单轴速率转台机械台体设计概要

综合课程设计II项目总结报告题目：单轴速率转台机械台体设计
院（系）机电工程学院
专业机械设计制造自动化
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指导教师
填报日期2013.12.05
哈尔滨工业大学机电工程学院制
2013年12月
目录
第1章转台方案拟定 (1)
第2章轴承选择 (2)
2.1 轴承的选型 (2)
2.2 轴承跨距的计算 (2)
2.3 轴承的预紧 (2)
第3章测角元件的选择与计算 (3)
3.1 光电码盘的选型 (3)
3.2 光电码盘的设计 (3)
第4章载荷计算 (5)
第5章电机选取与计算 (6)
第6章机械结构设计 (7)
6.1 轴系部件的设计 (7)
6.2轴上其他零部件的设计 (10)
6.3 框架设计 (10)
参考文献 (12)
第1章转台方案拟定
转台即旋转平台，是用于测控系统元件标校试验的基础平台，位置、速率、加速度可控，可以实现位置、速率、加速度等试验。

由于被测对象千差万别，测试条件也各有不同，故虽然市场上已有相对成熟的转台产品，但很多情况下专用的测试转台还需要专门设计。

而单轴转台是一个单轴方位旋转机构，是一种重要的转角测试设备，可用于光电跟踪装置的动态角跟踪性能的检测，以及惯性导航系统和惯性元件的检定、标定。

其按驱动方式可分为手动和电动两种，在电动的形式下又有开环和闭环两种控制方式，目前单轴转台的转角精度可达到1 角秒。

结合本课题设计，进一步掌握如下内容：（1）掌握机械系统的组成规律、设计原则、设计步骤（过程）、设计内容和方法；（2）利用以前学到的有关的基础知识，根据特定的功能来设计机械系统。

任务要求设计分度刻线转台，转台水平旋转，主轴由交流力矩电机直接驱动，转台结构主要由主轴、电机、光电编码器、转台台面以及底座等组成。

转台直接与主轴相连，由力矩电机直接驱动，通过轴承座将主轴与壳体的连接传递基准，安装光电编码器，最后将所有结构部件连接在基座上。

转台的草图如下：
图1-1
第2章 轴承选择
转台轴承在安装时一般给予一定的轴向预紧力，使内外圈产生相对位移，从而消除游隙，并在套圈和滚动体接触处产生弹性预变形，以此来提高轴承的旋转精度和刚度。

预紧力可以利用金属垫片或者调整螺母来实现
2.1 轴承的选型
为了保证跨距要求和转台的稳定性，轴承选择角接触球轴承并背靠背布置。

由相应的安装尺寸可知轴承的型号，两个球轴承的型号分别为7218C 和7220C ，内径分别为90mm 和100mm 。

2.2 轴承跨距的计算
选择精度为P2的轴承，由《机械精度设计基础》表6-2可知其径向跳动为mm 0025.0，故可求得其要求跨距为
()mm 8.25736002
tan /105.26=⨯=-l
背靠背安装的轴承提供的跨距为 mm 5.1643)90100(2
11=⨯+⨯=
l 安装本身的跨距为 mm 1502=l
故设计提供的总跨距为
mm 8.257mm 5.3141504.164210=>=+=+=l l l l
所以，有结构设计得出的跨距满足实际要求，故轴和轴承的尺寸符合要求。

由于设计对负载要求较小，故不需要校核轴和轴承的刚度和寿命，满足设计要求。

2.3 轴承的预紧
轴承安装在轴承座孔中之后，轴承内圈靠锁紧螺母进行预紧，螺母自行
设计，厚度为8mm；轴承外圈由轴承端盖进行预紧，为了便于后续调整，在端盖和外圈之间安装一个弹簧垫圈，保证轴承的正常工作和精度要求。

第3章测角元件的选择与计算
3.1 光电码盘的选型
光电编码器是一种回转式数字测量元件，将测得的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式的数字信号输出。

