三軸無磁轉臺機械結構設計研究

王翠，葉智彪，高嶺

（九江職業技術學院，江西九江332007）

三軸無磁轉臺機械結構設計研究

王翠，葉智彪，高嶺

（九江職業技術學院，江西九江332007）

在對三軸無磁轉臺進行簡要概述的基礎上，提出了設備機械結構設計的總體方案，并從外框、中框、內框的機械結構參數三個方面入手，詳細分析了三軸無磁轉臺機械結構設計的細節，最后，對設計中應注意的事項進行了總結，形成詳細的設計方案，從而使整體設計具備應用參考價值。

三軸無磁轉臺；機械結構設計；結構參數

三軸無磁轉臺，是一種滿足工業、機械傳感器研發生產需求，用于設備調試、檢驗、校準而設計生產的一種專用機械設備[1]，該設備全部應用無磁或不導磁材料制成，三軸均可實現數字顯示以及微調功能，具有精度高、可靠度優良等特點，在具體的使用過程中，轉臺設備的三個軸均能在任意角度實現轉動或鎖緊，確保轉臺應用中的穩固性。

由于三軸無磁轉臺的優良特性，近年來，被廣泛應用在航空、航天、國防等產業中，其功能也由傳統的調試、校準逐漸向仿真測試演進[2]。在三軸無磁轉臺的應用中，美國、英國等國走在世界前列，我國從上世紀60年代開始進行相關的研制工作，并逐漸涌現出一些質量過硬的產品[3]，例如，長春光機所于上世紀80年代研制的SJT-1型三軸無磁測試臺，定位精度可達1.5角秒[4]；2015年，北京恒準時代科技有限公司研制的三軸無磁轉臺，其精度更是達到了1.0角秒[5]，達到國際同類產品先進水平。

為了滿足現代飛行器精度更高的要求，本文開發了三軸無磁轉臺，采用系統設計，從外框、中框、內框的機械結構參數三個方面入手，詳細分析了三軸無磁轉臺機械結構設計方案，并對整個設計過程中的注意事項進行了描述，形成詳細的設計方案，從而使整體設計具備應用參考價值。本文研制了三軸無磁轉臺，整個機械結構設計方案如下。

1　三軸無磁轉臺機械結構設計分析

本文所研究的三軸無磁轉臺，其機械結構采用“外、中、內”三環嵌套模式，而外環、中環和內環分別對應設備的C軸、B軸和A軸，三個軸互相嵌套，形成了無磁轉臺的三個回轉自由面，在具體的使用中，采用液壓系統驅動三個軸運動，圖1為設備的機械結構設計圖。

圖1　三軸無磁轉臺機械結構設計圖

由圖1可知，整個三軸無磁轉臺的機械結構主要依托A、B、C三個軸設計，在具體的機械設計中，A軸為繞橫滾軸，主要由液壓馬達、齒輪減速器、回轉框架等機構組成；B軸為繞俯仰軸，主要由八角形支架、導電滑環、回轉軸、無磁滾動軸承組成；C軸為繞方位軸，主要由夾具體、驅動系統、無磁液壓和底座組成。

2　三軸無磁轉臺機械結構細節設計

2.1外環設計

由圖1可知，本設計轉臺的外環部分主要為C軸，在具體的機械結構設計中，圍繞以下幾方面展開。

第一，整個外環采用一對無磁滾動軸承進行支撐，下部軸承通過法蘭盤與底座進行固定，上部軸承則與B軸互聯。

第二，環中部采用蝸輪、蝸桿互相配合，與液壓馬達連接，而液壓馬達則是外環C軸動力的主要來源。

第三，無磁光柵安裝在C軸的底部，其主要功能為：對C軸外環的運轉速率、位置進行即時檢測，檢測的數據能夠通過設備的反饋回路，反饋給外部控制系統進行自適應調整。

此外，外環部分的機械結構中，還引入了導電滑環，其主要功能為：在設備運轉過程中，保證外、中、內三環之間的信號傳輸效果，為保證信號傳輸的準確性，該導電滑環需采用鍍銀工藝制成。

2.2中環設計

中環是本設備旋轉部件中的支撐環，對B軸的回轉有著重要的支撐作用，其三維視圖如圖1所示，在具體的設計中，將兩對無磁滾動軸承置于八角形支架上，八角形支架右端設計為主動軸，左端設計為從動軸，此外，八角形支架上設計安裝一個減速器殼體，其作用為控制液壓馬達的轉動速率，而該馬達的運動，能夠使中框和內框實現繞B軸的回轉。在中環的設計中，還包含兩個導電滑環，其作用為通過導電滑環的信號傳導作用，實現速率采集信號與內框無磁光柵信號的有效傳導，而無磁光柵亦可以對B軸的位置和實時速率進行檢測，該檢測信號通過設備的閉環反饋組建，反饋至系統的自適應控制模塊，在該模塊的調整下，完成對B軸旋轉信號的最優調整。

