一種回轉工作臺的設計

孫貝貝

（太原風華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

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一種回轉工作臺的設計

孫貝貝

（太原風華信息裝備股份有限公司，山西太原030024）

回轉工作臺在現代工業設備中使用場合多應用范圍廣，針對某些場合對回轉工作臺回轉精度、承載剛性、回轉速度等使用方面的要求，設計了一種伺服電機+諧波減速機+交叉滾子軸承的回轉工作臺機構。對回轉工作臺機構中，使用的伺服電機、諧波減速機和交叉滾子軸承的選擇匹配，進行了詳細的計算說明，對現代工業設備中類似的回轉機構有積極的借鑒和指導作用。

回轉工作臺；諧波減速機；交叉滾子軸承

回轉工作臺在現代工業設備中十分常見，也是應用場合比較多范圍比較廣的一種機械結構。不同的使用條件和場合也要求有相對應的不同機械結構。在給定使用條件和場合的前提下，選擇一種合理的回轉機械結構，對于設備的使用效率、壽命、成本至關重要。常見的回轉機構有DD電動機驅動的回轉工作臺，旋轉氣缸驅動回轉工作臺，伺服電機+減速機驅動的回轉工作臺，以及由UVW平臺實現的小范圍回轉工作臺等。

本文所設計的回轉工作臺由伺服電機+諧波減速機+交叉滾子軸承組成，屬于伺服電機+減速機驅動工作臺的一種。由伺服電機通過諧波減速機驅動相關的機械連接件帶動工作臺在交叉滾子軸承上實現低速高剛性的回轉運動并且能保證使用條件要求的回轉精度。

1　回轉工作臺設計要求

此回轉工作臺機構的使用要求：

（1）工作臺尺寸1 000 mm×800 mm×50 mm，材質2A12，水平安裝。

（2）在0°～360°角度范圍內做90°的轉動，每1 s轉90°后停頓2 s，旋轉速度可精確控制，且最大轉速135°/s。

（3）在回轉工作臺面的工作范圍內，由回轉角度的精度誤差所造成的x軸和y軸方向的誤差≤0.1 mm。

（4）回轉工作臺的工作臺面在旋轉運動停止時，能夠承載質量為120 kg，速度為500 mm/s物體所造成的垂直工作臺面的沖擊力，沖擊作用時間0.01 s。

2　確定總體結構

回轉工作臺機構如圖1所示。是由安裝基板、電機支架、伺服電機、諧波減速機、聯軸器、連接軸1、連接軸2、交叉滾柱軸承、軸承安裝板、平臺連接板、傳感器、軸承安裝板等零部件組成。安裝基板固定，電機支架和軸承安裝板固定在安裝基板上，電機固定在電機支架上。

圖1　總體結構示意圖

工作原理：電機通過諧波減速機驅動連接軸2，聯軸器將連接軸2的動力傳動至連接軸1。連接軸1和平臺連接板連接，連接軸1轉動會驅動平臺連接板轉動。平臺連接板同時將工作臺和交叉滾柱軸承連接，平臺連接板轉動會帶動工作臺在交叉滾柱軸承上轉動。

3　交叉滾柱軸承的選擇

回轉工作臺受力示意圖如圖2所示：回轉工作臺在回轉運動停止時所承受的沖擊力會在工作臺尺寸范圍內任意移動。

圖2　回轉工作臺受力示意圖

3.1交叉滾柱軸承的初步選擇

根據使用條件，我們選用的交叉滾柱軸承是THK的RU系列。RU系列是內外圈一體化構造并有安裝孔，所以不需要法蘭和支撐座，安裝簡易。另外安裝對性能幾乎沒有影響，因此能獲得穩定的旋轉精度和扭矩。

由回轉工作臺的設計要求所提供的外形尺寸、材質，通過質量密度公式計算得到工作臺質量為108 kg，平臺連接板質量為12 kg，連接軸1質量是8 kg，可知交叉滾子軸承的靜止負載為128 kg。

