转台设计指导书.pdf

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转台设计课程设计指导书哈尔滨工业大学2011年4月I目录第第1章章转台总体设计转台总体设计.11.1转台结构类型选择.11.1.1按机械台体结构分类.11.1.2按转台回转轴数量分类.21.1.3按转台驱动元件类型分类.51.1.4按转台轴承分类.51.2转台驱动元件选择.61.3转台测量元件选择.7第第2章章转台机械结构设计转台机械结构设计.82.1轴系设计.82.1.1轴承选择与固定.92.1.2轴承的安装与预紧.102.2轴与框架的连接.102.2.1胀紧套尺寸选择.122.2.2胀紧套安装拆卸与防护.142.2.3胀紧套结合面的配合.142.3框架设计.142.4配重设计.172.5限位与锁紧装置设计.17第第3章章转台驱动元件设计转台驱动元件设计.193.1传动部件设计.193.2转动惯量计算.193.3电机力矩计算.21第第4章章转台测量元件设计转台测量元件设计.244.1角度传感器设计.244.1.1旋转变压器.244.1.2感应同步器.264.1.3光电码盘.274.2角速度传感器设计.284.3限位开关设计.304.4走线与滑环.311第1章转台总体设计1.1转台结构类型选择转台是一种重要的地面测试设备，用于惯性导航系统和惯性元件检定、标定，以及模拟飞行器姿态运动。

转台根据用途可分为仿真转台和惯性测试转台。

但目前两个类别间互相渗透的趋势愈发显著,界限日趋上移，直到中高端产品才区别明显。

惯性测试转台，侧重静态或稳态性能，主要用于惯性导航系统和惯性元件如陀螺、加速度计的性能检测和标定。

先进武器系统一般配备有惯性导航和制导系统,这类装置在生产、调试、测评、使用、维护（修）等各个阶段都离不开由惯性测试转台组成的测试系统。

因此,惯性测试性能的好坏,直接影响武器系统研制水平及其性能评定。

仿真转台，侧重动态性能，仿真转台一般用于武器平台或运动载体的运动状态模拟,是各类武器平台进行半实物仿真试验等地面综合性试验系统的关键设备和重要组成部分,也是测试、评价和标定各类运动载体、武器系统性能的经济、高效的技术手段。

