3875 智能掃描機械臺結(jié)構(gòu)設(shè)計,智能,掃描,機械,結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 智能掃描機械臺結(jié)構(gòu)設(shè)計第 1 章 緒 論1.1 課題背景遠(yuǎn)古時代，人類的祖先面對著充滿神秘色彩的天空，編織出許多美麗、動人的神話、傳說故事。這些故事經(jīng)過無數(shù)代人的流傳，便真有了冒險者，不惜生命代價嘗試原始的飛行探險。1903 年 12 月 17 日，萊特兄弟第一架動力飛機的試飛成功，使人類飛行的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。但是人類并沒有為此而滿足，他們將眼光瞄準(zhǔn)了更遙遠(yuǎn)的宇宙空間。1926年 3 月 16 日，美國人戈達(dá)德制成了世界首枚液體火箭。1957 年蘇聯(lián)衛(wèi)星首次進(jìn)入太空。1969 年 7 月 20 日，阿波羅 11 號飛船登月成功。1981 年 4 月 12 日，世界上第一架航天飛機哥倫比亞號發(fā)射。從此人類進(jìn)入了宇宙探險時代。最早，飛行器上天之前要用許多實物進(jìn)行實驗研究，這樣不僅造成許多財力、物力、和人力的浪費，而且有限的實驗所獲得的規(guī)律也不是十分的準(zhǔn)確，其中存在很大的偶然性。隨著人類航天活動的越來越頻繁，對設(shè)備的可靠性及經(jīng)濟性的要求也越來越高。尤其是近幾年來幾次重大的航天飛行事故促使人們對以往的實驗手段進(jìn)行了深刻的反省，開始了仿真測試設(shè)備的研究，仿真轉(zhuǎn)臺就是在這樣的背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。二十世紀(jì)七十年代后，計算機尤其是數(shù)字計算機的發(fā)展為仿真技術(shù)提供了更高的技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在仿真轉(zhuǎn)臺已應(yīng)用到航空、航天設(shè)備的研制和測試的各個環(huán)節(jié)。1.2 智能掃描機械臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1.2.1 智能掃描機械臺的發(fā)展?fàn)顩r美國是世界上最早研制和使用轉(zhuǎn)臺的國家，它的第一臺轉(zhuǎn)臺于 1945 年誕生于麻省理工學(xué)院。從那時起直到現(xiàn)在，美國的轉(zhuǎn)臺研制和使用，無論在數(shù)量、種類，還是在精度和自動化程度上都居于世界領(lǐng)先水平，代表了當(dāng)今世界轉(zhuǎn)臺的發(fā)展水平和方向。此外，英、法、德、俄等國也投入了大量的人力、財力進(jìn)行仿真轉(zhuǎn)臺的研究。但是以美國最為典型，下面主要以美國的轉(zhuǎn)臺研究和發(fā)展為例進(jìn)行介紹?；仡櫭绹D(zhuǎn)臺的發(fā)展過程，大體可以分為以下幾個階段：第一階段的主要標(biāo)志：用機械軸承支撐臺軸，軸的驅(qū)動采用交流力矩電機。1945 年，美國麻省理工學(xué)院儀表實驗室研制成功世界上第一臺轉(zhuǎn)臺，開始了轉(zhuǎn)臺發(fā)展的第一個階段。此轉(zhuǎn)臺后來命名為 A 型臺，臺軸的支撐采用一般的滾珠軸承，2 軸的驅(qū)動直接用交流力矩電機完成。在 A 型臺的基礎(chǔ)上，于 1950 和 1953 年又相繼研制出了 B 型臺和 C 型臺。第二階段的主要標(biāo)志：采用液體靜壓軸承支撐臺體，用支流力矩電機驅(qū)動軸系。1956 年，美國開始研制液體靜壓軸承轉(zhuǎn)臺，并研制出了 D 型液體軸承臺，他的摩擦力矩僅為 C 型轉(zhuǎn)臺的 1/8，有利于提高精度。從五十年代開始，除了麻省理工學(xué)院，美國還有一些公司也開始研制轉(zhuǎn)臺。如Carco 公司于 1967 年生產(chǎn)了 T-025、026 和 081 型轉(zhuǎn)臺。Fecker 公司于 1964 年和1965 年先后生產(chǎn)了 352 型、452 型轉(zhuǎn)臺。1968 年，E 型臺的研制成功被認(rèn)為是美國轉(zhuǎn)臺發(fā)展的第二個階段。 E 型臺的主要材料是非磁性材料 356 號鋁，采用軸向和徑向帶有壓力補償?shù)囊后w軸承，并在耳軸上采用了空氣軸承。第三階段的主要標(biāo)志：采用計算機控制和測試自動化技術(shù)。從 1968 年到 1969 年 Fecher 公司生產(chǎn)了 3768、3769 型單軸轉(zhuǎn)臺及 5768、5569型雙軸轉(zhuǎn)臺，這期間一個引人注目的發(fā)展是這幾類轉(zhuǎn)臺均采用數(shù)字計算機進(jìn)行控制，其中 5569 型轉(zhuǎn)臺還可用數(shù)字計算機進(jìn)行自動測試，可工作在伺服、同步速率、輔助速率、數(shù)字位置、自動轉(zhuǎn)位及紙帶定位等狀態(tài)。1969 年之后，美國的轉(zhuǎn)臺設(shè)計和制造進(jìn)入了系列化階段，技術(shù)得到發(fā)展和完善，相應(yīng)地轉(zhuǎn)臺也成為一種廣泛使用的測試設(shè)備。從那時起至今，位于賓西法尼亞洲匹茲堡的 CGC 公司成為美國制造慣性導(dǎo)航測試設(shè)備和運動模擬系統(tǒng)的主要廠商，并一直代表著美國乃至世界慣性設(shè)備，尤其是轉(zhuǎn)臺的發(fā)展水平。CGC 公司于六十年代末至七十年代初研制了 51 系列轉(zhuǎn)臺，包括 51A 型、51C 型、51D 型、和 51G 型等。這一系列轉(zhuǎn)臺的主要特點是：臺體形式為雙軸臺，采用氣浮軸承。從七十年代初開始，CGC 著手研制 53 系列多軸轉(zhuǎn)臺。先后研制成功了53B、 53D、53E、53G、53W 等型轉(zhuǎn)臺。53 系列轉(zhuǎn)臺的主要特點是：臺體形式均為多軸臺，普遍采用氣浮軸承，軸系回轉(zhuǎn)精度和正交精度均達(dá)到角秒級；使用感應(yīng)同步器作測角元件。CGC 生產(chǎn)的 51 系列雙軸臺和 53 系列多軸臺在控制上均采用了MPACS30H 系列模塊化精密角度控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的應(yīng)用是轉(zhuǎn)臺技術(shù)的重大發(fā)展。從此，轉(zhuǎn)臺進(jìn)入了計算機控制和測試自動化階段。1984 年，CGC 公司提出了改進(jìn)的三軸臺（ Improved Three Axis Test Table,簡稱ITATT）的制造方案。在 CGC 的設(shè)計制造方案中，規(guī)定 ITTATT 是一臺超精密三軸設(shè)備。ITATT 三軸測試轉(zhuǎn)臺可用于艦船導(dǎo)航和空間傳感器的測試，還可用于戰(zhàn)略系統(tǒng)的測試。3 ITATT 轉(zhuǎn)臺在制造方案中采用了新材料和許多新技術(shù)。在臺體材料與機械結(jié)構(gòu)方面，采用了石墨復(fù)合材料——碳纖維增強塑料級球形結(jié)構(gòu)改善了轉(zhuǎn)臺的對稱性及偏轉(zhuǎn)特性。在軸承方面采用有緣磁懸浮軸承。在電機方面使用多相感應(yīng)式電機。用滾環(huán)代替滑環(huán)，降低了摩擦力矩，提高了高速平穩(wěn)性和控制精度，同時提高了可靠性。在測角系統(tǒng)中，將感應(yīng)同步器和絕對光學(xué)編碼器結(jié)合使用。在控制方面，采用了數(shù)字狀態(tài)反饋技術(shù)為誤差補償創(chuàng)造了條件。采用了這些新技術(shù)之后，高精度三軸轉(zhuǎn)臺 ITATT 的技術(shù)指標(biāo)比以前的轉(zhuǎn)臺提高一個數(shù)量級以上。表 1.1 是幾種型號的三軸轉(zhuǎn)臺與 ITATT 的技術(shù)指標(biāo)：表 1.1 幾種型號的三 T 的技術(shù)指標(biāo)比較軸轉(zhuǎn)臺與 ITAT三根軸的擺動 sec軸的正交度 sec軸的定位精度 sec型號內(nèi)框軸中框軸外框軸內(nèi)框軸/中框軸中框軸/外框軸內(nèi)框軸中框軸外框軸最大指向誤差 sec速率不平穩(wěn)性53W0.25 0.35 0.35 2.1 0.9 0.46 0.74 1.3 5.8 150E0.5 0.41 0.65 1.5 1.9 0.25 0.6 0.52 5.5 500.15 0.46 0.7 1.4 0.95 0.77 0.75 0.77 4.3 502M0.45 0.5 0.6 0.12 0.01 0.64 0.58 0.98 2.3 20053G0.33 0.25 0.47 0.4 0.4 0.84 0.64 0.98 2.7 30ITATT 0.03 0.02 0.01 0.02 0.02 0.03 0.0. 0.03 0.11 21.2.2 國內(nèi)智能掃描機械臺的發(fā)展?fàn)顩r國內(nèi)自六十年代中期開始轉(zhuǎn)臺的研制工作，其發(fā)展?fàn)顩r大致如下：1966 年，707 所開始研制 DT-1 型單軸低速轉(zhuǎn)臺，1974 年進(jìn)行全面的精度測定，1975 年通過鑒定。