一種雷達(dá)高精度軸系設(shè)計(jì)

陳 勇

(西南電子技術(shù)研究所，四川 成都610036)

一種雷達(dá)高精度軸系設(shè)計(jì)

陳 勇

(西南電子技術(shù)研究所，四川 成都610036)

伺服傳動系統(tǒng)的軸系精度對雷達(dá)系統(tǒng)的精度具有重要影響，本文應(yīng)用一種新的密珠軸系結(jié)構(gòu)形式，對影響軸系精度的各零件采用幾何方法進(jìn)行分析和計(jì)算，同時(shí)考慮到外購件精度的影響，確定滿足高精度軸系誤差要求時(shí)有關(guān)零件的誤差項(xiàng)目及誤差值。

軸系誤差；密珠軸系；轉(zhuǎn)臺

由于在雷達(dá)工作過程中，需要通過伺服控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取天線的位置信息，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮相應(yīng)的位置測量精度。影響測量精度的因素除電訊誤差外，有關(guān)的結(jié)構(gòu)精度也起著重要作用[1]。通常根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，對各個(gè)部分的精度指標(biāo)進(jìn)行分配，其中包含了機(jī)械部分。機(jī)械部分誤差包括傳動系統(tǒng)的傳動鏈誤差和回程誤差，測角編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或自整角機(jī)等測角元件本身的測角誤差及其與旋轉(zhuǎn)軸連接的誤差，以及聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)角誤差。方位或俯仰軸及相關(guān)組件組成旋轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)，該系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)精度也是雷達(dá)伺服系統(tǒng)測量精度的重要組成部分。提高機(jī)械部分的精度可分擔(dān)電訊部分的精度指標(biāo)，有利于提高雷達(dá)的整體性能。

軸系的回轉(zhuǎn)精度受本身結(jié)構(gòu)形式和幾何制造精度的影響，裝配調(diào)整除主要受偏心調(diào)整的影響外，也受軸系的剛度、標(biāo)準(zhǔn)件(如軸承)精度、溫度、潤滑劑和摩擦磨損的影響。本文主要從密珠軸系的設(shè)計(jì)出發(fā)，以某雷達(dá)伺服傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，主要針對方位軸系，分析設(shè)計(jì)各有關(guān)組成零件的幾何精度，同時(shí)也對聯(lián)軸器和編碼器的精度影響進(jìn)行了分析。

1 軸系精度設(shè)計(jì)

1.1 幾何公差

通常從3個(gè)方面對軸的回轉(zhuǎn)質(zhì)量進(jìn)行評定，即某時(shí)刻軸系的回轉(zhuǎn)軸線相對于軸線的平均線進(jìn)行的軸向竄動、徑向晃動和傾角運(yùn)動[2]。方位(或俯仰)回轉(zhuǎn)軸一般采用向心軸承和止推軸承的組合或向心推力軸承，也可采用交叉滾柱軸承，選擇方式主要受下述因素影響[3]：主軸軸頸的圓度及兩端軸頸的同軸度；軸承座的圓度及兩端軸承座孔的同軸度；軸承精度(表現(xiàn)在軸向和徑向游隙)。

密珠軸系比普通滾動軸承精度高，其在主軸和軸套的2圓柱面之間，密集地按某種軌跡排列著具有一定過盈量的鋼球，鋼球分布在柱面的4個(gè)象限，按螺旋線排列，且每個(gè)鋼球公轉(zhuǎn)的軌跡不重合[4]。同樣，端面也分為4個(gè)象限，每象限放2列鋼球，每個(gè)鋼球的位置半徑不同，使其鋼球公轉(zhuǎn)的軌跡不重合。密集的鋼球起著平均效應(yīng)的作用，加之一定的過盈量，使軸系回轉(zhuǎn)精度高，剛度好，且結(jié)構(gòu)緊湊；但太密集會增加摩擦阻力，制造成本也比直接選用標(biāo)準(zhǔn)滾動軸承要高。根據(jù)其他設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)和雷達(dá)系統(tǒng)對軸系部分的回轉(zhuǎn)精度要求，以目前的工藝水平，只要選擇合理的公差，對軸、軸套和鋼球來說能夠滿足要求。

方位傳動軸系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，需要設(shè)計(jì)軸套、主軸和鋼球，圖1所示結(jié)構(gòu)不存在兩端主軸軸頸和軸承座孔的同軸度問題。在軸的某橫截面上，主軸、軸套和鋼球等零件如果存在直徑差和不圓度，那么裝配后軸系在回轉(zhuǎn)時(shí)會出現(xiàn)軸線的徑向移動，沿整個(gè)軸向來看，會導(dǎo)致軸線出現(xiàn)傾角。

