智能掃描機械臺設(shè)計,智能,掃描,機械,設(shè)計 Ⅰ 摘 要 三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺是三軸轉(zhuǎn)臺的一種，本次設(shè)計的三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺主要用 于某型機載雷達的測試。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的精度和性能的基礎(chǔ)。本文針對三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺的機械結(jié) 構(gòu)設(shè)計進行了詳細的討論，并進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，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；測量元件；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 智能掃描機械臺的發(fā)展狀況 ..............................................................................5 1.2.2 國內(nèi)智能掃描機械臺的發(fā)展狀況 ......................................................................7 1.2.3 未來轉(zhuǎn)臺的發(fā)展趨勢 ..........................................................................................8 1.3 立題的目的和意義 .........................................................................................................8 1.4 本文主要工作 ..............................................................................................................8 第 2 章智能掃描機械臺總體設(shè)計 ..........................................................................................9 2.2 總體設(shè)計流程..............................................................................................................9 2.3 轉(zhuǎn)臺類型的確定..........................................................................................................9 2.4 轉(zhuǎn)臺運動功能設(shè)計....................................................................................................10 2.4.1 工作原理 ............................................................................................................10 2.4.2 運動功能方案 ....................................................................................................10 2.5 轉(zhuǎn)臺總體布局設(shè)計....................................................................................................10 2.6 轉(zhuǎn)臺主要參數(shù)設(shè)計....................................................................................................11 第 3 章 智能掃描機械臺機械結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計 ......................................................................12 3.1 轉(zhuǎn)臺內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計....................................................................................................12 3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................................................................................12 3.1.2 轉(zhuǎn)矩計算 ............................................................................................................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 電機轉(zhuǎn)矩的校核 ................................................................................................18 3.2 轉(zhuǎn)臺中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計....................................................................................................19 3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................................................................................19 3.2.2 轉(zhuǎn)矩計算 ............................................................................................................20 3.2.3 電機轉(zhuǎn)矩校核 ....................................................................................................21 3.3 轉(zhuǎn)臺外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計....................................................................................................21 3.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................................................................................21 3.3.2 轉(zhuǎn)矩計算 ............................................................................................................21 3.3.3 電機轉(zhuǎn)矩校核 ....................................................................................................23 3.4 機械轉(zhuǎn)角限位裝置設(shè)計............................................................................................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 測量及其它元件簡介 ..............................................................................................29 5.1 直流無刷電機............................................................................................................29 5.2 感應同步器................................................................................................................30 5.3 絕對式光電碼盤........................................................................................................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 ................................................................................................................................34 致 謝 ....................................................................................................................................33 5 第 1 章 緒 論 1.1 課題背景 遠古時代，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，他們將眼光瞄準了更遙遠的宇宙空間。1926 年 3 月 16 日，美國人戈達德制成了世界首枚液體火箭。1957 年蘇聯(lián)衛(wèi)星首次進入太 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。從此人類進入了宇宙探險時代。最早，飛行器上天之前 要用許多實物進行實驗研究，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)展狀況 1.2.1 智能掃描機械臺的發(fā)展狀況 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， 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。 6 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)字計算機進行控制， 其中 5569 型轉(zhuǎn)臺還可用數(shù)字計算機進行自動測試，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)計和制造進入了系列化階段，技術(shù)得到發(fā)展和完善， 相應地轉(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到角秒級；使用感應同步 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)的應用是轉(zhuǎn)臺技術(shù)的重大發(fā)展。 從此，轉(zhuǎn)臺進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)臺可用于艦船導航和空間傳感器的測試，還可用于戰(zhàn)略系 統(tǒng)的測試。 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。 7 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，將感應同步器和絕對光學編碼器結(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： 表 1.1 幾種型號的三 T 的技術(shù)指標比較軸轉(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 國內(nèi)智能掃描機械臺的發(fā)展狀況 國內(nèi)自六十年代中期開始轉(zhuǎn)臺的研制工作，其發(fā)展狀況大致如下： 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。 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 所共同承擔了計算機控制雙軸轉(zhuǎn)臺，即 CCGT 雙軸轉(zhuǎn)臺 8 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測試臺。 在轉(zhuǎn)臺的開發(fā)和制造領(lǐng)域，中國和世界先進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)境適應性是 [3]未 來轉(zhuǎn)臺發(fā)展的主要趨勢。具體為： 1. 進一步提高技術(shù)指標； 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)定性提出進一步的要求。 同時，由于轉(zhuǎn)臺的應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跟蹤目標的靈敏性,模擬雷達在跟蹤動態(tài)目標時的 現(xiàn)場實際運動情況。它在機載雷達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。 9 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)計所要達到的技術(shù)要求如下： 1．負載尺寸： 107?? 2．負載重量：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．視場角：±45° 10．雙十頻響指標：內(nèi)環(huán) 4Hz，中、外環(huán) 3Hz 2.2 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 10 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，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，考慮到負載尺寸較大，為了盡可能降低轉(zhuǎn)臺慣量，提高轉(zhuǎn)臺的 響應速度，我們將內(nèi)環(huán)軸設(shè)計為中空，負載直接安裝在內(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 11 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)臺負載安裝于內(nèi)環(huán)軸孔中，負載尺寸為 ，所以內(nèi)環(huán)軸徑由負載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，考慮轉(zhuǎn)臺的負載尺寸，確定負載過渡盤厚度為 23mm，設(shè)計轉(zhuǎn)臺的總體布局為立式。 12 第 3 章 智能掃描機械臺機械結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計 詳細設(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 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 Y N N Y 圖 3.1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)詳細設(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） ，負載安裝 在內(nèi)環(huán)軸的后端，由于負載尺寸較大，在內(nèi)環(huán)軸的后端增加一負載過渡盤，輔助支撐 負載，內(nèi)環(huán)波導座位于負載過渡盤的頂端。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。 13 中 環(huán) 框 架負 載 過 渡 盤滾 動 波 導 座 滾 動 電 機感 應 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）21 nziiJmr?? 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)則的復雜零件，用式 3.1 計算轉(zhuǎn)動慣量就顯得非常復雜。由理論力 學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? 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 3.1 zTJ??? （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）? 負載 150 38.690 負載過渡盤 77.352 15.704 滾動波導座 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 軸向力較大時,應采用軸肩、軸環(huán)、套筒、圓螺母、軸端壓板、圓錐面等進行軸向固 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行預緊,消除間 15 隙,并使?jié)L動體與內(nèi)外座圈之間產(chǎn)生預變形,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 ZL101A A 160~135 135~118 118~106 85~72 3.1.5 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)標準化，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。 、 16 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 =14 n（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，將按標準制成環(huán)形的細毛氈放置于槽中， 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/T92010-91 3.1.7 內(nèi)框軸與負載盤的聯(lián)接方式 內(nèi)框軸軸端與負載盤的聯(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 17 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零件轂孔中而形成的，具有拆裝方便、對 中性好、應力集中小、傳遞轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，但加工比較復雜，應用尚不廣泛。 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，都遠遠滿足強度 條件，因此這里只對剛度進行校核。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)軸的剛度進行校核。 單位：mm 18 滾動軸為空心階梯軸，其扭轉(zhuǎn)角計算公式見式 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 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， 19 我們在考察了 [6]國內(nèi)外電機發(fā)展的最新進展，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 ） 20 （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)形狀比較復雜，為了更清楚的表達其結(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)(? 21 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