智能掃描機(jī)械臺(tái)設(shè)計(jì),智能,掃描,機(jī)械,設(shè)計(jì) Ⅰ 摘 要 三軸雷達(dá)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)是三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的一種，本次設(shè)計(jì)的三軸雷達(dá)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)主要用 于某型機(jī)載雷達(dá)的測(cè)試。轉(zhuǎn)臺(tái)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真和測(cè)試試驗(yàn)的可靠性， 是保證某型機(jī)載雷達(dá)的精度和性能的基礎(chǔ)。本文針對(duì)三軸雷達(dá)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并進(jìn)行了理論論證及必要的計(jì)算，同時(shí)對(duì)本轉(zhuǎn)臺(tái)中使 用到的測(cè)量元件及聯(lián)軸器等其他原件的結(jié)構(gòu)及原理作了簡(jiǎn)單的介紹，設(shè)計(jì)中采用 鑄鋁合金作為臺(tái)體的材料，實(shí)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(jī)構(gòu)在滿足：轉(zhuǎn)角范圍、速度范圍、最大角加速度等設(shè)計(jì)參數(shù)要求的前提 下，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量?jī)?yōu)化。本設(shè)計(jì)緊緊圍繞著設(shè)計(jì)任務(wù)書中的各項(xiàng)指標(biāo)，從內(nèi)環(huán) 開始至外環(huán)一步一步地展開設(shè)計(jì)。本文主要內(nèi)容包括轉(zhuǎn)臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)論證、轉(zhuǎn)臺(tái) 的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差分析等。結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)討論了轉(zhuǎn) 臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)過程。 關(guān)鍵詞：三軸仿真轉(zhuǎn)臺(tái)；機(jī)載雷達(dá)；測(cè)量元件；聯(lián)軸器：內(nèi)環(huán)：中環(huán)：外環(huán)。 2 ABSTRACT Three 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 experimentation,so the precision accuracy of a certain type of airborne radar is based on simulation turntable.This paper discusses detailedly the design of mechanical structure of the three shafts radar simulation turntable . Then uses the principle to demonstrate it and do the necessary calculation . At the same time, introduce the principle and structure of measurement components and clutch and other components used in the turntable in brief . This design closely revolves around every targets in design assignment,and spreads out from inner frame to outer frame step by step. The chief content of this paper involves the demonstration of the general structure , the design of the detailed structure and the analysis of error of the turntable. Combining the designing character of the turntable ,this paper emphatically discusses the idea and the process in designing the turntable. Key words：；Three Axis simulation turntable；Airborne radar；Measuring element； Coupling；Inner ring；Central；Outer ring 3 目 錄 摘 要 ......................................................................................................................................1 第 1 章 緒 論 ......................................................................................................................5 1.1 課題背景......................................................................................................................5 1.2.1 智能掃描機(jī)械臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r ..............................................................................5 1.2.2 國(guó)內(nèi)智能掃描機(jī)械臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r ......................................................................7 1.2.3 未來轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì) ..........................................................................................8 1.3 立題的目的和意義 .........................................................................................................8 1.4 本文主要工作 ..............................................................................................................8 第 2 章智能掃描機(jī)械臺(tái)總體設(shè)計(jì) ..........................................................................................9 2.2 總體設(shè)計(jì)流程..............................................................................................................9 2.3 轉(zhuǎn)臺(tái)類型的確定..........................................................................................................9 2.4 轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)....................................................................................................10 2.4.1 工作原理 ............................................................................................................10 2.4.2 運(yùn)動(dòng)功能方案 ....................................................................................................10 2.5 轉(zhuǎn)臺(tái)總體布局設(shè)計(jì)....................................................................................................10 2.6 轉(zhuǎn)臺(tái)主要參數(shù)設(shè)計(jì)....................................................................................................11 第 3 章 智能掃描機(jī)械臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì) ......................................................................12 3.1 轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)....................................................................................................12 3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................................................................................12 3.1.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 ............................................................................................................13 3.1.3 軸向固定方式的選擇 ..........................................................................................14 3.1.4 軸的最小直徑的確定 ..........................................................................................15 3.1.5 軸承的選擇 ...........................................................................................................15 3.1.6 軸承的固定與密封 ..............................................................................................15 3.1.7 內(nèi)框軸與負(fù)載盤的聯(lián)接方式 ..............................................................................16 3.1.8 主要零件剛度校核 ..............................................................................................17 3.1.9 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的校核 ................................................................................................18 3.2 轉(zhuǎn)臺(tái)中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)....................................................................................................19 3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................................................................................19 3.2.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 ............................................................................................................20 3.2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 ....................................................................................................21 3.3 轉(zhuǎn)臺(tái)外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)....................................................................................................21 3.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................................................................................21 3.3.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 ............................................................................................................21 3.3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 ....................................................................................................23 3.4 機(jī)械轉(zhuǎn)角限位裝置設(shè)計(jì)............................................................................................23 第 4 章 誤差分析 ................................................................................................................26 4 4.1 回轉(zhuǎn)精度分析............................................................................................................26 4.1.1 滾動(dòng)軸系回轉(zhuǎn)精度 ............................................................................................26 