高速精密小型轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

周玉

摘要：在監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，高速精密小型轉(zhuǎn)臺(tái)是十分重要的組成部分，可以有效實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)以及紅外夜視儀等相關(guān)設(shè)備的支撐，而且還能夠完成目標(biāo)位移的高精度跟蹤。本文針對(duì)高速精密小型轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，具體從轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)和定位兩個(gè)方面分析了轉(zhuǎn)臺(tái)的傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，提出了小型轉(zhuǎn)臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案是否與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求相符進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：高速精密;小型轉(zhuǎn)臺(tái);轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文針對(duì)高速精密小型轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了具體設(shè)備，具體來(lái)說(shuō)，該小型轉(zhuǎn)臺(tái)主要使用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，而為了確保其能夠連續(xù)在水平方向上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，需要在垂直角度上轉(zhuǎn)動(dòng)135度，這樣一來(lái)，這一轉(zhuǎn)臺(tái)便可在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和實(shí)時(shí)跟蹤，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，因此實(shí)用性較高。

一、高速精密小型轉(zhuǎn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

本文當(dāng)中主要采用UG設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)，并對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行了建立，具體如下圖所示。

（一）總體結(jié)構(gòu)方案

小型仿真轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)主要包括電控和機(jī)械兩個(gè)部分，而機(jī)械部分主要由齒輪、外科和軸等組成。電控部分則具體包括電機(jī)以及編碼器等，為了在環(huán)境惡劣情況下，該轉(zhuǎn)臺(tái)依舊能夠正常運(yùn)行，需要將其外形進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，通過(guò)將其設(shè)計(jì)為細(xì)窄狀，可以起到良好的防風(fēng)效果，并要確保兩頭具有流線型特點(diǎn)，從而使其機(jī)箱殼體能夠保持整體，將支撐轉(zhuǎn)動(dòng)軸的雙立板進(jìn)行連接，之后在嚙合部位對(duì)密封圈進(jìn)行配備。與此同時(shí)，還需要在轉(zhuǎn)臺(tái)兩端合理裝設(shè)攝像機(jī)和紅外照明，為保持轉(zhuǎn)臺(tái)的平穩(wěn)性，應(yīng)采取對(duì)稱式形式對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣不僅可以確保轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而且還能維持較高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)軸以及水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸需要按照中空結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)在于輕量化，在具體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可以減少慣量，使轉(zhuǎn)臺(tái)的固有頻率得到提升。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中空空間需要合理使用電線敷設(shè)，防治在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電線出現(xiàn)纏繞。同時(shí)還需要在轉(zhuǎn)臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)中配置兩臺(tái)電機(jī)，這樣一來(lái)，在水平方向上可以通過(guò)齒輪傳動(dòng)完成緊急啟動(dòng)和停止等相關(guān)操作，使臺(tái)面能夠進(jìn)行正反向的旋轉(zhuǎn)。對(duì)于垂直方向，通過(guò)帶動(dòng)攝像機(jī)和照明器的座板，可以使其在此方向上完成俯仰運(yùn)動(dòng)。

（二）小型仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的主要材質(zhì)

轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)殼以及底座等部位主要采用ZL201，其力學(xué)性能良好，密度也相對(duì)較低，通過(guò)對(duì)使用此種材質(zhì)，可以使轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)身重量得到減輕，而為了使響應(yīng)速度加快，需要確保響應(yīng)精度足夠高。由于鑄鋼具有較高的剛度，所以轉(zhuǎn)動(dòng)軸主要使用鑄鋼材料。而為了能夠提高系統(tǒng)性能，需要對(duì)電機(jī)型號(hào)進(jìn)行合理選擇，這樣一來(lái)可以具有較高的定位精度，并反復(fù)多次的進(jìn)行定位，使控制精度得到提升。

