机械毕业设计（论文）-智能扫描机械台结构设计【全套图纸】

本科学生毕业论文 智能扫描机械台结构设计 系部名称： 机电工程学院 专业班级： 机械 08-4 班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 二一二年六月 摘 要 三轴雷达仿真转台是三轴转台的一种，本次设计的三轴雷达仿真转台主要用于 某型机载雷达的测试。转台性能的优劣直接关系到仿真和测试试验的可靠性，是 保证某型机载雷达的精度和性能的基础。本文针对三轴雷达仿真转台的机械结构 设计进行了详细的讨论，并进行了理论论证及必要的计算，同时对本转台中使用 到的测量元件及联轴器等其他原件的结构及原理作了简单的介绍，设计中采用铸 铝合金作为台体的材料，实现了低转速、高精度的要求，并且减轻了整体的重量， 使机构在满足：转角范围、速度范围、最大角加速度等设计参数要求的前提下， 使结构设计尽量优化。本设计紧紧围绕着设计任务书中的各项指标，从内环开始 至外环一步一步地展开设计。本文主要内容包括转台的总体结构论证、转台的详 细结构设计、转台的误差分析等。结合转台设计的特点，本文重点讨论了转台机 械结构的设计思想及设计过程。 关键词：三轴仿真转台；机载雷达；测量元件；联轴器：内环：中环：外环。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 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 目录目录 摘 要.2 第 1 章 绪 论.4 1.1 课题背景.4 1.2.1 智能扫描机械台的发展状况.5 1.2.2 国内智能扫描机械台的发展状况.7 1.2.3 未来转台的发展趋势.8 1.3 立题的目的和意义8 1.4 本文主要工作8 第 2 章智能扫描机械台总体设计.9 2.2 总体设计流程9 2.3 转台类型的确定9 2.4 转台运动功能设计10 2.4.1 工作原理.10 2.4.2 运动功能方案.10 2.5 转台总体布局设计10 2.6 转台主要参数设计11 第 3 章 智能扫描机械台机械结构详细设计.12 3.1 转台内环结构设计12 3.1.1 结构设计.12 3.1.2 转矩计算.13 3.1.3 轴向固定方式的选择.14 3.1.4 轴的最小直径的确定.15 3.1.5 轴承的选择15 3.1.6 轴承的固定与密封.15 3.1.7 内框轴与负载盘的联接方式.16 3.1.8 主要零件刚度校核.17 3.1.9 电机转矩的校核.18 3.2 转台中环结构设计19 3.2.1 结构设计.19 3.2.2 转矩计算.20 3.2.3 电机转矩校核.21 3.3 转台外环结构设计21 3.3.1 结构设计.21 3.3.2 转矩计算.21 3.3.3 电机转矩校核.23 3.4 机械转角限位装置设计23 第 4 章 误差分析.26 4.1 回转精度分析26 4.1.1 滚动轴系回转精度.26 4.1.2 俯仰轴系回转精度.26 4.1.3 方位轴系回转精度.27 4.2 三轴相交度分析27 4.2.1 滚动轴与俯仰轴的相交度.27 4.2.2 俯仰轴与方位轴的相交度.28 第 5 章 测量及其它元件简介.29 5.1 直流无刷电机29 5.2 感应同步器30 5.3 绝对式光电码盘30 5.4 钢丝滚道轴承31 5.5 胀紧式联轴器32 结 论.33 参考文献.34 致 谢.35 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景 远古时代，人类的祖先面对着充满神秘色彩的天空，编织出许多美丽、动人的神话、传说故 事。这些故事经过无数代人的流传，便真有了冒险者，不惜生命代价尝试原始的飞行探险。 1903 年 12 月 17 日，莱特兄弟第一架动力飞机的试飞成功，使人类飞行的梦想变为现实。但 是人类并没有为此而满足，他们将眼光瞄准了更遥远的宇宙空间。1926 年 3 月 16 日，美国人戈 达德制成了世界首枚液体火箭。1957 年苏联卫星首次进入太空。1969 年 7 月 20 日，阿波罗 11 号飞船登月成功。1981 年 4 月 12 日，世界上第一架航天飞机哥伦比亚号发射。从此人类进入了 宇宙探险时代。最早，飞行器上天之前要用许多实物进行实验研究，这样不仅造成许多财力、物 力、和人力的浪费，而且有限的实验所获得的规律也不是十分的准确，其中存在很大的偶然性。 随着人类航天活动的越来越频繁，对设备的可靠性及经济性的要求也越来越高。尤其是近几年来 几次重大的航天飞行事故促使人们对以往的实验手段进行了深刻的反省，开始了仿真测试设备的 研究，仿真转台就是在这样的背景下产生和发展起来的。二十世纪七十年代后，计算机尤其是数 字计算机的发展为仿真技术提供了更高的技术基础。现在仿真转台已应用到航空、航天设备的研 制和测试的各个环节。 1.2 智能扫描机械台结构设计的国内外发展状况 1.2.1 智能扫描机械台的发展状况 美国是世界上最早研制和使用转台的国家，它的第一台转台于 1945 年诞生于麻省理工学院。 从那时起直到现在，美国的转台研制和使用，无论在数量、种类，还是在精度和自动化程度上都 居于世界领先水平，代表了当今世界转台的发展水平和方向。此外，英、法、德、俄等国也投入 了大量的人力、财力进行仿真转台的研究。但是以美国最为典型，下面主要以美国的转台研究和 发展为例进行介绍。