三轴无磁转台机械结构设计研究

王翠，叶智彪，高岭

（九江职业技术学院，江西九江332007）

三轴无磁转台机械结构设计研究

王翠，叶智彪，高岭

（九江职业技术学院，江西九江332007）

在对三轴无磁转台进行简要概述的基础上，提出了设备机械结构设计的总体方案，并从外框、中框、内框的机械结构参数三个方面入手，详细分析了三轴无磁转台机械结构设计的细节，最后，对设计中应注意的事项进行了总结，形成详细的设计方案，从而使整体设计具备应用参考价值。

三轴无磁转台；机械结构设计；结构参数

三轴无磁转台，是一种满足工业、机械传感器研发生产需求，用于设备调试、检验、校准而设计生产的一种专用机械设备[1]，该设备全部应用无磁或不导磁材料制成，三轴均可实现数字显示以及微调功能，具有精度高、可靠度优良等特点，在具体的使用过程中，转台设备的三个轴均能在任意角度实现转动或锁紧，确保转台应用中的稳固性。

由于三轴无磁转台的优良特性，近年来，被广泛应用在航空、航天、国防等产业中，其功能也由传统的调试、校准逐渐向仿真测试演进[2]。在三轴无磁转台的应用中，美国、英国等国走在世界前列，我国从上世纪60年代开始进行相关的研制工作，并逐渐涌现出一些质量过硬的产品[3]，例如，长春光机所于上世纪80年代研制的SJT-1型三轴无磁测试台，定位精度可达1.5角秒[4]；2015年，北京恒准时代科技有限公司研制的三轴无磁转台，其精度更是达到了1.0角秒[5]，达到国际同类产品先进水平。

为了满足现代飞行器精度更高的要求，本文开发了三轴无磁转台，采用系统设计，从外框、中框、内框的机械结构参数三个方面入手，详细分析了三轴无磁转台机械结构设计方案，并对整个设计过程中的注意事项进行了描述，形成详细的设计方案，从而使整体设计具备应用参考价值。本文研制了三轴无磁转台，整个机械结构设计方案如下。

1　三轴无磁转台机械结构设计分析

本文所研究的三轴无磁转台，其机械结构采用“外、中、内”三环嵌套模式，而外环、中环和内环分别对应设备的C轴、B轴和A轴，三个轴互相嵌套，形成了无磁转台的三个回转自由面，在具体的使用中，采用液压系统驱动三个轴运动，图1为设备的机械结构设计图。

图1　三轴无磁转台机械结构设计图

由图1可知，整个三轴无磁转台的机械结构主要依托A、B、C三个轴设计，在具体的机械设计中，A轴为绕横滚轴，主要由液压马达、齿轮减速器、回转框架等机构组成；B轴为绕俯仰轴，主要由八角形支架、导电滑环、回转轴、无磁滚动轴承组成；C轴为绕方位轴，主要由夹具体、驱动系统、无磁液压和底座组成。

2　三轴无磁转台机械结构细节设计

2.1外环设计

由图1可知，本设计转台的外环部分主要为C轴，在具体的机械结构设计中，围绕以下几方面展开。

第一，整个外环采用一对无磁滚动轴承进行支撑，下部轴承通过法兰盘与底座进行固定，上部轴承则与B轴互联。

第二，环中部采用蜗轮、蜗杆互相配合，与液压马达连接，而液压马达则是外环C轴动力的主要来源。

第三，无磁光栅安装在C轴的底部，其主要功能为：对C轴外环的运转速率、位置进行即时检测，检测的数据能够通过设备的反馈回路，反馈给外部控制系统进行自适应调整。

此外，外环部分的机械结构中，还引入了导电滑环，其主要功能为：在设备运转过程中，保证外、中、内三环之间的信号传输效果，为保证信号传输的准确性，该导电滑环需采用镀银工艺制成。

2.2中环设计

中环是本设备旋转部件中的支撑环，对B轴的回转有着重要的支撑作用，其三维视图如图1所示，在具体的设计中，将两对无磁滚动轴承置于八角形支架上，八角形支架右端设计为主动轴，左端设计为从动轴，此外，八角形支架上设计安装一个减速器壳体，其作用为控制液压马达的转动速率，而该马达的运动，能够使中框和内框实现绕B轴的回转。在中环的设计中，还包含两个导电滑环，其作用为通过导电滑环的信号传导作用，实现速率采集信号与内框无磁光栅信号的有效传导，而无磁光栅亦可以对B轴的位置和实时速率进行检测，该检测信号通过设备的闭环反馈组建，反馈至系统的自适应控制模块，在该模块的调整下，完成对B轴旋转信号的最优调整。

2.3内环设计

内环的能够保证A轴的回转调整，其三维视图如图1所示，在机械设计中，在环内安装了一个蜗轮蜗杆减速器，置于八角形环形支架的外侧，并与液压马达相连，在蜗轮蜗杆减速器的作用下，能够驱动内环旋转。在内环的设计中，还包含导电滑环、无磁圆光栅、夹具体等部件，其中，无磁圆光栅的作用为检测内环的旋转速率、角度，导电滑环的作用为采集传感器数据信号，并完成信号的传输，而夹具体的机械设计，主要考虑到整个内环的定位，采用螺钉固定在内框上，对传感器进行定位夹紧，尺寸约为Φ400 ×420 mm.此外，内环的涡轮蜗杆具有自锁作用，确保液压马达停止运转的状态下，整个设备即使受到外力，也不能旋转，从而保证整个设备的工作位置不发生位移，维持设备的稳定性。