4.1.2 俯仰軸系回轉(zhuǎn)精度 ............................................................................................26 4.1.3 方位軸系回轉(zhuǎn)精度 ............................................................................................27 4.2 三軸相交度分析........................................................................................................27 4.2.1 滾動(dòng)軸與俯仰軸的相交度 ................................................................................27 4.2.2 俯仰軸與方位軸的相交度 ................................................................................28 第 5 章 測(cè)量及其它元件簡(jiǎn)介 ..............................................................................................29 5.1 直流無刷電機(jī)............................................................................................................29 5.2 感應(yīng)同步器................................................................................................................30 5.3 絕對(duì)式光電碼盤........................................................................................................30 5.4 鋼絲滾道軸承............................................................................................................31 5.5 脹緊式聯(lián)軸器............................................................................................................32 結(jié) 論 ....................................................................................................................................33 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................34 致 謝 ....................................................................................................................................33 5 第 1 章 緒 論 1.1 課題背景 遠(yuǎn)古時(shí)代，人類的祖先面對(duì)著充滿神秘色彩的天空，編織出許多美麗、動(dòng)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(xiǎn)者，不惜生命代價(jià)嘗試 原始的飛行探險(xiǎn)。 1903 年 12 月 17 日，萊特兄弟第一架動(dòng)力飛機(jī)的試飛成功，使人類飛行的夢(mèng)想 變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。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(guó)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(hào)飛船登月成功。1981 年 4 月 12 日，世界上第一 架航天飛機(jī)哥倫比亞號(hào)發(fā)射。從此人類進(jìn)入了宇宙探險(xiǎn)時(shí)代。最早，飛行器上天之前 要用許多實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，這樣不僅造成許多財(cái)力、物力、和人力的浪費(fèi)，而且有 限的實(shí)驗(yàn)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(dòng)的越來越頻繁，對(duì)設(shè)備的可靠性及經(jīng)濟(jì)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(duì)以往的實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行了深刻的反省，開始了仿真測(cè)試 設(shè)備的研究，仿真轉(zhuǎn)臺(tái)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(jì)算機(jī)尤其是數(shù)字計(jì)算機(jī)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(tái)已 應(yīng)用到航空、航天設(shè)備的研制和測(cè)試的各個(gè)環(huán)節(jié)。 1.2 智能掃描機(jī)械臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1.2.1 智能掃描機(jī)械臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r 美國(guó)是世界上最早研制和使用轉(zhuǎn)臺(tái)的國(guó)家，它的第一臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)于 1945 年誕生于麻 省理工學(xué)院。從那時(shí)起直到現(xiàn)在，美國(guó)的轉(zhuǎn)臺(tái)研制和使用，無論在數(shù)量、種類，還是 在精度和自動(dòng)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(tái)的發(fā)展水平和方向。 此外，英、法、德、俄等國(guó)也投入了大量的人力、財(cái)力進(jìn)行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的研究。但是以 美國(guó)最為典型，下面主要以美國(guó)的轉(zhuǎn)臺(tái)研究和發(fā)展為例進(jìn)行介紹?；仡櫭绹?guó)轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā) 展過程，大體可以分為以下幾個(gè)階段： 第一階段的主要標(biāo)志：用機(jī)械軸承支撐臺(tái)軸，軸的驅(qū)動(dòng)采用交流力矩電機(jī)。 1945 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院儀表實(shí)驗(yàn)室研制成功世界上第一臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)，開始了轉(zhuǎn) 臺(tái)發(fā)展的第一個(gè)階段。此轉(zhuǎn)臺(tái)后來命名為 A 型臺(tái)，臺(tái)軸的支撐采用一般的滾珠軸承， 軸的驅(qū)動(dòng)直接用交流力矩電機(jī)完成。在 A 型臺(tái)的基礎(chǔ)上，于 1950 和 1953 年又相繼 研制出了 B 型臺(tái)和 C 型臺(tái)。 第二階段的主要標(biāo)志：采用液體靜壓軸承支撐臺(tái)體，用支流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸系。 