一種兩軸限位的一維轉(zhuǎn)臺設(shè)計及應(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）

信號源需在水平、垂直方向針對不同振幅做不同振動頻率的運動，運動指標見表1。常用振動臺有機械式振動臺、電液式振動臺、電動式振動臺。機械振動臺結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但工作頻率為5～100Hz，最大位移峰-峰值為6mm；電動及電液式振動臺承載較大，振幅、振頻覆蓋范圍較廣，控制方式較為復雜，因此多用于實驗測試設(shè)備。根據(jù)調(diào)研情況，可以滿足使用情況的振動臺由于功能較多、較復雜，訂購或租用成本較高，因此需研制一種功能指定型設(shè)備，在滿足信號源的運動指標的基礎(chǔ)上小型化、功能單一化。

表1 運動指標

1 限位結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了滿足運動指標，文中設(shè)計使用轉(zhuǎn)臺將負載天線偏心安裝，天線的圓周運動可分解為平面內(nèi)的水平/垂直方向的周期運動，即為水平/垂直向的振動，安裝偏心距即為振幅。

天線負載在繞軸心轉(zhuǎn)動時，會有伴隨的自轉(zhuǎn)運動，由于測試需要天線定指向運動，因此在結(jié)構(gòu)上設(shè)計水平及垂直的限位軸，通過兩根限位軸的導向作用，限制天線的自轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)定指向功能。負載運動簡圖如圖1所示。

圖1 負載運動簡圖

2 驅(qū)動選型

文中選用伺服交流電機，輸出穩(wěn)定、控制簡單，選型需考慮轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、慣量三個要素。轉(zhuǎn)速根據(jù)指標要求600r/min（設(shè)計裕量為3000r/min），負載轉(zhuǎn)動慣量需小于15倍的電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，模型測量負載轉(zhuǎn)動慣量為 0．1kg·m2，電機轉(zhuǎn)子慣量需大于 0．007kg·m2，若滿足最大轉(zhuǎn)速以及負載轉(zhuǎn)動慣量的要求，電機需提供較大輸出功率，實際使用情況無法滿足。由于設(shè)計指標對負載加減速沒有要求，因此通過減小加（減）速度降低電機額定轉(zhuǎn)矩及輸出功率，選用松下電機MSME202G1及配套運動控制器。

3 整機設(shè)計

設(shè)備主軸連接采用脹緊套，代替鍵連接，拆裝方便，具有良好的對中性。根據(jù)載荷計算公式：（M為負載轉(zhuǎn)矩，采用電機額定轉(zhuǎn)矩；Fa為軸向力，承受軸向力較小忽略不計），計算得脹緊套額定轉(zhuǎn)矩，因此選取Z1型脹緊套。負載軸及電機軸主要承受離心力、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)公式對軸承的額定載荷進行校核。校核公式如下：

限位軸使用直線軸承，將負載天線旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為限位軸的直線運動，根據(jù)計算線速度和載荷選用SC20UU-A。

整機裝配如圖2所示。

4 離心力適配設(shè)計

圖2 整機示意圖

由于負載為偏心安裝，因此隨著轉(zhuǎn)速的提高，離心力會不斷加大，會對系統(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)計造成離心力的非定性，難以一次配重解決問題，并且配重過大會使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較大，對電機的驅(qū)動能力要求較高，所以文中在設(shè)計過程中使用試湊法，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 風載荷校核

由于負載與空氣的接觸面較大，在以一定轉(zhuǎn)速運動時會受到風壓的影響，因此需要對負載受到的風載荷進行校核。

6 仿真

使用軟件workbench針對50Hz的負載進行仿真分析，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

機構(gòu)設(shè)計通過運動以及靜力學仿真驗證，功能、結(jié)構(gòu)強度能達到預期需求。在實際應(yīng)用過程中，可以滿足表1指標。但由于設(shè)備受到加工精度以及裝配精度的限制，當轉(zhuǎn)速高于10Hz時，直線滾珠軸承會對導向鋼軸造成磨損，直接影響設(shè)備使用壽命，降低設(shè)備的可靠度。

圖3 負載應(yīng)力云圖

圖4 負載形變云圖

[1]陳章,于慧君．振動控制技術(shù)現(xiàn)狀與進展[J]．振動與沖擊 ,2009,28（3）．

[2]聞邦椿 機械設(shè)計手冊第五版[M]．機械工業(yè)出版社，2010．

[3]陳俊民 風載荷及風彎矩[J]．化工設(shè)備設(shè)計，1993，（06）．