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高精密单轴伺服转台结构设计

发表时间：2020/9/27 来源：《基层建设》2020年第17期作者：朱金波罗晗

[导读] 摘要：随着国防工业及现代装备制造业的高速发展，伺服转台的应用范围也日益广泛。

        陕西长岭电子科技有限责任公司陕西省 721000
        摘要：随着国防工业及现代装备制造业的高速发展，伺服转台的应用范围也日益广泛。转台常用于搭载高精密仪器，在稳定设备的同时增加了设备的自由度，并进一步拓展了设备的工作空间。它既可应用于墙面、房顶和大型机器设备等固定平台，也可以在车辆、飞行器、卫星、舰船等移动平台上使用。伺服转台是一种典型的伺服系统，要求整个转台系统运动具有稳定性，能够精确快速地跟踪信号，因此要求转台加工精度高，驱动设备反应灵敏，传动轴系误差小，结构刚度足够大。
        本文设计的伺服转台是一套精密程控机电设备，具有方位电控旋转功能。其设计要求是转台在最大负载条件下，各项功能指标能够满足系统总体对转台的性能指标要求。
        关键词：单轴；伺服转台；静力学分析
        引言
        精密转台处于模拟空间变温真空环境中，恶劣的空间热环境引起的热变形将严重影响转台的精度，热变形引起的误差一般可占到总误差的1/3。对转台进行空间环境热适应性的研究，合理地控制热变形引起的误差，使转台达到需要的精度要求是十分必要的。目前，国内外对于常温转台各方面技术的研究已比较成熟，而对处于冷舱模拟的变温环境下的转台热分析较少。本文针对转台所处的特殊的工作环境，合理地设计了适应环境特点的机械结构。在分析了转台热环境特点的基础上对转台做了热特性仿真分析，并根据仿真结果对转台结构进行了优化设计，解决了计算高温或低温环境下转台变形大小和精度误差的问题，提出了在极限环境下对转台进行优化设计的方法和依据，保证了转台整体精度要求，为星敏感器的高精度标定提供了基础。
        1转台结构设计
        该转台不同于普通一维转台，考虑到安装多个光栅传感器的需求，在结构设计时需要在轴向和径向方向预留出安装空间，同时在精密加工时需要保证轴系和光栅传感器转接件的同轴度等形位公差，以及轴系的轴向和径向的回转精度。转台台体设计采用常见的圆形回转体外壳设计方式，外壳和底座采用优质铝合金整体加工而成，外壳内部是空心结构，轴承、盖板等元件直接装在转台台体内部，转台三维结构示意图。本套转台的结构形式是一维单轴回转体转台，采用GCr15轴承钢材料进行精密机械轴系的加工，通过精密加工保证轴与外壳安装面椭圆度及其滑动配合间隙，轴系添加仪表油保证其灵活转动。轴系设计要求转台承载能力为3kg，由于该转台用于轴系设计及精度验证，因此转台转角范围是±360°，没有机械限位。为了使转台结构紧凑，考虑到后期可能进行的多光栅传感器安装，因此在轴向设计中预留一定光栅传感器安装余量。
        在轴系设计过程中，为保证各重要尺寸和相关零件配合的形位公差，考虑实际加工中工序的复杂性和加工精度，因此将轴承套、轴承间挡块等零部件的设计集成在转台外壳中，在节省空间的同时还减小了台体质量，并且在实际加工过程中进行一次性加工保证各端面间的平行度等公差，避免传统设计方法中轴承套、轴承压盖等零部件与台体分离的问题，减小后期装调难度。
        2静力学仿真
        完成转台结构设计后，为保证转台具有良好的力学性能，采用有限元法对转台进行力学分析。本文使用ANSYS软件对转台进行力学分析，其中静力学分析可以综合分析在静态载荷作用下结构件受到的应力、应变和产生的形变等。有限元法分析转台结构具体步骤是：首先把三维结构设计软件Solidworks所生成的三维结构模型导入有限元分析软件ANSYS生成有限元模型；然后选择静力学分析模块，设置模型计算所需参数；最后通过分析得到相应的结构变形图、应力分布图等分析结果。在进行模型转换之前，为加快计算机解算速度，需要对三维结构模型进行简化，由于轴承是回型对称形式，可以将其简化为对称分布的集中质量单元；将设计中进行的倒角和圆角简化为直角。为仿真使用环境，将转台台体及零部件建模为一体，将转台台体底部进行固定约束，通过定义材料的模型，对模型进行网格划分。