回顾美国转台的发展过程，大体可以分为以下几个阶段： 第一阶段的主要标志：用机械轴承支撑台轴，轴的驱动采用交流力矩电机。 1945 年，美国麻省理工学院仪表实验室研制成功世界上第一台转台，开始了转台发展的第一 个阶段。此转台后来命名为 A 型台，台轴的支撑采用一般的滚珠轴承，轴的驱动直接用交流力矩 电机完成。在 A 型台的基础上，于 1950 和 1953 年又相继研制出了 B 型台和 C 型台。 第二阶段的主要标志：采用液体静压轴承支撑台体，用支流力矩电机驱动轴系。 1956 年，美国开始研制液体静压轴承转台，并研制出了 D 型液体轴承台，他的摩擦力矩仅 为 C 型转台的 1/8，有利于提高精度。 从五十年代开始，除了麻省理工学院，美国还有一些公司也开始研制转台。如 Carco 公司于 1967 年生产了 T-025、026 和 081 型转台。Fecker 公司于 1964 年和 1965 年先后生产了 352 型、 452 型转台。 1968 年，E 型台的研制成功被认为是美国转台发展的第二个阶段。E 型台的主要材料是非磁 性材料 356 号铝，采用轴向和径向带有压力补偿的液体轴承，并在耳轴上采用了空气轴承。 第三阶段的主要标志：采用计算机控制和测试自动化技术。 从 1968 年到 1969 年 Fecher 公司生产了 3768、3769 型单轴转台及 5768、5569 型双轴转台， 这期间一个引人注目的发展是这几类转台均采用数字计算机进行控制，其中 5569 型转台还可用 数字计算机进行自动测试，可工作在伺服、同步速率、辅助速率、数字位置、自动转位及纸带定 位等状态。 1969 年之后，美国的转台设计和制造进入了系列化阶段，技术得到发展和完善，相应地转台 也成为一种广泛使用的测试设备。从那时起至今，位于宾西法尼亚洲匹兹堡的 CGC 公司成为美 国制造惯性导航测试设备和运动模拟系统的主要厂商，并一直代表着美国乃至世界惯性设备，尤 其是转台的发展水平。 CGC 公司于六十年代末至七十年代初研制了 51 系列转台，包括 51A 型、51C 型、51D 型、 和 51G 型等。这一系列转台的主要特点是：台体形式为双轴台，采用气浮轴承。从七十年代初开 始，CGC 着手研制 53 系列多轴转台。先后研制成功了 53B、53D、53E、53G、53W 等型转台。 53 系列转台的主要特点是：台体形式均为多轴台，普遍采用气浮轴承，轴系回转精度和正交精度 均达到角秒级；使用感应同步器作测角元件。CGC 生产的 51 系列双轴台和 53 系列多轴台在控制 上均采用了 MPACS30H 系列模块化精密角度控制系统，这一系统的应用是转台技术的重大发展。 从此，转台进入了计算机控制和测试自动化阶段。 1984 年，CGC 公司提出了改进的三轴台（Improved Three Axis Test Table,简称 ITATT）的制 造方案。在 CGC 的设计制造方案中，规定 ITTATT 是一台超精密三轴设备。ITATT 三轴测试转 台可用于舰船导航和空间传感器的测试，还可用于战略系统的测试。 ITATT 转台在制造方案中采用了新材料和许多新技术。 在台体材料与机械结构方面，采用了石墨复合材料碳纤维增强塑料级球形结构改善了转 台的对称性及偏转特性。 在轴承方面采用有缘磁悬浮轴承。 在电机方面使用多相感应式电机。用滚环代替滑环，降低了摩擦力矩，提高了高速平稳性和 控制精度，同时提高了可靠性。 在测角系统中，将感应同步器和绝对光学编码器结合使用。 在控制方面，采用了数字状态反馈技术为误差补偿创造了条件。 采用了这些新技术之后，高精度三轴转台 ITATT 的技术指标比以前的转台提高一个数量级以 上。表 1.1 是几种型号的三轴转台与 ITATT 的技术指标： 表 1.1 几种型号的三 T 的技术指标比较轴转台与 ITAT 三根轴的摆动 sec 轴的正交度 sec 轴的定位精度 sec 型 号 内 框 轴 中 框 轴 外 框 轴 内框 轴/中 框轴 中框 轴/外 框轴 内 框 轴 中 框 轴 外 框 轴 最大 指向 误差 sec 速率 不平 稳性 sec 53W0.250.350.352.10.90.460.741.35.8150 53E0.50.410.651.51.90.250.60.525.550 53E0.150.460.71.40.950.770.750.774.350 52M0.450.50.60.120.010.640.580.982.3200 53G0.330.250.470.40.40.840.640.982.730 ITATT0.030.020.010.020.020.030.0.0.030.112 1.2.2 国内智能扫描机械台的发展状况 国内自六十年代中期开始转台的研制工作，其发展状况大致如下： 1966 年，707 所开始研制 DT-1 型单轴低速转台，1974 年进行全面的精度测定，1975 年通过 鉴定。该台由机械台体和电子控制箱两部分组成，采用气浮轴承，交流力矩电机直接驱动，用感 应同步器和旋转变压器组成测角系统。 1975 年，303 所研制成功了 SFT-1.1 型伺服台，首次应用光栅为精密测角元件。该伺服台与 美国 Fecker 公司生产的 200 型转台一样，可提供三种工作状态。 1979 年，哈尔滨工业大学和原六机部 6354 所及 441 厂合作研制出我国第一台双轴伺服转台 TPCP-1 型双轴气浮轴承台，又称 7191 双轴台。 