高速精密小型轉臺結構的研究與設計

周玉

摘要：在監控系統當中，高速精密小型轉臺是十分重要的組成部分，可以有效實現攝像機以及紅外夜視儀等相關設備的支撐，而且還能夠完成目標位移的高精度跟蹤。本文針對高速精密小型轉臺結構的設計進行分析，具體從轉臺轉動和定位兩個方面分析了轉臺的傳統機械結構，提出了小型轉臺的總體結構設計方案，并對方案是否與結構設計要求相符進行了驗證。

關鍵詞：高速精密;小型轉臺;轉臺結構;結構設計

本文針對高速精密小型轉臺進行了具體設備，具體來說，該小型轉臺主要使用兩個轉動軸，而為了確保其能夠連續在水平方向上進行旋轉，需要在垂直角度上轉動135度，這樣一來，這一轉臺便可在高速轉動的同時有效實現精準定位和實時跟蹤，對目標進行監控，因此實用性較高。

一、高速精密小型轉臺的總體設計

本文當中主要采用UG設計轉臺，并對實體模型進行了建立，具體如下圖所示。

（一）總體結構方案

小型仿真轉臺結構主要包括電控和機械兩個部分，而機械部分主要由齒輪、外科和軸等組成。電控部分則具體包括電機以及編碼器等，為了在環境惡劣情況下，該轉臺依舊能夠正常運行，需要將其外形進行合理設計，通過將其設計為細窄狀，可以起到良好的防風效果，并要確保兩頭具有流線型特點，從而使其機箱殼體能夠保持整體，將支撐轉動軸的雙立板進行連接，之后在嚙合部位對密封圈進行配備。與此同時，還需要在轉臺兩端合理裝設攝像機和紅外照明，為保持轉臺的平穩性，應采取對稱式形式對其結構進行設計，這樣不僅可以確保轉軸轉動，而且還能維持較高的運轉速度。對于轉臺的垂直轉動軸以及水平轉動軸需要按照中空結構進行設計，其優點在于輕量化，在具體轉動過程中可以減少慣量，使轉臺的固有頻率得到提升。對于轉動軸的中空空間需要合理使用電線敷設，防治在轉臺轉動時電線出現纏繞。同時還需要在轉臺傳動系統中配置兩臺電機，這樣一來，在水平方向上可以通過齒輪傳動完成緊急啟動和停止等相關操作，使臺面能夠進行正反向的旋轉。對于垂直方向，通過帶動攝像機和照明器的座板，可以使其在此方向上完成俯仰運動。

（二）小型仿真轉臺的主要材質

轉臺機殼以及底座等部位主要采用ZL201，其力學性能良好，密度也相對較低，通過對使用此種材質，可以使轉臺機身重量得到減輕，而為了使響應速度加快，需要確保響應精度足夠高。由于鑄鋼具有較高的剛度，所以轉動軸主要使用鑄鋼材料。而為了能夠提高系統性能，需要對電機型號進行合理選擇，這樣一來可以具有較高的定位精度，并反復多次的進行定位，使控制精度得到提升。

二、轉臺機機械系統結構設計

本文當中對轉臺機械系統進行設計時，需要對其方位、垂直以及支撐等結構進行明確。對于方位以及垂直結構，可以采用間接驅動的方式，使轉動軸和電機得到連接，這樣可以通過較小的力矩使負載得到帶動。支撐結構主要對轉臺重量進行承載，又可分為底座和框體兩部分。為了使轉臺性能得到有效提升，需要深入分析和改進轉臺傳統的機械結構，并通過改進使轉臺得到創新，而在垂直方向上，其轉動軸主要由相應的軸承和立板所組成，并在內部通過具體的光學耦合套和光耦擋片有效固定。相關設計人員可以將轉動軸設計成直圓柱形，這樣一來可以通過轉動軸光耦套內側的環形凹槽有效固定左定位擋圈，并通過轉動軸定位套內側凹槽對右定位擋圈進行固定。因此，左右兩個定位擋圈需要配合環形凹槽，從而充分發揮出軸肩的具體功效。

三、小型轉臺結構靜力學和模態分析

（一）結構簡化

高速精密小型轉臺具有十分復雜的，所以在構建仿真模型時需要逐一考慮每個零件，難度相對較大。在此過程當中，相關設計人員需要對簡化原則進行利用，從而合理實現轉臺建模，這樣一來不僅能夠更有針對性的研究結構特性，還能夠使工作量得到減少。具體而言，相關設計人員可通過UG7.0進行來有效對轉臺進行建模，并將其導入到具體的軟件當中。通過相關分析工作開展，可以發現轉臺承受載荷主要與以下幾個方面有關。首先，轉臺承受載荷與其自身的重量和攝像機重量有著緊密聯系。通過相關軟件的應用，可以對結構重力進行模擬，而且還可以對重力加速度進行設置，從而有效實現重力模擬過程，由此可以看出系統的重力方向和加速度方向主要保持相反關系。其次，垂直機構所具有的慣性力矩，對此，相關研究人員需要深入分析和計算方位機構的慣性力矩以及最大角加速度。

（二）靜力學分析

通過應用軟件進行具體的靜力學分析，可以發現轉臺的最大應力需要分布在以下兩個方面，分別是方位機構和底座的連接位置、垂直方向轉動軸和光電負載連接位置，其最大值為0.44毫帕。在轉臺底座進行選材時主要使用鑄鋁，屈服應力為230毫帕，對于轉動軸材料在選擇時主要為鑄鋼，屈服應力為270毫帕，這也使得轉臺設計強度與相關要求相符。

結束語：

綜上所述，本文主要研究和計算了轉臺的相關性能指標。對轉臺的總體結構設計方案進行設計，并對轉臺機械結構進行改進和創新，使轉臺性能得到提升。通過深入分析轉臺結構和機械性能方面的要求，并應用有限元理論和相關軟件，從而分析了轉臺的靜力學和模態，對高速精密小型轉臺結構的設計方案可行性進行具體驗證，希望能夠為相關研究人員起到一些參考作用。

參考文獻：

[1]付饒. 高速精密小型轉臺的結構設計與研究[J]. 電子質量， 2018， 379（10）：99-103.

[2]姜旭倫. 精密伺服轉臺的設計與有限元分析研究[D]. 2015.

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