一種兩軸限位的一維轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張東升，王兵，陳智勇

（北京理工雷科電子信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

信號(hào)源需在水平、垂直方向針對(duì)不同振幅做不同振動(dòng)頻率的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)指標(biāo)見(jiàn)表1。常用振動(dòng)臺(tái)有機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)、電液式振動(dòng)臺(tái)、電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)。機(jī)械振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但工作頻率為5～100Hz，最大位移峰-峰值為6mm；電動(dòng)及電液式振動(dòng)臺(tái)承載較大，振幅、振頻覆蓋范圍較廣，控制方式較為復(fù)雜，因此多用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備。根據(jù)調(diào)研情況，可以滿(mǎn)足使用情況的振動(dòng)臺(tái)由于功能較多、較復(fù)雜，訂購(gòu)或租用成本較高，因此需研制一種功能指定型設(shè)備，在滿(mǎn)足信號(hào)源的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上小型化、功能單一化。

表1 運(yùn)動(dòng)指標(biāo)

1 限位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)指標(biāo)，文中設(shè)計(jì)使用轉(zhuǎn)臺(tái)將負(fù)載天線偏心安裝，天線的圓周運(yùn)動(dòng)可分解為平面內(nèi)的水平/垂直方向的周期運(yùn)動(dòng)，即為水平/垂直向的振動(dòng)，安裝偏心距即為振幅。

天線負(fù)載在繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)有伴隨的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于測(cè)試需要天線定指向運(yùn)動(dòng)，因此在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)水平及垂直的限位軸，通過(guò)兩根限位軸的導(dǎo)向作用，限制天線的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)定指向功能。負(fù)載運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 負(fù)載運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2 驅(qū)動(dòng)選型

文中選用伺服交流電機(jī)，輸出穩(wěn)定、控制簡(jiǎn)單，選型需考慮轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、慣量三個(gè)要素。轉(zhuǎn)速根據(jù)指標(biāo)要求600r/min（設(shè)計(jì)裕量為3000r/min），負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需小于15倍的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，模型測(cè)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0．1kg·m2，電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量需大于 0．007kg·m2，若滿(mǎn)足最大轉(zhuǎn)速以及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的要求，電機(jī)需提供較大輸出功率，實(shí)際使用情況無(wú)法滿(mǎn)足。由于設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)負(fù)載加減速?zèng)]有要求，因此通過(guò)減小加（減）速度降低電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩及輸出功率，選用松下電機(jī)MSME202G1及配套運(yùn)動(dòng)控制器。

3 整機(jī)設(shè)計(jì)

設(shè)備主軸連接采用脹緊套，代替鍵連接，拆裝方便，具有良好的對(duì)中性。根據(jù)載荷計(jì)算公式：（M為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，采用電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；Fa為軸向力，承受軸向力較小忽略不計(jì)），計(jì)算得脹緊套額定轉(zhuǎn)矩，因此選取Z1型脹緊套。負(fù)載軸及電機(jī)軸主要承受離心力、重力，軸承需承受徑向力，并具有一定的抗彎能力，因此選用背裝角接觸軸承，根據(jù)公式對(duì)軸承的額定載荷進(jìn)行校核。校核公式如下：

限位軸使用直線軸承，將負(fù)載天線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為限位軸的直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)計(jì)算線速度和載荷選用SC20UU-A。

整機(jī)裝配如圖2所示。

4 離心力適配設(shè)計(jì)

圖2 整機(jī)示意圖

由于負(fù)載為偏心安裝，因此隨著轉(zhuǎn)速的提高，離心力會(huì)不斷加大，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的剛度造成較大的影響，為了提高設(shè)備的可靠性，需盡量減小離心力的作用。因限位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)造成離心力的非定性，難以一次配重解決問(wèn)題，并且配重過(guò)大會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力要求較高，所以文中在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用試湊法，分別在天線自轉(zhuǎn)軸及離心軸增加配重，合理減小離心力。

5 風(fēng)載荷校核

由于負(fù)載與空氣的接觸面較大，在以一定轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到風(fēng)壓的影響，因此需要對(duì)負(fù)載受到的風(fēng)載荷進(jìn)行校核。

6 仿真

使用軟件workbench針對(duì)50Hz的負(fù)載進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果，最大應(yīng)力集中在角反轉(zhuǎn)軸上為6．8e7N/m2（45 鋼的屈服強(qiáng)度為 2．2e8 N/m2），角反最大形變?yōu)?．3mm，仿真云圖如圖3、圖4。

7 結(jié)語(yǔ)

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)運(yùn)動(dòng)以及靜力學(xué)仿真驗(yàn)證，功能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能達(dá)到預(yù)期需求。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以滿(mǎn)足表1指標(biāo)。但由于設(shè)備受到加工精度以及裝配精度的限制，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于10Hz時(shí)，直線滾珠軸承會(huì)對(duì)導(dǎo)向鋼軸造成磨損，直接影響設(shè)備使用壽命，降低設(shè)備的可靠度。

圖3 負(fù)載應(yīng)力云圖

圖4 負(fù)載形變?cè)茍D

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