2.4机械结构参数统计

在整个设备的机械结构设计过程中，需要根据设备的形状、用途选择合适的参数，结合本设备，应包含八角形工作台（见表2）、伺服电机（见表3）、蜗轮蜗杆减速器（见表4），以及外、中、内环的机械参数（见表1），具体来说，总结如下：

表1　外、中、内环机械参数

表2　八角形工作台机械参数

表3　伺服电机参数

表4　涡轮蜗杆减速器参数

3　三轴无磁转台设计注意事项分析

3.1材料铸造注意事项

由于整个设备采用金属材质铸造而成，且鉴于设备三维结构较为复杂，因此，在设备铸造过程中，需要采用较高的铸造工艺进行操作，以此保证设备机械结构的稳固和可靠。具体来说，在铸造操作中需要注意以下几方面事项：

第一，应采用无磁坩埚进行铸造。为保证设备的无磁性能，在铸造中，应选用专业的无磁坩埚设备进行冶炼，以此避免其他铁杂质融入设备铸件中，在具体选型中，可选择济宁市北辰金属材料有限公司生产的合金漏板无磁坩埚，该产品采用专业的无磁磨具钢，并应用热挤压工艺制成，性能优越。

第二，采用无磁陶瓷刀具进行切削。切削工艺，也是设备机械结构设计中的关键环节，为保证设备机械工艺的质量，应采用专业的无磁陶瓷刀具，对逐渐进行多轮磁性切削，以保证设备的绝对无磁化。

3.2框轴定位注意事项

由于设备在运行过程中，需要经历高速回转，因此，确保高速回转下的框轴稳固定位十分重要。在具体的机械结构设计中，需要重点关注该项：

第一，设计无磁滚动轴承。在设备三环的机械结构设计中，为各环引入无磁滚动轴承作为支撑，可以有效降低设备回转过程中的振动幅度，提升回转的精度和稳固性。

第二，设计专用夹具固定框轴。为进一步保证设备运转的稳固性，在设备机械结构固定中，可引入专用夹具固定三环，譬如：轴承座夹具。

3.3尺寸简化注意事项

由于该设备需要应用在高精密仪器的传感信号检测中，且设备本身还包含传动部分、计算机控制部分等，因此，在机械结构设计中，技术人员应尽量简化设备的尺寸，使设备能够在最优化的尺寸下，完成最精密的功能。

例如，在A、B、C三轴的机械结构设计中，采用回转轴结构设计思路，由于回转轴具有体积小的特点，能够与设备的液压旋转接头部分进行无缝结合，以此简化设备结构尺寸，减小整个系统的外形。此外，在各框轴尺寸布置和设备零件的设计中，设计人员还应尽量选择体积小，精密度高的部件，确保整个设备尺寸的精简化。

4　结束语

三轴无磁转台是现代航空、工业、机械行业中，应用较多的一类高精密度设备，本文采用系统设计，逻辑描述的方法，详细阐述了一类三轴无磁转台的机械结构设计方案，并对设计中应注意的事项进行了分析。一个完整的三轴无磁转台设计还应包含控制系统设计、计算机系统设计、传统系统设计三个方面，上述设计内容都有待在今后的研究中进一步完善。

[1]高连生，杨剑楠.三轴仿真转台上位机软件设计[J].硅谷，2008，（21）：23-25

[2]花新峰，武祎.测试转台的研究现状及发展趋势[J].电子制作，2015，（05）：240.

[3]刘春芳，吴盛林，曹健.三轴飞行模拟仿真转台的设计及控制问题研究[J].中国惯性技术学报，2003，（01）：35-37.

[4]王旭永.三轴无磁转台磁特性分析与结构设计[J].机械工程学，2012，（13）：56-58.

[5]刘鹏，王旭永，陶建峰，等.无磁仿真转台用凸轮转子马达叶片干扰力矩[J].上海交通大学学报，2010，（12）：45-48.

Study on Mechanical Structure Design of Three Axis Non Magnetic Rotary Table

WANG Cui，YE Zhi-biao，GAO Ling
（Jiujiang Vocational and Technical College，Jiujiang Jiangxi 332007，China）

Based on the overviewofthe three-axis non-magnetic turntable triaxial magnetic turntable，this article brings forward an overall program about the mechanical design of equipment，and starts from the mechanical parameters of outside-frame，middle-frame，inner-frame，are analyses the mechanical design details of three-axis non-magnetic turntable in detail，and finally，summarizes some points for attention in the design to form a detailed design，so that the overall design would be provided with a reference value.

three-axis non-magnetic turntable；mechanical design；structural parameters

TH122

A

1672-545X（2016）10-0008-03

2016-07-28

江西省科技项目课题（编号：GJJ151373）。

王翠（1985-），女，江西上饶人，硕士，讲师，研究方向：机械技术。