单轴速率转台机械台体设计讲解

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

学生

学号

班号

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。