6 1956 年，美國(guó)開始研制液體靜壓軸承轉(zhuǎn)臺(tái)，并研制出了 D 型液體軸承臺(tái)，他的 摩擦力矩僅為 C 型轉(zhuǎn)臺(tái)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(guó)還有一些公司也開始研制轉(zhuǎn)臺(tái)。如 Carco 公司于 1967 年生產(chǎn)了 T-025、026 和 081 型轉(zhuǎn)臺(tái)。Fecker 公司于 1964 年和 1965 年先后生產(chǎn)了 352 型、452 型轉(zhuǎn)臺(tái)。 1968 年，E 型臺(tái)的研制成功被認(rèn)為是美國(guó)轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)展的第二個(gè)階段。 E 型臺(tái)的主要 材料是非磁性材料 356 號(hào)鋁，采用軸向和徑向帶有壓力補(bǔ)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(jì)算機(jī)控制和測(cè)試自動(dòng)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(tái)及 5768、5569 型雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)，這期間一個(gè)引人注目的發(fā)展是這幾類轉(zhuǎn)臺(tái)均采用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制， 其中 5569 型轉(zhuǎn)臺(tái)還可用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，可工作在伺服、同步速率、輔助 速率、數(shù)字位置、自動(dòng)轉(zhuǎn)位及紙帶定位等狀態(tài)。 1969 年之后，美國(guó)的轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)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(tái)也成為一種廣泛使用的測(cè)試設(shè)備。從那時(shí)起至今，位于賓西法尼亞洲匹茲 堡的 CGC 公司成為美國(guó)制造慣性導(dǎo)航測(cè)試設(shè)備和運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)的主要廠商，并一直 代表著美國(guó)乃至世界慣性設(shè)備，尤其是轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)，包括 51A 型、51C 型、 51D 型、和 51G 型等。這一系列轉(zhuǎn)臺(tái)的主要特點(diǎn)是：臺(tái)體形式為雙軸臺(tái)，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(tái)。先后研制成功了 53B、 53D、53E、53G、53W 等型轉(zhuǎn)臺(tái)。53 系列轉(zhuǎn)臺(tái)的主要特點(diǎn)是：臺(tái)體形式均為 多軸臺(tái)，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(jí)；使用感應(yīng)同步 器作測(cè)角元件。CGC 生產(chǎn)的 51 系列雙軸臺(tái)和 53 系列多軸臺(tái)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(tái)技術(shù)的重大發(fā)展。 從此，轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)入了計(jì)算機(jī)控制和測(cè)試自動(dòng)化階段。 1984 年，CGC 公司提出了改進(jìn)的三軸臺(tái)（ Improved Three Axis Test Table,簡(jiǎn)稱 ITATT）的制造方案。在 CGC 的設(shè)計(jì)制造方案中，規(guī)定 ITTATT 是一臺(tái)超精密三軸 設(shè)備。ITATT 三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)可用于艦船導(dǎo)航和空間傳感器的測(cè)試，還可用于戰(zhàn)略系 統(tǒng)的測(cè)試。 ITATT 轉(zhuǎn)臺(tái)在制造方案中采用了新材料和許多新技術(shù)。 在臺(tái)體材料與機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，采用了石墨復(fù)合材料——碳纖維增強(qiáng)塑料級(jí)球形結(jié) 構(gòu)改善了轉(zhuǎn)臺(tái)的對(duì)稱性及偏轉(zhuǎn)特性。 7 在軸承方面采用有緣磁懸浮軸承。 在電機(jī)方面使用多相感應(yīng)式電機(jī)。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(shí)提高了可靠性。 在測(cè)角系統(tǒng)中，將感應(yīng)同步器和絕對(duì)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(bǔ)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(tái) ITATT 的技術(shù)指標(biāo)比以前的轉(zhuǎn)臺(tái)提高 一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。表 1.1 是幾種型號(hào)的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)與 ITATT 的技術(shù)指標(biāo)： 表 1.1 幾種型號(hào)的三 T 的技術(shù)指標(biāo)比較軸轉(zhuǎn)臺(tái)與 ITAT 三根軸的擺動(dòng) sec軸的正交度 sec軸的定位精度 sec 型 號(hào) 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53W 0.25 0.35 0.35 2.1 0.9 0.46 0.74 1.3 5.8 150E 0.5 0.41 0.65 1.5 1.9 0.25 0.6 0.52 5.5 50 0.15 0.46 0.7 1.4 0.95 0.77 0.75 0.77 4.3 502M 0.45 0.5 0.6 0.12 0.01 0.64 0.58 0.98 2.3 20053G 0.33 0.25 0.47 0.4 0.4 0.84 0.64 0.98 2.7 30 ITATT 0.03 0.02 0.01 0.02 0.02 0.03 0.0. 0.03 0.11 2 1.2.2 國(guó)內(nèi)智能掃描機(jī)械臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)內(nèi)自六十年代中期開始轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)，1974 年進(jìn)行全面的精度測(cè)定， 1975 年通過鑒定。該臺(tái)由機(jī)械臺(tái)體和電子控制箱兩部分組成，采用氣浮軸承，交流 力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，用感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器組成測(cè)角系統(tǒng)。 1975 年，303 所研制成功了 SFT-1.1 型伺服臺(tái)，首次應(yīng)用光柵為精密測(cè)角元件。 該伺服臺(tái)與美國(guó) Fecker 公司生產(chǎn)的 200 型轉(zhuǎn)臺(tái)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(jī)部 6354 所及 441 廠合作研制出我國(guó)第一臺(tái)雙 軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)——TPCP-1 型雙軸氣浮軸承臺(tái)，又稱 7191 雙軸臺(tái)。 