转台按照不同的分类标准有多种类型。

1.1.1按机械台体结构分类转台分为立式转台和卧式转台两种。

（1）立式转台立式转台的外框轴垂直于地平面，立式转台的结构多数为音叉式，其内框架结构多数为圆盘式，少数为O型，结构如图1-1所示。

外框轴图1-1立式转台

（2）卧式转台卧式转台的外框轴平行于地平面，结构如图1-2所示。

外框轴图1-2卧式转台21.1.2按转台回转轴数量分类转台可分为单轴转台、双轴转台、三轴转台以及多轴转台。

（1）单轴转台单轴转台只有一个回转轴，结构如图1-3所示。

图1-3单轴转台

（2）双轴转台图1-4中的是卧式双轴转台。

图1-4双轴转台图1-5中的是立式双轴转台，其具体结构如图1-6、1-7所示。

3图1-5双轴转台图1-6双轴转台内框结构4图1-7双轴转台外框结构（3）三轴转台结构如图1-8所示。

图1-8（a）是立式三轴转台，图1-8（b）是卧式三轴转台。

（a）立式三轴转台（b）卧式三轴转台图1-8三轴转台（4）多轴由三轴以上组成的转台，结构如图1-9所示。

5图1-9多轴转台1.1.3按转台驱动元件类型分类转台可分为电动转台、液压转台

（1）电动转台所有框架全部由电机驱动。

图1-2-1-9中的转台都是电动转台。

（2）液压转台所有框架全部由液压马达驱动。

如图1-10所示。

图1-10液压转台1.1.4按转台轴承分类转台可分为机械轴承转台、液压轴承转台、气浮轴承转台。

（1）机械轴承转台：

转台回转轴的支承是机械轴承。

（2）液压轴承转台：

转台回转轴的支承是液压轴承。

6（3）气浮轴承转台：

转台回转轴的支承是气浮轴承。

转台类型的选择需要根据设计要求合理确定。

1.2转台驱动元件选择由于转台是高精度精密测试设备，要求转角精度高、转速平稳，同时又要求调速范围大。

因此对于驱动元件的性能要求很高。

一般要求其具有体积小、重量轻、高精度、低速平稳运行、高藕合刚度、大扭矩、可堵转、快速响应、特性线性度好、调速方便等的要求。

转台常用的驱动元件有电机、液压马达等。

电机与液压马达驱动，各有利弊，选择哪种驱动方式，要根据具体的要求来定夺。

一般液压马达驱动的转台的负载比电机驱动的大很多。

液压驱动的优点是：

（1）输出力矩大、功率密度高，在同样功率条件下，液压马达的体积和重量仅为电动机的1220%。

故适用于大负载转台，或是小负载但通频带很宽的高频响转台。

（2）液压马达调速范围大，可以从最低角速度0.0004/s无极调速到300/s，其调速比范围超过50万倍。

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。

驱动元件与转台框架的联接方式分为直接驱动和间接驱动。

直接驱动是将电机或液压马达的输出轴直接与框架固联，其主要优点是有利于改善和提高系统的动态性能和精度，缺点是其低速性能取决于元件本身的低速性能；间接驱动是将电机或液压马达的输出轴经齿轮减速再与框架轴固联，其主要优点是可以改善系统的超低速性能及用小力矩电机可驱动大力矩负载，缺点是由于齿轮啮合间隙以及齿面磨损后影响系统的精度和稳定性。

目前国内外的高精度测试转台大多采用直接驱动方式。

对于一般精度的转台可采用减速装置，随着加工技术的进步，齿轮等减速装置的回程误差可小于1，而且可以与电机连接成减速机，直接驱动转台回转轴。

对于电机驱动的转台，常见的电机为力矩电动机和直流伺服电动机。

力矩电机转速低，可直接与框架连接形成直接驱动。

但当驱动力矩增大时，其允许的最高转速也减小。

所以，当转台的最高转速较高时不宜采用力矩电机，而采用直流伺服电动机经减速装置驱动的方案。

但直流伺服电动机的轴向尺寸较大，不宜用于转台的内框和中框轴的驱动。

力矩电机分为直流力矩电机和交流力矩电机。

与交流力矩电机相比，直流力矩电机具有能力指标高控制线路简单等优点，故通常优先选用。

有三种可供选择的直流力矩电机，即感应电机，其结构简单、可靠，但在控制特性、体积和发热上远逊于直流电机，故不再采用。

有刷直流力矩电机由于有电刷和换向器，需要维护，这对多元件同轴的系统是极不方便的，另外由于受到工艺的限制转矩波动及发热问题都成为不可回避的问题。

7无刷直流力矩电动机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电动机。

无刷电机已不再是一台“彻底的”直流电机，它是利用转轴的位置来对电枢绕组进行换向类似于采用可变频率电源的同步电机，但仍称其为无刷直流电机。

无刷电机的最大特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触机构。

加工它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗，发热的电枢绕组通常装在外面的定子上，这样热阻较小，散热容易。

无刷电机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维护方便。

另外减小有刷电机转矩波动的措施是增加槽数，但槽数的增加受到设计和工艺上的限制。

减少无刷电机转矩波动涉及磁场和驱动电路，但在原理上只要充分正弦化和三相对称，波动就可以很小，不受工艺的限制。

虽然无刷直流力矩电机结构复杂有控制电路且价格较高，但由于它运行反应速度快，机械特性的线度好，能在很低的转速下稳定运行，在堵转状态下能产生较大的转矩，转矩和转速的波动小，精密转台一般都采用无刷直流电机。

电机类型的选用要根据具体情况确定，除了考虑转台转速、精度指标外，还要考虑成本问题。

1.3转台测量元件选择转台测量元件主要有角度传感器和角速度传感器。

角度传感器有光电码盘、感应同步器、旋转变压器。

角速度传感器主要是测速机。

在选择传感器时，按照以下选用原则选择：

（1）传感器的准确度小于系统总不确定度的1/3；

（2）传感器的精度、分辨率比系统总的精度和分辨率最好高一个数量级；（3）传感器的结构尺寸满足总体安装使用要求；有的转台只需要位置控制，测量元件只选择角度传感器就可以。

有的转台除了要求位置控制外，还需要速度控制，测量元件需要选择角度、角速度传感器。

转台的总体设计至关重要，可以说，转台总体方案的合理确定是保证转台总体性能要求的基础。

转台总体方案主要包括机械结构设计、驱动元件设计、测量元件设计等几个方面的内容。

在确定了转台的总体方案之后，转台研制工作主要集中在转台机械结构和控制系统的设计和实现中。

转台机械结构的设计主要是在对转台框架的固有频率及其各个轴系结构的刚度等进行动力学分析的基础上，确定转台台体的机械结构；控制系统的任务就是最大限度地挖掘系统的潜力，使转台的总体性能达到或者超过设计指标。

