三自由度精密转台设计
电子机械工程
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Electro -M echan i ca l Eng i n eer i n g
2005年第21卷第5期2005. Vol . 21No . 5
三自由度精密转台设计
袁海平
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(中国电子科技集团公司第十四研究所, 江苏南京210013)
摘 要:论述了三自由度精密转台的技术要求、结构设计和三轴运动的实现方式; 并对轴系精度、定位精
度和测角精度进行了分析计算, 保证了转台的精度。
关键词:精密转台; 定位精度; 测角精度中图分类号:T N820. 8 文献标识码:A 文章编号:1008-5300(2005) 05-0038-03
Design of Three Degree of Freedo or m
Y i (The 14th R 210013, China )
Abstract:This and mode of 32shaft operati on f or three degree of free 2dom p recisi on r . The shafting p recisi on 、orientating p recisi on and measuring angle p recisi on were calculated and t o verify the high p recisi on capability of the p latefor m. Key words:p recisi on r otating p latf or m; orientating p recisi on; measuring angle p recisi on
0 引 言
三自由度精密转台为微波暗室远场天线测试的高精度转台, 具有多自由度运动, 作为测试设备, 具有轴系精度、定位精度和测角精度高的特点。在转台设计中, 结构件必须刚度好, 传动件必须精度高。由于是高精密设备, 设计中充分考虑安全联锁。
1. 2 平移轴:Z
平移距离:400mm;
距离有标尺显示, 位移电气控制。1. 3 轴系精度
Y 轴对大地的垂直度: 10″; X 轴对Y 轴的垂直度:
20″。
1 转台技术要求
天线:最大重量200kg; 最大外形尺寸:Φ2000mm
×800mm; 天线连接法兰直径Φ300mm 。1. 1 旋转轴
X 轴(水平轴) 、Y 轴(垂直大地轴) 。1. 1. 1 X 轴向旋转
(朝天0°) ; 俯仰角度:-60°～+60°
2 转台结构
根据“转台技术要求”, 此转台作为天线的支承和
传动装置, 是一个三自由度转台, 包括天线支承结构和实现X 、Y 、Z 运动的传动机构组成, 属精密转台。其主要组成部分为:天线支承结构、动力传动装置、数据传动装置和安全保护装置(见图1) 。天线的三轴运动由交流电机构成的伺服系统来实现。2. 1 天线支承结构
天线通过Φ300mm 法兰与X 轴组合相连, 由左右支承通过左右支臂连接在Z 轴平移的工作台上, 工作台与Y 轴的转盘相连, 转盘由回转轴承支承安装在底座上。所有结构件均用16Mn 钢板焊接成型。
Y 轴支承为转盘式结构。该结构轴向尺寸紧凑, 刚性好, 抗倾覆能力强。作为Y 轴的承载结构件-底座要求具有较高刚性, 同时还应有足够的尺寸稳定性,
定位精度:±0. 5°; 点动可调。1. 1. 2 Y 轴向旋转:
回转角度:0°～360°内可正反转; 回转速度:≤1r/min, 可连续调速; 定位精度r m s:0. 083°;
同步(测角) 精度r m s:0. 025°。
3
收稿日期:2005-02-
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第5期袁海平:三自由度精密转台设计 39
图1 三自由度精密转台
为此设计成圆筒形结构, 内壁两层和若干辐射筋, 提高
其抗弯, 抗扭刚度。底座内上层安装轴承, 中层安装旋转变压器, 在底座外有一安装减速机的托架。为方便接插电缆和便于旋转变压器的装拆及维护调整, 开窗孔, 窗孔四周加凸缘, , 并便于安装盖板联结于转盘底部, 器工作。
Z 轴平移的支承采用精密工作台来实现, 它由工作台台面、滚动直线导轨副和工作台底座组成。
X 轴和Y 轴轴承的精度直接影响转台的轴系精度, 为此, 如何选择轴承是该转台设计的关键。
X 轴轴承精度直接影响X 轴的旋转精度, 即影响X 轴的水平, 从而影响X 轴和Y 轴的垂直度. 因此右