因此光电码盘可分为增量式和绝对式。

增量式码盘的输出信号经过处理后的数码表示相对某个基准点的相对转角，即对于这和基准位置码盘所增的角度测量，它用于测量转速非常方便。

绝对式码盘的输出信号经处理后的二进制数码就表示码盘所在点的绝对角位置，比较适合做角位置控制系统的传感器。

任务要求设计刻度标定转台，故选择绝对式码盘。

3.2 光电码盘的设计
任务要求，转台的角位置精度和角位置重复精度均优于0.05°，经过换算，其精度为
''
γ
=
180
⨯
.0=
05
3600
根据三分之一精度的原则，只要选择精度达到60秒的码盘即可。

计算表明，对精度要求不是很高，综合设计成本，选择原RCN系列码盘。

通过对比精度选择，选择选RON786增量式角度光电码盘，其具体结构形式及安装形式如下图所示：由图易知，编码器的转子可以通过catch连接在轴上，也可以通过锁紧螺母直接固定在轴上，为了便于安装和拆卸，选用锁紧螺母的形式将转子固定在轴上，通过内六角圆螺钉将外圈连接在码盘机座上，机座和下轴承座公用一个安装基准面，以保证定位的准确，减少误差。

第4章载荷计算
由第一步设计知，除去负载，并使轴变成实心轴后，并加上轴承的内外圈尺寸进行简单的Solid works建模，估算放大后的转台的最大转动惯量。

轴的材料为45钢，取密度为23m Kg 108.7⋅⨯，求得轴的转动惯量
21m Kg 1613.0⋅=I
负载经过建模分析后可得转动惯量为
22m Kg 0518.0⋅=I
综上，总的转动惯量约等于
m N 2131.021⋅=+=I I I
第5章 电机选取与计算
机构所需电机提供转矩为
m N 7439.0/2)360/200(2131.02⋅=⨯⨯=⨯=s rad I T πα
设计要求转矩较小，为了满足装置的稳定性要求和硬件安装尺寸，自主设计电机。

具体尺寸见图。

此电机提供力矩为
m N 7.5010000/30130130⋅=⨯⨯=T 满足设计要求。

第6章机械结构设计
6.1 轴系部件的设计
轴系是实现转台各零部件有机联系的关键，各框架之间通过轴系连接在一起，通过轴系传递力矩及传动精确的回转运动。

轴系由轴、轴承、连接机构等组成。

轴由两个背靠背角接触轴承支撑，轴上还连接电机转子和其他连接机构。

6.1.1 转台设计
φ，鉴于方便安装和余量保留的原则，根据题目条件，转台台面尺寸为mm
300
设计实心转台，材料选取45，其厚度应该根据负载最大形状最不理想时转台边缘的挠度小于要求的台面跳动来估计。