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        3光电转台总体设计
        3.1光电转台的结构形式选择
        精密双轴光电转台结构形式一般为T/U/O形，U形转台负载安装于U形框架中间，整体尺寸较紧凑，负载惯量小，反应速度快，精度易保证，但存在对负载外形尺寸有严格限制的缺点。O形转台把负载完全安装于球罩内，整体外形尺寸大、质量大，结构加工工艺较复杂，可维护性较差，其优点在于密封性好、气动外形能够减小风阻。T形转台一般多个负载的两端安装，俯仰轴系尺寸较集中，但由于负载离转动轴较远，转动惯量较大。综合比较，地面静止安装一般会选用U形转台。
        3.2精密光电转台的总体设计
        为实现光电转台定位精度高、反应速度快、低速稳定性的要求，伺服转台采用直流力矩电机直接驱动负载的形式。与传统的伺服电机加齿轮减速器相比，减少了中间传递环节，减少了系统转动惯量，提高了转台反应速度。转台同轴安装光电编码器。采用测速机或光纤陀螺反馈速度回路，采用编码器反馈位置信号，该双闭环回路提高了系统精度。方位为方便走线增加了汇流环。俯仰轴系采取一边安装力矩电机、一边安装光电编码器的结构形式。
        转台框架是支承台体的受力件，结构形式和选材直接影响框架的刚度和质量，采用薄壁体结构及加强筋形式的框架。使用航空铝合金锻造后直接机加成形，锻铝结晶组织稳定，比刚度和比强度较高，并具有优良力学性能，对重量有严格要求的光电转台框架的型腔处采用电火花方法加工。精密双轴光电转台方位部分结构采取立轴式，立轴支撑方位转动部分、俯仰部分和负载。立轴用上下轴承支撑，轴承间有一定间距以保证抗倾覆能力及轴系精度。方位部分上端支撑选用交叉滚子轴承，下部辅助支撑选用角接触球轴承。交叉滚子轴承因圆柱滚子在呈90°的V形沟槽滚动面上通过间隔保持器被相互垂直地排列，所以1个交叉滚子轴承就可以承受径向、轴向及力矩等所有方向的负荷。内外圈的尺寸被最小限度地小型化，特别极薄型式是接近于极限的小型尺寸，并具有高刚性。俯仰部分受结构尺寸限制，选用深沟球轴承。深沟球轴承主要承受径向载荷，也可同时承受径向载荷和轴向载荷。当其仅承受径向载荷时接触角为零，当深沟球轴承具有较大的径向游隙时，具有角接触轴承的性能，可承受较大的轴向载荷。深沟球轴承的摩擦系数很小，极限转速也很高。
        结语
        本文依据总体需求设计了一种高精度单轴伺服转台，选择了高精度的圆光栅作为测角传感器，高精度交叉滚子轴承用于回转支承，永磁直流力矩直接抱轴驱动，使得整个转台精度高，结构设计紧凑，重量轻，集成度较高。文章主要进行了如下工作：
        1）介绍了转台的总体布局及主要零部件的结构设计情况；
        2）对转台进行了静力学分析，得到了转台主要承载件在负载条件下的应力分布、位移变形等力学特征；
        3）对转台进行了动力学模态仿真分析，得到了转台在约束条件下的前6阶振型及相应固有频率，验证了转台设计的安全性和动力学性能。
        参考文献：
        ［1］张瑞丽．精密滚动轴承在精密轴系设备中的应用［J］．哈尔滨轴承，2007，28（1）：42－43．
        ［2］何瑞红．转台式天线座轴系误差和载荷的分析研究［D］．西安：西安电子科技大学，2014．
        ［3］龚振邦．伺服机械传动装置［M］．北京：国防工业出版社，1980．
        ［4］黄琼琼．车载雷达天馈系统风荷的有限元分析［J］．机械强度，2016，38（2）：419－424．
        ［5］张朝晖，范群波．ANSYS8．0热分析教程与实例解析［M］．北京：中国铁道出版社，2005：10－12，14－15．