王翠，葉智彪，高嶺

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江332007）

三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王翠，葉智彪，高嶺

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江332007）

在對三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行簡要概述的基礎(chǔ)上，提出了設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體方案，并從外框、中框、內(nèi)框的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)三個(gè)方面入手，詳細(xì)分析了三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，最后，對設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)，形成詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，從而使整體設(shè)計(jì)具備應(yīng)用參考價(jià)值。

三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)參數(shù)

三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)，是一種滿足工業(yè)、機(jī)械傳感器研發(fā)生產(chǎn)需求，用于設(shè)備調(diào)試、檢驗(yàn)、校準(zhǔn)而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種專用機(jī)械設(shè)備[1]，該設(shè)備全部應(yīng)用無磁或不導(dǎo)磁材料制成，三軸均可實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示以及微調(diào)功能，具有精度高、可靠度優(yōu)良等特點(diǎn)，在具體的使用過程中，轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備的三個(gè)軸均能在任意角度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)或鎖緊，確保轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)用中的穩(wěn)固性。

由于三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的優(yōu)良特性，近年來，被廣泛應(yīng)用在航空、航天、國防等產(chǎn)業(yè)中，其功能也由傳統(tǒng)的調(diào)試、校準(zhǔn)逐漸向仿真測試演進(jìn)[2]。在三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用中，美國、英國等國走在世界前列，我國從上世紀(jì)60年代開始進(jìn)行相關(guān)的研制工作，并逐漸涌現(xiàn)出一些質(zhì)量過硬的產(chǎn)品[3]，例如，長春光機(jī)所于上世紀(jì)80年代研制的SJT-1型三軸無磁測試臺(tái)，定位精度可達(dá)1.5角秒[4]；2015年，北京恒準(zhǔn)時(shí)代科技有限公司研制的三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)，其精度更是達(dá)到了1.0角秒[5]，達(dá)到國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。

為了滿足現(xiàn)代飛行器精度更高的要求，本文開發(fā)了三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)，采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從外框、中框、內(nèi)框的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)三個(gè)方面入手，詳細(xì)分析了三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行了描述，形成詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，從而使整體設(shè)計(jì)具備應(yīng)用參考價(jià)值。本文研制了三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)，整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下。

1　三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

本文所研究的三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)采用“外、中、內(nèi)”三環(huán)嵌套模式，而外環(huán)、中環(huán)和內(nèi)環(huán)分別對應(yīng)設(shè)備的C軸、B軸和A軸，三個(gè)軸互相嵌套，形成了無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的三個(gè)回轉(zhuǎn)自由面，在具體的使用中，采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)三個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，圖1為設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖1　三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

由圖1可知，整個(gè)三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要依托A、B、C三個(gè)軸設(shè)計(jì)，在具體的機(jī)械設(shè)計(jì)中，A軸為繞橫滾軸，主要由液壓馬達(dá)、齒輪減速器、回轉(zhuǎn)框架等機(jī)構(gòu)組成；B軸為繞俯仰軸，主要由八角形支架、導(dǎo)電滑環(huán)、回轉(zhuǎn)軸、無磁滾動(dòng)軸承組成；C軸為繞方位軸，主要由夾具體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、無磁液壓和底座組成。

2　三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

2.1外環(huán)設(shè)計(jì)

由圖1可知，本設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)的外環(huán)部分主要為C軸，在具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，圍繞以下幾方面展開。

第一，整個(gè)外環(huán)采用一對無磁滾動(dòng)軸承進(jìn)行支撐，下部軸承通過法蘭盤與底座進(jìn)行固定，上部軸承則與B軸互聯(lián)。

第二，環(huán)中部采用蝸輪、蝸桿互相配合，與液壓馬達(dá)連接，而液壓馬達(dá)則是外環(huán)C軸動(dòng)力的主要來源。

第三，無磁光柵安裝在C軸的底部，其主要功能為：對C軸外環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率、位置進(jìn)行即時(shí)檢測，檢測的數(shù)據(jù)能夠通過設(shè)備的反饋回路，反饋給外部控制系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