根據使用條件4由動量定理：

（W為交叉滾子軸承所承受沖擊載荷的質量）

將沖擊物體質量W=120 kg，時間0.01 s、速度500 mm/s代入公式（1）得軸向沖擊載荷力：

由工作臺面的尺寸計算沖擊力的最大力臂長度為：

軸承所承受的最大力矩

將公式（1）和（2）所得沖擊力和最大力臂長度代入公式（3）得：

通過以上計算可得交叉滾子軸承的軸向載荷：

將沖擊載荷F和交叉滾子軸承的靜止負載128 kg代入公式（4）得：

圖3　交叉滾子軸承受力示意圖

將M=4.608 kNFa=8.48 kN代入公式（5）

fs為靜態安全系數

考慮到使用壽命等的動態性能，一般建議確保7以上，此處我們取10。

C0為基本額定靜載荷

P0為靜態等價徑向載荷

Fr為徑向載荷

Fa為軸向載荷

M為力矩

X0為靜態徑向系數

Y0為靜態軸向系數（Y0=0.44）

dp為滾柱的節圓直徑

得（C0-37.312）×dp≥92.16 kN·m，由THK樣本A18-20頁提供的C0和dp參數選擇RU445交叉滾子軸承滿足基本要求。

3.2交叉滾柱軸承型號確認

3.2.1交叉滾柱軸承使用壽命校核

通過查閱THK樣本可知RU445交叉滾子軸承基本參數：

L為額定壽命

C為基本額定動載荷

fT為溫度系數，低于80℃系數取值取1

fw為負荷系數，劇烈震動沖擊是值1.5～3

Pc為動態等價徑向載荷

Lh為工作壽命時間

N為每分鐘轉速

X為動態徑向系數參照THK樣本B18-9表2

Y為動態軸向系數參照THK樣本B18-9表2

查THK樣本B18-9表2得動態徑向系數與動態軸向系數公式為：

Fa=8.48 kNM=4.608 kNdp=0.445 m代入公式 （7）得到的數值約為0.41≤1.5為查THK樣本B18-9表2得出X=1，Y=0.45。

將X=1，Y=0.45，Fr=0，M=4.608 kN，dp=0.445 m，Fa=8.48 kN代入公式（8）

得出Pc≈24.526 kN

由設計要求第2條，可得工作臺旋轉一圈的時間約為12 s，由此值可得平均轉速為：N=5 r/min。將Pc≈24.526 kN，C=222 kN，fT=1，N=5 r/min，fw=3代入公式（9）

Lh≈1.323×105h，約滿足15年使用壽命。

3.2.2交叉滾柱軸承靜態安全系數校核

將X0=1，Y0=0.44，M=4.608 kN，Fr=0，dp= 0.445 m，Fa=8.48 kN，C0=473 kN代入公式（10）得fs≈19.3滿足使用要求。