該臺由機械臺體和電子控制箱兩部分組成，采用氣浮軸承，交流力矩電機直接驅(qū)動，用感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器組成測角系統(tǒng)。1975 年，303 所研制成功了 SFT-1.1 型伺服臺，首次應(yīng)用光柵為精密測角元件。該伺服臺與美國 Fecker 公司生產(chǎn)的 200 型轉(zhuǎn)臺一樣，可提供三種工作狀態(tài)。1979 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和原六機部 6354 所及 441 廠合作研制出我國第一臺雙軸伺服轉(zhuǎn)臺——TPCP-1 型雙軸氣浮軸承臺，又稱 7191 雙軸臺。1982 年，6354 所研制成了 7191-Ⅱ型雙軸臺，該臺是在 7191 轉(zhuǎn)臺的基礎(chǔ)上研制的，提高了可靠性。4 1983 年，航天部一院 13 所研制了 SSFT 型雙軸伺服臺，該轉(zhuǎn)臺是我國最大的雙軸伺服臺。1984 年，哈工大與 6354 所共同承擔(dān)了計算機控制雙軸轉(zhuǎn)臺，即 CCGT 雙軸轉(zhuǎn)臺的研制任務(wù)，1988 年研制成功。該臺是我國第一臺計算機控制的雙軸臺。1985 年，由哈工大研制的 DPCT 型單軸計算機控制轉(zhuǎn)臺是我國第一臺計算機控制的轉(zhuǎn)臺。1990 年，中國航空精密機械研究所研制成功了 SGT-1 型三軸捷聯(lián)慣導(dǎo)測試轉(zhuǎn)臺。這是我國第一臺計算機控制的高精度三軸慣導(dǎo)測試臺。在轉(zhuǎn)臺的開發(fā)和制造領(lǐng)域，中國和世界先進(jìn)水平相比還有許多差距，例如，對于轉(zhuǎn)臺相關(guān)的技術(shù)缺乏深入系統(tǒng)的研究，導(dǎo)致了生產(chǎn)的轉(zhuǎn)臺可靠性差，也沒有批量生產(chǎn)的能力；在一些領(lǐng)域存在空白等。1.2.3 未來轉(zhuǎn)臺的發(fā)展趨勢不斷應(yīng)用新技術(shù)來提高轉(zhuǎn)臺的測試精度，增強轉(zhuǎn)臺的穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性是 [3]未來轉(zhuǎn)臺發(fā)展的主要趨勢。具體為：1. 進(jìn)一步提高技術(shù)指標(biāo)；2. 實現(xiàn)測試自動化；3. 加強各種環(huán)境下的測試，控制環(huán)境對測試精度的影響，如溫度、壓力、地基等的影響。4. 對測試的可靠性、穩(wěn)定性提出進(jìn)一步的要求。同時，由于轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用越來越廣泛并逐漸向商品化發(fā)展，使得轉(zhuǎn)臺的研制在保證精度的前提下不斷的應(yīng)用新材料和新工藝以降低成本，這也成為未來轉(zhuǎn)臺發(fā)展的一大趨勢。1.3 立題的目的和意義本轉(zhuǎn)臺主要用于測試機載雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的靈敏性,模擬雷達(dá)在跟蹤動態(tài)目標(biāo)時的現(xiàn)場實際運動情況。它在機載雷達(dá)的研制和實驗室測試方面具有不可替代的作用。1.4 本文主要工作本論文主要將完成對智能掃描機械臺的總體設(shè)計,對智能掃描機械臺機械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計：對內(nèi)中外三環(huán)的轉(zhuǎn)矩的計算與三軸各軸電機的轉(zhuǎn)矩校核，根據(jù)本次設(shè)計的相關(guān)技術(shù)要求對本轉(zhuǎn)臺的誤差分析。5 第 2 章智能掃描機械臺總體設(shè)計2.1 轉(zhuǎn)臺技術(shù)要求轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計是轉(zhuǎn)臺設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對轉(zhuǎn)臺所能達(dá)到的技術(shù)性能和經(jīng)濟性起著決定性的作用。本次設(shè)計所要達(dá)到的技術(shù)要求如下：1．負(fù)載尺寸： 107??2．負(fù)載重量：150kg 3．轉(zhuǎn)角范圍：內(nèi)環(huán)±90°，中、外環(huán)±45°4．最大角速度：內(nèi)環(huán) 300°/s、中環(huán) 180°/s、外環(huán) 160°/s5．最小角速度：內(nèi)環(huán) 0.003°/s、中環(huán) 0.003°/s、外環(huán) 0.003°/s6．最大角加速度：內(nèi)環(huán) 500°/s2、中環(huán) 180°/s2、外環(huán) 180°/s27．三軸轉(zhuǎn)角精度：0.003°8．三軸相交度：0.5mm 9．視場角：±45°10．雙十頻響指標(biāo)：內(nèi)環(huán) 4Hz，中、外環(huán) 3Hz2.2 總體設(shè)計流程根據(jù)機械設(shè)計總體設(shè)計的一般規(guī)律及智能掃描機械臺的特點，智能掃描機械臺總體設(shè)計流程如圖 2.1：轉(zhuǎn)臺技術(shù)參數(shù)確定轉(zhuǎn)臺類型轉(zhuǎn)臺運動功能設(shè)計轉(zhuǎn)臺總體布局設(shè)計轉(zhuǎn) 臺 主 要參 數(shù) 設(shè) 計圖 2.1 轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計流程圖2.3 轉(zhuǎn)臺類型的確定智能掃描機械臺根據(jù)其方位軸系和滾動軸系所在位置的不同，分為立式和臥式兩種類型。立式轉(zhuǎn)臺外環(huán)是方位軸系，內(nèi)環(huán)是滾動軸系；臥式轉(zhuǎn)臺與立式轉(zhuǎn)臺相反，外6 環(huán)是滾動軸系，內(nèi)環(huán)是方位軸系。根據(jù)本次轉(zhuǎn)臺設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)，內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角范圍為±90°，而中、外環(huán)轉(zhuǎn)角范圍為±45° ，所以內(nèi)環(huán)應(yīng)為滾動軸系。因此我們選用立式轉(zhuǎn)臺。根據(jù)驅(qū)動裝置的不同，轉(zhuǎn)臺又可分為液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)臺、電動轉(zhuǎn)臺和電液混合驅(qū)動轉(zhuǎn)臺。液壓驅(qū)動自身存在線性度差、轉(zhuǎn)角小、低速性能差、維護復(fù)雜等許多缺點。而本設(shè)計要求的轉(zhuǎn)速范圍為：內(nèi)環(huán) 0.003°/s～300°/s 、中環(huán) 0.003°/s～180°/s、外環(huán) 0.003°/s～160°/s。顯然，低速性能要求較高，液壓驅(qū)動不能滿足要求，所以我們選擇電力驅(qū)動。綜上，我們選用立式電動轉(zhuǎn)臺。2.4 轉(zhuǎn)臺運動功能設(shè)計2.4.1 工作原理智能掃描機械臺的三個軸都由電機直接驅(qū)動，通過改變電機電流來改變各軸的轉(zhuǎn)速，通過一個峰值電流來實現(xiàn)電機的最大加速度。各電機的啟停及通過各電機的電流由接收到的外部信號控制，從而使轉(zhuǎn)臺上的負(fù)載能夠跟蹤信號的運動。2.4.2 運動功能方案轉(zhuǎn)臺運動功能圖如圖 2.2 所示，內(nèi)環(huán)、中環(huán)和外環(huán)均由電機驅(qū)動，外環(huán)實現(xiàn)方位運動、中環(huán)實現(xiàn)俯仰運動、內(nèi)環(huán)實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運動。圖 2.2 轉(zhuǎn)臺運動功能圖2.5 轉(zhuǎn)臺總體布局設(shè)計根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，考慮到負(fù)載尺寸較大，為了盡可能降低轉(zhuǎn)臺慣量，提高轉(zhuǎn)臺的響應(yīng)速度，我們將內(nèi)環(huán)軸設(shè)計為中空，負(fù)載直接安裝在內(nèi)環(huán)軸的中空部位。在盡可能減小轉(zhuǎn)臺中環(huán)慣量的同時，為了保證中環(huán)剛度，我們將中環(huán)框架設(shè)計為與內(nèi)環(huán)（滾動軸）同心的圓筒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度高、工藝性好等優(yōu)點，且能實現(xiàn)盡量小的轉(zhuǎn)動慣量。