此外，外環(huán)部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，還引入了導(dǎo)電滑環(huán)，其主要功能為：在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，保證外、中、內(nèi)三環(huán)之間的信號傳輸效果，為保證信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，該導(dǎo)電滑環(huán)需采用鍍銀工藝制成。

2.2中環(huán)設(shè)計(jì)

中環(huán)是本設(shè)備旋轉(zhuǎn)部件中的支撐環(huán)，對B軸的回轉(zhuǎn)有著重要的支撐作用，其三維視圖如圖1所示，在具體的設(shè)計(jì)中，將兩對無磁滾動(dòng)軸承置于八角形支架上，八角形支架右端設(shè)計(jì)為主動(dòng)軸，左端設(shè)計(jì)為從動(dòng)軸，此外，八角形支架上設(shè)計(jì)安裝一個(gè)減速器殼體，其作用為控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率，而該馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)，能夠使中框和內(nèi)框?qū)崿F(xiàn)繞B軸的回轉(zhuǎn)。在中環(huán)的設(shè)計(jì)中，還包含兩個(gè)導(dǎo)電滑環(huán)，其作用為通過導(dǎo)電滑環(huán)的信號傳導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)速率采集信號與內(nèi)框無磁光柵信號的有效傳導(dǎo)，而無磁光柵亦可以對B軸的位置和實(shí)時(shí)速率進(jìn)行檢測，該檢測信號通過設(shè)備的閉環(huán)反饋組建，反饋至系統(tǒng)的自適應(yīng)控制模塊，在該模塊的調(diào)整下，完成對B軸旋轉(zhuǎn)信號的最優(yōu)調(diào)整。

2.3內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)

內(nèi)環(huán)的能夠保證A軸的回轉(zhuǎn)調(diào)整，其三維視圖如圖1所示，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，在環(huán)內(nèi)安裝了一個(gè)蝸輪蝸桿減速器，置于八角形環(huán)形支架的外側(cè)，并與液壓馬達(dá)相連，在蝸輪蝸桿減速器的作用下，能夠驅(qū)動(dòng)內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)。在內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)中，還包含導(dǎo)電滑環(huán)、無磁圓光柵、夾具體等部件，其中，無磁圓光柵的作用為檢測內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)速率、角度，導(dǎo)電滑環(huán)的作用為采集傳感器數(shù)據(jù)信號，并完成信號的傳輸，而夾具體的機(jī)械設(shè)計(jì)，主要考慮到整個(gè)內(nèi)環(huán)的定位，采用螺釘固定在內(nèi)框上，對傳感器進(jìn)行定位夾緊，尺寸約為Φ400 ×420 mm.此外，內(nèi)環(huán)的渦輪蝸桿具有自鎖作用，確保液壓馬達(dá)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，整個(gè)設(shè)備即使受到外力，也不能旋轉(zhuǎn)，從而保證整個(gè)設(shè)備的工作位置不發(fā)生位移，維持設(shè)備的穩(wěn)定性。

2.4機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

在整個(gè)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)設(shè)備的形狀、用途選擇合適的參數(shù)，結(jié)合本設(shè)備，應(yīng)包含八角形工作臺(tái)（見表2）、伺服電機(jī)（見表3）、蝸輪蝸桿減速器（見表4），以及外、中、內(nèi)環(huán)的機(jī)械參數(shù)（見表1），具體來說，總結(jié)如下：

表1　外、中、內(nèi)環(huán)機(jī)械參數(shù)

表2　八角形工作臺(tái)機(jī)械參數(shù)

表3　伺服電機(jī)參數(shù)

表4　渦輪蝸桿減速器參數(shù)

3　三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)分析

3.1材料鑄造注意事項(xiàng)

由于整個(gè)設(shè)備采用金屬材質(zhì)鑄造而成，且鑒于設(shè)備三維結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此，在設(shè)備鑄造過程中，需要采用較高的鑄造工藝進(jìn)行操作，以此保證設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固和可靠。具體來說，在鑄造操作中需要注意以下幾方面事項(xiàng)：

