某便携式转台结构设计_李德举.pdf

第39卷第3期2023年6月Electro-Mechanical Engineering结构设计DOI:10.19659/j.issn.10085300.2023.03.004某便携式转台结构设计*李德举，宋文虎，赖天华，张文婷（中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都 610036）摘要：文中介绍了一款便携式转台的结构设计过程。首先根据系统的使用要求，结合负载特点，对转台需承受的风载荷、偏心载荷和惯性载荷进行计算，从而选定直流无刷电机的驱动方式。然后通过合理布局轴系、传感器、伺服控制电路等零部件，构建了转台整体方案。进而对动力链进行详细设计，同时考虑精度实现、限位方式、重量控制、设备安装相关内容以及手轮驱动和姿态反馈功能。该转台已随系统通过了各项功能测试和环境试验，满足所有指标要求并量产。关键词：便携式转台；结构设计；载荷中图分类号：TN820.8文献标识码：A文章编号：10085300(2023)03001504Structural Design of a Portable TurntableLI Deju,SONG Wenhu,LAI Tianhua,ZHANG Wenting(The 29th Research Institute of CETC,Chengdu 610036,China)Abstract:The structural design process of a portable turntable is introduced in this paper.Firstly,the windload,eccentric load and inertial load are calculated according to the system requirements and the characteristicsof the load.The driving mode of DC brushless motor is selected.Then,the overall scheme of the turntable isconstructed through reasonable layout of shafting,sensors,servo control units and other parts.The power chainis designed in detail.The precision,limit mode,weight control,installation,hand wheel drive and attitudefeedback are considered at the same time.The turntable along with the system has passed various functionaltests and environmental tests,meets all the specifications and is in mass production.Key words:portable turntable;structural design;load引言便携式战场侦察设备具有整体结构简洁、轻便、机动性强、侦察距离远等优点，非常适用于单兵或班组作战，广泛应用于现代战争中夺取战场信息12。为了覆盖一定的侦察区域，国外多型便携式地面战场侦察设备都采用了转台驱动天线等探测设备转动的方式，如美国的ARSS、英国的MASTER、俄罗斯的FARA-1等3。根据侦察目标的特点，转台的需求不尽相同，但均包含体积小、重量轻、易于拆装、转动精度及速度适中等方面。文献4设计了一型可实现360连续回转的便携式雷达转台并着重分析了转台精度的实现过程。文献5根据雷达总体指标要求以及转台负载选用步进电机作为转台动力源，实现了某型战场侦察雷达的结构总体设计。文献6发明了一款便携式转台，采用密珠轴承承载，具有低轮廓、承载能力强等特点。本文依据某便携式转台的设计要求，通过理论分析得出动力链所需功率，用于器件选型和动力链配置，并在转台中集成了手轮驱动和姿态反馈功能，为便携式转台的结构设计提供了借鉴。1转台结构方案1.1设计要求转台驱动两型抛物面天线转动，天线口面尺寸分别为1000mm 400mm和400mm 318mm。转台安装于三脚架上，如图1所示，要求具备临时架设与长期架设的接口，并可上报转台架设姿态信息。天线1天线2转台三脚架电缆综合处理机图 1系统组成示意图*收稿日期：2022110115结构设计2023年6月系统对转台提出的具体设计指标如下：1）6级风可工作；2）方位转速5/s；3）动力链回差优于0.1；4）转动范围220；5）具备手轮驱动功能；6）质量66kg。1.2载荷计算根据负载特点及指标要求，首先对载荷进行计算。转台提供的动力需克服3部分载荷，即风载荷、架设不水平时造成的偏心载荷和负载运动过程中产生的惯性载荷。为了简化计算又不失准确性，参照文献7中提供的方法，对风载荷进行计算：q=v216Fd=CdAqgMW,S=CMADqgMW=MW,S+FdD2n6v(1)式中：q为风力动压头，kg/m2；v为风速，m/s；Fd为风阻力，N；Cd为阻力系数；A为天线的特征面积，m2；g为重力加速度，m/s2；MW,S为静态风力矩，Nm；CM为风力矩系数；D为天线的主尺寸，m；MW为总风力矩，Nm；n为转动角速度，rad/s。风载荷计算相关参数见表1。表 1风载荷计算相关参数参数天线1天线2Cd1.51.5CM0.140.14A/m20.4000.128D/m1.00.4Fd/N74.6523.89将表1参数代入式（1），可得6级风状态下的回转力矩MW=17.1Nm。偏心载荷Me可由式（2）进行计算：Me=mgesin(2)式中：m为天线等回转部件总质量，约15.7 kg；为不水平度，取5；e为负载水平面内偏心，经实体模型测量，约为83 mm。