由于本轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)較大，同時為了保證中環(huán)框架的正確安裝，我們將外環(huán)框架設(shè)計為分體式薄壁箱結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)可以在達(dá)到最小質(zhì)量的情況下實現(xiàn)最大的結(jié)構(gòu)剛度。綜上所述，本轉(zhuǎn)臺的總體結(jié)構(gòu)我們采用立式 O-O-U 結(jié)構(gòu)形式。其總體布局如圖 2.3 所示7 圖 2.3 智能掃描機械臺總體布局圖2.6 轉(zhuǎn)臺主要參數(shù)設(shè)計本轉(zhuǎn)臺負(fù)載安裝于內(nèi)環(huán)軸孔中，負(fù)載尺寸為 ，所以內(nèi)環(huán)軸徑由負(fù)載107??尺寸決定也為 。內(nèi)環(huán)軸壁厚尺寸，考慮其剛度，結(jié)合經(jīng)驗暫定為 23mm，由于10?轉(zhuǎn)臺設(shè)計的特殊性，其它結(jié)構(gòu)尺寸均與前一步結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果直接相關(guān)，所以暫無法確定。2.7 本章小結(jié)在本章設(shè)計中，根據(jù)此次設(shè)計的技術(shù)要求，完成了本設(shè)計的總體設(shè)計流程，確定了轉(zhuǎn)臺的類型為 O-O-U 型；根據(jù)轉(zhuǎn)臺的運動原理，設(shè)計出它的運動功能方案，三軸均為直接驅(qū)動；根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，考慮轉(zhuǎn)臺的負(fù)載尺寸，確定負(fù)載過渡盤厚度為23mm，設(shè)計轉(zhuǎn)臺的總體布局為立式。8 第 3 章 智能掃描機械臺機械結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計詳細(xì)設(shè)計主要完成轉(zhuǎn)臺的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括轉(zhuǎn)臺內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計、中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計、外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及軸承、聯(lián)軸器、電機和測量元件的選擇。轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計流程如圖 3.1 所示已知參數(shù)設(shè)計結(jié)構(gòu)（ 及選擇測量元件）計算各部轉(zhuǎn)矩粗選電機主 要 零 件剛度校核滿足要求？電 機 轉(zhuǎn)矩校核滿 足要求？結(jié) 束YNNY圖 3.1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計流程圖3.1 轉(zhuǎn)臺內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計是轉(zhuǎn)臺設(shè)計的第一步，因此也是設(shè)計的關(guān)鍵一步。內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計所要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是：全中空軸系設(shè)計及負(fù)載的安裝界面設(shè)計。3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)環(huán)軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 3.2 所示，軸系轉(zhuǎn)子為內(nèi)環(huán)軸（內(nèi)環(huán)框架） ，負(fù)載安裝在內(nèi)環(huán)軸的后端，由于負(fù)載尺寸較大，在內(nèi)環(huán)軸的后端增加一負(fù)載過渡盤，輔助支撐負(fù)載，內(nèi)環(huán)波導(dǎo)座位于負(fù)載過渡盤的頂端。內(nèi)環(huán)軸系的支撐采用鋼絲滾道軸承，由于內(nèi)環(huán)軸的軸向尺寸較大，為了保證軸的剛度，我們除了在軸的前端用一鋼絲滾道軸承作為主支撐外，在軸的后端再增加一鋼絲滾道軸承作為輔助支撐。內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機安裝在軸系前端，電機轉(zhuǎn)子用螺釘與內(nèi)環(huán)軸相聯(lián)，這種布置一方面可以擴大視場角，另一反面可以最大限度的起到靜力矩平衡的作用。內(nèi)環(huán)測角元件為感應(yīng)同步器。內(nèi)環(huán)定子與中環(huán)框架作成一體。這樣既可以使結(jié)構(gòu)緊湊，又可以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)剛度和精度。9 中 環(huán) 框 架負(fù) 載 過 渡 盤滾 動 波 導(dǎo) 座滾 動 電 機感 應(yīng) 同 步 器輔 助 軸 承 主 軸 承滾 動 軸圖 3.2 內(nèi)環(huán)軸系結(jié)構(gòu)圖本轉(zhuǎn)臺各軸系均為局部轉(zhuǎn)角，系統(tǒng)超限保護均為三級保護，其順序為軟件保護、光電開關(guān)保護和機械限位，其中機械限位均有橡膠緩沖裝置。3.1.2 轉(zhuǎn)矩計算理論力學(xué)定義 [3]剛體的轉(zhuǎn)動慣量是剛體轉(zhuǎn)動時慣性的度量，它等于剛體內(nèi)各質(zhì)點的質(zhì)量與質(zhì)點到軸的垂直距離平方的距離之和，即（3.1）21nziiJmr??由式 3.1 可見，轉(zhuǎn)動慣量的大小不僅與質(zhì)量大小有關(guān)，而且與質(zhì)量的分布情況有關(guān)。因此對于結(jié)構(gòu)不規(guī)則的復(fù)雜零件，用式 3.1 計算轉(zhuǎn)動慣量就顯得非常復(fù)雜。由理論力學(xué)知識我們可以得出轉(zhuǎn)動慣量的又一計算公式（3.2）2zzJm??式中 ——慣性半徑（或回轉(zhuǎn)半徑） 。z?10 由式 3.2 可見，只要我們知道零件的回轉(zhuǎn)半徑和質(zhì)量就可以方便地計算出零件的轉(zhuǎn)動慣量。在機械制圖軟件 AutoCAD 的“工具”菜單中有一“查詢——面域/質(zhì)量特性”命令，此命令可以直接生成三維零件的質(zhì)量及回轉(zhuǎn)半徑。利用此命令我們就可以很方便地計算出零件的轉(zhuǎn)動慣量。本次設(shè)計所有關(guān)于轉(zhuǎn)動慣量的計算都是使用此方法來完成的。零件轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系見式 3.1zTJ???（3.3）式中 ——零件角加速度。?表 3.1 繞內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動零件數(shù)據(jù)名稱 質(zhì)量（kg） 轉(zhuǎn)動慣量（kg m）?負(fù)載 150 38.690負(fù)載過渡盤 77.352 15.704滾動波導(dǎo)座 6.175 0.123滾動軸 65.791 18.068輔助軸承內(nèi)環(huán) 40.676 11.312感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子 10.204 3.352合計 350.198 87.249內(nèi)環(huán)軸系各零件質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量計算結(jié)果如表 3.1 所示轉(zhuǎn)矩： N m87.24950761.398zTJ???????3.1.3 軸向固定方式的選擇1. 選擇驅(qū)動系統(tǒng)的軸向固定方式時,要考慮作用在軸上的軸向力是怎樣通過軸承傳遞到箱體或支座上去的,零部件軸向固定是否可靠,不能靠過渡配合來承受軸向力。2. 當(dāng)軸向力很小時,可采用擋圈、彈性擋圈、緊定螺釘、銷等實現(xiàn)軸向固定。當(dāng)軸向力較大時,應(yīng)采用軸肩、軸環(huán)、套筒、圓螺母、軸端壓板、圓錐面等進(jìn)行軸向固定。3. 為了防止軸承內(nèi)座圈與軸發(fā)生相對軸向位移,內(nèi)座圈與軸通常需要在兩個方向上進(jìn)行軸向固定。4. 