一種回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計

孫貝貝

（太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

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一種回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計

孫貝貝

（太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

回轉(zhuǎn)工作臺在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中使用場合多應(yīng)用范圍廣，針對某些場合對回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)精度、承載剛性、回轉(zhuǎn)速度等使用方面的要求，設(shè)計了一種伺服電機(jī)+諧波減速機(jī)+交叉滾子軸承的回轉(zhuǎn)工作臺機(jī)構(gòu)。對回轉(zhuǎn)工作臺機(jī)構(gòu)中，使用的伺服電機(jī)、諧波減速機(jī)和交叉滾子軸承的選擇匹配，進(jìn)行了詳細(xì)的計算說明，對現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中類似的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有積極的借鑒和指導(dǎo)作用。

回轉(zhuǎn)工作臺；諧波減速機(jī)；交叉滾子軸承

回轉(zhuǎn)工作臺在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中十分常見，也是應(yīng)用場合比較多范圍比較廣的一種機(jī)械結(jié)構(gòu)。不同的使用條件和場合也要求有相對應(yīng)的不同機(jī)械結(jié)構(gòu)。在給定使用條件和場合的前提下，選擇一種合理的回轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，對于設(shè)備的使用效率、壽命、成本至關(guān)重要。常見的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有DD電動機(jī)驅(qū)動的回轉(zhuǎn)工作臺，旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺，伺服電機(jī)+減速機(jī)驅(qū)動的回轉(zhuǎn)工作臺，以及由UVW平臺實現(xiàn)的小范圍回轉(zhuǎn)工作臺等。

本文所設(shè)計的回轉(zhuǎn)工作臺由伺服電機(jī)+諧波減速機(jī)+交叉滾子軸承組成，屬于伺服電機(jī)+減速機(jī)驅(qū)動工作臺的一種。由伺服電機(jī)通過諧波減速機(jī)驅(qū)動相關(guān)的機(jī)械連接件帶動工作臺在交叉滾子軸承上實現(xiàn)低速高剛性的回轉(zhuǎn)運(yùn)動并且能保證使用條件要求的回轉(zhuǎn)精度。

1　回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計要求

此回轉(zhuǎn)工作臺機(jī)構(gòu)的使用要求：

（1）工作臺尺寸1 000 mm×800 mm×50 mm，材質(zhì)2A12，水平安裝。

（2）在0°～360°角度范圍內(nèi)做90°的轉(zhuǎn)動，每1 s轉(zhuǎn)90°后停頓2 s，旋轉(zhuǎn)速度可精確控制，且最大轉(zhuǎn)速135°/s。

（3）在回轉(zhuǎn)工作臺面的工作范圍內(nèi)，由回轉(zhuǎn)角度的精度誤差所造成的x軸和y軸方向的誤差≤0.1 mm。

（4）回轉(zhuǎn)工作臺的工作臺面在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動停止時，能夠承載質(zhì)量為120 kg，速度為500 mm/s物體所造成的垂直工作臺面的沖擊力，沖擊作用時間0.01 s。

2　確定總體結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)工作臺機(jī)構(gòu)如圖1所示。是由安裝基板、電機(jī)支架、伺服電機(jī)、諧波減速機(jī)、聯(lián)軸器、連接軸1、連接軸2、交叉滾柱軸承、軸承安裝板、平臺連接板、傳感器、軸承安裝板等零部件組成。安裝基板固定，電機(jī)支架和軸承安裝板固定在安裝基板上，電機(jī)固定在電機(jī)支架上。

圖1　總體結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理：電機(jī)通過諧波減速機(jī)驅(qū)動連接軸2，聯(lián)軸器將連接軸2的動力傳動至連接軸1。連接軸1和平臺連接板連接，連接軸1轉(zhuǎn)動會驅(qū)動平臺連接板轉(zhuǎn)動。平臺連接板同時將工作臺和交叉滾柱軸承連接，平臺連接板轉(zhuǎn)動會帶動工作臺在交叉滾柱軸承上轉(zhuǎn)動。

3　交叉滾柱軸承的選擇

回轉(zhuǎn)工作臺受力示意圖如圖2所示：回轉(zhuǎn)工作臺在回轉(zhuǎn)運(yùn)動停止時所承受的沖擊力會在工作臺尺寸范圍內(nèi)任意移動。