1982 年，6354 所研制成了 7191-Ⅱ型雙軸臺(tái)，該臺(tái)是在 7191 轉(zhuǎn)臺(tái)的基礎(chǔ)上研制 的，提高了可靠性。 1983 年，航天部一院 13 所研制了 SSFT 型雙軸伺服臺(tái)，該轉(zhuǎn)臺(tái)是我國(guó)最大的雙 軸伺服臺(tái)。 1984 年，哈工大與 6354 所共同承擔(dān)了計(jì)算機(jī)控制雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)，即 CCGT 雙軸轉(zhuǎn)臺(tái) 8 的研制任務(wù)，1988 年研制成功。該臺(tái)是我國(guó)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的雙軸臺(tái)。 1985 年，由哈工大研制的 DPCT 型單軸計(jì)算機(jī)控制轉(zhuǎn)臺(tái)是我國(guó)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控 制的轉(zhuǎn)臺(tái)。 1990 年，中國(guó)航空精密機(jī)械研究所研制成功了 SGT-1 型三軸捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)。 這是我國(guó)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的高精度三軸慣導(dǎo)測(cè)試臺(tái)。 在轉(zhuǎn)臺(tái)的開發(fā)和制造領(lǐng)域，中國(guó)和世界先進(jìn)水平相比還有許多差距，例如，對(duì)于 轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)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(tái)的發(fā)展趨勢(shì) 不斷應(yīng)用新技術(shù)來提高轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)試精度，增強(qiáng)轉(zhuǎn)臺(tái)的穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性是 [3]未 來轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。具體為： 1. 進(jìn)一步提高技術(shù)指標(biāo)； 2. 實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化； 3. 加強(qiáng)各種環(huán)境下的測(cè)試，控制環(huán)境對(duì)測(cè)試精度的影響，如溫度、壓力、地基 等的影響。 4. 對(duì)測(cè)試的可靠性、穩(wěn)定性提出進(jìn)一步的要求。 同時(shí)，由于轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用越來越廣泛并逐漸向商品化發(fā)展，使得轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)發(fā)展的一大 趨勢(shì)。 1.3 立題的目的和意義 本轉(zhuǎn)臺(tái)主要用于測(cè)試機(jī)載雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的靈敏性,模擬雷達(dá)在跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)時(shí)的 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。它在機(jī)載雷達(dá)的研制和實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(duì)智能掃描機(jī)械臺(tái)的總體設(shè)計(jì),對(duì)智能掃描機(jī)械臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的 詳細(xì)設(shè)計(jì)：對(duì)內(nèi)中外三環(huán)的轉(zhuǎn)矩的計(jì)算與三軸各軸電機(jī)的轉(zhuǎn)矩校核，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的 相關(guān)技術(shù)要求對(duì)本轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差分析。 9 第 2 章智能掃描機(jī)械臺(tái)總體設(shè)計(jì) 2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)要求 轉(zhuǎn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)所能達(dá)到的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性 起著決定性的作用。本次設(shè)計(jì)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°/s 5．最小角速度：內(nèi)環(huán) 0.003°/s、中環(huán) 0.003°/s、外環(huán) 0.003°/s 6．最大角加速度：內(nèi)環(huán) 500°/s2、中環(huán) 180°/s2、外環(huán) 180°/s2 7．三軸轉(zhuǎn)角精度：0.003° 8．三軸相交度：0.5mm 9．視場(chǎng)角：±45° 10．雙十頻響指標(biāo)：內(nèi)環(huán) 4Hz，中、外環(huán) 3Hz 2.2 總體設(shè)計(jì)流程 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)的一般規(guī)律及智能掃描機(jī)械臺(tái)的特點(diǎn)，智能掃描機(jī)械臺(tái)總 體設(shè)計(jì)流程如圖 2.1： 轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)參數(shù) 確定轉(zhuǎn)臺(tái)類型 轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)功能 設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)臺(tái)總體布局 設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn) 臺(tái) 主 要 參 數(shù) 設(shè) 計(jì) 圖 2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)流程圖 2.3 轉(zhuǎn)臺(tái)類型的確定 智能掃描機(jī)械臺(tái)根據(jù)其方位軸系和滾動(dòng)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(tái)外環(huán)是方位軸系，內(nèi)環(huán)是滾動(dòng)軸系；臥式轉(zhuǎn)臺(tái)與立式轉(zhuǎn)臺(tái)相反，外 10 環(huán)是滾動(dòng)軸系，內(nèi)環(huán)是方位軸系。根據(jù)本次轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)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(dòng)軸系。因此我們選用立式轉(zhuǎn)臺(tái)。 根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置的不同，轉(zhuǎn)臺(tái)又可分為液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和電液混合驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn) 臺(tái)。液壓驅(qū)動(dòng)自身存在線性度差、轉(zhuǎn)角小、低速性能差、維護(hù)復(fù)雜等許多缺點(diǎn)。而本 設(shè)計(jì)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(dòng)不能滿足要求，所以我們選擇電力 驅(qū)動(dòng)。 