對于工作溫度不高、兩個支承之間的距離較小的軸來說,可以采用兩端固定,使每一個支承都能限制軸的單向移動,兩個支承合在一起就能限制軸的雙向移動。對于工作溫度較高、兩個支承之間的距離較大的軸來說,應(yīng)采用一端固定一端游動的方法,使一個支承限制軸的雙向移動,另一個支承游動。5. 對于能承受雙向軸向載荷的軸承組合結(jié)構(gòu),安裝時可以對軸承進(jìn)行預(yù)緊,消除間11 隙,并使?jié)L動體與內(nèi)外座圈之間產(chǎn)生預(yù)變形,這樣可以提高軸承的剛度和旋轉(zhuǎn)精度,減小軸在工作時的振動。對于用來承受雙向軸向載荷的單個軸承,其間隙不能在安裝時通過預(yù)緊來消除。6.為了簡化結(jié)構(gòu)、減小軸向尺寸、減輕重量,大、中型雷達(dá)的方位轉(zhuǎn)臺可以采用帶內(nèi)齒輪或外齒輪的特大型軸承,該軸承能承受徑向力、雙向軸向載荷和傾覆力矩,其內(nèi)、外座圈與轉(zhuǎn)臺有關(guān)部分通常采用螺栓進(jìn)行軸向固定。3.1.4 軸的最小直徑的確定軸的最小直徑的設(shè)計，由公式： 3PdAn?（3.4）其中：d——為軸的最小直徑；A——為由材料與受載情況決定的系數(shù)；P——為軸傳遞的功率（kW） ；n——為軸的轉(zhuǎn)速（r/min） 。由表 3.2，A 的值取 80，帶入式 3.4，d=988表 3.2 軸常用幾種材料的 A 值軸的材料 Q235、20 Q275、35 45 ZL101AA 160~135 135~118 118~106 85~723.1.5 軸承的選擇軸承分為滾動軸承和滑動軸承，它們都可以用于支撐軸及軸上零件，以保持軸的旋轉(zhuǎn)精度，并減少轉(zhuǎn)軸與支撐之間的摩擦和磨損?；瑒虞S承的摩擦損失較大，使用、潤滑、維護也比較復(fù)雜；滾動軸承摩擦因數(shù)較低，啟動力矩小、軸向尺寸小，特別是已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，使得設(shè)計、使用、潤滑、維護都很方便。滾動軸承的分類也很多，包括調(diào)心球軸承、調(diào)心滾子軸承、推力球軸承、圓錐滾子軸承、深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承等等。由于內(nèi)框軸在旋轉(zhuǎn)時需同時承受軸向力與徑向力，所以選擇的軸承形式必須滿足這兩點要求，滿足需求的軸承有：推力調(diào)心滾子軸承、角接觸球軸承、圓錐滾子軸承。推力調(diào)心滾子軸承的軸向載荷有限制，不可選。在同樣外形尺寸下，角接觸球軸承，由于內(nèi)框需同時承受軸向和徑向載荷，所以選擇安裝角接觸球軸承。 、12 3.1.6 軸承的固定與密封軸承端蓋既對軸承起到固定支撐作用，也對軸承起到密封作用。本次設(shè)計中軸承尺寸如表 3.3 所示表 3.3 端蓋尺寸號 尺寸關(guān)系 符號 尺寸關(guān)系 符號 尺寸關(guān)系D（軸承外徑） 130 D0 D+2.5 3d=145 D5 D0+2.5 3d=1753d（螺釘直徑） 12 D2 D0+2.5 =170 e 1.2 =14n（螺釘數(shù)） 8（個） D4 0.9D=117 d0 12軸承密封是為了阻止?jié)櫥瑒┩庑沽魇廴经h(huán)境，并防止灰塵、水、腐蝕性氣體等侵入軸承。一般可分兩大類：1. 接觸式密封1) 氈圈密封：軸承端蓋上開出梯形槽，將按標(biāo)準(zhǔn)制成環(huán)形的細(xì)毛氈放置于槽中，以與軸密合接觸。2) 唇形密封圈密封：密封圈由皮革或耐油橡膠等材料制成，具有唇形結(jié)構(gòu)，將其裝如軸承蓋中，靠材料的彈力和環(huán)行螺旋彈簧的扣緊作用與軸緊密接觸。2. 非接觸式密封1) 間隙式密封：在軸表面與軸承端蓋通孔壁之間形成有一定軸向?qū)挾鹊沫h(huán)行間隙，依靠間隙流體阻力效應(yīng)密封.2) 迷宮式密封：在旋轉(zhuǎn)件與固定件之間構(gòu)成曲折的間隙來實現(xiàn)密封。由于內(nèi)框無特殊要求，所以采用普通密封方式即可滿足設(shè)計要求。本次設(shè)計采用氈圈油封，型號：氈圈 FZ/T92010-913.1.7 內(nèi)框軸與負(fù)載盤的聯(lián)接方式內(nèi)框軸軸端與負(fù)載盤的聯(lián)接可采用的方式有多種：如過盈配合、鍵連接、成型連接、彈性環(huán)聯(lián)接、脹緊套連接等等，均可實現(xiàn)。過盈配合連接是利用兩個相配零件的裝配過盈量實現(xiàn)的一種連接。零件的配合表面多為圓柱面。組成過盈聯(lián)接后，由于組合處的彈性變形和裝配過盈量，在包容件和被包容件的配合面間將產(chǎn)生很大的正壓力。當(dāng)連接承受外載荷時，配合表面考此正壓力所產(chǎn)生的摩擦力或摩擦力矩來傳遞載荷。但拆開過盈配合聯(lián)接需要很大的外力，往13 往會損壞連接零件的配合表面，甚至整個零件。鍵聯(lián)接包括平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接、切向鍵聯(lián)接。平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、對中性好、拆裝方便等優(yōu)點，但這種聯(lián)接不能承受軸向力，起不到軸向固定作用。半圓鍵聯(lián)接只用于靜聯(lián)接，主要用于載荷較小的聯(lián)接及錐形軸端與輪轂的連接。楔鍵聯(lián)接用于靜聯(lián)接，主要用于定心精度要求不高、載荷平穩(wěn)和低速的場合。切向鍵聯(lián)接承載能力大，適于傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，常用于傳遞直徑大于 100mm 的重型機械軸上，且對中精度要求不高的場合。成型聯(lián)接是利用非圓剖面的軸裝在相應(yīng)零件轂孔中而形成的，具有拆裝方便、對中性好、應(yīng)力集中小、傳遞轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，但加工比較復(fù)雜，應(yīng)用尚不廣泛。彈性環(huán)聯(lián)接定心性好，拆裝方便、承載能力高，并有密封作用。在彈性環(huán)基礎(chǔ)上演變出的脹緊套連接不但繼承了以上優(yōu)點，而且結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，并由成批型號產(chǎn)品可供選擇，不必單獨設(shè)計，所以本次設(shè)計中，中框軸與負(fù)載盤的聯(lián)接采用脹緊套聯(lián)接方式。規(guī)格：最大轉(zhuǎn)矩 M=17N·m,質(zhì)量 0.41kg,型號：Z 5脹緊套轉(zhuǎn)動慣量：kg/m2??2 221()0.41.0.6.1JmR??????脹脹緊套結(jié)構(gòu)尺寸如圖 3.3 所示 312.7374065M6X圖 3.3 Z5 型脹緊套3.1.8 主要零件剛度校核根據(jù)精密測試設(shè)備的精度要求，其支撐件的結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足強度條件，因此這里只對剛度進(jìn)行校核。又因為本轉(zhuǎn)臺內(nèi)環(huán)框架即為內(nèi)環(huán)軸，所以只對內(nèi)環(huán)軸的剛度進(jìn)行校核。單位：mm14 滾動軸為空心階梯軸，其扭轉(zhuǎn)角計算公式見式 3.4415880()niilTGd????????（3.5）式中 ——切變模量；G——階梯軸上第 段所傳遞的扭矩；iTi——階梯軸上第 段的長度；il——階梯軸上第 段的外徑；idi——階梯軸上第 段的內(nèi)徑。li為了盡可能減小轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量，在保證強度和剛度的情況下，本轉(zhuǎn)臺各軸的材料均采用鋁合金材料（ ） ，其物理性能見表 3.410AL表 3.4 物理性能1A熔點 ()C? 608 密度 (kg/m )?332.8510?彈性模量 MPa)3(10E74.20切變模量 MPa)G27.30泊松比 ?0.36將數(shù)據(jù)代入式（3.4） 9444584167.50.82159.602713.018( )27.3035? ???????????????m)/?查機械設(shè)計手冊，關(guān)于許用扭轉(zhuǎn)角 的參考數(shù)據(jù)如下：[]?精密機械的軸 m(0.25)/??一般傳動軸 m[]1?精度要求不高的軸 m(.)/?顯然，滾動軸的扭轉(zhuǎn)角 m，內(nèi)環(huán)軸的扭轉(zhuǎn)剛度滿足要求。由于負(fù)載安[]0.25/?????裝與內(nèi)環(huán)軸的內(nèi)孔中，所以內(nèi)環(huán)軸的彎曲剛度必定滿足要求。3.1.9 電機轉(zhuǎn)矩的校核在轉(zhuǎn)臺設(shè)計中，電動轉(zhuǎn)臺通常都采用直流力矩電機驅(qū)動。但是直流力矩電機作為直流電機由于有換向器和電刷，所以存在許多缺點。例如，峰值轉(zhuǎn)矩小、存在接觸導(dǎo)電、有點火化和無線電干擾、電機的可靠性和維護性相對較差等。