机械设计與制造，2013（11）：33-35.

[2]陈慎金，成龙，王鹏江，等.一种用于井下测量的自整平式仪器平台设计[J].矿业科学学报，2018，3（05）：65-71.

[3]程佳鸣，陶云飞，吴淼.自整平式仪器平台机械结构设计[J].煤炭技术，2018，37（08）：248-250.

[4]隋成华，徐之力，徐丹阳.基于Wi-Fi通讯的大功率光功率计的研制[J].传感技术学报，2019，32（01）：155-160.

[5]徐成双.谐波减速器精度测试仪设计与实现[D].南京信息工程大学，2017.