图2 X Y Y 轴回转。, 6, 从而提高Y 轴定位精
∶1旋变。
支臂采用一对E2216圆柱滚子轴承; 左支臂采用一对E7216圆锥滚子轴承, 精度都为P5级。
Y 轴选用交叉圆柱滚子轴承, 精度为P5级, 它能同时承受较大的径向力、轴向力、倾覆力矩, 其承载能力可满足使用要求。2. 2 实现X 、Y 、Z 运动的传动机构2. 2. 1 X 轴旋转
X 轴一套传动系统, 由带制动器的电机(750W ) -减速箱-输出小齿轮-大齿轮, X 轴大齿轮固定在
图3 三自由度精密转台装配图
传动原理图如图4所示。
箱体上, 减速器输出小齿轮与大齿轮啮合从而驱动X
(朝天为0°) 内正反轴组合带动天线做-60°～+60°
转运动, 这样X 轴免受扭矩, 改善了X 轴的受力状况。在±65°处有限位开关, 起到停机保护天线作用; ±70°设计的扇齿轮为第二道机械结构保护。
传动原理图如图2所示。2. 2. 2 Y 轴旋转
Y 轴一套传动系统, 由电机(750W ) -减速箱-输出小齿轮-大齿轮从而驱动转盘做0°～360°内正反转运动。Y 轴一套传动系统布置于Y 轴底座外部, 有利于安装维修电机、减速器,
输出小齿轮与固定于转
图4 Y 轴传动原理图
2. 3 Z 轴向平移
Z 轴平移为螺旋传动机构, 由带制动器的电机
(200W ) -减速箱-带动精密滚珠丝杆, 精密滚珠丝
40电子机械工程第21卷
杆的回转运动带动螺母使工作台做直线运动, 从而带动天线在Z 轴向实现平移, 行程距Y 轴±200mm 范围, 台面有指针, 底座有标尺显示。在平移的左右两个极限位置由微动开关与电机联锁
。
满足轴系精度要求。3. 3 定位精度分析
影响定位精度的主要因素是传动链中传动零部件的加工制造和装配误差, 因此提高齿轮的加工精度和装配精度, 可使定位误差降低。3. 3. 1 Y 轴定位精度
精密行星减速器, 速比40; 回差小于17′。末级齿轮6级精度, 速比为8. 9, 中心距按较小侧隙0. 17调整安装。3. 3. 2 定位精度计算值
:17′/减/i . 008°
i 。
图5 精密工作台
减速器选用德国NE UG ART 精密行星减速器, X 、
Y 轴旋转为P LE80/90,回差17′; Z 轴平移为P LE60, 回差25′。驱动电机采用松下交流伺服电机。
3 转台精度分析
3. 1 Y Y :
5
0. 02×2. 0610/L=8. 67(s )
:arctg0. 17/(d /2) =0. 02°d ———末级大齿轮的分度圆直径。两项共计为:
0. 008°+0. 023°=0. 031°
L ———Y 轴轴承跑道面直径455mm
水平仪的精度、调整装置的灵敏度以及Y 轴结构
刚度引起的误差为:2(s ) 。
Y 轴对大地的垂直度为:
因此, 本系统能满足Y 轴定位精度要求。
X 轴定位精度也满足±0. 5°要求, 分析计算略。3. 4 测角精度(Y 轴)
Y 轴下端的旋转变压器设计用32对极双通道多
δ1=
. 67+2
22
=8. 89(s )
3. 2 X 轴对Y 轴的垂直度
X 轴左轴承晃动误差为0. 007, 该项引起的误差
为:
0. 007×2. 06×10/L′=2. 3(s )
L ′———俯仰支承的跨距616mm
5
级旋转变压器(110XSF019) 精度±15″, 角度解算模块选用双通道19位轴角变换器(MTS19R ) , 该模块的精度是7. 5″, 分辨率达到2. 5″, 跟踪速率为16r/s, 小于
(80″) 同步测角精度要求。r m s:0. 025°
4 结 论
该三自由度精密转台的设计, 结构紧凑, 刚度好,
精度高, 满足使用要求。该高精度转台的设计成功可为同行借鉴。参考文献:
[1] 吴风高. 天线座结构设计[M].西安:西北电讯工程学院
X 轴右轴承晃动误差为0. 005, 该项引起的误差
为:
0. 005×2. 06×10/L′=1. 6(s )
5
箱体两轴头中心对箱体下联结面的不平行度
0. 02, 该项引起的误差为:
5
0. 02×2. 06×10/L′=6. 6(s )
出版社, 1986.
[2] 王生洪, 龚振邦, 王世萍编. 电子设备机械设计[M].西
精密工作台台面与转盘的不平行度0. 04, 该项引
起的误差为:
5
0. 04×2. 06×10/0. 8=10(s )
安:西北电讯工程学院出版社, 1986.
X 轴与Y 轴的不垂直度:
作者简介:袁海平(1965-
) , 男, 高级工程师, 长
2
δ2=. 3+1. 6+6. 6+10+8. 67=15(s )
2222
期从事精密测量雷达天线座及各种精密转台的研制工
作。