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目錄
摘 要 1
ABSTRACT 2
第1章 緒 論 3
1.1 課題背景 3
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 3
1.2.1 智能掃描機(jī)械臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r 3
1.2.2 國(guó)內(nèi)智能掃描機(jī)械臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r 5
1.2.3 未來轉(zhuǎn)臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì) 6
1.3 立題的目的和意義 6
1.4 本文主要工作 6
第2章智能掃描機(jī)械臺(tái)總體設(shè)計(jì) 7
2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)要求 7
2.2 總體設(shè)計(jì)流程 7
2.3 轉(zhuǎn)臺(tái)類型的確定 7
2.4 轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì) 8
2.4.1 工作原理 8
2.4.2 運(yùn)動(dòng)功能方案 8
2.5 轉(zhuǎn)臺(tái)總體布局設(shè)計(jì) 8
2.6 轉(zhuǎn)臺(tái)主要參數(shù)設(shè)計(jì) 9
2.7 本章小結(jié) 9
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) 10
3.1 轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 11
3.1.3 軸向固定方式的選擇 12
3.1.4 軸的最小直徑的確定 13
3.1.5軸承的選擇 13
3.1.6 軸承的固定與密封 13
3.1.7 內(nèi)框軸與負(fù)載盤的聯(lián)接方式 14
3.1.8 主要零件剛度校核 15
3.1.9 電機(jī)轉(zhuǎn)矩的校核 16
3.2 轉(zhuǎn)臺(tái)中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17
3.2.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 18
3.2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 19
3.3 轉(zhuǎn)臺(tái)外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
3.3.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算 19
3.3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 21
3.4 機(jī)械轉(zhuǎn)角限位裝置設(shè)計(jì) 21
3.5 本章小結(jié) 23
第4章 誤差分析 24
4.1 回轉(zhuǎn)精度分析 24
4.1.1 滾動(dòng)軸系回轉(zhuǎn)精度 24
4.1.2 俯仰軸系回轉(zhuǎn)精度 24
4.1.3 方位軸系回轉(zhuǎn)精度 25
4.2 三軸相交度分析 25
4.2.1 滾動(dòng)軸與俯仰軸的相交度 25
4.2.2 俯仰軸與方位軸的相交度 26
4.3 本章小結(jié) 26
第5章 測(cè)量及其它元件簡(jiǎn)介 27
5.1 直流無刷電機(jī) 27
5.2 感應(yīng)同步器 28
5.3 絕對(duì)式光電碼盤 28
5.4 鋼絲滾道軸承 29
5.5 脹緊式聯(lián)軸器 29
5.6 本章小結(jié) 30
結(jié) 論 31
參考文獻(xiàn) 32
致 謝 33
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)。
Ⅰ
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
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。
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。
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
型
號(hào)
三根軸的擺動(dòng)
軸的正交度
軸的定位精度
最大
指向
誤差
速率不平穩(wěn)性
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
0.25
0.35
0.35
2.1
0.9
0.46
0.74
1.3
5.8
150
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
50
0.45
0.5
0.6
0.12
0.01
0.64
0.58
0.98
2.3
200
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)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。
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：
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：
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
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。
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
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。
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）
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）
式中——慣性半徑（或回轉(zhuǎn)半徑）。
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
（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（kgm）
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：Nm
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：
（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。滑動(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。、
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=145
D5
D0+2.5=175
（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)：Z5
脹緊套轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
kg/m2
脹緊套結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.3所示
單位：mm
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。
滾動(dòng)軸為空心階梯軸，其扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式見式3.4
（3.5）
式中——切變模量；
——階梯軸上第段所傳遞的扭矩；
——階梯軸上第段的長(zhǎng)度；
——階梯軸上第段的外徑；
——階梯軸上第段的內(nèi)徑。
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3.4
表3.4 物理性能
熔點(diǎn)
608
密度(kg/m)
彈性模量MPa)
74.20
切變模量MPa)
27.30
泊松比
0.36
將數(shù)據(jù)代入式（3.4）
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
一般傳動(dòng)軸 m
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)，我們?cè)诳疾炝薣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Nm。按照電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，由式（3.2）、（3.3）計(jì)算其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為： Nm。內(nèi)環(huán)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為：Nm。顯然 Nm，所以，所選電機(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。
（a）
（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kgm)
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：Nm
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847.926Nm。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Nm。中環(huán)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為：
Nm
顯然，Nm，所，以所選電機(jī)轉(zhuǎn)矩滿足要求。