由于题目所要求转台对负载没有特殊要求，故根据经验设计台面的厚度为
t。

=
mm
25
图6-1-1
错误！未找到引用源。

6.1.2 轴径的估算
轴是转台正常运行的关键零件。

它的轴径限制因素主要有两个方面：机器处于最大加速度状态时，它的扭转量小于定位精度，且不会因为剪切力造成剪切破坏。

这里，轴虽然也要受到静载荷带来的正压力，但其数量级远远小于剪切力，故忽略不计。

由于轴是连续旋转，故采用空心轴，方便线路布置，并初取空心率0.5α=。

（1）根据轴的扭转量小于定位精度估计轴颈
假设载荷为Kg 30，依旧按照载荷最不理想的分布，即质量全部集中在mm 300φ边缘的环状结构来计算。

则其转动惯量为：
2232m Kg 675.0)10150(30⋅=⨯⨯==-mr I pp
04.0=pt I 2m Kg ⋅
222m Kg 3375.015.0302
121⋅=⨯⨯==q q pq r m I 2m Kg 0525.13375.004.0675.0⋅=++=++=pq pt pp I I I I
当角加速度最大时，扭矩为
m N 20.02360
100525.1⋅=⨯⨯==παI T 式中
α——转台最大角加速度， 为10°/s 2 在这个扭矩下，要求轴的角变形小于定位精度的3
1，即 1()3βεβ∆<
式中：
pz Tl
GI β∆=
G ——10104.85.2210)1(2G ⨯==+=GPa u E Pa ；
l ——轴的长度，预估mm 300=l ； ()βε3
1——()rad 4-10727.8236005.031⨯=⨯=πβε
则
41010727.8104.83.02.0-⨯〈⨯⨯==∆p
p I GI Tl β 45m 101848.8-⨯>p I
又有
44(1)32pz z I D π
α=-
m 169.0)1(3244=-=απp
z I D
取z D =0.17m=170mm
（2）根据轴在动载作用下不能被剪断估计轴颈
34[](1)16t z T T W D ττπα=
=<- 式中：
T ——扭矩，m N 20.0⋅=T ；
[]τ——材料许用切应力，取[][]5.2310
235s 2===στMPa ，s 为安全系数 故 mm 1.32105.23)5.01(162
.036
4=⨯⨯->π
z D 取mm 33=z D
可以看出，两种情况下轴颈的大小差异很大。

为了保证结构的稳定性，设计
（2）必须保证。

同时，由于本设计的精度要求较高，故而设计（1）也应该在轴的大部分甚至全部结构中体现。

综合考虑，由于负载较小，转台只对旋转角度有精确要求，故粗取转台最大直径为mm 100，为了配合安装轴承和满足转台竖直工作的要求，轴设计为顺阶梯状结构，具体结构形式如下图所示：
第一段轴径安装转台和轴承端盖，直径为100mm,长度为35mm ；
第二段轴径安装角接触球轴承，并为安装电机腾出相应的空间。

直径为轴承
直径80mm，长度为67mm；
第三段轴径安装交流直驱转矩电机，为了实现电机的轴向定位，轴段加工成带有莫氏锥度的圆台，长度为60mm；
第四段轴径安装角接触球轴承和相应的预紧螺母，以及下轴承端盖。

直径为轴承直径70mm，长度为110mm；
第五段轴径安装编码器，根据精度要求计算选择确定，并加工轴肩实现编码器的轴向定位，其直径为60mm，长度为60mm。

6.2轴上其他零部件的设计
轴系部件除轴外还有轴承、轴承端盖、轴承预紧的调整垫片等，这里轴承、调整垫片为标准件，选择即可，轴承端盖需要设计。

轴承端盖将轴承外圈预紧在床身上，其具体结构形式如下：
图6-2
的螺栓孔，均分分布在四周。

后盖为了加工沉头螺钉孔，螺纹孔为直径8
为15mm，其余部分厚度均为10mm。

6.3框架设计
框架是转台的关键零件，提高其力学性能对系统的精度具有重要的意义。

转台的床身壳体负责支撑轴承座和为机座和编码器机座传递定位基准，其基本外形如下：
图6-3-1
转台的机座支撑整个机身，为了保证其支撑刚度，壁厚设计为30mm，在底
的地脚螺栓孔，连接机床和最后的安装平面。

底部法兰结构处设计六个mm
12
座的具体结构如下：
图6-3-2
参考文献
[1]. 孙玉芹.袁夫彩主编.《机械精度设计基础》.科学出版社.2009年6月.
[2]. 宋宝玉主编.《机械设计课程设计指导书》.高等教育出版社.2011年11月.
[3]. 宋宝玉主编.《机械设计》.高等教育出版社.2010年5月.
[4]. 秦大同主编.《机电系统设计》.化学工业出版社.2013年3月.
[5]. 机电控制及其自动化系.《数控旋转工作台设计》. 2013年11月.。