大型精密轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與精度分析

于廣東，曾維俊，陳 昊，陳 琦，何 昕

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春 130033；2.中國科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，蘇州 215163；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

自非相干光光柵剪切相位襯度成像法的誕生以來，近些年得到了極大的發(fā)展，這使得該技術(shù)推廣至人體檢測成為可能。為驗證相位襯度成像原理，要求研制一臺精密轉(zhuǎn)臺，主要的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)臺主要技術(shù)指標(biāo)

本文針對上述指標(biāo)要求，設(shè)計了一臺大型精密單軸轉(zhuǎn)臺，詳細論述了轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對該轉(zhuǎn)臺進行了精度分析。在樣機完成后對樣機進行了相關(guān)檢測，結(jié)果滿足項目需求。

1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)臺主要由轉(zhuǎn)臺臺面、滑環(huán)組件、軸承環(huán)組件、垂直軸組件、驅(qū)動系統(tǒng)、圓光柵組件、基座和調(diào)平地腳組成，其基本結(jié)構(gòu)方案及主要尺寸如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)成像系統(tǒng)的物理指標(biāo)，設(shè)計轉(zhuǎn)臺臺面直徑1700mm，中心孔徑350mm。整個臺面由Q235A板料及標(biāo)準(zhǔn)方鋼管焊接而成，如圖2所示，臺面由內(nèi)環(huán)、中環(huán)和外環(huán)組成，內(nèi)部由8組輻射狀的筋將三者連接，筋、中環(huán)和外環(huán)均是典型的“雙夾層”的結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，剛度高及強度大的特點，轉(zhuǎn)臺臺面焊接完成后，自身又形成“雙夾層”結(jié)構(gòu)，使得整個臺面剛度大、強度高。為減少焊后變形，將轉(zhuǎn)臺設(shè)計成嚴(yán)格的軸對稱結(jié)構(gòu)，同時進在整個焊接過程中，充分運用對稱焊、間歇焊等焊接工藝，進一步保證焊后變形盡量小。焊接完成后，進行退火處理和振動時效處理，使焊接應(yīng)力充分釋放，保證轉(zhuǎn)臺臺面具有較高的尺寸穩(wěn)定性。焊接完成后需對轉(zhuǎn)臺臺面進行焊后加工，為保證軸承環(huán)的安裝精度，在轉(zhuǎn)臺臺面下表面加工有軸承環(huán)上止推環(huán)安裝面，經(jīng)過粗加工、精加工和磨削后，平面度達8μm～10μm。

圖2 轉(zhuǎn)臺臺面結(jié)構(gòu)圖

軸承環(huán)組件和垂直軸組件是轉(zhuǎn)臺精度輸出的關(guān)鍵組件。軸承環(huán)組件起到軸向支撐作用，垂直軸組件起到轉(zhuǎn)臺的徑向定位的作用，二者均采用密珠軸系，其特點是具有誤差均化作用，過盈配合相當(dāng)于施加預(yù)載荷，通過鋼球的彈性變形消除間隙，減小零件形狀誤差的影響。軸承環(huán)組件主要由上、下止推環(huán)，保持器，鋼球，保持器定位架和保持器支撐架組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。上、下止推環(huán)直徑為1126mm，選用GCr15SiMn材料，經(jīng)過鍛造、正火、球化退火、淬火、時效等工序后，使材料硬度達HRC58～60。上、下止推環(huán)分別與轉(zhuǎn)臺臺面和基座通過螺釘連接組合后，進行組合精密研磨，使其承載端面的平面度在2μm以內(nèi)，圖4為利用檢測工裝檢測下止推環(huán)的平面度。保持器由黃銅（H62）材料制成，具有良好的耐磨性。為保證保持器不磨損下止推環(huán)，轉(zhuǎn)臺設(shè)計有保持器支撐架和保持器定位架。

圖3 軸承環(huán)組件結(jié)構(gòu)圖

圖4 下止推環(huán)平面度檢測

轉(zhuǎn)臺臺面重量和負載總重約3t，為保證轉(zhuǎn)臺的承載能力和精度，要求鋼球變形量在8μm以內(nèi)。選擇鋼球直徑為12mm，總個數(shù)為360枚。鋼球與止推環(huán)接觸時，形成赫茲接觸，根據(jù)赫茲接觸理論，計算得到單個鋼球最大變形達到8μm時，鋼球所能承受的載荷為P=95N，所受的最大接觸應(yīng)力為1900MPa，即鋼球所受最大接觸應(yīng)力小于材料許用接觸應(yīng)力。

垂直軸組件基本結(jié)構(gòu)圖5所示，由垂直軸、連接法蘭、內(nèi)襯套、外襯套、鋼球和保持架組成，其主要作用是在轉(zhuǎn)臺的運動過程中起到定心的作用。垂直軸、連接法蘭均采用40Cr材料經(jīng)進行質(zhì)處理，其硬度達HRC28～32，垂直軸內(nèi)、外襯套均采用GCr15SiMn，淬火后其硬度達HRC58～60，并分別與垂直軸、連接法蘭組合后精密研磨完成。