1982 年，6354 所研制成了 7191-型双轴台，该台是在 7191 转台的基础上研制的，提高了 可靠性。 1983 年，航天部一院 13 所研制了 SSFT 型双轴伺服台，该转台是我国最大的双轴伺服台。 1984 年，哈工大与 6354 所共同承担了计算机控制双轴转台，即 CCGT 双轴转台的研制任务， 1988 年研制成功。该台是我国第一台计算机控制的双轴台。 1985 年，由哈工大研制的 DPCT 型单轴计算机控制转台是我国第一台计算机控制的转台。 1990 年，中国航空精密机械研究所研制成功了 SGT-1 型三轴捷联惯导测试转台。这是我国 第一台计算机控制的高精度三轴惯导测试台。 在转台的开发和制造领域，中国和世界先进水平相比还有许多差距，例如，对于转台相关的 技术缺乏深入系统的研究，导致了生产的转台可靠性差，也没有批量生产的能力；在一些领域存 在空白等。 1.2.3 未来转台的发展趋势 不断应用新技术来提高转台的测试精度，增强转台的稳定性及环境适应性是3未来转台发展 的主要趋势。具体为： 1.进一步提高技术指标； 2.实现测试自动化； 3.加强各种环境下的测试，控制环境对测试精度的影响，如温度、压力、地基等的影响。 4.对测试的可靠性、稳定性提出进一步的要求。 同时，由于转台的应用越来越广泛并逐渐向商品化发展，使得转台的研制在保证精度的前提 下不断的应用新材料和新工艺以降低成本，这也成为未来转台发展的一大趋势。 1.3 立题的目的和意义 本转台主要用于测试机载雷达跟踪目标的灵敏性,模拟雷达在跟踪动态目标时的现场实际运动 情况。它在机载雷达的研制和实验室测试方面具有不可替代的作用。 1.4 本文主要工作 本论文主要将完成对智能扫描机械台的总体设计,对智能扫描机械台机械结构的详细设 计：对内中外三环的转矩的计算与三轴各轴电机的转矩校核，根据本次设计的相关技术要求对本 转台的误差分析。 第 2 章智能扫描机械台总体设计 2.1 转台技术要求 转台总体设计是转台设计中的关键环节，它对转台所能达到的技术性能和经济性起着决定性 的作用。本次设计所要达到的技术要求如下： 1负载尺寸：1000 700 2负载重量：150kg 3转角范围：内环90，中、外环45 4最大角速度：内环 300/s、中环 180/s、外环 160/s 5最小角速度：内环 0.003/s、中环 0.003/s、外环 0.003/s 6最大角加速度：内环 500/s2、中环 180/s2、外环 180/s2 7三轴转角精度：0.003 8三轴相交度：0.5mm 9视场角：45 10双十频响指标：内环 4Hz，中、外环 3Hz 2.2 总体设计流程 根据机械设计总体设计的一般规律及智能扫描机械台的特点，智能扫描机械台总体设计 流程如图 2.1： 转台技术参数 确定转台类型 转台运动功能 设计 转台总体布局 设计 转台主要 参数设计 图 2.1 转台总体设计流程图 2.3 转台类型的确定 智能扫描机械台根据其方位轴系和滚动轴系所在位置的不同，分为立式和卧式两种类型。 立式转台外环是方位轴系，内环是滚动轴系；卧式转台与立式转台相反，外环是滚动轴系，内环 是方位轴系。根据本次转台设计的技术指标，内环转角范围为90，而中、外环转角范围为45， 所以内环应为滚动轴系。因此我们选用立式转台。 根据驱动装置的不同，转台又可分为液压驱动转台、电动转台和电液混合驱动转台。液压驱 动自身存在线性度差、转角小、低速性能差、维护复杂等许多缺点。而本设计要求的转速范围为： 内环 0.003/s300/s、中环 0.003/s180/s、外环 0.003/s160/s。显然，低速性能要求较高， 液压驱动不能满足要求，所以我们选择电力驱动。 综上，我们选用立式电动转台。 2.4 转台运动功能设计 2.4.1 工作原理 智能扫描机械台的三个轴都由电机直接驱动，通过改变电机电流来改变各轴的转速，通过 一个峰值电流来实现电机的最大加速度。各电机的启停及通过各电机的电流由接收到的外部信号 控制，从而使转台上的负载能够跟踪信号的运动。 2.4.2 运动功能方案 转台运动功能图如图 2.2 所示，内环、中环和外环均由电机驱动，外环实现方位运动、中环 实现俯仰运动、内环实现滚转运动。 图 2.2 转台运动功能图 2.5 转台总体布局设计 根据技术指标，考虑到负载尺寸较大，为了尽可能降低转台惯量，提高转台的响应速度， 我们将内环轴设计为中空，负载直接安装在内环轴的中空部位。在尽可能减小转台中环惯量的同 时，为了保证中环刚度，我们将中环框架设计为与内环（滚动轴）同心的圆筒结构，这种结构具 有结构刚度高、工艺性好等优点，且能实现尽量小的转动惯量。由于本转台整体结构较大，同时 为了保证中环框架的正确安装，我们将外环框架设计为分体式薄壁箱结构，这一结构可以在达到 最小质量的情况下实现最大的结构刚度。综上所述，本转台的总体结构我们采用立式 O-O-U 结构 形式。其总体布局如图 2.3 所示 图 2.3 智能扫描机械台总体布局图 2.6 转台主要参数设计 本转台负载安装于内环轴孔中，负载尺寸为，所以内环轴径由负载尺寸决定也1000 700 为。内环轴壁厚尺寸，考虑其刚度，结合经验暂定为 23mm，由于转台设计的特殊性，其1000 它结构尺寸均与前一步结构设计的结果直接相关，所以暂无法确定。 