转台结构设计浅析

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转台结构设计浅析
夏大海 （哈尔滨新光光电科技有限公司，黑龙汪哈尔滨１５００９０）
摘要：五自由度转台是一种测试工装，可以按照工程计算机发出的指令，在五个自由度方向上产生运动，为所测试的仪器、设备按 照给定的频率，模拟出航向、俯仰、旋转等各种姿态。对其中的机械结构设计进行了简要分析，对设计过程中的一些注意事项进行了简要 阐述。
３各部分结构设计
９３．６７ Ｈｚ，１５３．９ Ｈｚ。２０６ Ｈｚ。分析时，只考虑俯仰轴系工作方向自由振
３．１龙门架部分设计
动同有频率。俯仰框架初始谢ｆ结构在ｘ、Ｙ、ｚ方向的振动频率都满足
龙门架设计时。考虑由上横梁，立柱和底Ｊ薹联接组成封闭框架。初 设计要求，通过优化分析进一步进行模态修正。使其三个方向的一除皆
关键词：转台；结构；设计
１五自由度转台构成
进行驱动，角位置反馈采用光电编码器，限位采用电气软件限位和机械
遵循通行的设计准则和转台的使用要求，五自由度转台总体结构 档块两种方式。二轴俯仰运动机构选用的减速机参数是：输出最大转速
可由龙门架体、二轴转台和三轴转台结合构成。其中龙门架是五轴转台 为１５００／３２０一１１．７２转／分，最大输出角速度为“．７２×３６０／６０一－７００
步选择１４ ａ槽钢为主要型材。考虑采用焊接成型。由于龙门架的上横 振频率尽量接近，从而实现在保证刚度的条件下降低框架的转动惯量。
梁承受了二轴部分的主要载荷，为保证龙Ｉ＇１架具有足够的强度和刚度，
３３·：轴转台的设计
在其立柱两侧没置了４处三角加强筋，并对上横梁强度进行厂校核分
三轴部分由航向运动机构、俯仰运动机构和滚动运动机构组成。乏
位置反馈采用光电编码器，限位采用电气软件限位和机械档块两种方 约束加载到航向轴轴承支撑面上。有限元实体模型利用ＰＲＯ／Ｅ软件建
式。采用伺服电机直联高精度行星减速器的优点是：刚性高，结构紧凑， 立。导入ＡＮＳＹＳ分析计算。网格划分单元＿类型选择为实体单元ＳＯＬ－
低反冲，效率高。根据负载的需要。减速机选用的参数是：输出最大转速 ＩＤｌ８５。重力场方向Ｙ轴负方向。通过分析计算得前六阶自由振动固有
本文链接：/Periodical_hljkjxx201119002.aspx
移边界约束在航向轴轴承安装面卜，重力加速度方向Ｙ轴ｌＦ方向。通过
４．１正确选择－Ｏｔｔｅｄ＃．材料的种类，兼顾强度、刚度及材料固有频率
分析｝Ｉ－＇ｇ得前六阶自由振动同彳ｆ频率分别为２８．０８ Ｏｔｚ），２９．９３（Ｈｚ）３１．７１
Ｏｔｚ），３９．１６０１ｚ），６０．３７（Ｈｚ），６９２０ｔｚ）。在分析洳ｆ耐只考虑航向轴系旋转方
载荷等效成具有相同质蹙和转动惯避的阶梯轴联接在航向框架上。进 尽量接近，也就是各方向的刚度大致相同所以降低ｘ方向的刚度来提
行了有模拟负载分析计算。有限元实体模型利用ＰＲＯ／Ｅ软件建立，导 高ｚ方向的刚度，达到ｒ质鼋合理分配。
人ＡＮＳＹＳ分析计算，网格划分单元类型选择为实体单元ＳＯＬＩＤｌ８５，位
４五自由度转台设计要点
为航向部分，原动机选择伺服电机，位置反馈选择光电编码器。
３６０／６０＝３０００／ｓ＞１０００／ｓ。扭矩８７２Ｎ·ｍ＜ｌ １８５ Ｎ·ｍ。对ｉ轴航向运动机
３２ｌ二轴航向运动机构
构建模进行了动态分析计算。动态分析时。将滚动环负载和俯仰环负
航向运动部分采用伺服电机直联高精度行星减速器进行驱动，角 载以简化集中质馥载荷形式，载到航向框支撑面上，计算：分析位移边界
ｏ—一２５０，转动最大角加速度１００。，ｓ毛
方法将其离散为实体单元。这种方法既简单方便，又町以调节网格划分
２．２三轴转台部分：负载约２０ｋｇ，转动范围：航向＋２８。，俯仰＋３０ 的粗细程度，不影响整体分析汁算结果，并且减少了ｉ－Ｖ舅ｔ时间。通过计
ｏ。一２５０，转动最大角加速度１２００，ｓ２０
算得到六阶自由振动周有频字分别为４９．２７Ｈｚ，８３．２３ Ｈｚ，８３．５７ Ｈｚ，
建立，导人ＡＮＳＹＳ分析计算。由于负载重心偏离俯仰轴线．故俯仰轴存
２五自由度转台主要技术指标
在着较大的偏载力矩．必须对俯仰部分进行静平衡配平。有限元分析将