圖5 垂直軸組件結(jié)構(gòu)圖

為減少由加工、裝配引起的垂直度偏差對軸系運動的過定位擾動，垂直軸組件的定位中心平面與軸承環(huán)鋼球中心共面，如圖6所示。

驅(qū)動系統(tǒng)是由西門子1FW6160-0WB05-1JC2型大型力矩電機組成，電機額定轉(zhuǎn)矩達431N.m，最大轉(zhuǎn)速140rpm，滿足轉(zhuǎn)臺的力矩和轉(zhuǎn)速要求。圓光柵組件選用的是雷尼紹增量式圓光柵，用于對轉(zhuǎn)臺運動角位置的測量和反饋，分辨率為0.32″，系統(tǒng)精度±0.87″。

圖6 軸承環(huán)中心平面與垂直軸組件中心平面共面

基座為整個轉(zhuǎn)臺提供安裝基準(zhǔn)和運動基準(zhǔn)，需要較大的剛度和強度，其結(jié)構(gòu)、焊接工藝、熱處理工藝及焊后加工過程與轉(zhuǎn)臺臺面類似，在此不再贅述，在轉(zhuǎn)臺上表面的有軸承環(huán)下止推環(huán)安裝面，經(jīng)過粗加工、精加工和磨削后，平面度達8μm～10μm。

2 轉(zhuǎn)臺精度分析

2.1 軸系精度分析

軸承環(huán)從導(dǎo)軌特性，因此在上止推環(huán)的下表面加工精度恰當(dāng)?shù)那闆r下，對轉(zhuǎn)臺精度影響最大的是與轉(zhuǎn)臺基座組合后的下止推環(huán)的上平面的平面度。利用Ansys計算得到在滿負荷狀態(tài)下，下止推環(huán)與轉(zhuǎn)臺基座組合后的下止推環(huán)上表面的變形情況，如圖7所示。

圖7 下止推環(huán)的上表面變形情況

從圖7可知，軸承環(huán)下止推環(huán)上表面的變形最小為3.95μm，最大變形5.42μm，相對變形量1.47μm，該誤差為靜態(tài)誤差，且變形區(qū)域呈軸對稱分布，由于密珠軸系具有誤差均化效應(yīng)，因此該誤差對軸系晃動的影響可忽略不計。由前述可知，與轉(zhuǎn)臺臺面和基座組合后的上、下止推環(huán)的表面的平面度為，根據(jù)誤差合成理論，取置信系數(shù)，則有：

轉(zhuǎn)臺軸承環(huán)組件的作用直徑為d=Φ998mm，則轉(zhuǎn)臺的軸系晃動精度為：

2.2 定位精度分析

對系統(tǒng)定位精度造成影響的因素有圓光柵的定位精度ε1和圓光柵位置測量傳輸時間造成的位置偏差ε2。根據(jù)選定的圓光柵可知，ε1=1.74″。對于ε2有：

3 轉(zhuǎn)臺檢測

根據(jù)前述的技術(shù)方法和工藝路線完成轉(zhuǎn)臺各零件的加工，經(jīng)檢驗合格后進行裝調(diào)，裝配完成后的轉(zhuǎn)臺實物圖如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)臺實物圖

依據(jù)技術(shù)指標(biāo)，編寫相應(yīng)的檢測大綱，對轉(zhuǎn)臺軸系晃動精度，定位精度和重復(fù)定位精度進行檢測，如圖9～圖11所示。圖9所示為使用青島前哨電子水平儀（精度0.2″）對轉(zhuǎn)臺軸系晃動進行檢測，每間隔30°取一點，共計12點，數(shù)據(jù)如表2所示。通過計算得到轉(zhuǎn)臺軸系晃動精度為0.28″。圖10所示為使用萊卡經(jīng)緯儀配合四面棱鏡檢測轉(zhuǎn)臺定位精度和重復(fù)定位精度，圖11為轉(zhuǎn)臺定位精度的現(xiàn)場檢測，以90°為間隔讀取測量點，共測試3次，檢測數(shù)據(jù)如表3所示，經(jīng)計算得轉(zhuǎn)臺定位精度為7.56″，重復(fù)定位精度為2.88″，均滿足指標(biāo)要求。

圖9 轉(zhuǎn)臺軸系晃動檢測示意圖

圖10 定位精度和重復(fù)定位精度檢測

圖11 轉(zhuǎn)臺定位精度的現(xiàn)場檢測

表2 軸系晃動檢測數(shù)據(jù)

續(xù)（表2）

表3 定位精度及重復(fù)定位精度檢測數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文根據(jù)相位襯度成像的物理需求，設(shè)計一臺大直徑、高速度單軸轉(zhuǎn)臺，主體結(jié)構(gòu)采用焊接結(jié)構(gòu)，采用密珠軸系作為轉(zhuǎn)臺軸向支撐和徑向定位，具有質(zhì)量輕、精度高的特點。文中詳細論述了轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計、完成的工藝方法和精度分析，最終經(jīng)過檢驗，轉(zhuǎn)臺直徑1700mm，最高速度30r/min，軸系晃動達到0.28″，定位精度7.56″，重復(fù)定位精度2.88″，完全滿足指標(biāo)要求，驗證了前述的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的，精度分析是正確的，同時本文對于大型精密轉(zhuǎn)臺的設(shè)計具有一定的借鑒意義。