2.7 本章小结 在本章设计中，根据此次设计的技术要求，完成了本设计的总体设计流程，确定了转台的类 型为 O-O-U 型；根据转台的运动原理，设计出它的运动功能方案，三轴均为直接驱动；根据技术 指标，考虑转台的负载尺寸，确定负载过渡盘厚度为 23mm，设计转台的总体布局为立式。 第 3 章 智能扫描机械台机械结构详细设计 详细设计主要完成转台的内部机械结构设计，包括转台内环结构设计、中环结构设计、外环 结构设计以及轴承、联轴器、电机和测量元件的选择。转台机械结构详细设计流程如图 3.1 所示 已知参数 设计结构 （及选择测量元件） 计算各部转矩 粗选电机 主要零件刚度校核 满足要求？ 电机转矩校核 满足要求？ 结束 Y N N Y 图 3.1 转台结构详细设计流程图 3.1 转台内环结构设计 内环结构设计是转台设计的第一步，因此也是设计的关键一步。内环结构设计所要解决的关 键技术问题是：全中空轴系设计及负载的安装界面设计。 3.1.1 结构设计 内环轴系的结构设计如图 3.2 所示，轴系转子为内环轴（内环框架） ，负载安装在内环轴的后 端，由于负载尺寸较大，在内环轴的后端增加一负载过渡盘，辅助支撑负载，内环波导座位于负 载过渡盘的顶端。内环轴系的支撑采用钢丝滚道轴承，由于内环轴的轴向尺寸较大，为了保证轴 的刚度，我们除了在轴的前端用一钢丝滚道轴承作为主支撑外，在轴的后端再增加一钢丝滚道轴 承作为辅助支撑。内环驱动电机安装在轴系前端，电机转子用螺钉与内环轴相联，这种布置一方 面可以扩大视场角，另一反面可以最大限度的起到静力矩平衡的作用。内环测角元件为感应同步 器。 内环定子与中环框架作成一体。这样既可以使结构紧凑，又可以实现更高的系统刚度和精度。 中环框架 负载过渡盘 滚动波导座 滚动电机 感应同步器 辅助轴承 主轴承 滚动轴 图 3.2 内环轴系结构图 本转台各轴系均为局部转角，系统超限保护均为三级保护，其顺序为软件保护、光电开关保 护和机械限位，其中机械限位均有橡胶缓冲装置。 3.1.2 转矩计算 理论力学定义3刚体的转动惯量是刚体转动时惯性的度量，它等于刚体内各质点的质量与质 点到轴的垂直距离平方的距离之和，即 （3.1） 2 1 n zi i i Jmr 由式 3.1 可见，转动惯量的大小不仅与质量大小有关，而且与质量的分布情况有关。因此对于结 构不规则的复杂零件，用式 3.1 计算转动惯量就显得非常复杂。由理论力学知识我们可以得出转 动惯量的又一计算公式 （3.2） 2 zz Jm 式中惯性半径（或回转半径） 。 z 由式 3.2 可见，只要我们知道零件的回转半径和质量就可以方便地计算出零件的转动惯量。在机 械制图软件 AutoCAD 的“工具”菜单中有一“查询面域/质量特性”命令，此命令可以直接生成 三维零件的质量及回转半径。利用此命令我们就可以很方便地计算出零件的转动惯量。本次设计 所有关于转动惯量的计算都是使用此方法来完成的。 零件转矩与转动惯量的关系见式 3.1 （3.3） z TJ 式中零件角加速度。 表 3.1 绕内环转动零件数据 名称质量（kg）转动惯量（kg m） 负载15038.690 负载过渡盘77.35215.704 滚动波导座6.1750.123 滚动轴65.79118.068 辅助轴承内环40.67611.312 感应同步器转子10.2043.352 合计350.19887.249 内环轴系各零件质量及转动惯量计算结果如表 3.1 所示 转矩：N m87.249 500761.397 180 z TJ 3.1.3 轴向固定方式的选择 1. 选择驱动系统的轴向固定方式时,要考虑作用在轴上的轴向力是怎样通过轴承 传递到箱体或支座上去的,零部件轴向固定是否可靠,不能靠过渡配合来承受轴向力。 2. 当轴向力很小时,可采用挡圈、弹性挡圈、紧定螺钉、销等实现轴向固定。当 轴向力较大时,应采用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端压板、圆锥面等进行轴向固 定。 3. 为了防止轴承内座圈与轴发生相对轴向位移,内座圈与轴通常需要在两个方向 上进行轴向固定。 4. 对于工作温度不高、两个支承之间的距离较小的轴来说,可以采用两端固定,使 每一个支承都能限制轴的单向移动,两个支承合在一起就能限制轴的双向移动。对于 工作温度较高、两个支承之间的距离较大的轴来说,应采用一端固定一端游动的方法, 使一个支承限制轴的双向移动,另一个支承游动。 5. 对于能承受双向轴向载荷的轴承组合结构,安装时可以对轴承进行预紧,消除间 隙,并使滚动体与内外座圈之间产生预变形,这样可以提高轴承的刚度和旋转精度,减小 轴在工作时的振动。对于用来承受双向轴向载荷的单个轴承,其间隙不能在安装时通 过预紧来消除。 6.为了简化结构、减小轴向尺寸、减轻重量,大、中型雷达的方位转台可以采用 带内齿轮或外齿轮的特大型轴承,该轴承能承受径向力、双向轴向载荷和倾覆力 矩,其内、外座圈与转台有关部分通常采用螺栓进行轴向固定。 3.1.4 轴的最小直径的确定 轴的最小直径的设计，由公式： 3 P dA n （3.4） 其中：d为轴的最小直径； A为由材料与受载情况决定的系数； P为轴传递的功率（kW） ； n为轴的转速（r/min） 。 由表 3.2，A 的值取 80，带入式 3.4，d=988 表 3.2 轴常用几种材料的A值 轴的材料Q235、20Q275、3545ZL101A A1601351351181181068572 3.1.5 轴承的选择 轴承分为滚动轴承和滑动轴承，它们都可以用于支撑轴及轴上零件，以保持轴的旋转精度， 并减少转轴与支撑之间的摩擦和磨损。