8第2章转台机械结构设计2.1轴系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。

结构如图2-1所示。

轴由两个面对面角接触轴承支承，轴上还连接电机转子和其他连接机构。

轴轴承连接机构电机图2-1单轴转台轴系结构图2-2二轴转台轴系结构图2-2是二轴转台轴系结构，内框轴是一通轴，其上安装有负载盘、轴承、电机和光电码盘。

外框轴由两段轴组成，一端连接电机，另一端连接光电码盘。

轴系设计主要涉及刚度、强度、材质、结构形状等。

刚度、强度问题是轴系设计的普遍内容，轴系的刚度反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力，转台轴系的载荷是弯矩和扭矩，相应的变形为挠度、扭转角，其刚度为抗弯刚度和抗扭刚度。

对于重要的轴系，除了进行强度验算外，还必须进行刚度验算。

9结构形状设计取决工艺性和相关局部功能。

在转台设计中轴常采用中空结构，这样既可以空心过电缆线，以消除导线浮动带来的系统干扰力矩，又可增大结构，减小重量和转动惯量。

2.1.1轴承选择与固定在轴系的设计过程中，主轴组件的性能很大程度上取决于支承轴承的刚度。

轴承的支承刚度对转台系统的动力学特性有重要的影响，影响转台轴系的固有频率和频响指标。

转台回转精度高，一般为角秒级，且转台经常工作于振动冲击（高频率的简谐运动）、低速（或摆动）状态下，因此，要求轴承不仅具有灵敏轴承的高精度、低摩擦特性，还要求轴承具有较高的刚度和抗卸载能力。

所以，在轴承的选择及配置型式的确定上必须进行慎重考虑。

需根据回转精度的要求，各框架轴承分别确定相应的等级。

在轴承的配置型式上则根据受力及负载情况相应的采用面对面式或背对背式。

并且，每根轴上的轴承尽可能的对称分布。

轴承固定方式有两种：

两端固定、一端固定一端游动。

如图2-2所示。

（a）一端固定一端游动（b）两端固定图2-3轴承固定方式在转台中，一般采用两端固定方式，图2-1和2-2的轴承固定方式都是两端固定，采用这种方式，主要是为了限制轴的轴向运动。

用于转台的轴承目前主要有滚动轴承和空气静压轴承两种。

滚动轴承可以直接从厂家购买，从而缩短了转台的研制周期。

高精度的滚动轴承，在经过预紧和精密调整后，也可以使整个轴系的精度相当高，而且，滚动轴承的刚度承载能力大。

但滚动轴承是接触式的轴承，长时间使用由于滚动体和滚道之间的磨损会降低其精度和刚度。

因此，滚动轴承精度保持性不好，而且轴承的预紧和调整也比较麻烦。

空气轴承的轴套和轴之间无接触，故精度保持性好，而且由于气膜的均化效应，一般情况下，其回转精度可以比轴本身的加工精度提高3倍以上。

因此，空气轴承特别适用于精度高、承载低、转速低的转台。

空气轴承有两个主要缺点：

一是要有一套供气设备和系统。

二是空气轴承制造工艺复杂、成本高。

一般精度的转台采用的滚动轴承多是角接触球轴承，该轴承可以同时承受轴向载荷和径向载荷。

采用角接触球滚动轴承一方面是考虑到轴系结构设计比较简单，可以很容易地进行10预紧和消除间隙，另一方面是这种轴承承载能力强，支承刚度相对深沟球轴承高，摩擦力矩较小。