為了克服這些缺點，15 我們在考察了 [6]國內(nèi)外電機發(fā)展的最新進(jìn)展，并考慮本次設(shè)計的經(jīng)濟性后，我們決定選用直流無刷電機。由于本次設(shè)計的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)較大，對電機結(jié)構(gòu)的要求也比較特殊，所以設(shè)計中我們需要的電機都是根據(jù)我們的需要定購。對于內(nèi)環(huán)電機，根據(jù)我們力矩計算結(jié)果再乘以 1.3 倍的安全系數(shù)，電機的轉(zhuǎn)矩為 N m。按照電機結(jié)構(gòu)尺寸，98.1?由式（3.2） 、 （3.3）計算其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為： N m。內(nèi)環(huán)電機所需轉(zhuǎn)矩為：6T?電 機N m。顯然 N m，所以，所選電761.39.82.07T????內(nèi) 電 機 ?.?內(nèi) ?機轉(zhuǎn)矩滿足要求。3.2 轉(zhuǎn)臺中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計所要解決的關(guān)鍵問題是，中環(huán)軸系的結(jié)構(gòu)布局、軸承的選擇及布置和與外環(huán)支撐件的配合等。3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計中環(huán)軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 3.4 所示，中環(huán)框架尺寸較大，為了減小重量和轉(zhuǎn)動慣量將其設(shè)計為全中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部加筋板來保證剛度。中環(huán)軸與中環(huán)電機轉(zhuǎn)子軸做成一體，中環(huán)框架向外伸出兩個耳軸，在耳軸孔中安裝軸套和聯(lián)軸器用以與中環(huán)軸相聯(lián)，聯(lián)軸器采 Z5 型脹緊聯(lián)結(jié)套。軸系采用兩對角接觸球軸承，對稱兩端電機驅(qū)動，外環(huán)框架的上分體箱即為中環(huán)電機的電機座，這種布置可使結(jié)構(gòu)更加緊湊，盡可能的減小了安裝誤差。由于內(nèi)環(huán)的重量分布于中環(huán)軸的一側(cè)，為了平衡內(nèi)環(huán)重量，在中環(huán)軸的另一側(cè)加一組配重塊。測角元件采用光電絕對式碼盤，該軸系摩擦力矩小、結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整。 軸 承 聯(lián) 軸 器 配 重外 環(huán) 框 架 中 環(huán) 框 架中 環(huán) 電 機光 電 碼 盤（a ）16 （b）圖 3.4 中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖圖 3.5 中環(huán)框架剖面圖由于中環(huán)框架結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜，為了更清楚的表達(dá)其結(jié)構(gòu)形狀，圖 3.5 是中環(huán)框架的三維模型圖。3.2.2 轉(zhuǎn)矩計算表 3.5 繞中環(huán)轉(zhuǎn)動零件數(shù)據(jù)名稱 質(zhì)量 kg)(轉(zhuǎn)動慣量 kg m)(?17 滾動軸系 377.163 117.079中環(huán)框架 227.633 46.774配重 222.972 39.492碼盤 1.500 0.002軸套 46.001 0.761俯仰機械限位盤 36.960 3.237俯仰波導(dǎo)座 0.613 0.002俯仰聯(lián)軸器 24.704 0.271合計 937.546 207.618與內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩計算方法相同，先由三維圖形通過計算機計算出零件的質(zhì)量和回轉(zhuǎn)半徑，由式 3.2 和式 3.3 分別計算出零件的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩。繞中環(huán)軸轉(zhuǎn)動的各零件的轉(zhuǎn)動慣量計算結(jié)果如表 3.5 所示。轉(zhuǎn)矩： N m207.618652.10T?????由于電機轉(zhuǎn)子軸即為俯仰軸，所以此處不需對俯仰軸扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行校核。3.2.3 電機轉(zhuǎn)矩校核對繞中環(huán)轉(zhuǎn)動零件的轉(zhuǎn)矩乘以 1.3 倍的安全系數(shù)作為我們所選的電機轉(zhuǎn)矩，即電機轉(zhuǎn)矩為 847.926N m。由三維圖形、式 3.2 和式 3.3 計算出電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩?N m。中環(huán)電機所需轉(zhuǎn)矩為：5.394T電 機 ＝N m652.1.394657.T??中 電 機＝ ＝ ＝ ?顯然， N m，所，以所選電機轉(zhuǎn)矩滿足要求。87.2?中 ?3.3 轉(zhuǎn)臺外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計所要解決的關(guān)鍵問題是，分體式外框架及其薄壁箱式框架結(jié)構(gòu)、軸承及聯(lián)軸器的選擇等。3.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計外環(huán)軸系的結(jié)構(gòu)如圖 3.6 所示。外環(huán)軸系的主支撐采用鋼絲滾道軸承，它可以同時承受雙向的軸向力和徑向力；外環(huán)框架為分體的中空箱式結(jié)構(gòu)，重量輕，便于安裝調(diào)試。將外框架分為框架和兩個中環(huán)基座的分體結(jié)構(gòu)，目的是為了保證一體的中框架正確安裝，分體結(jié)構(gòu)需要保證的關(guān)鍵問題是要保證框架和兩個中環(huán)基座的準(zhǔn)確安裝和中環(huán)軸承座孔與框架的聯(lián)軸器孔的垂直度和相交度，為此，要求加工中將外框架和兩個中環(huán)基座安裝成一體后精加工，以達(dá)到設(shè)計要求，同時要求兩個中環(huán)基座與框架保證一定的配合精度將外框架設(shè)計成薄壁箱式框架結(jié)構(gòu)可以使框架在達(dá)到最低重量的前18 提下實現(xiàn)最大的結(jié)構(gòu)剛度，大型薄壁箱式框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在零件的鑄造技術(shù)，包括木模制造。為此，我們將加強框架鑄造環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，以滿足指標(biāo)要求。外框架上分體箱模型圖如圖 3.7 所示。外環(huán)電機由一對軸承支撐自成一體，安裝方便，外環(huán)軸與外框架采用漲緊式聯(lián)軸器聯(lián)接，外環(huán)測角元件為光電碼盤。3.3.2 轉(zhuǎn)矩計算由三維圖形通過計算機計算出零件的質(zhì)量和回轉(zhuǎn)半徑，由式 3.2 和式 3.3 分別計算出零件的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩： N m3078.4168592.760T?????與俯仰軸系相同方位電機轉(zhuǎn)子軸即為方位軸，所以此處也不需對方位軸扭轉(zhuǎn)角進(jìn) 上 分 體 箱 外 環(huán) 框 架碼 盤方 位 軸鋼 絲 滾 道 軸 承鋼 絲鋼 球電 機圖 3.6 外環(huán)軸系結(jié)構(gòu)圖19 圖 3.7 外框架上分體箱三維視圖行校核。繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動的各零件的轉(zhuǎn)動慣量計算結(jié)果如表 3.6 所示表 3.6 繞外環(huán)轉(zhuǎn)動零件數(shù)據(jù)名稱 質(zhì)量 kg)(轉(zhuǎn)動慣量 kg m)(?滾動軸系 377.163 117.079俯仰軸系 801.763 2485.618外環(huán)框架 600.907 435.613方位滾道軸承外環(huán) 32.389 11.573方位軸 26.712 0.348方位聯(lián)軸器 23.657 0.445方位碼盤 1.500 0.008方位零位銷座 7.687 2.709合計 2060.906 3078.4433.3.3 電機轉(zhuǎn)矩校核對繞外環(huán)轉(zhuǎn)動零件的轉(zhuǎn)矩乘以 1.3 倍的安全系數(shù)作為我們所選的電機轉(zhuǎn)矩，即電機轉(zhuǎn)矩為 11169.959N m。