圖2　回轉(zhuǎn)工作臺受力示意圖

3.1交叉滾柱軸承的初步選擇

根據(jù)使用條件，我們選用的交叉滾柱軸承是THK的RU系列。RU系列是內(nèi)外圈一體化構(gòu)造并有安裝孔，所以不需要法蘭和支撐座，安裝簡易。另外安裝對性能幾乎沒有影響，因此能獲得穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)精度和扭矩。

由回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計要求所提供的外形尺寸、材質(zhì)，通過質(zhì)量密度公式計算得到工作臺質(zhì)量為108 kg，平臺連接板質(zhì)量為12 kg，連接軸1質(zhì)量是8 kg，可知交叉滾子軸承的靜止負(fù)載為128 kg。

根據(jù)使用條件4由動量定理：

（W為交叉滾子軸承所承受沖擊載荷的質(zhì)量）

將沖擊物體質(zhì)量W=120 kg，時間0.01 s、速度500 mm/s代入公式（1）得軸向沖擊載荷力：

由工作臺面的尺寸計算沖擊力的最大力臂長度為：

軸承所承受的最大力矩

將公式（1）和（2）所得沖擊力和最大力臂長度代入公式（3）得：

通過以上計算可得交叉滾子軸承的軸向載荷：

將沖擊載荷F和交叉滾子軸承的靜止負(fù)載128 kg代入公式（4）得：

圖3　交叉滾子軸承受力示意圖

將M=4.608 kNFa=8.48 kN代入公式（5）

fs為靜態(tài)安全系數(shù)

考慮到使用壽命等的動態(tài)性能，一般建議確保7以上，此處我們?nèi)?0。

C0為基本額定靜載荷

P0為靜態(tài)等價徑向載荷

Fr為徑向載荷

Fa為軸向載荷

M為力矩

X0為靜態(tài)徑向系數(shù)

Y0為靜態(tài)軸向系數(shù)（Y0=0.44）

dp為滾柱的節(jié)圓直徑

得（C0-37.312）×dp≥92.16 kN·m，由THK樣本A18-20頁提供的C0和dp參數(shù)選擇RU445交叉滾子軸承滿足基本要求。

3.2交叉滾柱軸承型號確認(rèn)

3.2.1交叉滾柱軸承使用壽命校核

通過查閱THK樣本可知RU445交叉滾子軸承基本參數(shù)：

L為額定壽命

C為基本額定動載荷

fT為溫度系數(shù)，低于80℃系數(shù)取值取1

fw為負(fù)荷系數(shù)，劇烈震動沖擊是值1.5～3

Pc為動態(tài)等價徑向載荷

Lh為工作壽命時間

N為每分鐘轉(zhuǎn)速

X為動態(tài)徑向系數(shù)參照THK樣本B18-9表2

Y為動態(tài)軸向系數(shù)參照THK樣本B18-9表2

查THK樣本B18-9表2得動態(tài)徑向系數(shù)與動態(tài)軸向系數(shù)公式為：

Fa=8.48 kNM=4.608 kNdp=0.445 m代入公式 （7）得到的數(shù)值約為0.41≤1.5為查THK樣本B18-9表2得出X=1，Y=0.45。

將X=1，Y=0.45，F(xiàn)r=0，M=4.608 kN，dp=0.445 m，F(xiàn)a=8.48 kN代入公式（8）

得出Pc≈24.526 kN

由設(shè)計要求第2條，可得工作臺旋轉(zhuǎn)一圈的時間約為12 s，由此值可得平均轉(zhuǎn)速為：N=5 r/min。將Pc≈24.526 kN，C=222 kN，fT=1，N=5 r/min，fw=3代入公式（9）

Lh≈1.323×105h，約滿足15年使用壽命。

3.2.2交叉滾柱軸承靜態(tài)安全系數(shù)校核

將X0=1，Y0=0.44，M=4.608 kN，F(xiàn)r=0，dp= 0.445 m，F(xiàn)a=8.48 kN，C0=473 kN代入公式（10）得fs≈19.3滿足使用要求。