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加工，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)要求兩個(gè)中環(huán)基座與框架保證一定的配合精度將外框架設(shè)計(jì)成薄壁箱式框架結(jié)構(gòu)可以使框架在達(dá)到最低重量的前提下實(shí)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(qiáng)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(jī)由一對(duì)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(cè)角元件為光電碼盤。
3.3.2 轉(zhuǎn)矩計(jì)算
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。
轉(zhuǎn)矩：Nm
與俯仰軸系相同方位電機(jī)轉(zhuǎn)子軸即為方位軸，所以此處也不需對(duì)方位軸扭轉(zhuǎn)角進(jìn)
圖3.6 外環(huán)軸系結(jié)構(gòu)圖
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(dòng)的各零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算結(jié)果如表3.6所示
表3.6繞外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)零件數(shù)據(jù)
名稱
質(zhì)量kg)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kgm)
滾動(dòng)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(jì)
2060.906
3078.443
3.3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核
對(duì)繞外環(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11169.959Nm。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Nm。中環(huán)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為：
Nm
顯然，Nm，所，以所選電機(jī)轉(zhuǎn)矩滿足要求。
3.4 機(jī)械轉(zhuǎn)角限位裝置設(shè)計(jì)
前面已說過，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，軟件保護(hù)不是本設(shè)計(jì)的內(nèi)容，光電開關(guān)機(jī)保護(hù)中的光電管為購(gòu)買的標(biāo)準(zhǔn)件，也不是本設(shè)計(jì)的內(nèi)容，本設(shè)計(jì)只對(duì)機(jī)械限位裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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(jī)械限位與外環(huán)轉(zhuǎn)角機(jī)械限位裝置結(jié)構(gòu)相似，都是由兩個(gè)固定的限位座和一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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。
圖3.8 內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角機(jī)械限位裝置
圖3.9 外環(huán)轉(zhuǎn)角機(jī)械限位裝置
中環(huán)機(jī)械限位裝置與內(nèi)、外環(huán)機(jī)械限位裝置結(jié)構(gòu)不同，其結(jié)構(gòu)如圖3.10所示
圖3.10 外環(huán)轉(zhuǎn)角機(jī)械限位裝置
由圖3.10可以看出，外環(huán)機(jī)械限位裝置由機(jī)械限位盤、俯仰機(jī)械插銷、俯仰機(jī)械插銷導(dǎo)套和限位緩沖橡膠等組成，俯仰機(jī)械限位盤隨俯仰軸系一起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍由俯仰機(jī)械插銷導(dǎo)套和限位緩沖橡膠等控制在。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)在不工作的時(shí)候，用機(jī)械插銷固定俯仰軸系，使其不會(huì)左右運(yùn)動(dòng)。
3.5 本章小結(jié)
本章設(shè)計(jì)內(nèi)容為此次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，詳細(xì)設(shè)計(jì)了智能掃描機(jī)械臺(tái)機(jī)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(jì)。內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)均采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，由于該驅(qū)動(dòng)需要較低轉(zhuǎn)速和較大轉(zhuǎn)矩，此電機(jī)為定做，所以這里就沒有標(biāo)出電機(jī)型號(hào)。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(hào)。此章設(shè)計(jì)完成了三軸主要零件的剛度校核和三軸電機(jī)轉(zhuǎn)矩的校核，選用了電機(jī)并對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)角限位裝置完成了設(shè)計(jì)。根據(jù)次章設(shè)計(jì)基本完成了各主要部分的結(jié)構(gòu)尺寸。
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(jì)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(tái)技術(shù)指標(biāo)的主要誤差之一，本節(jié)將對(duì)各軸的回轉(zhuǎn)精度作以簡(jiǎn)要分析，
4.1.1 滾動(dòng)軸系回轉(zhuǎn)精度
由于滾動(dòng)軸系的支承，我們采用鋼絲滾道軸承。此種軸承滾動(dòng)體數(shù)目多，排列緊密，具有很強(qiáng)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(dòng)軸的回轉(zhuǎn)誤差。
(1) 滾動(dòng)軸承的有效直徑mm，滾道基體的端跳動(dòng)設(shè)計(jì)為mm，則由此造成的滾動(dòng)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(2) 由于鋼絲直徑不均勻造成鋼絲滾道端跳動(dòng)為mm，則由此造成的滾動(dòng)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(3) 鋼球的直徑誤差為mm，則由此造成的滾動(dòng)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
滾動(dòng)軸總的回轉(zhuǎn)誤差為：
設(shè)計(jì)要求三軸的轉(zhuǎn)角精度均為，即，顯然，所以滾動(dòng)軸系回轉(zhuǎn)精度滿足設(shè)計(jì)要求。
4.1.2 俯仰軸系回轉(zhuǎn)精度
對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸系的支撐，我們采用的是兩對(duì)角接觸球軸承。取兩對(duì)軸承的平均跨距作為回轉(zhuǎn)精度計(jì)算的軸承跨距。
(1) 中環(huán)軸軸承的最大徑向跳動(dòng)mm，軸承跨距mm，由此造成的中環(huán)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(2) 軸承座孔不同軸度及最大徑向跳動(dòng)為mm，軸承跨距mm，則由此造成的中環(huán)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(3) 框架兩端軸頭的最大不同軸度mm，軸承跨距mm，則由此造成的中環(huán)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
中環(huán)軸總的回轉(zhuǎn)誤差為：
由于，所以俯仰軸系回轉(zhuǎn)精度滿足設(shè)計(jì)要求。
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(dòng)設(shè)計(jì)為mm，則由此造成的方位軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(2) 由于鋼絲直徑不均勻造成鋼絲滾道端跳動(dòng)為mm，則由此造成的方位軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(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：
方位軸系軸總的回轉(zhuǎn)誤差為：
由于，所以俯仰軸系回轉(zhuǎn)精度滿足設(shè)計(jì)要求。
4.2 三軸相交度分析
4.2.1 滾動(dòng)軸與俯仰軸的相交度
滾動(dòng)軸與俯仰軸的[7]相交度誤差主要是由滾動(dòng)軸的徑向誤差和俯仰軸的徑向誤差造成的。滾動(dòng)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：
mm
裝配誤差： mm
俯仰軸系的 mm
相交度誤差：0.026+0.15+0.045＝0.221mm
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