由三維圖形、式 3.2 和式 3.3 計算出電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩?N m。中環(huán)電機所需轉(zhuǎn)矩為：69.17T電 機 ＝ ?N m8592.76.1862.93T??外 電 機＝ ＝ ＝ ?顯然， N m，所，以所選電機轉(zhuǎn)矩滿足要求。69.?外 ?20 3.4 機械轉(zhuǎn)角限位裝置設(shè)計前面已說過，轉(zhuǎn)臺各軸系均為局部轉(zhuǎn)角，系統(tǒng)超限保護均為三級保護，其順序為軟件保護、光電開關(guān)保護和機械限位，其中，軟件保護不是本設(shè)計的內(nèi)容，光電開關(guān)機保護中的光電管為購買的標(biāo)準(zhǔn)件，也不是本設(shè)計的內(nèi)容，本設(shè)計只對機械限位裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。如圖 3.8 和圖 3.9 所示為內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角限位裝置結(jié)構(gòu)和外環(huán)轉(zhuǎn)角限位裝置結(jié)構(gòu)由圖 3.8 和圖 3.9 可以看出，內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角機械限位與外環(huán)轉(zhuǎn)角機械限位裝置結(jié)構(gòu)相似，都是由兩個固定的限位座和一個運動的限位塊組成。為了緩沖和減小噪聲，在固定的限位座上安裝橡膠緩沖裝置。由于外環(huán)轉(zhuǎn)動慣量較大，所以除在限位座上安裝橡膠緩沖裝置外，還安裝有緩沖液壓缸，進(jìn)一步改善緩沖的效果。 滾 動 機 械 限 位 座 橡 膠 緩 沖 墊滾 動 機 械 限 位 動 塊圖 3.8 內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角機械限位裝置21 方 位 緩 沖 液 壓 缸方 位 緩 沖 缸 座緩 沖 橡 膠方 位 限 位 動 塊圖 3.9 外環(huán)轉(zhuǎn)角機械限位裝置中環(huán)機械限位裝置與內(nèi)、外環(huán)機械限位裝置結(jié)構(gòu)不同，其結(jié)構(gòu)如圖 3.10 所示限 位 緩 沖 橡 膠俯 仰 機 械 插 銷外 框 架俯 仰 機 械 限 位 盤機 械 插 銷 導(dǎo) 套圖 3.10 外環(huán)轉(zhuǎn)角機械限位裝置由圖 3.10 可以看出，外環(huán)機械限位裝置由機械限位盤、俯仰機械插銷、俯仰機械插銷導(dǎo)套和限位緩沖橡膠等組成，俯仰機械限位盤隨俯仰軸系一起運動，運動范圍由俯仰機械插銷導(dǎo)套和限位緩沖橡膠等控制在 。當(dāng)轉(zhuǎn)臺在不工作的時候，用機械45??插銷固定俯仰軸系，使其不會左右運動。3.5 本章小結(jié)本章設(shè)計內(nèi)容為此次設(shè)計的主要內(nèi)容，詳細(xì)設(shè)計了智能掃描機械臺機械結(jié)構(gòu)，其包括了內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)均采用電機直接驅(qū)動，由于22 該驅(qū)動需要較低轉(zhuǎn)速和較大轉(zhuǎn)矩，此電機為定做，所以這里就沒有標(biāo)出電機型號。另外中軸和外環(huán)軸上的軸承亦是定做，故沒有查出相應(yīng)型號。此章設(shè)計完成了三軸主要零件的剛度校核和三軸電機轉(zhuǎn)矩的校核，選用了電機并對機械轉(zhuǎn)角限位裝置完成了設(shè)計。根據(jù)次章設(shè)計基本完成了各主要部分的結(jié)構(gòu)尺寸。23 第 4 章 誤差分析誤差分析的主要內(nèi)容是根據(jù)本次設(shè)計的相關(guān)技術(shù)要求，分析各軸的回轉(zhuǎn)精度以及三軸的相交度。4.1 回轉(zhuǎn)精度分析回轉(zhuǎn)精度是影響轉(zhuǎn)臺技術(shù)指標(biāo)的主要誤差之一，本節(jié)將對各軸的回轉(zhuǎn)精度作以簡要分析，4.1.1 滾動軸系回轉(zhuǎn)精度由于滾動軸系的支承，我們采用鋼絲滾道軸承。此種軸承滾動體數(shù)目多，排列緊密，具有很強的誤差均化能力。其中，在載荷的分配方面，主支撐承擔(dān)主要的軸向和徑向負(fù)荷。因此，這里著重考慮主要支承軸承引起的滾動軸的回轉(zhuǎn)誤差。(1) 滾動軸承的有效直徑 mm，滾道基體的端跳動設(shè)計為 mm，120D?10.5??則由此造成的滾動軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為： 1/.76 "???(2) 由于鋼絲直徑不均勻造成鋼絲滾道端跳動為 mm，則由此造成的滾動20.1?軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為： 2/.84" D?(3) 鋼球的直徑誤差為 mm，則由此造成的滾動軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：30.1??3/0.1 ??滾動軸總的回轉(zhuǎn)誤差為： 2213." ??滾 動設(shè)計要求三軸的轉(zhuǎn)角精度均為 ，即 ，顯然 ，所以滾動0.?810.8" ??滾 動軸系回轉(zhuǎn)精度滿足設(shè)計要求。4.1.2 俯仰軸系回轉(zhuǎn)精度對于轉(zhuǎn)臺俯仰軸系的支撐，我們采用的是兩對角接觸球軸承。取兩對軸承的平均跨距作為回轉(zhuǎn)精度計算的軸承跨距。(1) 中環(huán)軸軸承的最大徑向跳動 mm，軸承跨距 mm，由此造成10.5??237L?的中環(huán)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為： 1/.4" L?24 (2) 軸承座孔不同軸度及最大徑向跳動為 mm，軸承跨距 mm，20.??237L?則由此造成的中環(huán)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為： 2/1.7" L?(3) 框架兩端軸頭的最大不同軸度 mm，軸承跨距 mm，則由此30?237造成的中環(huán)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為： 3/1.7" ?中環(huán)軸總的回轉(zhuǎn)誤差為： 2213· .54 ???中 環(huán)由于 ，所以俯仰軸系回轉(zhuǎn)精度滿足設(shè)計要求。10.8" ??中 環(huán)4.1.3 方位軸系回轉(zhuǎn)精度方位軸系的支承，我們也采用鋼絲滾道軸承。(1) 軸承的有效直徑 mm，滾道基體的端跳動設(shè)計為 mm，則148D?10.5??由此造成的方位軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為： 1/2.70" ???(2) 由于鋼絲直徑不均勻造成鋼絲滾道端跳動為 mm，則由此造成的方位.1?軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為： 2/.80" D?(3) 鋼球的直徑誤差為 mm，則由此造成的方位軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：30.1??3/.1??方位軸系軸總的回轉(zhuǎn)誤差為： 2213.5"?方 位由于 ，所以俯仰軸系回轉(zhuǎn)精度滿足設(shè)計要求。3.25" ??方 位4.2 三軸相交度分析4.2.1 滾動軸與俯仰軸的相交度滾動軸與俯仰軸的 [7]相交度誤差主要是由滾動軸的徑向誤差和俯仰軸的徑向誤差造成的。滾動軸的徑向誤差既與材料和加工有關(guān)又與裝配有關(guān)，由 4.1 節(jié)的分析可知由材料和加工造成的徑向誤差為：mm10.5.10.26????裝配誤差： mm225 俯仰軸系的 mm10.5.20.45????相交度誤差：0.026+0.15+0.045＝0.221mm< mm，所以，滿足要求。4.2.2 俯仰軸與方位軸的相交度與滾動軸系和俯仰軸系徑向誤差產(chǎn)生的原因相同，方位軸的徑向誤差也是既與材料和加工有關(guān)又與裝配有關(guān)。同樣，由 4.1 節(jié)的分析可知，方位軸系的mm，10.5.10.26????裝配誤差： mm25?聯(lián)軸器誤差： mm3.7相交度誤差：0.026+0.15+0.045+0.017 ＝0.238mm< mm，所以，滿足要求。0.54.3 本章小結(jié)根據(jù)此次設(shè)計的相關(guān)技術(shù)要求在本章內(nèi)容中主要完成對于誤差的分析?