3.2.3交叉滾柱軸承靜態(tài)容許力矩校核

交叉滾柱軸承靜態(tài)容許力矩計算公式：

將C0=473 kN，dp=0.445 m，代入公式（11）得M0≈105 kN·m，滿足使用要求。

3.2.4交叉滾柱軸承靜態(tài)容軸向載荷校核

交叉滾柱軸承靜態(tài)容軸向載荷計算公式：

將C0=473 kN，Y0=0.44代入公式 （12）得出Fao=1075 kN，滿足使用要求。

4　電機(jī)的選擇

4.1電機(jī)初步選擇

工作臺為長方體，且旋轉(zhuǎn)中心在其中心。

將工作臺尺寸代入長方體慣量公式（13）：

得J1=14.76 kg·m2

平臺連接板、連接軸1、連接軸2為圓柱體，分別將其尺寸質(zhì)量代入公式（14）（15）（16）：

得J2=3.12 kg·m2，J3=1.15 kg·m2

J4=0.97 kg·m2

負(fù)載總慣量J=J1+J2+J3+J4=20 kg·m2

負(fù)載的慣性力矩：

將J和α代入公式（17）得

回轉(zhuǎn)工作臺在旋轉(zhuǎn)過程中會有摩擦轉(zhuǎn)矩Mf，一般滾柱軸承的摩擦系數(shù)μ為0.01～0.012之間。此處，考慮到安裝使用和潤滑等條件我們?nèi)ˇ?0.04

將m=128 kg，μ=0.04，dp=0.445 m代入公式（18）得

負(fù)載轉(zhuǎn)動所需要的最大機(jī)械功率：

將MaMf代入公式（19）得Pmax≈360 W

負(fù)載勻速轉(zhuǎn)動所需要的機(jī)械功率：

將Mf代入公式（20）得P0≈27 W電機(jī)的功率：

（η為電機(jī)傳動效率，此處取值0.9，）得出215 W≤P≤430 W，由此確定電機(jī)的型號為400 W安川電機(jī)SGMJV-04ADA61，參數(shù)為：

額定轉(zhuǎn)矩：1.27 N·m；

峰值轉(zhuǎn)矩：4.46 N·m；

額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min；

最高轉(zhuǎn)速：6000 r/min；

電機(jī)慣量：0.442 kg·cm2；

電機(jī)重量：1.5 kg；

4.2預(yù)選電機(jī)確認(rèn)

電機(jī)最大加速轉(zhuǎn)矩確認(rèn)：

將Ma=141.3 N·m，Mf=11.4 Nm，i=180，η= 0.9代入電機(jī)加速轉(zhuǎn)矩公式（22）（23）

小于電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩。

電機(jī)最大減速轉(zhuǎn)矩確認(rèn)：

小于電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩。

負(fù)載的轉(zhuǎn)矩有效值確認(rèn)：

由設(shè)計要求2可知，工作臺要在1 s內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°，電機(jī)的工作過程是：電機(jī)啟動加速，加速到最大速度后勻速，然后由最大速度減速停止，過程如圖5轉(zhuǎn)速曲線所示。

由設(shè)計要求2計算轉(zhuǎn)矩、角加速度公式：

由β是最大加速度，可知t1=t3，將最大轉(zhuǎn)速135°/s，t1=t3，t1+t2+t3=1 s代入公式（24）

可得t1=t2=t3=1/3 s，β=405°/s2。

由轉(zhuǎn)矩有效值公式如下：

圖4　負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速時間圖

5　諧波減速機(jī)的選擇

5.1諧波減速機(jī)的初步選擇

根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩模式計算出減速機(jī)輸出側(cè)施加的平均負(fù)載。

na加速階段的平均轉(zhuǎn)速。

nb勻速階段的平均轉(zhuǎn)速。

nc減速階段的平均轉(zhuǎn)速。

Ta加速階段的平均轉(zhuǎn)矩。

Tb勻速階段的平均轉(zhuǎn)矩。

Tc減速階段的平均轉(zhuǎn)矩。

由最大轉(zhuǎn)速135°/s可知最大輸出轉(zhuǎn)速nb=nmax=22.5 r/min。

η=0.9（η為傳動效率，此處取0.9），

Tav≈126 N·m＜281 N·m

（281 Nm為型號CSG-32-120平均負(fù)載的轉(zhuǎn)矩最容許大值）

型號CSG-32-120減速機(jī)的參數(shù)：

額定轉(zhuǎn)矩：178 N·m

峰值轉(zhuǎn)矩：459 N·m

平均輸入轉(zhuǎn)速：3500 r/min

最高輸入轉(zhuǎn)速：4800 r/min

減速機(jī)慣量：0.442 kg·cm2

減速箱額定壽命：L10=10000 h

減速箱典型位置精度：30arc sec

減速箱重復(fù)定位精度：1.5 kg

5.2預(yù)選諧波減速機(jī)的確認(rèn)