滑动轴承的摩擦损失较大，使用、润滑、维护也比较复杂； 滚动轴承摩擦因数较低，启动力矩小、轴向尺寸小，特别是已经标准化，使得设计、使用、润滑、 维护都很方便。 滚动轴承的分类也很多，包括调心球轴承、调心滚子轴承、推力球轴承、圆锥滚子轴承、深 沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承等等。 由于内框轴在旋转时需同时承受轴向力与径向力，所以选择的轴承形式必须满足这两点要求， 满足需求的轴承有：推力调心滚子轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承。 推力调心滚子轴承的轴向载荷有限制，不可选。在同样外形尺寸下，角接触球轴承，由于内 框需同时承受轴向和径向载荷，所以选择安装角接触球轴承。 、 3.1.6 轴承的固定与密封 轴承端盖既对轴承起到固定支撑作用，也对轴承起到密封作用。本次设计中轴承尺寸如表 3.3 所示 表 3.3 端盖尺寸 号尺寸关系符号尺寸关系符号尺寸关系 D（轴承外径）130D0D+2.5 3 d=145D5D0+2.5 3 d=175 3 d（螺钉直径） 12D2D0+2.5 3 d=170e1.2 3 d=14 n（螺钉数）8（个）D40.9D=117d012 轴承密封是为了阻止润滑剂外泄流失污染环境，并防止灰尘、水、腐蚀性气体等侵 入轴承。一般可分两大类： 1. 接触式密封 1) 毡圈密封：轴承端盖上开出梯形槽，将按标准制成环形的细毛毡放置于槽中， 以与轴密合接触。 2) 唇形密封圈密封：密封圈由皮革或耐油橡胶等材料制成，具有唇形结构，将 其装如轴承盖中，靠材料的弹力和环行螺旋弹簧的扣紧作用与轴紧密接触。 2. 非接触式密封 1) 间隙式密封：在轴表面与轴承端盖通孔壁之间形成有一定轴向宽度的环行间 隙，依靠间隙流体阻力效应密封. 2) 迷宫式密封：在旋转件与固定件之间构成曲折的间隙来实现密封。 由于内框无特殊要求，所以采用普通密封方式即可满足设计要求。本次设计采用毡圈油封， 型号：毡圈 FZ/T92010-91 3.1.7 内框轴与负载盘的联接方式 内框轴轴端与负载盘的联接可采用的方式有多种：如过盈配合、键连接、成型连接、弹性环 联接、胀紧套连接等等，均可实现。 过盈配合连接是利用两个相配零件的装配过盈量实现的一种连接。零件的配合表面多为圆柱 面。组成过盈联接后，由于组合处的弹性变形和装配过盈量，在包容件和被包容件的配合面间将 产生很大的正压力。当连接承受外载荷时，配合表面考此正压力所产生的摩擦力或摩擦力矩来传 递载荷。但拆开过盈配合联接需要很大的外力，往往会损坏连接零件的配合表面，甚至整个零件。 键联接包括平键联接、半圆键联接、楔键联接、切向键联接。平键联接具有结构简单、对中 性好、拆装方便等优点，但这种联接不能承受轴向力，起不到轴向固定作用。半圆键联接只用于 静联接，主要用于载荷较小的联接及锥形轴端与轮毂的连接。楔键联接用于静联接，主要用于定 心精度要求不高、载荷平稳和低速的场合。切向键联接承载能力大，适于传递较大的转矩，常用 于传递直径大于 100mm 的重型机械轴上，且对中精度要求不高的场合。 成型联接是利用非圆剖面的轴装在相应零件毂孔中而形成的，具有拆装方便、对中性好、应 力集中小、传递转矩大等优点，但加工比较复杂，应用尚不广泛。 弹性环联接定心性好，拆装方便、承载能力高，并有密封作用。 在弹性环基础上演变出的胀紧套连接不但继承了以上优点，而且结构简单，加工方便，并由 成批型号产品可供选择，不必单独设计，所以本次设计中，中框轴与负载盘的联接采用胀紧套联 接方式。 规格：最大转矩 M=17Nm,质量 0.41kg,型号：Z5 胀紧套转动惯量： kg/m2 2222 12 11 ()0.410.040.0650.001 22 Jm RR 胀 胀紧套结构尺寸如图 3.3 所示 31 21.7 37 40 65 M6X6 图 3.3 Z5型胀紧套 3.1.8 主要零件刚度校核 根据精密测试设备的精度要求，其支撑件的结构及尺寸设计，都远远满足强度条件，因此 这里只对刚度进行校核。又因为本转台内环框架即为内环轴，所以只对内环轴的刚度进行校核。 滚动轴为空心阶梯轴，其扭转角计算公式见式 3.4 （3.5） 44 1 584180 () n i i i ili Tl Gdd 式中切变模量；G 阶梯轴上第 段所传递的扭矩； i Ti 阶梯轴上第 段的长度； i li 阶梯轴上第 段的外径； i di 阶梯轴上第 段的内径。 li di 为了尽可能减小转台的转动惯量，在保证强度和刚度的情况下，本转台各轴的材料均采用 铝合金材料（） ，其物理性能见表 3.4101ALA 表 3.4 物理性能101ALA 熔点()C 608 密度(kg/m ) 33 2.85 10 弹性模量MPa) 3 (10E74.20 切变模量MPa) 3 (10G27.30 单位：mm 泊松比0.36 将数据代入式（3.4） 9444444 5841467.145 0.1821259.56 0.0271230.31 0.111180 () 27.3 100.5230.50.5280.50.5550.5 m)0.053( / 查机械设计手册，关于许用扭转角的参考数据如下： 精密机械的轴 m (0.250.5) / 一般传动轴 m (0.5 1) / 精度要求不高的轴 m (1 2.5) / 显然，滚动轴的扭转角m，内环轴的扭转刚度满足要求。