淺談高精度伺服轉臺結構設計

石要輝

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

伺服轉臺廣泛應用于雷達探測、光電跟蹤成像、衛星通信等領域，其作用是帶動負載進行高精度的旋轉運動，伺服轉臺作為整個系統工作的重要組成部分，其軸系設計精度、工作旋轉精度直接影響整個系統的指向精度，從而影響整個系統能否正常運行工作，本文針對某高精度伺服轉臺系統指標要求，通過相關軸系傳動結構設計、制造以及精密裝配等方法，以滿足該伺服轉臺的高指向精度設計要求。

1 伺服轉臺總體結構設計

根據某伺服轉臺設計指標要求如下：（1）負載重量25kg；（2）轉動范圍0°～360°連續旋轉；（3）指向精度≤0.03°；（4）自重≤20kg；（5）具備直流電滑環、低頻信號匯流環；（6）伺服轉臺運行出現異常時，能夠隔離故障，并報告上位機；（7）具備防淋雨措施等指標要求。設計伺服轉臺總體結構如圖1所示，在總體結構設計上，主要考慮減輕重量、結構強度高、安裝固定方便可靠、具有較好的抗振性與系統電磁兼容性等特點。

圖1 伺服轉臺總體結構示意圖

為了保證伺服轉臺的結構強度，同時減輕總體重量，伺服轉臺所有的機械加工件均采用鋁合金5A06系列材料，伺服轉臺機座應用鑄鋁工藝加工制造，以減輕轉臺重量。同時，為了滿足伺服轉臺防鹽霧、腐蝕、濕熱等指標要求，對所有鋁合金材料加工的零部件進行表面導電氧化處理，在轉臺零部件裝配完成后，再對伺服轉臺所有外表面進行噴漆處理。

1.1 伺服轉臺結構組成設計

該伺服轉臺設計內部結構組成如圖2所示，主要包括直流力矩電機、上軸承、下軸承、編碼器、匯流環、電源、伺服控制板、伺服驅動板以及連接器等組成，底部為伺服轉臺安裝法蘭，上部安裝天線負載，主要實現方位360°連續旋轉和和跟蹤。

圖2 伺服轉臺結構組成示意圖

1.2 伺服轉臺防淋雨密封設計

該伺服轉臺從結構上大致分為兩部分：動態部分、靜態部分，動態部分由旋轉盤、匯流環轉軸、電機、編碼器轉子等組成；靜態部分由機座、密封蓋、伺服驅動器保護罩及其他輔助零部件組成。在伺服轉臺防淋雨措施方面設計主要考慮以下方法：（1）提高機座與密封蓋的機加精度；（2）提高兩零件端面平面度要求，保證零件裝配面配合緊密；（3）對于較大的裝配配合面，在通過增加密封溝槽，并在裝配密封橡膠圈時，涂抹防水硅橡膠脂；（4）在裝配過程中，采用一些特殊的裝配工藝，保證機座與密封蓋之間的間隙均勻。

通過這些特殊的結構設計與裝配工藝改進，從而可提高各零部件之間裝配配合精度，調高系統的防滲、漏水性能，相關密封設計以及密封條安裝位置如圖3所示。

圖3 伺服轉臺防淋雨密封設計

2 高精度軸系傳動結構設計

根據總體技術指標要求，該伺服轉臺是為某設備配套研發設計的產品，該伺服轉臺在工作時要滿足搜索、跟蹤的指向精度要求，而指向精度反映了伺服轉臺對跟蹤目標的準確度，它是伺服轉臺的一項重要技術指標，其中影響指向精度的主要因素，有精密傳動的軸系誤差、軸系加工配合誤差、軸系剛度及軸承尺寸誤差、編碼器測角誤差、跟蹤控制誤差等，其中軸系傳動精度及其穩定性對整個系統的指向精度影響最大，因此，在軸系結構設計時，必須引起高度重視。

在以往的軸系傳動設計中，主要利用齒輪進行傳動，但是齒輪傳動存在齒隙誤差，很難達到較高的指向精度，為了滿足該伺服轉臺高指向精度的指標，在設計軸系傳動時，采用直流力矩電機驅動形式，電機轉子直接安裝在中心軸上，中心軸上下端分別安裝軸承，保證其軸系傳動的穩定性和平穩性。

設備負載在工作過程中，整個軸系作為天線負載的支撐體，同時又是直流力矩電機的動力傳遞到整個軸系，實現伺服轉臺的方位連續旋轉，因此，在設計軸系時，對軸系的材料、熱處理以及加工工藝都要進行綜合考慮。我們在設計軸系時，選用42CrMo優質合金鋼材料，并對其進行調質處理，使其剛度和強度得以保證，加工精度要求徑向跳動≤0.03mm、軸向跳動≤0.03mm，上下軸承兩端安裝軸頸的不同軸度≤0.03mm。

在整個軸系裝配的過程中，為了滿足高精度軸系設計要求，特對軸系裝配過程做以下相關要求：中心軸在裝配時通過打表測量，滿足置中精度要求，同時，中心軸上下兩端軸頸與上下軸承配合時，通過小過盈量配合，保證軸承與中心軸同軸度≤0.03mm，直流電機轉子與中心軸裝配時，通過打表測量滿足同軸度≤0.03mm，如圖4所示。同時，匯流環在安裝時也要滿足與中心軸同軸度在0.05mm以內，這樣有利于匯流環使用壽命。

圖4 伺服轉臺軸系結構設計

通過以上軸系傳動設計以及裝配時調節軸系的精度，通過后期實物樣機裝配及測試，該轉臺基本滿足整個伺服系統的跟蹤及指向精度指標。

3 結語

本文通過某高精度伺服轉臺結構設計實例，闡述了伺服轉臺總體結構排布、軸系傳動設計以及軸系裝配精度的要求等，后期通過實物樣機裝配以及對相關指標進行測試，各項指標檢測結果均達到設計時所需的要求，為整個系統的技術性能指標奠定了基礎，通過以上高精度伺服轉臺結構設計，可以滿足伺服系統的跟蹤及指向精度等指標要求。