2.3內環設計

內環的能夠保證A軸的回轉調整，其三維視圖如圖1所示，在機械設計中，在環內安裝了一個蝸輪蝸桿減速器，置于八角形環形支架的外側，并與液壓馬達相連，在蝸輪蝸桿減速器的作用下，能夠驅動內環旋轉。在內環的設計中，還包含導電滑環、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環的旋轉速率、角度，導電滑環的作用為采集傳感器數據信號，并完成信號的傳輸，而夾具體的機械設計，主要考慮到整個內環的定位，采用螺釘固定在內框上，對傳感器進行定位夾緊，尺寸約為Φ400 ×420 mm.此外，內環的渦輪蝸桿具有自鎖作用，確保液壓馬達停止運轉的狀態下，整個設備即使受到外力，也不能旋轉，從而保證整個設備的工作位置不發生位移，維持設備的穩定性。

2.4機械結構參數統計

在整個設備的機械結構設計過程中，需要根據設備的形狀、用途選擇合適的參數，結合本設備，應包含八角形工作臺（見表2）、伺服電機（見表3）、蝸輪蝸桿減速器（見表4），以及外、中、內環的機械參數（見表1），具體來說，總結如下：

表1　外、中、內環機械參數

表2　八角形工作臺機械參數

表3　伺服電機參數

表4　渦輪蝸桿減速器參數

3　三軸無磁轉臺設計注意事項分析

3.1材料鑄造注意事項

由于整個設備采用金屬材質鑄造而成，且鑒于設備三維結構較為復雜，因此，在設備鑄造過程中，需要采用較高的鑄造工藝進行操作，以此保證設備機械結構的穩固和可靠。具體來說，在鑄造操作中需要注意以下幾方面事項：

第一，應采用無磁坩堝進行鑄造。為保證設備的無磁性能，在鑄造中，應選用專業的無磁坩堝設備進行冶煉，以此避免其他鐵雜質融入設備鑄件中，在具體選型中，可選擇濟寧市北辰金屬材料有限公司生產的合金漏板無磁坩堝，該產品采用專業的無磁磨具鋼，并應用熱擠壓工藝制成，性能優越。

第二，采用無磁陶瓷刀具進行切削。切削工藝，也是設備機械結構設計中的關鍵環節，為保證設備機械工藝的質量，應采用專業的無磁陶瓷刀具，對逐漸進行多輪磁性切削，以保證設備的絕對無磁化。

3.2框軸定位注意事項

由于設備在運行過程中，需要經歷高速回轉，因此，確保高速回轉下的框軸穩固定位十分重要。在具體的機械結構設計中，需要重點關注該項：

第一，設計無磁滾動軸承。在設備三環的機械結構設計中，為各環引入無磁滾動軸承作為支撐，可以有效降低設備回轉過程中的振動幅度，提升回轉的精度和穩固性。

第二，設計專用夾具固定框軸。為進一步保證設備運轉的穩固性，在設備機械結構固定中，可引入專用夾具固定三環，譬如：軸承座夾具。

3.3尺寸簡化注意事項

由于該設備需要應用在高精密儀器的傳感信號檢測中，且設備本身還包含傳動部分、計算機控制部分等，因此，在機械結構設計中，技術人員應盡量簡化設備的尺寸，使設備能夠在最優化的尺寸下，完成最精密的功能。

例如，在A、B、C三軸的機械結構設計中，采用回轉軸結構設計思路，由于回轉軸具有體積小的特點，能夠與設備的液壓旋轉接頭部分進行無縫結合，以此簡化設備結構尺寸，減小整個系統的外形。此外，在各框軸尺寸布置和設備零件的設計中，設計人員還應盡量選擇體積小，精密度高的部件，確保整個設備尺寸的精簡化。

4　結束語

三軸無磁轉臺是現代航空、工業、機械行業中，應用較多的一類高精密度設備，本文采用系統設計，邏輯描述的方法，詳細闡述了一類三軸無磁轉臺的機械結構設計方案，并對設計中應注意的事項進行了分析。一個完整的三軸無磁轉臺設計還應包含控制系統設計、計算機系統設計、傳統系統設計三個方面，上述設計內容都有待在今后的研究中進一步完善。

[1]高連生，楊劍楠.三軸仿真轉臺上位機軟件設計[J].硅谷，2008，（21）：23-25

[2]花新峰，武祎.測試轉臺的研究現狀及發展趨勢[J].電子制作，2015，（05）：240.

[3]劉春芳，吳盛林，曹健.三軸飛行模擬仿真轉臺的設計及控制問題研究[J].中國慣性技術學報，2003，（01）：35-37.

[4]王旭永.三軸無磁轉臺磁特性分析與結構設計[J].機械工程學，2012，（13）：56-58.

[5]劉鵬，王旭永，陶建峰，等.無磁仿真轉臺用凸輪轉子馬達葉片干擾力矩[J].上海交通大學學報，2010，（12）：45-48.

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

江西省科技項目課題（編號：GJJ151373）。

王翠（1985-），女，江西上饒人，碩士，講師，研究方向：機械技術。