；剞D(zhuǎn)精度是影響轉(zhuǎn)臺技術(shù)指標(biāo)的主要誤差之一，本章詳細(xì)地分析了各軸的回轉(zhuǎn)精度，也分析了由與材料、加工和裝配有關(guān)的徑向誤差造成的相交度誤差，并對回轉(zhuǎn)精度和相交度進(jìn)行了校核。 26 第 5 章 測量及其它元件簡介三軸伺服轉(zhuǎn)臺一般由機械部分、驅(qū)動部分、控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)四部分組成。各部分都對轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標(biāo)有重要影響，轉(zhuǎn)臺的精度也由這四部分的精度組成。機械部分的精度主要由結(jié)構(gòu)和加工來決定，驅(qū)動部分的精度主要由驅(qū)動元件的精度決定，控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)的精度主要由控制和檢測元件的精度和性能決定。本轉(zhuǎn)臺所用到的驅(qū)動元件為永磁交流伺服電機，測量元件有感應(yīng)同步器和光電碼盤，其它元件有聯(lián)軸器、鋼絲滾道軸承等，本章將對這些元件的結(jié)構(gòu)及工作原理作以簡單介紹5.1 直流無刷電機直流無刷電動機驅(qū)動系統(tǒng)由電機本體和驅(qū)動控制電路及位置傳感器組成，具體如圖5.1 所示，電機本體結(jié)構(gòu)如圖 5.2 所示。定子采用三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子磁鋼激勵，磁路為徑向結(jié)構(gòu)，瓦形磁鋼粘接在轉(zhuǎn)子鐵心上，定、轉(zhuǎn)子采用分裝形式，位置傳感器為光電編碼器，與電機同軸安裝,用來檢測電機轉(zhuǎn)子的位置。NS驅(qū)動電路位置傳感器圖 5.1 電機系統(tǒng)示意圖圖 5.2 電機結(jié)構(gòu)示意圖驅(qū)動控制電路將位置傳感器檢測的轉(zhuǎn)子位置信號處理成三相正弦脈寬調(diào)制信號，通過逆變橋向電機定子通以三相對稱電流，定子繞組電流與轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。通過電流反饋實現(xiàn)準(zhǔn)矢量控制，提高電機的出力?？刂评@組的電壓和電流即可實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。無刷直流電動機具有如下特點：1．電機的峰值轉(zhuǎn)矩大，時間常數(shù)小，響應(yīng)快；27 2．結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，無須維修；3．電機系統(tǒng)具有直流電機的工作特性，控制特性好；4．電機無勵磁損耗，定子電樞散熱條件好。5.2 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種電磁感應(yīng)式多極位置傳感元件。由于多極結(jié)構(gòu)，在電與磁兩方面對誤差起補償作用，所以具有很高的精度。它的極對數(shù)可以做的很多。隨著極數(shù)的增加，精度會相應(yīng)提高。感應(yīng)同步器按其運動方式可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。前者用來傳感和檢測角度位移信號，后者是傳感和檢測直線位移信號。在結(jié)構(gòu)上，兩者都包括固定和運動兩大部分對于旋轉(zhuǎn)式分別稱為定子和轉(zhuǎn)子；對于直線式分別稱為定尺和滑尺。不論是旋轉(zhuǎn)式還是直線式，定、動兩部分都是片狀，因此有時統(tǒng)稱為定片和動片。本轉(zhuǎn)臺使用的是旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器，下面對其結(jié)構(gòu)作以簡單介紹。圖 5.3 是旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)原理圖。 定 子 繞 組 絕 緣 層屏 蔽 層定 子 基 板轉(zhuǎn) 子 基 板轉(zhuǎn) 子 繞 組圖 5.3 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)定、轉(zhuǎn)子一般都用玻璃、不銹鋼、硬鋁合金等材料作基板（但由于加工問題，一般不用玻璃） ，呈環(huán)狀。定子與轉(zhuǎn)子彼此相對的一面上均有導(dǎo)電繞組，繞租用銅箔構(gòu)成，厚度為 0.05mm 左右?；鶚O和繞組之間是經(jīng)過精加工的絕緣層。繞組表面還要加一層和繞組絕緣的屏蔽層，屏蔽層材料采用鋁箔或鋁膜。轉(zhuǎn)子繞組為連續(xù)式的，稱為連續(xù)繞組。它由有效導(dǎo)體、內(nèi)端部和外端部構(gòu)成。每根導(dǎo)體就是一個極，導(dǎo)體數(shù)就是極數(shù)。定子上是兩相正交繞組，做成分段式，稱為分段繞組。兩相交叉分布，相差 90 電角度。屬于同一相的各組繞組導(dǎo)體用連接線串聯(lián)起來。定、轉(zhuǎn)子的有效導(dǎo)體都是呈輻射狀。轉(zhuǎn)子繞組引線方式有三種：1 直接由電纜引出；2 借助電刷、集電環(huán)引出；3 借助裝在定、轉(zhuǎn)子基板內(nèi)圓處的環(huán)形變壓器耦合引出。5.3 絕對式光電碼盤光電碼盤具有精度較高、安裝調(diào)整方便、使用維護簡單、對環(huán)境無特殊要求、可靠性好等優(yōu)點，而且價格相對便宜，所以在本次設(shè)計中采用 RCN200 型絕對式光電碼28 盤。目前，在許多高精度的機電控制系統(tǒng)中被廣泛用作角位置傳感器；實踐己證明使用光電式碼盤作為傳感器構(gòu)成測角反饋系統(tǒng)，可使數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計更簡單，測試更方便。絕對式碼盤的輸出信號經(jīng)處理后的二進(jìn)制數(shù)碼表示碼盤所在點的絕對角位置，所以叫絕對式光電碼盤。絕對式光電碼盤比較適合于做角位置控制系統(tǒng)的傳感器。絕對式碼盤由三大部分組成包括旋轉(zhuǎn)的碼盤，光源和光電敏感元件。碼盤上有按一定規(guī)律分布的由透明和不透明區(qū)構(gòu)成的光學(xué)碼道圖案，它們是由涂有感光乳劑的玻璃質(zhì)（水晶）圓盤利用光刻技術(shù)制成的。光源是超小型的鎢絲燈泡或者是一個固定光源。檢測光的元件是光敏二極管或光敏三極管等光敏元件。光源的光通過光學(xué)系統(tǒng)，穿過碼盤的透光區(qū)，最后與窄縫后面的一排徑向排列的光敏元件耦合，使光敏元件輸出為高電平，代表邏輯“1” ；若被不透明區(qū)遮擋，則光敏元件輸出為低電平，代表邏輯“0”。對于碼盤的不同位置每個碼道都有自己的邏輯輸出，各個碼道的輸出編碼組合就表示碼盤的這個轉(zhuǎn)角位置。5.4 鋼絲滾道軸承圖 5.4 所示是鋼絲滾道軸承的結(jié)構(gòu)圖，鋼絲滾道軸承由軸承內(nèi)環(huán)、軸承外環(huán)、保持架、鋼球和 4 根鋼絲組成。 絲 I絲絲圖 5.4 鋼絲滾道軸承結(jié)構(gòu)鋼絲滾道軸承的主要特點如下：（1）軸承的大小和外形可以根據(jù)需要制造，沒有固定的外形。（2）能承受很大的軸向和徑向力。（3）滾珠與鋼絲的間隙可調(diào)，制造和安裝方便。（4）在承受大軸向力和大直徑的場合使用很廣泛。（5）重量輕、轉(zhuǎn)動慣量低。（6）結(jié)構(gòu)尺寸小、精度高、剛度高。29 5.5 脹緊式聯(lián)軸器本轉(zhuǎn)臺使用的聯(lián)軸器是 Z5 型脹緊式聯(lián)軸器，其結(jié)構(gòu)如圖 5.5 所示。脹緊式聯(lián)軸器的主要用途是代替單鍵和花鍵的聯(lián)結(jié)作用，以實現(xiàn)軸與軸上零件的聯(lián)結(jié)。它可以傳遞扭矩、軸向力或兩者的復(fù)合負(fù)荷，使用時通過高強度螺栓和楔塊的作用，內(nèi)環(huán)與軸之間，外環(huán)與輪轂之間產(chǎn)生巨大抱緊力；當(dāng)承受負(fù)荷時，靠脹套與機件的結(jié)合壓力及相伴產(chǎn)生的磨擦力傳遞扭矩，當(dāng)承受負(fù)荷時，靠脹套與機件的結(jié)合壓力及相伴產(chǎn)生的磨擦力傳遞扭矩，軸向力或二者的復(fù)合載荷。 楔 塊 聯(lián) 軸 器 內(nèi) 環(huán)聯(lián) 軸 器 外 環(huán)螺 栓圖 5.5 Z5 型脹緊式聯(lián)軸器5.6 本章小結(jié)本章設(shè)計根據(jù)此次設(shè)計的精度要求完成驅(qū)動精度、控制精度與檢測精度設(shè)計，選用了高精度驅(qū)動元件和檢測元件，由于控制元件不屬于本設(shè)計內(nèi)容，所以驅(qū)動元件選擇永磁交流伺服電機，檢測元件選用了絕對式光電碼盤。根據(jù)傳動精度要求選用高精度的運動傳動件。30 結(jié) 論智能掃描機械臺的設(shè)計好壞關(guān)系到觀測、追蹤、導(dǎo)航、控制等方面的精度，是實現(xiàn)自動化的重要保證。