圖1 方位傳動軸系結(jié)構(gòu)圖

主軸、軸套直徑采用配研、配磨或配車，或者裝配時(shí)選配，可不考慮直徑差的影響，只考慮圓度的影響。

本設(shè)計(jì)圖示上端按前述規(guī)則設(shè)計(jì)2列鋼球，下部設(shè)計(jì)1圈鋼球。

選用G10級鋼球，其球形誤差△SPH為0.000 25 mm，直徑變動量VDWL為0.000 25 mm。

取主軸端面跳動誤差△SHA為0.002 mm，軸套端面跳動誤差△SLE為0.002 mm。

則端面跳動及鋼球誤差引起軸的最大徑向偏移為：

本設(shè)計(jì)取L/D=1.8。

該誤差服從均勻分布，所以徑向偏移為：

將上端面外圈的鋼球設(shè)計(jì)為不等直徑。取主軸圓度為0.002 mm，軸套圓度為0.002 mm，則軸系回轉(zhuǎn)精度：

由此看來，端面精度的影響較大。

在不配磨或者不選配裝配的情況下，應(yīng)考慮主軸和軸套的直徑差。將公差值的平方代入上式根號里相加即可，不過這時(shí)精度要下降很多，因?yàn)橐话阒睆讲钜笥趫A度，視系統(tǒng)要求而定。這樣的軸系，產(chǎn)生的是軸系的多周期誤差。

由于主軸相對軸套存在傾角，軸向壓環(huán)端面與軸套軸線不垂直，為此，周向應(yīng)增加調(diào)整措施，以保證另一端鋼球軸向的過盈量均勻。同一軸系徑向、軸向應(yīng)選同一類、同一組鋼球。

1.2 過盈量

過盈量相當(dāng)于預(yù)加載荷，可消除間隙，減小幾何形狀誤差的影響，增加剛度。最小過盈量應(yīng)考慮表面粗糙度，因轉(zhuǎn)動一定時(shí)間后，磨損導(dǎo)致滾道的微觀不平部分被壓平，從而出現(xiàn)間隙而喪失精度。

最小過盈量為：

Δmin=2Δ1+4Δ2+2Δ3

式中，Δ1、Δ2、Δ3分別為主軸、鋼球、軸套表面微觀不平度。

最大過盈量要考慮材料的強(qiáng)度、驅(qū)動力矩，以及是否便于裝配等。過盈量太大會導(dǎo)致轉(zhuǎn)動不靈活，甚至出現(xiàn)電動機(jī)帶不動的現(xiàn)象。

1.3 精度測量

要保證軸系精度，應(yīng)進(jìn)行加工中的工序間測量，主軸、軸套一般采用圓度儀進(jìn)行幾何誤差測量。

鋼球按尺寸進(jìn)行分組后，進(jìn)行直徑和直徑變動量的測量。測量時(shí)將鋼球放在平面上，測微儀的測頭與平面垂直，鋼球置于兩者之間。測量VDWL時(shí)不斷轉(zhuǎn)動鋼球。

軸系裝配后，用電感式或電容式測微儀直接接于軸系徑向，測其徑向值，軸向可測得軸向值。軸系回轉(zhuǎn)的誤差運(yùn)動也是具有規(guī)律性的，主軸上設(shè)計(jì)有測量段，必要時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)測量夾具。測量儀器上的示值是測量段的徑向跳動，它是由軸系晃動(滾動段)引起，測量段軸的圓度、測量段與滾動段的不同軸度的綜合反映，應(yīng)剔除圓度和不同軸度。生產(chǎn)實(shí)際中，各工序靠軸兩端的定位頂尖孔定位，測量段軸頸與滾動段同時(shí)加工，測量段軸頸的圓度，測量段與滾動段的不同軸度可忽略，可近似認(rèn)為測量段的讀數(shù)就是軸系的回轉(zhuǎn)精度。不同測量位置的徑向跳動見表1。

表1 不同測量位置的徑向跳動

2 測角元件及聯(lián)軸器

2.1 角編碼器

以常用的角編碼器為例，其系統(tǒng)誤差有刻劃碼道沿圓周分布的角度誤差、刻劃中心與編碼器回轉(zhuǎn)中心的偏心、帶狹縫板的狹縫裝配時(shí)對于碼道的位置誤差、光電接收電路的轉(zhuǎn)換及細(xì)分誤差等。根據(jù)系統(tǒng)精度要求，選取 △θcod=2.471 9″。

