大型精密轉臺的結構設計與精度分析

于廣東，曾維俊，陳 昊，陳 琦，何 昕

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；2.中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所，蘇州 215163；3.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

自非相干光光柵剪切相位襯度成像法的誕生以來，近些年得到了極大的發展，這使得該技術推廣至人體檢測成為可能。為驗證相位襯度成像原理，要求研制一臺精密轉臺，主要的技術指標如表1所示。

表1 轉臺主要技術指標

本文針對上述指標要求，設計了一臺大型精密單軸轉臺，詳細論述了轉臺結構設計，并對該轉臺進行了精度分析。在樣機完成后對樣機進行了相關檢測，結果滿足項目需求。

1 轉臺結構設計

轉臺主要由轉臺臺面、滑環組件、軸承環組件、垂直軸組件、驅動系統、圓光柵組件、基座和調平地腳組成，其基本結構方案及主要尺寸如圖1所示。

圖1 轉臺結構方案

根據成像系統的物理指標，設計轉臺臺面直徑1700mm，中心孔徑350mm。整個臺面由Q235A板料及標準方鋼管焊接而成，如圖2所示，臺面由內環、中環和外環組成，內部由8組輻射狀的筋將三者連接，筋、中環和外環均是典型的“雙夾層”的結構，具有結構簡單，剛度高及強度大的特點，轉臺臺面焊接完成后，自身又形成“雙夾層”結構，使得整個臺面剛度大、強度高。為減少焊后變形，將轉臺設計成嚴格的軸對稱結構，同時進在整個焊接過程中，充分運用對稱焊、間歇焊等焊接工藝，進一步保證焊后變形盡量小。焊接完成后，進行退火處理和振動時效處理，使焊接應力充分釋放，保證轉臺臺面具有較高的尺寸穩定性。焊接完成后需對轉臺臺面進行焊后加工，為保證軸承環的安裝精度，在轉臺臺面下表面加工有軸承環上止推環安裝面，經過粗加工、精加工和磨削后，平面度達8μm～10μm。

圖2 轉臺臺面結構圖

軸承環組件和垂直軸組件是轉臺精度輸出的關鍵組件。軸承環組件起到軸向支撐作用，垂直軸組件起到轉臺的徑向定位的作用，二者均采用密珠軸系，其特點是具有誤差均化作用，過盈配合相當于施加預載荷，通過鋼球的彈性變形消除間隙，減小零件形狀誤差的影響。軸承環組件主要由上、下止推環，保持器，鋼球，保持器定位架和保持器支撐架組成，結構如圖3所示。上、下止推環直徑為1126mm，選用GCr15SiMn材料，經過鍛造、正火、球化退火、淬火、時效等工序后，使材料硬度達HRC58～60。上、下止推環分別與轉臺臺面和基座通過螺釘連接組合后，進行組合精密研磨，使其承載端面的平面度在2μm以內，圖4為利用檢測工裝檢測下止推環的平面度。保持器由黃銅（H62）材料制成，具有良好的耐磨性。為保證保持器不磨損下止推環，轉臺設計有保持器支撐架和保持器定位架。

圖3 軸承環組件結構圖

圖4 下止推環平面度檢測

轉臺臺面重量和負載總重約3t，為保證轉臺的承載能力和精度，要求鋼球變形量在8μm以內。選擇鋼球直徑為12mm，總個數為360枚。鋼球與止推環接觸時，形成赫茲接觸，根據赫茲接觸理論，計算得到單個鋼球最大變形達到8μm時，鋼球所能承受的載荷為P=95N，所受的最大接觸應力為1900MPa，即鋼球所受最大接觸應力小于材料許用接觸應力。

垂直軸組件基本結構圖5所示，由垂直軸、連接法蘭、內襯套、外襯套、鋼球和保持架組成，其主要作用是在轉臺的運動過程中起到定心的作用。垂直軸、連接法蘭均采用40Cr材料經進行質處理，其硬度達HRC28～32，垂直軸內、外襯套均采用GCr15SiMn，淬火后其硬度達HRC58～60，并分別與垂直軸、連接法蘭組合后精密研磨完成。