綜上，我們選用立式電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。 2.4 轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì) 2.4.1 工作原理 智能掃描機(jī)械臺(tái)的三個(gè)軸都由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，通過改變電機(jī)電流來改變各軸的轉(zhuǎn) 速，通過一個(gè)峰值電流來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的最大加速度。各電機(jī)的啟停及通過各電機(jī)的電流 由接收到的外部信號(hào)控制，從而使轉(zhuǎn)臺(tái)上的負(fù)載能夠跟蹤信號(hào)的運(yùn)動(dòng)。 2.4.2 運(yùn)動(dòng)功能方案 轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)功能圖如圖 2.2 所示，內(nèi)環(huán)、中環(huán)和外環(huán)均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，外環(huán)實(shí)現(xiàn)方位 運(yùn)動(dòng)、中環(huán)實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)、內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖 2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)功能圖 2.5 轉(zhuǎn)臺(tái)總體布局設(shè)計(jì) 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(tái)慣量，提高轉(zhuǎn)臺(tái)的 響應(yīng)速度，我們將內(nèi)環(huán)軸設(shè)計(jì)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(tái)中環(huán)慣量的同時(shí)，為了保證中環(huán)剛度，我們將中環(huán)框架設(shè)計(jì)為與內(nèi)環(huán)（滾動(dòng) 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(diǎn)，且能實(shí)現(xiàn)盡量小 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于本轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)較大，同時(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)最大 的結(jié)構(gòu)剛度。綜上所述，本轉(zhuǎn)臺(tái)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 11 圖 2.3 智能掃描機(jī)械臺(tái)總體布局圖 2.6 轉(zhuǎn)臺(tái)主要參數(shù)設(shè)計(jì) 本轉(zhuǎn)臺(tái)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(yàn)暫定為 23mm，由于10? 轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)的特殊性，其它結(jié)構(gòu)尺寸均與前一步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)中，根據(jù)此次設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，完成了本設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)流程，確定 了轉(zhuǎn)臺(tái)的類型為 O-O-U 型；根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)出它的運(yùn)動(dòng)功能方案，三軸 均為直接驅(qū)動(dòng)；根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，考慮轉(zhuǎn)臺(tái)的負(fù)載尺寸，確定負(fù)載過渡盤厚度為 23mm，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)的總體布局為立式。 12 第 3 章 智能掃描機(jī)械臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì) 詳細(xì)設(shè)計(jì)主要完成轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、中環(huán)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)、外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及軸承、聯(lián)軸器、電機(jī)和測(cè)量元件的選擇。轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)詳細(xì) 設(shè)計(jì)流程如圖 3.1 所示 已知參數(shù) 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) （ 及選擇測(cè)量元件） 計(jì)算各部轉(zhuǎn)矩 粗選電機(jī) 主 要 零 件剛度校核 滿足要求？ 電 機(jī) 轉(zhuǎn)矩校核 滿 足要求？ 結(jié) 束 Y N N Y 圖 3.1 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)流程圖 3.1 轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)的第一步，因此也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步。內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所 要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是：全中空軸系設(shè)計(jì)及負(fù)載的安裝界面設(shè)計(jì)。 3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 內(nèi)環(huán)軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)電機(jī)安裝 在軸系前端，電機(jī)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(kuò)大視場(chǎng)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(cè)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(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng) 剛度和精度。 13 中 環(huán) 框 架負(fù) 載 過 渡 盤滾 動(dòng) 波 導(dǎo) 座 滾 動(dòng) 電 機(jī)感 應(yīng) 同 步 器輔 助 軸 承 主 軸 承滾 動(dòng) 軸 圖 3.2 內(nèi)環(huán)軸系結(jié)構(gòu)圖 本轉(zhuǎn)臺(tái)各軸系均為局部轉(zhuǎn)角，系統(tǒng)超限保護(hù)均為三級(jí)保護(hù)，其順序?yàn)檐浖Ｗo(hù)、 光電開關(guān)保護(hù)和機(jī)械限位，其中機(jī)械限位均有橡膠緩沖裝置。 3.1.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 理論力學(xué)定義 [3]剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性的度量，它等于剛體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn) 的質(zhì)量與質(zhì)點(diǎn)到軸的垂直距離平方的距離之和，即 （3.1）21 nziiJmr?? 