将这些参数代入式（2），可得Me=1.13Nm。惯性载荷MJ可由式（3）进行计算：MJ=J(3)式中：J为负载转动惯量，kgm2；为角加速度，rad/s2。经三维建模软件实体测量，倾斜状态下的转动惯量J=0.674kgm2，代入式（3）可得MJ=0.059Nm。方位总力矩M采用均方根值进行综合，即：M=M2W+M2e+M2J(4)将上述计算结果带入式（4）可得M=17.14Nm。所需功率P=Mn=1.5W。1.3驱动方式选择根据负载特性、系统条件等因素，驱动方式有以下几种选择方案：1）永磁直流力矩电机+减速器；2）无刷直流力矩电机+减速器；3）无刷直流电机+减速器。由于永磁直流电机电刷寿命有限，考虑到产品需要长时间使用，因此排除方案1。参考国内无刷直流力矩电机相关参数，在满足功率和转矩要求的条件下，电机重量和尺寸较大，因此排除方案2。无刷直流电机+减速器的驱动方式在额定状态下的使用寿命较长，且功率体积比较大，因此选择方案3。无刷直流电机转速较高、力矩较小，根据末级动力特征，采用减速器+蜗轮蜗杆的形式配置动力链。1.4结构布局转台结构布局如图2所示。考虑布局的紧凑性，将无刷直流电机组件竖直放置，其输出轴通过锥齿轮副换向，连接蜗杆一端；蜗杆水平布置，蜗轮回转轴垂直；考虑到转台承受径向和轴向载荷联合作用，选用一对角接触球轴承组成立轴轴系支承。主轴底部与编码器输入轴连接，将回转角度传递给编码器。同时，主轴为齿轮轴，其外齿与电限位装置输入轴外齿啮合，通过丝杆螺母将回转运动转化为直线运动，从而带动螺母上的磁钢上下运动，磁钢与霍尔传感器配合，实现电限位功能。箱体电限位装置无刷直流电机组件锥齿轮副蜗轮蜗杆副手轮柔性联轴器倾角仪主轴伺服控制电路机械限位底座编码器图 2转台结构布局示意图整个转台采用闭式传动。蜗轮蜗杆、轴承和齿轮采用脂润滑。正面和两侧面采用盖板保护。伺服控制16第39卷第3期李德举，等：某便携式转台结构设计结构设计电路布置于转台侧面，通过J30J矩形连接器与电机、霍尔传感器以及编码器连接。转台整体外形见图3。图 3转台外形示意图（去掉正面盖板）2设计与分析2.1动力链设计1.2节计算的力矩是理想状态下的结果，但在实际应用中，各传动部件的效率不能忽略。无刷直流电机适配的微型行星减速器的最低效率为0.65，锥齿轮副的效率为0.97，常用的蜗杆为阿基米德圆柱蜗杆（ZA型），蜗轮蜗杆副的效率在0.5和0.8之间。同时需要预留一定的安全系数。考虑这些因素，转台需提供的力矩M及功率P为：M=SM123P=SP123(5)式中：1为微型行星减速器效率；2为锥齿轮副效率；3为蜗轮蜗杆副效率，取0.65；S为安全系数，取1.5。将上述参数带入式（5）可得M=62.73Nm，P=5.49W。初选一型自带行星减速器的无刷直流电机组件，其有效输出功率为8 W，连续扭矩为2Nm，转速为66.67 r/min。在功率满足的前提下，根据负载转速及常用蜗轮蜗杆副参数配置动力链速比。锥齿轮副只用作换向，速比为1。初选蜗轮蜗杆副的参数见表2。表 2蜗轮蜗杆副参数参数值模数/mm1.6齿数/头数51/1齿形角/()20分度圆导程角/()4.5738蜗轮变位系数0.5齿顶高系数1顶隙系数0.2动力链的理论可输出力矩为66.3Nm，转速为7.84/s，可满足使用要求。2.2动力链回差分析转台共经过电机组件减速器、锥齿轮副、蜗轮蜗杆副3级部件或传动副减速，分别对上述环节进行回差分析计算。2.2.1电机组件减速器回差电机组件自带减速器的最大回差re为1，经过蜗轮蜗杆减速，产生的回差1为：1=rei3 0.02(6)式中，i3为蜗轮蜗杆副速比，即51。2.2.2锥齿轮副回差锥齿轮副产生的回差2为：2=jtmax2dzgi3 360(7)式中：jtmax2为锥齿轮副最大圆周侧隙，根据文献8，计算得jtmax2=0.181mm；dzg为锥齿轮分度圆直径，dzg=19mm。将上述参数带入式（7）可得2=0.022。2.2.3蜗轮蜗杆副回差蜗轮蜗杆副选用7f精度等级，中心距为50 mm，蜗轮蜗杆副产生的回差3为：3=jtmax3dwg(8)式中：jtmax3为蜗轮蜗杆副最大圆周侧隙，根据文献9，计算得jtmax3=0.032mm；dwg为蜗轮分度圆直径，dwg=81.6mm。将上述参数带入式（8）可得3=0.043。综上所述，动力链回差为：61+2+3=0.085(9)可以满足使用要求。2.3限位设计转台并非360连续转动，需要设置相应的限位保护措施。一般转台的限位包括软件限位、电气限位保护装置和机械限位缓冲装置10。2.3.1软件限位软件限位要求转台转动范围大于220，一般程序中会预留2 3的余量，将转台转动范围设定为223。通过标定主轴上的指针，与转台箱体上的0刻线对齐，以确定零位；通过编码器上报角度，控制正反方向分别转动至223之间。17结构设计2023年6月2.3.2电限位电限位范围比软件限位范围稍大，设定为225。如前文所述，选取丝杆螺母副为主体构建电限位装置。主轴上端部分存在外齿，与电限位装置小齿轮啮合，齿轮副模数为1 mm，齿数分别为19和57，相应速比为3。理想状态下，主轴正转225时，丝杆正向行程为7.5 mm，相应螺距为4 mm/r。霍尔传感器主体固定在可调转接件上，调整至所需角度后，通过紧固件将转接件固定即可。2.3.3机械限位机械限位（图4）范围设定为230，软件限位和电限位均失效时，机械限位触发。限位动销限位拨叉限位定销图 4机械限位示意图如图4所示，限位定销安装于底座上，不转动，限位动销安装于主轴上，随主轴一起转动。假设图4所示位置为0位置，当主轴逆时针转动时，限位动销随主轴一起逆时针转动；当限位动销转动至限位定销的图示位置时，主轴已经转动了230；主轴继续转动，限位动销带动限位拨叉逆时针转动，又转动了230时，限位拨叉的两个边缘分别撞击到两限位销的侧面，实现可靠的机械限位。根据前文所述，转台末级可连续输出的扭矩为66.3Nm。根据选用电机的特性，短时