2.2 角編碼器軸與輸出軸的同軸度

角編碼器通過聯(lián)軸器與主軸輸出端連接，存在兩軸線的不同軸，即編碼器軸線相對于輸出軸有偏心；但對平均軸線來說，這個(gè)偏心與主軸偏心方向可能相同，也可能相反而部分抵消。設(shè)此同軸度為δ2，本設(shè)計(jì)取δ2=0.01。

2.3 聯(lián)軸器

由于被連接兩軸的同軸度偏差，從而產(chǎn)生運(yùn)動角度傳遞誤差。由于傳遞力矩會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)誤差和空程誤差，因而在設(shè)計(jì)或購買時(shí)，要求聯(lián)軸器有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，而其他方向的剛度要小。一般聯(lián)軸器的傳動精度控制在編碼器系統(tǒng)精度的1/3～1/5。實(shí)際使用中，精密聯(lián)軸器可控制在1″內(nèi)。

3 系統(tǒng)總轉(zhuǎn)角精度

對主軸、軸套零件，沿軸線還可提出錐度或圓柱度要求，避免回轉(zhuǎn)軸線傾角過大。可將錐度折算成軸線的最大偏心，工藝上也可保證錐度很小，這里暫不討論。本文中的δ1/2就是軸系截面上回轉(zhuǎn)軸線對平均軸線的偏心。編碼器軸線與主軸不同軸，對主軸平均軸線來說也是產(chǎn)生了偏心。偏心造成的轉(zhuǎn)角誤差如圖2所示。

圖2 回轉(zhuǎn)軸偏心示意圖

設(shè)平均軸線中心為O1，也認(rèn)為它是理想中心，編碼器軸中心O繞O1轉(zhuǎn)動，偏心e是主軸運(yùn)動誤差δ1和不同軸度δ2的綜合作用結(jié)果，如下式：

設(shè)A點(diǎn)為編碼器讀數(shù)頭，讀數(shù)半徑為R，如前述偏心距為e。編碼器軸繞O1轉(zhuǎn)過α角時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度是β，轉(zhuǎn)角差為：

R取50 mm，最大讀數(shù)誤差為：

取△θjion= 1″,△θcod=2.4719″，則總的測角誤差為：

滿足系統(tǒng)分解到軸系部分總誤差(<1′)的要求。

4 結(jié)語

軸的端面跳動對軸系精度的影響大于圓度，所以對端面跳動的要求應(yīng)高些，端面滾道設(shè)計(jì)盡量靠近軸的中心。受軸系制造精度、編碼器的安裝精度影響大于編碼器、聯(lián)軸器本身精度的影響，在相同測量精度的情況下，編碼讀數(shù)半徑大對提高軸系精度有利，為此須綜合考慮結(jié)構(gòu)體積、剛度和回轉(zhuǎn)精度來選擇編碼器。主軸長度設(shè)計(jì)應(yīng)盡量短，在現(xiàn)有工藝水平和配磨或選配裝配情況下，按上述來控制主軸、軸套圓度和錐度，鋼球直徑差，軸及軸套端面跳動，比較容易達(dá)到，也能保證軸系回轉(zhuǎn)精度。如果不采用配磨或選配裝配，精度將下降很多，除了控制有關(guān)零件的幾何公差外，設(shè)計(jì)調(diào)整結(jié)構(gòu)也是需要考慮的。提高滾動接觸面的表面粗糙度有利于減小裝配和運(yùn)轉(zhuǎn)后的變形，從而減小軸系晃動。裝配后，由于端面調(diào)整螺釘軸向被拉緊，軸、軸套和鋼球產(chǎn)生過盈配合，軸系會產(chǎn)生微觀變形，密集的鋼球產(chǎn)生均化作用，實(shí)際減少了軸的晃動。

[1] 吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[2] 平麗浩.雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3] 吳迤.測量雷達(dá)天線座軸系精度分析[J].電子機(jī)械工程，2001(4):32.

[4] 劉品. 機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測基礎(chǔ)[M]. 哈爾濱：西哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2013.

責(zé)任編輯李思文

AKindofHighPrecisionShaftSystemDesignofRadar

CHEN Yong

(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

The shafting precision of servo transmission is one of the key factors of radar’s precision. In the paper, the application of a high precision dense ball bearing shafting structure was analyzed, the factors of key parts which affected the axis error were calculated in the way of geometry, and the impact of bought-in components was considered at the same time. The error terms and the error values were analyzed and calculated in order to fit the high precision index of axis.

axis error, dense ball bearing shafting, turntable

TH 132

：A

陳勇(1977-)，男，工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的研究.

2015-01-07