由式 3.1 可見，轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)于結(jié)構(gòu)不規(guī)則的復(fù)雜零件，用式 3.1 計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就顯得非常復(fù)雜。由理論力 學(xué)知識(shí)我們可以得出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的又一計(jì)算公式 （3.2）2zzJm?? 式中 ——慣性半徑（或回轉(zhuǎn)半徑） 。z? 14 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(jì)算出零件的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量。在機(jī)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(jì) 算出零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本次設(shè)計(jì)所有關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算都是使用此方法來完成的。 零件轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)系見式 3.1 zTJ??? （3.3） 式中 ——零件角加速度。? 表 3.1 繞內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)零件數(shù)據(jù) 名稱 質(zhì)量（kg） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg m）? 負(fù)載 150 38.690 負(fù)載過渡盤 77.352 15.704 滾動(dòng)波導(dǎo)座 6.175 0.123 滾動(dòng)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(jì) 350.198 87.249 內(nèi)環(huán)軸系各零件質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的軸向固定方式時(shí),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(shí),可采用擋圈、彈性擋圈、緊定螺釘、銷等實(shí)現(xiàn)軸向固定。當(dāng) 軸向力較大時(shí),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(duì)軸向位移,內(nèi)座圈與軸通常需要在兩個(gè)方向 上進(jìn)行軸向固定。 4. 對(duì)于工作溫度不高、兩個(gè)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(gè)支承都能限制軸的單向移動(dòng),兩個(gè)支承合在一起就能限制軸的雙向移動(dòng)。對(duì)于 工作溫度較高、兩個(gè)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(dòng)的方法, 使一個(gè)支承限制軸的雙向移動(dòng),另一個(gè)支承游動(dòng)。 5. 對(duì)于能承受雙向軸向載荷的軸承組合結(jié)構(gòu),安裝時(shí)可以對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)緊,消除間 15 隙,并使?jié)L動(dòng)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(shí)的振動(dòng)。對(duì)于用來承受雙向軸向載荷的單個(gè)軸承,其間隙不能在安裝時(shí)通 過預(yù)緊來消除。 6.為了簡(jiǎn)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(tái)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(tái)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(jì)，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 ZL101A A 160~135 135~118 118~106 85~72 3.1.5 軸承的選擇 軸承分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)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?dòng)軸承的摩擦損失較大，使用、 潤(rùn)滑、維護(hù)也比較復(fù)雜；滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)較低，啟動(dòng)力矩小、軸向尺寸小，特別是 已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，使得設(shè)計(jì)、使用、潤(rùn)滑、維護(hù)都很方便。 滾動(dòng)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(shí)需同時(shí)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(diǎn)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(shí)承受軸向和徑向載荷，所以選擇安裝角接觸球軸承。 、 16 3.1.6 軸承的固定與密封 軸承端蓋既對(duì)軸承起到固定支撐作用，也對(duì)軸承起到密封作用。本次設(shè)計(jì)中軸承 尺寸如表 3.3 所示 表 3.3 端蓋尺寸 號(hào) 尺寸關(guān)系 符號(hào) 尺寸關(guān)系 符號(hào) 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 =14 n（螺釘數(shù)） 8（個(gè)） 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(shí)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(jì)要求。本次設(shè)計(jì)采用 氈圈油封，型號(hào)：氈圈 FZ/T92010-91 3.1.7 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(shí)現(xiàn)。 過盈配合連接是利用兩個(gè)相配零件的裝配過盈量實(shí)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(shí)，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 17 往會(huì)損壞連接零件的配合表面，甚至整個(gè)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(jiǎn)單、對(duì)中性好、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)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(jī)械軸 上，且對(duì)中精度要求不高的場(chǎng)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(duì) 中性好、應(yīng)力集中小、傳遞轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工 方便，并由成批型號(hào)產(chǎn)品可供選擇，不必單獨(dú)設(shè)計(jì)，所以本次設(shè)計(jì)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(hào)：Z 5 脹緊套轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)試設(shè)備的精度要求，其支撐件的結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足強(qiáng)度 條件，因此這里只對(duì)剛度進(jìn)行校核。