本次設(shè)計是對智能掃描機械臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計的模擬設(shè)計過程，根據(jù)題目的設(shè)計要求，本次設(shè)計完成了內(nèi)框的±90°回轉(zhuǎn)、中框、外框的±45°回轉(zhuǎn)運動。設(shè)計結(jié)構(gòu)基本合理。本論文敘述了智能掃描機械臺的國內(nèi)外發(fā)展概況、轉(zhuǎn)臺的工作原理、作用，主要針對智能掃描機械臺機械部分的設(shè)計，對轉(zhuǎn)臺的總體結(jié)構(gòu)及詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論論證，同時進(jìn)行了必要的科學(xué)計算，包括對內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)的轉(zhuǎn)矩計算與電機轉(zhuǎn)矩的校核；對各軸系的回轉(zhuǎn)精度和三軸的相交度進(jìn)行了分析與校核。本次設(shè)計全部采用了直接驅(qū)動方式，減少了多機構(gòu)傳動引起的誤差，理論上實現(xiàn)了高精度的要求。設(shè)計中還采用了脹緊套連接方式，它不僅能保證軸與軸轂間的聯(lián)接強度，也能調(diào)節(jié)各框架軸線的垂直精度此后參照設(shè)計技術(shù)要求與參考資料選用了轉(zhuǎn)臺各軸系運轉(zhuǎn)所需要的零部件，并對所選部件進(jìn)行簡要的分析。31 參考文獻(xiàn)[1] 孫靖民.現(xiàn)代機械設(shè)計方法[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.[2] 陳鐵鳴，王連明.機械設(shè)計[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.[3] 王連明.簡明機械設(shè)計手冊[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.[4] 郎需英．三軸慣導(dǎo)測試轉(zhuǎn)臺［N］ ．北京：系統(tǒng)仿真學(xué)報： 2001，Vol.17[5] 趙經(jīng)文，王鐸．理論力學(xué)（下冊） ［M］ ．北京：高等教育出版社， 2001[6] 趙九江，張少實，王春香．材料力學(xué)［M］ ．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003．[7] 王連明.機械設(shè)計課程設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002.[8] 成大先.機械設(shè)計手冊單行本[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.[9] 肖萬選.前燈雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析[J].電子機械工程. 2002 年第 04 期.[10]肖萬選,楊錫和,石輝.天線外場測試轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[J].電子機械工程.2001 年第 05 期.[11]肖萬選.天線穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究[J]. 艦船電子對抗.1999 年第 04 期.[12]肖萬選,王喜坤.艦載雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺基座的結(jié)構(gòu)分析[J]. 電子機械工程.2000 年第05 期.[13]劉長海.艦載雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的裝配設(shè)計及運動仿真[J]. 電子機械工程.2002 年第 01 期.[14]肖萬選.天線轉(zhuǎn)臺驅(qū)動系統(tǒng)的軸向固定方式[J].電子機械工程.2001 年第 02 期 .[15]肖萬選.一種雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析[J].艦船電子對抗.2001 年第 05 期.[16]肖萬選.幾種天線測試轉(zhuǎn)臺的傳動型式[J].電子機械工程.2000 年第 01 期.[17]肖萬選.一種雷達(dá)俯仰轉(zhuǎn)臺的傳動型式與天線的運動范圍[J].艦船電子對抗.2003年第 02 期.[18]楊錫和.一種新型雷達(dá)天線方位轉(zhuǎn)臺[J].雷達(dá)與對抗.2004 年第 02 期.[19]Psiaki, M.L. Attitude sensing using a global-positioning-system antenna on a turntable [J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics v 24 Publication year: 2001.[20]Liu, Yanbin; Jin, Guanghe, Hui-Yang. Research on model of pointing error of a three-axis simulation turntable[J]. Journal of Harbin Institute of Technology.2005.32 致 謝此次畢業(yè)設(shè)計的全部工作是在陳佳瑩老師的精心指導(dǎo)下完成的，陳老師在方案論證、圖的審核和具體設(shè)計過程中給予了很大的支持和幫助，并且提出了許多寶貴的意見，在我遇到困難的時候，陳老師總是放棄休息時間細(xì)心的給我解答，使我受益良多。陳老師以開闊的視野，淵博的知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，敏銳的思維和對新研究方向非凡的洞察力使我受益匪淺。在老師的指導(dǎo)下，我學(xué)會了很多知識，知道了遇到困難要及時解決，及時查閱資料，原地踏步永遠(yuǎn)找不出答案。這也為我今后所從事的工作奠定了良好的基礎(chǔ)。在此，謹(jǐn)向陳佳瑩老師表示最誠摯的感謝和最崇高的敬意! 感謝所有曾給予我關(guān)心、支持和幫助的人們!Ⅰ摘 要三軸雷達(dá)仿真轉(zhuǎn)臺是三軸轉(zhuǎn)臺的一種，本次設(shè)計的三軸雷達(dá)仿真轉(zhuǎn)臺主要用于某型機載雷達(dá)的測試。轉(zhuǎn)臺性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真和測試試驗的可靠性，是保證某型機載雷達(dá)的精度和性能的基礎(chǔ)。本文針對三軸雷達(dá)仿真轉(zhuǎn)臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并進(jìn)行了理論論證及必要的計算，同時對本轉(zhuǎn)臺中使用到的測量元件及聯(lián)軸器等其他原件的結(jié)構(gòu)及原理作了簡單的介紹，設(shè)計中采用鑄鋁合金作為臺體的材料，實現(xiàn)了低轉(zhuǎn)速、高精度的要求，并且減輕了整體的重量，使機構(gòu)在滿足：轉(zhuǎn)角范圍、速度范圍、最大角加速度等設(shè)計參數(shù)要求的前提下，使結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量優(yōu)化。本設(shè)計緊緊圍繞著設(shè)計任務(wù)書中的各項指標(biāo)，從內(nèi)環(huán)開始至外環(huán)一步一步地展開設(shè)計。本文主要內(nèi)容包括轉(zhuǎn)臺的總體結(jié)構(gòu)論證、轉(zhuǎn)臺的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)臺的誤差分析等。結(jié)合轉(zhuǎn)臺設(shè)計的特點，本文重點討論了轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想及設(shè)計過程。關(guān)鍵詞：三軸仿真轉(zhuǎn)臺；機載雷達(dá)；測量元件；聯(lián)軸器：內(nèi)環(huán)：中環(huán)：外環(huán)。 ⅡABSTRACTThree shafts radar simulation turntable is one type of the three shafts turntable . The three shafts radar simulation turntable in this design is mainly used to test a certain type of airborne radar. The simulation turntable has great influence on the reliability and credence of e