由于负载安装与内环 0.25 / 轴的内孔中，所以内环轴的弯曲刚度必定满足要求。 3.1.9 电机转矩的校核 在转台设计中，电动转台通常都采用直流力矩电机驱动。但是直流力矩电机作为直流电机由 于有换向器和电刷，所以存在许多缺点。例如，峰值转矩小、存在接触导电、有点火化和无线电 干扰、电机的可靠性和维护性相对较差等。为了克服这些缺点，我们在考察了6国内外电机发展 的最新进展，并考虑本次设计的经济性后，我们决定选用直流无刷电机。由于本次设计的转台结 构较大，对电机结构的要求也比较特殊，所以设计中我们需要的电机都是根据我们的需要定购。 对于内环电机，根据我们力矩计算结果再乘以 1.3 倍的安全系数，电机的转矩为N m。按989.81 照电机结构尺寸，由式（3.2） 、 （3.3）计算其转子转矩为： N m。内环电机所需转66.69T 电机 矩为：N m。显然 N m，所以，所选761.39766.69828.087TTT 内电机 989.81T 内 电机转矩满足要求。 3.2 转台中环结构设计 中环结构设计所要解决的关键问题是，中环轴系的结构布局、轴承的选择及布置和与外环 支撑件的配合等。 3.2.1 结构设计 中环轴系的结构设计如图 3.4 所示，中环框架尺寸较大，为了减小重量和转动惯量将其设计 为全中空结构，内部加筋板来保证刚度。中环轴与中环电机转子轴做成一体，中环框架向外伸出 两个耳轴，在耳轴孔中安装轴套和联轴器用以与中环轴相联，联轴器采 Z5 型胀紧联结套。轴系 采用两对角接触球轴承，对称两端电机驱动，外环框架的上分体箱即为中环电机的电机座，这种 布置可使结构更加紧凑，尽可能的减小了安装误差。由于内环的重量分布于中环轴的一侧，为了 平衡内环重量，在中环轴的另一侧加一组配重块。测角元件采用光电绝对式码盘，该轴系摩擦力 矩小、结构简单、易于调整。 轴承 联轴器配重外环框架 中环框架 中环电机光电码盘 （a） （b） 图 3.4 中环结构设计图 图 3.5 中环框架剖面图 由于中环框架结构形状比较复杂，为了更清楚的表达其结构形状，图 3.5 是中环框架的三维 模型图。 3.2.2转矩计算 表 3.5 绕中环转动零件数据 名称质量 kg)(转动惯量 kg m)( 滚动轴系377.163117.079 中环框架227.63346.774 配重222.97239.492 码盘1.5000.002 轴套46.0010.761 俯仰机械限位盘36.9603.237 俯仰波导座0.6130.002 俯仰联轴器24.7040.271 合计937.546207.618 与内环转矩计算方法相同，先由三维图形通过计算机计算出零件的质量和回转半径，由式 3.2 和式 3.3 分别计算出零件的转动惯量和转矩。绕中环轴转动的各零件的转动惯量计算结果如表 3.5 所示。 转矩：N m207.618 180652.251 180 T 由于电机转子轴即为俯仰轴，所以此处不需对俯仰轴扭转角进行校核。 3.2.3 电机转矩校核 对绕中环转动零件的转矩乘以 1.3 倍的安全系数作为我们所选的电机转矩，即电机转矩为 847.926N m。由三维图形、式 3.2 和式 3.3 计算出电机转子的转矩N m。中环电机5.394T电机 所需转矩为： N m652.251 5.394 657.645TTT 中电机 显然，N m，所，以所选电机转矩满足要求。847.926T 中 3.3 转台外环结构设计 外环结构设计所要解决的关键问题是，分体式外框架及其薄壁箱式框架结构、轴承及联轴 器的选择等。 3.3.1 结构设计 外环轴系的结构如图 3.6 所示。外环轴系的主支撑采用钢丝滚道轴承，它可以同时承受双向 的轴向力和径向力；外环框架为分体的中空箱式结构，重量轻，便于安装调试。将外框架分为框 架和两个中环基座的分体结构，目的是为了保证一体的中框架正确安装，分体结构需要保证的关 键问题是要保证框架和两个中环基座的准确安装和中环轴承座孔与框架的联轴器孔的垂直度和相 交度，为此，要求加工中将外框架和两个中环基座安装成一体后精加工，以达到设计要求，同时 要求两个中环基座与框架保证一定的配合精度将外框架设计成薄壁箱式框架结构可以使框架在达 到最低重量的前提下实现最大的结构刚度，大型薄壁箱式框架结构的关键在零件的铸造技术，包 括木模制造。为此，我们将加强框架铸造环节的质量控制，以满足指标要求。外框架上分体箱模 型图如图 3.7 所示。外环电机由一对轴承支撑自成一体，安装方便，外环轴与外框架采用涨紧式 联轴器联接，外环测角元件为光电码盘。 3.3.2 转矩计算 由三维图形通过计算机计算出零件的质量和回转半径，由式 3.2 和式 3.3 分别计算出零件的 转动惯量和转矩。 转矩：N m3078.443 1608592.276 180 T 与俯仰轴系相同方位电机转子轴即为方位轴，所以此处也不需对方位轴扭转角进 上分体箱 外环框架 码盘 方位轴 钢丝滚道轴承 钢丝 钢球 电机 图 3.6 外环轴系结构图 图 3.7 外框架上分体箱三维视图 行校核。 