采用型号合适的滚动轴承、适当的安装和正确的预载荷后所达到的几何精度可以接近空气轴承的试验数据。

转台轴所安装轴承跨距不能太大，否则台体尺寸加大。

但又不宜太小，因为跨距太小对提高轴系回转精度是十分不利的。

影响主轴回转精度的因素有很多，而轴承的内圈径向跳动是主要影响因素。

确定跨距应综合考虑诸因素。

2.1.2轴承的安装与预紧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。

如图2-4所示，两轴承利用该轴系后端轴向调整螺母，实现两轴承轴向和径向预紧，从而提高其回转精度。

调整螺母轴框架螺钉图2-4轴承预紧2.2轴与框架的连接轴与孔的一般连接方式有：

键连接、过盈配合。

如图2-5所示。

键连接虽然能传递力矩，但由于加工误差，存在间隙，造成误差。

过盈配合连接虽然无角度误差，但配合精度要求高，才能保证轴与孔的同轴度要求，而且不可调。

11DH7|k6（a）键连接（b）过盈配合图2-5轴与框架连接方式转台轴与孔的连接常螺钉连接和胀紧套连接。

螺钉连接如图2-4，轴与框架孔的配合采用过渡配合，既不存在大的间隙（像键连接），又不需要高的配合精度（像过盈配合），加工装配都比较简单。

但是，要求轴与孔的同轴度比较高，不能承受过载，螺钉孔的存在，在一定程度上削弱了轴和框架的刚度。

胀紧套连接如图2-6所示。

胀紧套有1214个紧固螺钉，在装配过程中，可以逐个拧紧。

在轴与框架内孔的同轴度有误差的情况下，可以通过紧固螺钉进行调整，以保证整个转台的精度指标。

图2-6胀紧套连接方式胀紧套的主要用途是实现轴与孔的联结，用以传递负载。

其负荷的传递是通过胀紧套中的高强度拉力螺栓的作用使内环与轴之间和外环与孔之间产生巨大的抱紧力；当承受负荷时，靠胀套与机件的结合压力及相伴产生的摩擦力传递扭矩、轴向力或两者的复合载荷。

胀紧套连接是一种无键连接，它与键连接和过盈连接相比具有以下特点：

（1）在轴与孔上均不再加工键槽，可提高轴和孔的强度，减少应力集中源；

（2）制造和安装简单，安装胀套的轴和孔的加工不像过盈配合那样要求高精度的制造公差，便于轴和孔的加工制造。

安装胀套也无须加热、冷却或使用加压设备，只须将螺钉按规定的扭矩拧紧即可，并且调整方便，可以将轴很方便地调整到所需位置，胀紧套也可用来连接焊接性差的零件；12（3）良好的互换性且拆卸方便。

这是因为胀套能把较大配合间隙的轴和孔接起来。

拆卸时将螺钉拧松即可使联接件很容易的拆开；（4）胀套联接可以承受重负载。

胀套结构可作为多种式样，一个胀套不够还可多个串联使用；（5）定心好，使用维护方便；（6）胀套使用寿命长、强度高。

因它是靠摩擦传动，对被联接件没有键槽削弱，也没有相对运动。

工作中不会磨损。

胀套在胀紧后，接触面紧密贴合，不易产生锈蚀，所以寿命长，强度高；（7）具有过载保护功能。

胀套在超载时可以保护设备不受损坏。

2.2.1胀紧套尺寸选择各种胀套已经标准化，可根据轴和毂孔尺寸以及传递载荷的大小，从标准中选用合适的的型号和尺寸。

选择时应满足：

传递扭矩时：

MMt传递轴向力时：

atFF传递扭矩和轴向力时：

22）5.0（atFdMM（2-1）式中Mt胀紧套的额定扭矩（Nm）M需传送的扭矩（Nm）Ft胀紧套额定轴向力（N）d传动轴直径（m）Fa轴向力（N）根据胀紧套的额定扭矩确定尺寸，尺寸如图2-7所示，具体尺寸数据见表2-1。

图2-7胀紧套尺寸表2-1胀紧套尺寸13基本尺寸（mm）额定负荷内六角螺钉胀套与轴结合面上的压力ptN/mm2胀套与轮载结合面上的压力ptN/mm2重量kgdDlL转矩MtkNm轴向力FtkNd1nMANm4548505560657075808590951001101201301401501601701801902002202402602807580808590951101151201251301351451551651801902002102252352502602853053253556464646464647878787878781001001001161161161161461461461461461461461777272727272728888888888881121121121301301301301621621621621621621621973.94.154.34.86.46.911.812.714.715.718.019.026.932.040.352.064.673.883.7109123.2138145.4188225244373174174174174213213338338369369400400538583673800923985104512831369145414541710188018802670M8M8M8M8M8M8M10M10M10M10M10M10M12M12M12M14M14M14M14M16M16M16M16M16M16M16M2099991111111112121313121315131516171516171720222220414141414141838383838383145145145230230230230355355355355355355355690185170165150170155185170175165170160160155165155170165165150150150145155155145155110105105951101051151101151101151101101101201151251251251151151151101201201151201.51.71.61.71.82.03.63.84.04.34.54.77.27.78.311.712.513.214.020.621.625.026.231.133.636.154.91430032037540517717719719744047029302930M20M20222269069015514512011558.371.0注：