根据使用要求，五自由度转台主要的技术性能是：
位移边界约束在俯仰轴轴承安装面上。网格划分单元类型选用实ｌ奉单
Ｚｌ二轴转台部分：负载约５０ｋｇ，转动范围：航向±４２０，俯仰＋２０ 元ＳＯＬＩＤ９５，通过有限元软件ＡＮＳＹＳ中提供的智能划分网格（ｓｍａｎ）的
３．２二轴转台的设计
联进行驱动，角位置反馈采用光电编码器，采用电气软件限位和机械档
二轴部分由航向运动机构和俯仰运动机构组成。二轴转台采用倒 块两种限位方式。采用力矩电机直联的优点是精度高、频响好、设计可
挂式、立式结构（Ｕｕ酗，倒装在龙ｆ １架横梁下方。内轴为俯仰部分，外轴 塑性大、输出扭矩大。选用力矩电机的参数是：输ｆｆｊ角速度５０×
航向部分最大输出扭矩（１６５８＋５０）一１７０８ Ｎ·ｍ＜３５４１Ｎ·ｍ Ｎ·ｍ。为保 足控制系统要求工作频率要求。由于航向运动机构的刚度是通过一阶
证二轴航向运动的稳定性，建模进行了动态分析计算。动态分析建模过 同有频率来衡馈的，显然转台一阶固有频率达到了设计指标。在结构动
程巾，根据质量和转动惯鼋相距配的原则，将俯仰框架及框架上的其它 力修正和模态修ＪＦ过程中，优化ｘ、Ｙ、ｚ三方向的振型对应的固有频率
析。
轴转台采用壶式结构（Ｕ００型），外轴为航向运动机构部分，中轴为俯仰
经校核，上横梁最大变形０．１５６Ｅ－０３ｍ，为五自由度转台运动的稳 运动机构部分，内轴为滚动机构部分。以Ｆ仅对鼍轴航向运动机构的设
定性和运动精度提供了ｂｒ靠的基础保证。
计进行分析，其余结构的设计从略。ｉ轴航向运动部分采用力矩电机直
向自由振动固有频率。由于二轴转台航向框架的刚度是通过一阶固有 频率米衡量的，显然转台一阶同有频率达到了设计指标。在结构动力修
的特点。如龙ｆ Ｊ架部分不参与运动，从结构的强度、刚度考虑，町采用型 钢组焊成型；二轴框体和－三轴部分运动情况较频繁，可以考虑采用铸 铝、铸钢材质，以达到吸收能量、减少震动的ｒＩ的。
的基础。其Ｉ：横梁为二轴转台系统的安装平台；其底座是ｉ轴系统就位 ／ｓ＞５０。Ｉｓ。考虑到俯仰部分存在偏载力矩和摩擦力矩约３０ Ｎ·ｍ，俯仰
平台。二轴部分由航向运动机构，俯仰运动机构组成，二轴转台采用倒 部分采用双端驱动，所以负载再次被平分８８６Ｎ·ｍ＞（２３８＋３０ｙ２＝１３４ 挂式结构应式结构叫Ｕ型）。倒装在龙门架横梁下方，内轴为俯仰部分， Ｎ·ｍｏ
４．２在转台实际运动时，在复合运动的情况下．易出现共振现象。所
正和模态修正过程巾．优化了Ｘ、Ｙ、Ｚ三方向的振型，对应的频率尽量接 以一定要进行建模，对其动态频率进行模拟分析，以免出现问题时返工
近，也就是各方向的刚度大致相同。通过降低ｘ方向的刚度来提高Ｙ 不易。
方向的ＭⅡ度，达到了质量合理分配。
４．３本文只简单介绍了转台运动部分动态建模的方式。在条件许可
３２－２＝轴｛蒯印运动机构来自的情况下，还应进行静态建模分析。
二轴俯仰运动机构同样是采用双端伺服电机直联高精度减速器来
万方数据
转台结构设计浅析
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夏大海 哈尔滨新光光电科技有限公司,黑龙江,哈尔滨,150090
黑龙江科技信息 HEILONGJIANG SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION 2011(19)
为１５００／１７１—８．７７转，分，最大输出角速度为８．７７×３６０／６０—５２０ 频率分别为６５＿５（Ｈｚ），６８．９ｆｆｌｚ），１４３．２（ｔｌｚ）．２０６．６（Ｈｚ）。２９４．８０ｔｚ），３２４．Ｉ∞ｚ）。
Ｉｓ＞５０。／ｓ。考虑列俯仰部分存在偏载力矩和摩擦力矩约５０ Ｎ·Ｉｎ．，所以 在分析设计时只考虑航向运动机构旋转方向自由振动固有频率，以满
外轴为航向部分。三轴部分由航向运动机构、俯仰运动机构和滚动运动
对二轴俯仰运动机构建模进行了动态分析计算。根据俯仰部分负
机构组成，三轴转台采用立式结构（ＬＪ００型），外轴为航向运动机构部 载重量。建模进行』，轴系动态分析。有限元实体模型利用ＰＲＯ／Ｅ软件
分，中轴为俯仰运动机构部分，内轴为滚动机构部分。