圖5 垂直軸組件結構圖

為減少由加工、裝配引起的垂直度偏差對軸系運動的過定位擾動，垂直軸組件的定位中心平面與軸承環鋼球中心共面，如圖6所示。

驅動系統是由西門子1FW6160-0WB05-1JC2型大型力矩電機組成，電機額定轉矩達431N.m，最大轉速140rpm，滿足轉臺的力矩和轉速要求。圓光柵組件選用的是雷尼紹增量式圓光柵，用于對轉臺運動角位置的測量和反饋，分辨率為0.32″，系統精度±0.87″。

圖6 軸承環中心平面與垂直軸組件中心平面共面

基座為整個轉臺提供安裝基準和運動基準，需要較大的剛度和強度，其結構、焊接工藝、熱處理工藝及焊后加工過程與轉臺臺面類似，在此不再贅述，在轉臺上表面的有軸承環下止推環安裝面，經過粗加工、精加工和磨削后，平面度達8μm～10μm。

2 轉臺精度分析

2.1 軸系精度分析

軸承環從導軌特性，因此在上止推環的下表面加工精度恰當的情況下，對轉臺精度影響最大的是與轉臺基座組合后的下止推環的上平面的平面度。利用Ansys計算得到在滿負荷狀態下，下止推環與轉臺基座組合后的下止推環上表面的變形情況，如圖7所示。

圖7 下止推環的上表面變形情況

從圖7可知，軸承環下止推環上表面的變形最小為3.95μm，最大變形5.42μm，相對變形量1.47μm，該誤差為靜態誤差，且變形區域呈軸對稱分布，由于密珠軸系具有誤差均化效應，因此該誤差對軸系晃動的影響可忽略不計。由前述可知，與轉臺臺面和基座組合后的上、下止推環的表面的平面度為，根據誤差合成理論，取置信系數，則有：

轉臺軸承環組件的作用直徑為d=Φ998mm，則轉臺的軸系晃動精度為：

2.2 定位精度分析

對系統定位精度造成影響的因素有圓光柵的定位精度ε1和圓光柵位置測量傳輸時間造成的位置偏差ε2。根據選定的圓光柵可知，ε1=1.74″。對于ε2有：

3 轉臺檢測

根據前述的技術方法和工藝路線完成轉臺各零件的加工，經檢驗合格后進行裝調，裝配完成后的轉臺實物圖如圖8所示。

圖8 轉臺實物圖

依據技術指標，編寫相應的檢測大綱，對轉臺軸系晃動精度，定位精度和重復定位精度進行檢測，如圖9～圖11所示。圖9所示為使用青島前哨電子水平儀（精度0.2″）對轉臺軸系晃動進行檢測，每間隔30°取一點，共計12點，數據如表2所示。通過計算得到轉臺軸系晃動精度為0.28″。圖10所示為使用萊卡經緯儀配合四面棱鏡檢測轉臺定位精度和重復定位精度，圖11為轉臺定位精度的現場檢測，以90°為間隔讀取測量點，共測試3次，檢測數據如表3所示，經計算得轉臺定位精度為7.56″，重復定位精度為2.88″，均滿足指標要求。

圖9 轉臺軸系晃動檢測示意圖

圖10 定位精度和重復定位精度檢測

圖11 轉臺定位精度的現場檢測

表2 軸系晃動檢測數據

續（表2）

表3 定位精度及重復定位精度檢測數據

4 結語

本文根據相位襯度成像的物理需求，設計一臺大直徑、高速度單軸轉臺，主體結構采用焊接結構，采用密珠軸系作為轉臺軸向支撐和徑向定位，具有質量輕、精度高的特點。文中詳細論述了轉臺的結構設計、完成的工藝方法和精度分析，最終經過檢驗，轉臺直徑1700mm，最高速度30r/min，軸系晃動達到0.28″，定位精度7.56″，重復定位精度2.88″，完全滿足指標要求，驗證了前述的結構設計是合理的，精度分析是正確的，同時本文對于大型精密轉臺的設計具有一定的借鑒意義。