绕外环轴转动的各零件的转动惯量计算结果如表 3.6 所示 表 3.6 绕外环转动零件数据 名称质量 kg)(转动惯量 kg m)( 滚动轴系377.163117.079 俯仰轴系801.7632485.618 外环框架600.907435.613 方位滚道轴承外环32.38911.573 方位轴26.7120.348 方位联轴器23.6570.445 方位码盘1.5000.008 方位零位销座7.6872.709 合计2060.9063078.443 3.3.3 电机转矩校核 对绕外环转动零件的转矩乘以 1.3 倍的安全系数作为我们所选的电机转矩，即电机转矩为 11169.959N m。由三维图形、式 3.2 和式 3.3 计算出电机转子的转矩N m。中环电69.917T电机 机所需转矩为： N m8592.27669.917 8662.193TTT 外电机 显然，N m，所，以所选电机转矩满足要求。11169.959T 外 3.4 机械转角限位装置设计 前面已说过，转台各轴系均为局部转角，系统超限保护均为三级保护，其顺序为软件保护、 光电开关保护和机械限位，其中，软件保护不是本设计的内容，光电开关机保护中的光电管为购 买的标准件，也不是本设计的内容，本设计只对机械限位装置的结构进行设计。 如图 3.8 和图 3.9 所示为内环转角限位装置结构和外环转角限位装置结构 由图 3.8 和图 3.9 可以看出，内环转角机械限位与外环转角机械限位装置结构相似，都是由 两个固定的限位座和一个运动的限位块组成。为了缓冲和减小噪声，在固定的限位座上安装橡胶 缓冲装置。由于外环转动惯量较大，所以除在限位座上安装橡胶缓冲装置外，还安装有缓冲液压 缸，进一步改善缓冲的效果。 滚动机械限位座 橡胶缓冲垫 滚动机械限位动块 图 3.8 内环转角机械限位装置 方位缓冲液压缸 方位缓冲缸座 缓冲橡胶 方位限位动块 图 3.9 外环转角机械限位装置 中环机械限位装置与内、外环机械限位装置结构不同，其结构如图 3.10 所示 限位缓冲橡胶 俯仰机械插销 外框架 俯仰机械限位盘 机械插销导套 图 3.10 外环转角机械限位装置 由图 3.10 可以看出，外环机械限位装置由机械限位盘、俯仰机械插销、俯仰机械插销导套 和限位缓冲橡胶等组成，俯仰机械限位盘随俯仰轴系一起运动，运动范围由俯仰机械插销导套和 限位缓冲橡胶等控制在。当转台在不工作的时候，用机械插销固定俯仰轴系，使其不会左右45 运动。 3.5 本章小结 本章设计内容为此次设计的主要内容，详细设计了智能扫描机械台机械结构，其包括了内 环、中环、外环的结构设计。内环、中环、外环均采用电机直接驱动，由于该驱动需要较低转速 和较大转矩，此电机为定做，所以这里就没有标出电机型号。另外中轴和外环轴上的轴承亦是定 做，故没有查出相应型号。此章设计完成了三轴主要零件的刚度校核和三轴电机转矩的校核，选 用了电机并对机械转角限位装置完成了设计。根据次章设计基本完成了各主要部分的结构尺寸。 第 4 章误差分析 误差分析的主要内容是根据本次设计的相关技术要求，分析各轴的回转精度以及三轴的相交 度。 4.1 回转精度分析 回转精度是影响转台技术指标的主要误差之一，本节将对各轴的回转精度作以简要分析， 4.1.1 滚动轴系回转精度 由于滚动轴系的支承，我们采用钢丝滚道轴承。此种轴承滚动体数目多，排列紧密，具有很 强的误差均化能力。其中，在载荷的分配方面，主支撑承担主要的轴向和径向负荷。因此，这里 着重考虑主要支承轴承引起的滚动轴的回转误差。 (1) 滚动轴承的有效直径mm，滚道基体的端跳动设计为mm，则由此1120D 1 0.015 造成的滚动轴的最大回转误差为： 11/ 2.76 “ D (2) 由于钢丝直径不均匀造成钢丝滚道端跳动为mm，则由此造成的滚动轴的最大 2 0.01 回转误差为： 22/ 1.84“ D (3) 钢球的直径误差为mm，则由此造成的滚动轴的最大回转误差为： 3 0.001 33/ 0.18 D 滚动轴总的回转误差为： 222 123 3.32“ 滚动 设计要求三轴的转角精度均为，即，显然，所以滚动轴系回转0.00310.8“ 10.8“ 滚动 精度满足设计要求。 4.1.2 俯仰轴系回转精度 对于转台俯仰轴系的支撑，我们采用的是两对角接触球轴承。取两对轴承的平均跨距作为 回转精度计算的轴承跨距。 (1) 中环轴轴承的最大径向跳动mm，轴承跨距mm，由此造成的中环轴 1 0.0052337L 的最大回转误差为： 11/ 0.44“ L (2) 轴承座孔不同轴度及最大径向跳动为mm，轴承跨距mm，则由此造 2 0.022337L 成的中环轴的最大回转误差为： 22/ 1.77“ L (3) 框架两端轴头的最大不同轴度mm，轴承跨距mm，则由此造成的中 3 0.022337L 环轴的最大回转误差为： 33/ 1.77“ L 中环轴总的回转误差为： 222 123 2.54“ 中环 由于，所以俯仰轴系回转精度满足设计要求。10.8“ 中环 4.1.3 方位轴系回转精度 方位轴系的支承，我们也采用钢丝滚道轴承。 (1) 轴承的有效直径mm，滚道基体的端跳动设计为mm，则由此造成1148D 1 0.015 的方位轴的最大回转误差为： 11/ 2.70“ D (2) 由于钢丝直径不均匀造成钢丝滚道端跳动为mm，则由此造成的方位轴的最大 2 0.01 回转误差为： 22/ 1.80“ D (3) 钢球的直径误差为mm，则由此造成的方位轴的最大回转误差为： 3 0.001 33/ 0.18“D 方位轴系轴总的回转误差为： 222 123 3.25“ 方位 由于，所以俯仰轴系回转精度满足设计要求。