又因?yàn)楸巨D(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)環(huán)框架即為內(nèi)環(huán)軸，所以只對(duì)內(nèi) 環(huán)軸的剛度進(jìn)行校核。 單位：mm 18 滾動(dòng)軸為空心階梯軸，其扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式見式 3.4 415880() 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(zhǎng)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(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在保證強(qiáng)度和剛度的情況下，本轉(zhuǎn)臺(tái)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(diǎn) ()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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，關(guān)于許用扭轉(zhuǎn)角 的參考數(shù)據(jù)如下：[]? 精密機(jī)械的軸 m(0.25)/?? 一般傳動(dòng)軸 m[]1? 精度要求不高的軸 m(.)/? 顯然，滾動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)矩的校核 在轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中，電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)通常都采用直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)。但是直流力矩電機(jī)作為 直流電機(jī)由于有換向器和電刷，所以存在許多缺點(diǎn)。例如，峰值轉(zhuǎn)矩小、存在接觸導(dǎo) 電、有點(diǎn)火化和無線電干擾、電機(jī)的可靠性和維護(hù)性相對(duì)較差等。為了克服這些缺點(diǎn)， 19 我們?cè)诳疾炝?[6]國(guó)內(nèi)外電機(jī)發(fā)展的最新進(jìn)展，并考慮本次設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性后，我們決定 選用直流無刷電機(jī)。由于本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)較大，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)的要求也比較特殊， 所以設(shè)計(jì)中我們需要的電機(jī)都是根據(jù)我們的需要定購(gòu)。對(duì)于內(nèi)環(huán)電機(jī)，根據(jù)我們力矩 計(jì)算結(jié)果再乘以 1.3 倍的安全系數(shù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為 N m。按照電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，98.1? 由式（3.2） 、 （3.3）計(jì)算其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為： N m。內(nèi)環(huán)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為：6T?電 機(jī) N m。顯然 N m，所以，所選電761.39.82.07T????內(nèi) 電 機(jī) ?.?內(nèi) ? 機(jī)轉(zhuǎn)矩滿足要求。 3.2 轉(zhuǎn)臺(tái)中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì) 中環(huán)軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)慣 量將其設(shè)計(jì)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(jī)轉(zhuǎn)子軸做成一 體，中環(huán)框架向外伸出兩個(gè)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(duì)角接觸球軸承，對(duì)稱兩端電機(jī)驅(qū)動(dòng)，外環(huán) 框架的上分體箱即為中環(huán)電機(jī)的電機(jī)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(cè)角元件采用光電絕對(duì)式碼盤，該軸系摩擦力矩小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)光 電 碼 盤 （a ） 20 （b） 圖 3.4 中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算 表 3.5 繞中環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)零件數(shù)據(jù) 名稱 質(zhì)量 kg)(轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg m)(? 21 滾動(dòng)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(jī)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(jì) 937.546 207.618 與內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法相同，先由三維圖形通過計(jì)算機(jī)計(jì)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(jì)算出零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩。繞中環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的各零件 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算結(jié)果如表 3.5 所示。 轉(zhuǎn)矩： N m207.618652.10T????? 由于電機(jī)轉(zhuǎn)子軸即為俯仰軸，所以此處不需對(duì)俯仰軸扭轉(zhuǎn)角進(jìn)行校核。 3.2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 對(duì)繞中環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)矩，即電 機(jī)轉(zhuǎn)矩為 847.926N m。由三維圖形、式 3.2 和式 3.3 計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩? N m。中環(huán)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為：5.394T電 機(jī) ＝ N m652.1.394657.T??中 電 機(jī)＝ ＝ ＝ ? 顯然， N m，所，以所選電機(jī)轉(zhuǎn)矩滿足要求。87.2?中 ? 3.3 轉(zhuǎn)臺(tái)外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì) 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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)中環(huán)基座安裝成一體后精