第一，應(yīng)采用無磁坩堝進(jìn)行鑄造。為保證設(shè)備的無磁性能，在鑄造中，應(yīng)選用專業(yè)的無磁坩堝設(shè)備進(jìn)行冶煉，以此避免其他鐵雜質(zhì)融入設(shè)備鑄件中，在具體選型中，可選擇濟(jì)寧市北辰金屬材料有限公司生產(chǎn)的合金漏板無磁坩堝，該產(chǎn)品采用專業(yè)的無磁磨具鋼，并應(yīng)用熱擠壓工藝制成，性能優(yōu)越。

第二，采用無磁陶瓷刀具進(jìn)行切削。切削工藝，也是設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為保證設(shè)備機(jī)械工藝的質(zhì)量，應(yīng)采用專業(yè)的無磁陶瓷刀具，對逐漸進(jìn)行多輪磁性切削，以保證設(shè)備的絕對無磁化。

3.2框軸定位注意事項(xiàng)

由于設(shè)備在運(yùn)行過程中，需要經(jīng)歷高速回轉(zhuǎn)，因此，確保高速回轉(zhuǎn)下的框軸穩(wěn)固定位十分重要。在具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)關(guān)注該項(xiàng)：

第一，設(shè)計(jì)無磁滾動(dòng)軸承。在設(shè)備三環(huán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為各環(huán)引入無磁滾動(dòng)軸承作為支撐，可以有效降低設(shè)備回轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)幅度，提升回轉(zhuǎn)的精度和穩(wěn)固性。

第二，設(shè)計(jì)專用夾具固定框軸。為進(jìn)一步保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)固性，在設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)固定中，可引入專用夾具固定三環(huán)，譬如：軸承座夾具。

3.3尺寸簡化注意事項(xiàng)

由于該設(shè)備需要應(yīng)用在高精密儀器的傳感信號檢測中，且設(shè)備本身還包含傳動(dòng)部分、計(jì)算機(jī)控制部分等，因此，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員應(yīng)盡量簡化設(shè)備的尺寸，使設(shè)備能夠在最優(yōu)化的尺寸下，完成最精密的功能。

例如，在A、B、C三軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，由于回轉(zhuǎn)軸具有體積小的特點(diǎn)，能夠與設(shè)備的液壓旋轉(zhuǎn)接頭部分進(jìn)行無縫結(jié)合，以此簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸，減小整個(gè)系統(tǒng)的外形。此外，在各框軸尺寸布置和設(shè)備零件的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)盡量選擇體積小，精密度高的部件，確保整個(gè)設(shè)備尺寸的精簡化。

4　結(jié)束語

三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)是現(xiàn)代航空、工業(yè)、機(jī)械行業(yè)中，應(yīng)用較多的一類高精密度設(shè)備，本文采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，邏輯描述的方法，詳細(xì)闡述了一類三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的事項(xiàng)進(jìn)行了分析。一個(gè)完整的三軸無磁轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)還應(yīng)包含控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)方面，上述設(shè)計(jì)內(nèi)容都有待在今后的研究中進(jìn)一步完善。

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[3]劉春芳，吳盛林，曹健.三軸飛行模擬仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及控制問題研究[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，（01）：35-37.

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Study on Mechanical Structure Design of Three Axis Non Magnetic Rotary Table

WANG Cui，YE Zhi-biao，GAO Ling
（Jiujiang Vocational and Technical College，Jiujiang Jiangxi 332007，China）

Based on the overviewofthe three-axis non-magnetic turntable triaxial magnetic turntable，this article brings forward an overall program about the mechanical design of equipment，and starts from the mechanical parameters of outside-frame，middle-frame，inner-frame，are analyses the mechanical design details of three-axis non-magnetic turntable in detail，and finally，summarizes some points for attention in the design to form a detailed design，so that the overall design would be provided with a reference value.

three-axis non-magnetic turntable；mechanical design；structural parameters

TH122

A

1672-545X（2016）10-0008-03

2016-07-28

江西省科技項(xiàng)目課題（編號：GJJ151373）。

王翠（1985-），女，江西上饒人，碩士，講師，研究方向：機(jī)械技術(shù)。