3.2.3交叉滾柱軸承靜態容許力矩校核

交叉滾柱軸承靜態容許力矩計算公式：

將C0=473 kN，dp=0.445 m，代入公式（11）得M0≈105 kN·m，滿足使用要求。

3.2.4交叉滾柱軸承靜態容軸向載荷校核

交叉滾柱軸承靜態容軸向載荷計算公式：

將C0=473 kN，Y0=0.44代入公式 （12）得出Fao=1075 kN，滿足使用要求。

4　電機的選擇

4.1電機初步選擇

工作臺為長方體，且旋轉中心在其中心。

將工作臺尺寸代入長方體慣量公式（13）：

得J1=14.76 kg·m2

平臺連接板、連接軸1、連接軸2為圓柱體，分別將其尺寸質量代入公式（14）（15）（16）：

得J2=3.12 kg·m2，J3=1.15 kg·m2

J4=0.97 kg·m2

負載總慣量J=J1+J2+J3+J4=20 kg·m2

負載的慣性力矩：

將J和α代入公式（17）得

回轉工作臺在旋轉過程中會有摩擦轉矩Mf，一般滾柱軸承的摩擦系數μ為0.01～0.012之間。此處，考慮到安裝使用和潤滑等條件我們取μ=0.04

將m=128 kg，μ=0.04，dp=0.445 m代入公式（18）得

負載轉動所需要的最大機械功率：

將MaMf代入公式（19）得Pmax≈360 W

負載勻速轉動所需要的機械功率：

將Mf代入公式（20）得P0≈27 W電機的功率：

（η為電機傳動效率，此處取值0.9，）得出215 W≤P≤430 W，由此確定電機的型號為400 W安川電機SGMJV-04ADA61，參數為：

額定轉矩：1.27 N·m；

峰值轉矩：4.46 N·m；

額定轉速：3000 r/min；

最高轉速：6000 r/min；

電機慣量：0.442 kg·cm2；

電機重量：1.5 kg；

4.2預選電機確認

電機最大加速轉矩確認：

將Ma=141.3 N·m，Mf=11.4 Nm，i=180，η= 0.9代入電機加速轉矩公式（22）（23）

小于電機峰值轉矩。

電機最大減速轉矩確認：

小于電機峰值轉矩。

負載的轉矩有效值確認：

由設計要求2可知，工作臺要在1 s內旋轉90°，電機的工作過程是：電機啟動加速，加速到最大速度后勻速，然后由最大速度減速停止，過程如圖5轉速曲線所示。

由設計要求2計算轉矩、角加速度公式：

由β是最大加速度，可知t1=t3，將最大轉速135°/s，t1=t3，t1+t2+t3=1 s代入公式（24）

可得t1=t2=t3=1/3 s，β=405°/s2。

由轉矩有效值公式如下：

圖4　負載轉矩轉速時間圖

5　諧波減速機的選擇

5.1諧波減速機的初步選擇

根據負載轉矩模式計算出減速機輸出側施加的平均負載。

na加速階段的平均轉速。

nb勻速階段的平均轉速。

nc減速階段的平均轉速。

Ta加速階段的平均轉矩。

Tb勻速階段的平均轉矩。

Tc減速階段的平均轉矩。

由最大轉速135°/s可知最大輸出轉速nb=nmax=22.5 r/min。

η=0.9（η為傳動效率，此處取0.9），

Tav≈126 N·m＜281 N·m

（281 Nm為型號CSG-32-120平均負載的轉矩最容許大值）

型號CSG-32-120減速機的參數：

額定轉矩：178 N·m

峰值轉矩：459 N·m

平均輸入轉速：3500 r/min

最高輸入轉速：4800 r/min

減速機慣量：0.442 kg·cm2

減速箱額定壽命：L10=10000 h

減速箱典型位置精度：30arc sec

減速箱重復定位精度：1.5 kg

5.2預選諧波減速機的確認

減速機精度的確認：

由減速機參數的典型位置精度計算可得減速機的角度誤差為0.00834°，根據轉臺尺寸計算角度誤差造成的誤差弧長為0.094 mm小于設計要求的誤差精度。

由設計要求第2條，可得工作臺旋轉一圈的時間約為12 s，由此值可得負載平均轉速為N= 5 r/min，減速機的平均轉速

n0av=N×i=600 r/min≤3500 r/min

（3 500 r/min是選定減速機容許平均輸入轉速）

根據負載的最高輸出轉速計算出減速機的最高輸入轉速nimax=22.5×120=2700 r/min≤4800 r/min

（4 800 r/min減速機容許最高輸入轉速）

由負載的慣性力矩和摩擦力力矩可知減速機的最大啟動轉矩：

最大停止時的轉矩：

（459 N·m是選定減速機啟動停止時的容許峰值轉矩）

實際使用壽命：

Ln為L10或則L50時的使用壽命時間

Tr為額定轉矩

Nr為額定轉速

Tav為輸出側的平均負載轉矩

Nav為平均輸入轉速

將Ln=1.0×105h，Tr=178 N·m，Nr=2000 r/min，Tav=126 N·m，Nav=600 r/min代入公式 （27）Lh= 7.6×104h約為8.5年，滿足使用要求。

5.3電機和諧波減速機的匹配

校核額定轉矩：

1.27×120=152.4 N·m≤178 N·m

校核峰值轉矩：

4.6×120=535.2 N·m＞459 N·m

電機的峰值轉矩經減速機后略大于減速機的峰值扭矩，這就需要在伺服電機驅動器中限定最大允許加速度，降低峰值扭矩的輸出，使其最大輸出轉矩小于減速機的峰值轉矩。

6　結束語

由伺服電機+諧波減速機+交叉滾子軸承組成的回轉工作臺，具有回轉精度高、機械剛性好、穩定性好、安裝使用方便等優點。其整個機械機構設計和伺服電機、諧波減速機、交叉滾子軸承的選型匹配，對于回轉工作臺的設計具有廣泛的借鑒意義。

［1］ 成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2004

［2］ Harmonic Drive組合型產品目錄2011年4月.No. 1110-01-HDUNT

［3］ 安川5選型手冊2009年5月版

［4］ 直線運動系統（THK樣本）中文版.No.508C

The Design of a Kind of Rotary Table

SUN Beibei

（Taiyuan Fenghua Information-Equipment，Taiyuan 030024，China）

The rotary table is widely used in the modern industrial equipment.Due to the rotation accuracy，bearing rigidity，turning speed etc use requirements of the rotary table.A servo motor+ harmonic reducer+cross roller bearing of rotary table has been designed.Rotary table institutions，Servo motor，harmonic reducer and cross roller bearing have been choice matched and carried on the detailed instructions.Similar slewing mechanism has a positive reference and guidance to the modern industrial equipment.

Rotary table；Harmonic reducer；Cross roller bearing

TN605

B

1004-4507（2016）09-0043-06

孫貝貝（1980-），男，山東兗州人，工學學士，工程師，主要從事電子專用設備的研發工作。

2016-08-25