減速機(jī)精度的確認(rèn)：

由減速機(jī)參數(shù)的典型位置精度計算可得減速機(jī)的角度誤差為0.00834°，根據(jù)轉(zhuǎn)臺尺寸計算角度誤差造成的誤差弧長為0.094 mm小于設(shè)計要求的誤差精度。

由設(shè)計要求第2條，可得工作臺旋轉(zhuǎn)一圈的時間約為12 s，由此值可得負(fù)載平均轉(zhuǎn)速為N= 5 r/min，減速機(jī)的平均轉(zhuǎn)速

n0av=N×i=600 r/min≤3500 r/min

（3 500 r/min是選定減速機(jī)容許平均輸入轉(zhuǎn)速）

根據(jù)負(fù)載的最高輸出轉(zhuǎn)速計算出減速機(jī)的最高輸入轉(zhuǎn)速nimax=22.5×120=2700 r/min≤4800 r/min

（4 800 r/min減速機(jī)容許最高輸入轉(zhuǎn)速）

由負(fù)載的慣性力矩和摩擦力力矩可知減速機(jī)的最大啟動轉(zhuǎn)矩：

最大停止時的轉(zhuǎn)矩：

（459 N·m是選定減速機(jī)啟動停止時的容許峰值轉(zhuǎn)矩）

實際使用壽命：

Ln為L10或則L50時的使用壽命時間

Tr為額定轉(zhuǎn)矩

Nr為額定轉(zhuǎn)速

Tav為輸出側(cè)的平均負(fù)載轉(zhuǎn)矩

Nav為平均輸入轉(zhuǎn)速

將Ln=1.0×105h，Tr=178 N·m，Nr=2000 r/min，Tav=126 N·m，Nav=600 r/min代入公式 （27）Lh= 7.6×104h約為8.5年，滿足使用要求。

5.3電機(jī)和諧波減速機(jī)的匹配

校核額定轉(zhuǎn)矩：

1.27×120=152.4 N·m≤178 N·m

校核峰值轉(zhuǎn)矩：

4.6×120=535.2 N·m＞459 N·m

電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速機(jī)后略大于減速機(jī)的峰值扭矩，這就需要在伺服電機(jī)驅(qū)動器中限定最大允許加速度，降低峰值扭矩的輸出，使其最大輸出轉(zhuǎn)矩小于減速機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩。

6　結(jié)束語

由伺服電機(jī)+諧波減速機(jī)+交叉滾子軸承組成的回轉(zhuǎn)工作臺，具有回轉(zhuǎn)精度高、機(jī)械剛性好、穩(wěn)定性好、安裝使用方便等優(yōu)點。其整個機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計和伺服電機(jī)、諧波減速機(jī)、交叉滾子軸承的選型匹配，對于回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計具有廣泛的借鑒意義。

［1］ 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004

［2］ Harmonic Drive組合型產(chǎn)品目錄2011年4月.No. 1110-01-HDUNT

［3］ 安川5選型手冊2009年5月版

［4］ 直線運(yùn)動系統(tǒng)（THK樣本）中文版.No.508C

The Design of a Kind of Rotary Table

SUN Beibei

（Taiyuan Fenghua Information-Equipment，Taiyuan 030024，China）

The rotary table is widely used in the modern industrial equipment.Due to the rotation accuracy，bearing rigidity，turning speed etc use requirements of the rotary table.A servo motor+ harmonic reducer+cross roller bearing of rotary table has been designed.Rotary table institutions，Servo motor，harmonic reducer and cross roller bearing have been choice matched and carried on the detailed instructions.Similar slewing mechanism has a positive reference and guidance to the modern industrial equipment.

Rotary table；Harmonic reducer；Cross roller bearing

TN605

B

1004-4507（2016）09-0043-06

孫貝貝（1980-），男，山東兗州人，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事電子專用設(shè)備的研發(fā)工作。

2016-08-25