3.25“ 方位 4.2 三轴相交度分析 4.2.1 滚动轴与俯仰轴的相交度 滚动轴与俯仰轴的7相交度误差主要是由滚动轴的径向误差和俯仰轴的径向误差造成的。滚 动轴的径向误差既与材料和加工有关又与装配有关，由 4.1 节的分析可知由材料和加工造成的径 向误差为： mm 1 0.0150.01 0.0010.026 装配误差： mm 2 0.15 俯仰轴系的 mm 1 0.0050.020.020.045 相交度误差：0.026+0.15+0.0450.221mmmm，所以，满足要求。0.5 4.2.2 俯仰轴与方位轴的相交度 与滚动轴系和俯仰轴系径向误差产生的原因相同，方位轴的径向误差也是既与材料和加工有 关又与装配有关。同样，由 4.1 节的分析可知，方位轴系的 mm， 1 0.0150.01 0.0010.026 装配误差： mm 2 0.15 联轴器误差：mm 3 0.017 相交度误差：0.026+0.15+0.045+0.0170.238mmmm，所以，满足要求。0.5 4.3 本章小结 根据此次设计的相关技术要求在本章内容中主要完成对于误差的分析。回转精度是影响转台 技术指标的主要误差之一，本章详细地分析了各轴的回转精度，也分析了由与材料、加工和装配 有关的径向误差造成的相交度误差，并对回转精度和相交度进行了校核。 第 5 章 测量及其它元件简介 三轴伺服转台一般由机械部分、驱动部分、控制系统和检测系统四部分组成。各部分都对 转台的技术指标有重要影响，转台的精度也由这四部分的精度组成。机械部分的精度主要由结构 和加工来决定，驱动部分的精度主要由驱动元件的精度决定，控制系统和检测系统的精度主要由 控制和检测元件的精度和性能决定。本转台所用到的驱动元件为永磁交流伺服电机，测量元件有 感应同步器和光电码盘，其它元件有联轴器、钢丝滚道轴承等，本章将对这些元件的结构及工作 原理作以简单介绍 5.1 直流无刷电机 直流无刷电动机驱动系统由电机本体和驱动控制电路及位置传感器组成，具体如图 5.1 所示，电 机本体结构如图 5.2 所示。定子采用三相对称绕组，转子由转子磁钢激励，磁路为径向结构，瓦 形磁钢粘接在转子铁心上，定、转子采用分装形式，位置传感器为光电编码器，与电机同轴安装, 用来检测电机转子的位置。 N S 驱动 电路 位置 传感 器 图 5.1 电机系统示意图 图 5.2 电机结构示意图 驱动控制电路将位置传感器检测的转子位置信号处理成三相正弦脉宽调制信号，通过逆变桥 向电机定子通以三相对称电流，定子绕组电流与转子磁场相互作用产生电磁转矩。通过电流反馈 实现准矢量控制，提高电机的出力。控制绕组的电压和电流即可实现电机的转速和转矩控制。无 刷直流电动机具有如下特点： 1电机的峰值转矩大，时间常数小，响应快； 2结构简单，可靠性高，无须维修； 3电机系统具有直流电机的工作特性，控制特性好； 4电机无励磁损耗，定子电枢散热条件好。 5.2 感应同步器 感应同步器是一种电磁感应式多极位置传感元件。由于多极结构，在电与磁两方面对误差起 补偿作用，所以具有很高的精度。它的极对数可以做的很多。随着极数的增加，精度会相应提高。 感应同步器按其运动方式可分为旋转式和直线式两种。前者用来传感和检测角度位移信号， 后者是传感和检测直线位移信号。在结构上，两者都包括固定和运动两大部分对于旋转式分别称 为定子和转子；对于直线式分别称为定尺和滑尺。 不论是旋转式还是直线式，定、动两部分都是片状，因此有时统称为定片和动片。本转台使 用的是旋转式感应同步器，下面对其结构作以简单介绍。图 5.3 是旋转式感应同步器的结构原理 图。 定子绕组 绝缘层 屏蔽层 定子基板 转子基板 转子绕组 图 5.3 旋转式感应同步器结构 定、转子一般都用玻璃、不锈钢、硬铝合金等材料作基板（但由于加工问题，一般不用玻璃） ，呈环状。定子与转子彼此相对的一面上均有导电绕组，绕租用铜箔构成，厚度为 0.05mm 左右。 基极和绕组之间是经过精加工的绝缘层。绕组表面还要加一层和绕组绝缘的屏蔽层，屏蔽层材料 采用铝箔或铝膜。 转子绕组为连续式的，称为连续绕组。它由有效导体、内端部和外端部构成。每根导体就是 一个极，导体数就是极数。定子上是两相正交绕组，做成分段式，称为分段绕组。两相交叉分布， 相差 90 电角度。属于同一相的各组绕组导体用连接线串联起来。定、转子的有效导体都是呈辐 射状。转子绕组引线方式有三种：1 直接由电缆引出；2 借助电刷、集电环引出；3 借助装在定、 转子基板内圆处的环形变压器耦合引出。 5.3 绝对式光电码盘 光电码盘具有精度较高、安装调整方便、使用维护简单、对环境无特殊要求、可靠性好等优 点，而且价格相对便宜，所以在本次设计中采用 RCN200 型绝对式光电码盘。目前，在许多高精 度的机电控制系统中被广泛用作角位置传感器；实践己证明使用光电式码盘作为传感器构成测角 反馈系统，可使数字控制系统的设计更简单，测试更方便。 绝对式码盘的输出信号经处理后的二进制数码表示码盘所在点的绝对角位置，所以叫绝对式 光电码盘。绝对式光电码盘比较适合于做角位置控制系统的传感器。 绝对式码盘由三大部分组成包括旋转的码盘，光源和光电敏感元件。码盘上有按一定规律分 布的由透明和不透明区构成的光学码道图案，它们是由涂有感光乳剂的玻璃质（水晶）圆盘利用 光刻技术制成的。光源是超小型的钨丝灯泡或者是一个固定光源。检测光的元件是光敏二极管或 光敏三极管等光敏元件。光源的光通过光学系统，穿过码盘的透光区，最后与窄缝后面的一排径