转台设计1 哈工大

二轴转台方案设计

1.设计简图（草图）

2.

对于多轴转台，各框架的设计顺序是：由内到外

转台的框架断面为空心矩形，其重量轻、惯性大刚度好。材料选用优质铸转台的框架断面为空心矩形，其重量轻、惯性大刚度好。转台的设计应按照从内到外的顺序设计，最内层受到载荷和尺寸的限制，因而应该从里面开始设计。

但是本设计给出了最外一层的设计，因为外层的结构相对复杂，内外的原件使用相似。

3.轴系的设计

2.1轴系1的设计

轴系1上需要有驱动原件、测角原件、支撑原件、连接原件等部件。

2.1.1驱动原件选择

转台的驱动元件主要有两大类：一类是电动机；一类是液压马达。

电动机驱动的主要优点是：

（1）实现连续回转，而摆动式液压马达则不能。

（2）液压马达必须设置液压油源，而电动机不需要。

对于小转矩、低频响的转台宜采用电动机驱动，而对于那些大转矩、高频响的转台，采用液压驱动方案为佳。电机驱动常见的电动机为力矩电动机和直流伺服电动机。力矩电动机允许转速低，可直接与转台主轴连接形成直接驱动。所以对于该设计方案中可以按如下方式进行：

驱动元件：采用直流力矩电机驱动，控制方便，既可开环控制，又可闭环控制；

驱动方式：采用直接驱动方式，即将电机输出轴、转台主轴以及码盘轴直接相连。

主要是确定载荷，作用在机械装置上的载荷主要有：摩擦载荷、惯性载荷以及各种环境载荷等。

M⋅

f

N

R

=

⋅

摩擦载荷：由于传动部件之间存在摩擦摩擦引起的。大小与所受压力和材料的摩擦系数有关。摩擦力与其力臂的乘积即为摩擦力矩。

惯性载荷：计算回转运动时的惯性载荷，需要知道转动惯量和角加速度，具有传动链装置的，通常将负载的转动惯量折算到电机轴上。

环境载荷：例如风载荷、温差载荷（热变形）等，外载荷的确定，要是具体情况而定，有的可从理论上进行推导，有的需要借助试验来测定。

分析载荷的目的，是为了选择合适的电动机，使之满足要求。

对于转台来说，一般在室内应用，它的载荷主要考虑摩擦载荷和惯性载荷。 经查得，北京京仪敬业电工科技有限公司北微微电机厂的资料可以得出LYX 系列稀土永磁式直流力矩电动机的相关参数如下表所示

表一

ε⋅=J M

对于轴一上的原件较多，驱动力矩较大，所以应选取具有较大的驱动力矩的电机拟选用如下所示的型号

支撑元件

支撑元件多用轴承，轴承采用两段固定的安装方式。一般精度的转台多用角接触轴承，在较高精度的转台中可以选用气动轴承，但是其造价高，结构复杂，配套设备繁多。所以在本设计方案中采用角接触轴承。轴承型号按轴径大小确定。

图二 两段固定式的安装图

2.1.3连接元件

轴1和轴2的支撑结构的连接可以用胀紧套连接。胀紧套具有高精度，可调节的优点，是过盈连接和键连接所不能达到的。

胀紧套的选用：

根据所需要传递的扭矩和轴向力计算胀紧套的额定扭矩根据胀紧套的额定扭矩确定尺寸 。

Mt -胀套的额定扭矩；M -需传送的扭矩；

D -传动轴直径；F -轴向力。

经查得，洛阳精达传动有限公司生产的胀紧套可以满足一般的连接要求。 拟选用Z3型胀紧连接套，其外形和零件图如下所示

图3 Z3型胀紧连接套

（/Html/ProductView.asp?ID=24&SortID=126）

这种胀紧套的数据和尺寸如下表所示：

表2

2.1.4测量元件

转台角位置测量系统的精度主要由传感器的精度及测角线路决定，角位置传感器有许多种，如圆光栅、旋转变压器、感应同步器、光电码盘、磁码盘等。转台常用的是旋转变压器、感应同步器、光电码盘。

本系统选取德国Heidenhain 公司RON886C 增量式光电编码器。选取依据如下：

（1）RON886C 增量式光电编码器的刻线线数为36000 线，系统分辨力可达±36″，经过DSP 正交编码电路4 倍频后，可以满足位置精度不大于10″的设计目标。

（2）RON886C 增量式光电编码器可以同时形成位置和速率信号的检测，其精度可以达到系统的设计要求，这样可以省掉测速机环节，有利于转台的结构紧凑，成本的降低，有利于系统的数字化。

2.2 轴系2的设计方案

轴系2的原件的选择和确定可以按照轴系1的方式确定。但是在轴系2上的载荷要相对于1小很多，所以可以选择较小的电机和轴承。但是测量原件依然要求很高的精度，所以可以和轴系1的测量元件保持一致。

在轴系2的装配图大致如下所示，对于下面的轴承要承受较大的压力，所以对于下面额轴承要进行校核，选择较高的强度和刚度的轴承型号。

图4

3．支撑结构

支撑结构既机架多用中空结构，这样即可以保证刚度和强度，又可以减轻重量。

图5内框结构图6外框结构

4．限位与锁紧装置

有的转台转动角度范围是有限的，为了防止转过范围，造成线路缠绕甚至扯断，要有限位装置，起保护作用。转台在运输过程中，为防止转台转动，需要锁定装置。下图是三轴转台结构图，在图中，外框转角范围小于3600，因此在外框与支座上安装限位装置，具体结构如图2-11所示，当转角范围超出设定范围时，外框与支座上的限位装置接触在一起，从而起到限制转角范围的作用。在限位装置上常安装橡胶套，可起到缓冲撞击力的作用，避免损坏限位装置。锁紧装置如图所示，通过带有锥度的手柄插入中框与外框中，从而起到锁定中框的所用，其他框架上的锁紧装置相同。

图7

5. 校核与计算

需要对轴，轴承以及外壳进行刚度，强度等相关参数进行校核，以保证运行的精度和使用寿命。

在转台中，轴类零件多是中空结构。关于轴的强度、刚度、安全系数等参数的校核可以参考参考文献【1】中的式（9.3）~（9.14）。

轴承的校核可以参考参考文献【1】中的式（10.1a）~（10.4）

6. 设计简图

参考文献

【1】宋宝玉，王黎钦，机械设计北京：高等教育出版社，2010