二、轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文當(dāng)中對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)其方位、垂直以及支撐等結(jié)構(gòu)進(jìn)行明確。對(duì)于方位以及垂直結(jié)構(gòu)，可以采用間接驅(qū)動(dòng)的方式，使轉(zhuǎn)動(dòng)軸和電機(jī)得到連接，這樣可以通過(guò)較小的力矩使負(fù)載得到帶動(dòng)。支撐結(jié)構(gòu)主要對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)重量進(jìn)行承載，又可分為底座和框體兩部分。為了使轉(zhuǎn)臺(tái)性能得到有效提升，需要深入分析和改進(jìn)轉(zhuǎn)臺(tái)傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并通過(guò)改進(jìn)使轉(zhuǎn)臺(tái)得到創(chuàng)新，而在垂直方向上，其轉(zhuǎn)動(dòng)軸主要由相應(yīng)的軸承和立板所組成，并在內(nèi)部通過(guò)具體的光學(xué)耦合套和光耦擋片有效固定。相關(guān)設(shè)計(jì)人員可以將轉(zhuǎn)動(dòng)軸設(shè)計(jì)成直圓柱形，這樣一來(lái)可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸光耦套內(nèi)側(cè)的環(huán)形凹槽有效固定左定位擋圈，并通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸定位套內(nèi)側(cè)凹槽對(duì)右定位擋圈進(jìn)行固定。因此，左右兩個(gè)定位擋圈需要配合環(huán)形凹槽，從而充分發(fā)揮出軸肩的具體功效。

三、小型轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和模態(tài)分析

（一）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

高速精密小型轉(zhuǎn)臺(tái)具有十分復(fù)雜的，所以在構(gòu)建仿真模型時(shí)需要逐一考慮每個(gè)零件，難度相對(duì)較大。在此過(guò)程當(dāng)中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員需要對(duì)簡(jiǎn)化原則進(jìn)行利用，從而合理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)建模，這樣一來(lái)不僅能夠更有針對(duì)性的研究結(jié)構(gòu)特性，還能夠使工作量得到減少。具體而言，相關(guān)設(shè)計(jì)人員可通過(guò)UG7.0進(jìn)行來(lái)有效對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行建模，并將其導(dǎo)入到具體的軟件當(dāng)中。通過(guò)相關(guān)分析工作開(kāi)展，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)承受載荷主要與以下幾個(gè)方面有關(guān)。首先，轉(zhuǎn)臺(tái)承受載荷與其自身的重量和攝像機(jī)重量有著緊密聯(lián)系。通過(guò)相關(guān)軟件的應(yīng)用，可以對(duì)結(jié)構(gòu)重力進(jìn)行模擬，而且還可以對(duì)重力加速度進(jìn)行設(shè)置，從而有效實(shí)現(xiàn)重力模擬過(guò)程，由此可以看出系統(tǒng)的重力方向和加速度方向主要保持相反關(guān)系。其次，垂直機(jī)構(gòu)所具有的慣性力矩，對(duì)此，相關(guān)研究人員需要深入分析和計(jì)算方位機(jī)構(gòu)的慣性力矩以及最大角加速度。

（二）靜力學(xué)分析

通過(guò)應(yīng)用軟件進(jìn)行具體的靜力學(xué)分析，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的最大應(yīng)力需要分布在以下兩個(gè)方面，分別是方位機(jī)構(gòu)和底座的連接位置、垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)軸和光電負(fù)載連接位置，其最大值為0.44毫帕。在轉(zhuǎn)臺(tái)底座進(jìn)行選材時(shí)主要使用鑄鋁，屈服應(yīng)力為230毫帕，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸材料在選擇時(shí)主要為鑄鋼，屈服應(yīng)力為270毫帕，這也使得轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與相關(guān)要求相符。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，本文主要研究和計(jì)算了轉(zhuǎn)臺(tái)的相關(guān)性能指標(biāo)。對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，使轉(zhuǎn)臺(tái)性能得到提升。通過(guò)深入分析轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能方面的要求，并應(yīng)用有限元理論和相關(guān)軟件，從而分析了轉(zhuǎn)臺(tái)的靜力學(xué)和模態(tài)，對(duì)高速精密小型轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案可行性進(jìn)行具體驗(yàn)證，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究人員起到一些參考作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]付饒. 高速精密小型轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[J]. 電子質(zhì)量， 2018， 379（10）：99-103.

[2]姜旭倫. 精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與有限元分析研究[D]. 2015.

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