Z18型胀套螺钉的机械性能等级为12.9级。

2.2.2胀紧套安装拆卸与防护胀紧套在出厂时已涂了润滑油，可直接安装使用。

安装时首先将胀紧套松开。

然后将胀紧套放到设计位置的孔中，使用测力扳手拧紧螺栓，拧紧的方式是每个螺栓每次只拧到额定力矩的1/4，拧紧的次序以开逢处为界，左右交叉对称依次先后拧紧，确保达到额定力矩值。

胀紧套的拆卸：

拆卸时先将全部螺栓放松几圈，然后在拆卸的螺纹孔内交叉的拧入螺栓，顶松胀紧套。

胀紧套的防护：

安装时防止胀紧套污染，在露天作业或工作环境较差的机器上，应定期在外露的胀紧套端面及螺栓上涂防锈油脂。

2.2.3胀紧套结合面的配合表2-2给出了胀紧套结合面的配合及表面粗糙度，共设计时参考。

表2-2胀紧套的结合面的公差及表面粗糙度胀套内径与胀套结合的轴与胀套结合的孔d（mm）公差带Ra公差带Ra38h71.6H72.538h81.6H82.52.3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。

框架结构如图2-8所示。

15（a）内框结构（b）中框结构16（c）外框结构图2-8框架结构对于多轴转台，各框架的设计顺序是：

由内到外内框架用于安装被测元件（或称为负载），因而其设计受到负载尺寸的约束。

中框架设计受到内框架约束，外框架设计受到中框架约束。

转台的框架断面为空心矩形，其断面重量轻、惯性矩大、刚度好。

框架材料选用优质铸造铝合金（ZL205A），具有强度高、比重小、加工性好的优点，可使框架具有较高的刚度和较小的转动惯量。

对长期工作在角秒级的转台来说，必须对内应力产生的结构蠕变进行严格控制，所以，在框架加工过程中要经过人工时效来减小内应力，保证框架在转台工作中不发生残余应力变形，从而可靠地保证框架形位尺寸的稳定性，实现框架的高精度要求。

系统工作频带作为衡量转台动态特性的一个重要指标，在设计时一定要预以重视和考虑。

从大量研究资料和工程经验可以知道，驱动功率和结构刚度是影响转台频响带宽的两个主要因素。

在设计时必须保证所选择的驱动功率足够大，可以保证系统带宽在要求的范围内，且留有拓宽的余地，但是，驱动功率足够大也不一定能够拓宽频带，因为结构刚度是限制控制系统能否充分利用驱动功率的一个重要因素，所以在驱动功率足够大的情况下，还要考虑框架的机械谐振。

另外，对于电动转台来说，由于采用的是力矩电机，电机的大小和重量主要是取决于各轴系的转动惯量和轴系工作时的最大角加速度等指标，为了最大限度地降低电机质量尤其是内环和中环电机的重量，如何降低其轴系的转动惯量成为电动转台台体结构设计好坏的关键17技术。

一般转台轴系的转动惯量主要包括负载惯量、框架惯量、电机惯量、轴和轴承惯量，而负载惯量、电机惯量、轴和轴承惯量往往是比较容易控制，框架惯量往往是设计中最需要关注的参数。

综上所述，我们可以看出，若单方面提高框架刚度必然要求增大框架的壁厚等参数，带来的结果就是转动惯量的提高；而单方面要求降低转动惯量必然要牺牲框架的刚度，这本身就是一对矛盾。

为了解决这个问题，目前常采用现代优化方法，从重视频带宽度的角度出发，借助于大型有限元分析软件对所要设计的框架进行优化设计，使框架有一个较高的固有频率同时，框架质量最轻，即转动惯量最小。

框架固有频率当然是越大越好，一般设计要求机械系统的自由振动固有频率必须高于最高工作频率4-8倍。

2.4配重设计轴系和框架设计一般要求对称分布，这有利于电机控制，对于外框和中框比较容易实现，但对于内框，由于负载重心偏离俯仰轴线，故俯仰轴存在着较大的偏载力矩，为此，必须对俯仰轴进行力矩配平，如图2-9所示。

即2211LmLm（2-2）式中m1负载质量；L1负载质心到转轴距离；m2配平块质量；L2配平块质心到转轴距离L1L2m1m2负载配平块转轴图2-9配平块2.5限位与锁紧装置设计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。

图2-10是三轴转台结构图，在图中，外框转角范围小于360，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18损坏限位装置。

锁紧装置如图2-12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。

外框中框内框锁紧装置限位装置支座图2-10限位锁紧装置图2-11限位装置图2-12锁紧装置限位装置和锁紧装置设计时，要充分考虑装拆方便。

图2-13中的限位装置安装在转台内部，一旦限位装置损坏了，必须将转台拆开后才能进行更换，应将限位