淺談高精度伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

石要輝

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

伺服轉(zhuǎn)臺廣泛應(yīng)用于雷達探測、光電跟蹤成像、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，其作用是帶動負載進行高精度的旋轉(zhuǎn)運動，伺服轉(zhuǎn)臺作為整個系統(tǒng)工作的重要組成部分，其軸系設(shè)計精度、工作旋轉(zhuǎn)精度直接影響整個系統(tǒng)的指向精度，從而影響整個系統(tǒng)能否正常運行工作，本文針對某高精度伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)指標要求，通過相關(guān)軸系傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造以及精密裝配等方法，以滿足該伺服轉(zhuǎn)臺的高指向精度設(shè)計要求。

1 伺服轉(zhuǎn)臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)某伺服轉(zhuǎn)臺設(shè)計指標要求如下：（1）負載重量25kg；（2）轉(zhuǎn)動范圍0°～360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)；（3）指向精度≤0.03°；（4）自重≤20kg；（5）具備直流電滑環(huán)、低頻信號匯流環(huán)；（6）伺服轉(zhuǎn)臺運行出現(xiàn)異常時，能夠隔離故障，并報告上位機；（7）具備防淋雨措施等指標要求。設(shè)計伺服轉(zhuǎn)臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計上，主要考慮減輕重量、結(jié)構(gòu)強度高、安裝固定方便可靠、具有較好的抗振性與系統(tǒng)電磁兼容性等特點。

圖1 伺服轉(zhuǎn)臺總體結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證伺服轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)強度，同時減輕總體重量，伺服轉(zhuǎn)臺所有的機械加工件均采用鋁合金5A06系列材料，伺服轉(zhuǎn)臺機座應(yīng)用鑄鋁工藝加工制造，以減輕轉(zhuǎn)臺重量。同時，為了滿足伺服轉(zhuǎn)臺防鹽霧、腐蝕、濕熱等指標要求，對所有鋁合金材料加工的零部件進行表面導電氧化處理，在轉(zhuǎn)臺零部件裝配完成后，再對伺服轉(zhuǎn)臺所有外表面進行噴漆處理。

1.1 伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)組成設(shè)計

該伺服轉(zhuǎn)臺設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，主要包括直流力矩電機、上軸承、下軸承、編碼器、匯流環(huán)、電源、伺服控制板、伺服驅(qū)動板以及連接器等組成，底部為伺服轉(zhuǎn)臺安裝法蘭，上部安裝天線負載，主要實現(xiàn)方位360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)和和跟蹤。

圖2 伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)組成示意圖

1.2 伺服轉(zhuǎn)臺防淋雨密封設(shè)計

該伺服轉(zhuǎn)臺從結(jié)構(gòu)上大致分為兩部分：動態(tài)部分、靜態(tài)部分，動態(tài)部分由旋轉(zhuǎn)盤、匯流環(huán)轉(zhuǎn)軸、電機、編碼器轉(zhuǎn)子等組成；靜態(tài)部分由機座、密封蓋、伺服驅(qū)動器保護罩及其他輔助零部件組成。在伺服轉(zhuǎn)臺防淋雨措施方面設(shè)計主要考慮以下方法：（1）提高機座與密封蓋的機加精度；（2）提高兩零件端面平面度要求，保證零件裝配面配合緊密；（3）對于較大的裝配配合面，在通過增加密封溝槽，并在裝配密封橡膠圈時，涂抹防水硅橡膠脂；（4）在裝配過程中，采用一些特殊的裝配工藝，保證機座與密封蓋之間的間隙均勻。

通過這些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計與裝配工藝改進，從而可提高各零部件之間裝配配合精度，調(diào)高系統(tǒng)的防滲、漏水性能，相關(guān)密封設(shè)計以及密封條安裝位置如圖3所示。

圖3 伺服轉(zhuǎn)臺防淋雨密封設(shè)計

2 高精度軸系傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)總體技術(shù)指標要求，該伺服轉(zhuǎn)臺是為某設(shè)備配套研發(fā)設(shè)計的產(chǎn)品，該伺服轉(zhuǎn)臺在工作時要滿足搜索、跟蹤的指向精度要求，而指向精度反映了伺服轉(zhuǎn)臺對跟蹤目標的準確度，它是伺服轉(zhuǎn)臺的一項重要技術(shù)指標，其中影響指向精度的主要因素，有精密傳動的軸系誤差、軸系加工配合誤差、軸系剛度及軸承尺寸誤差、編碼器測角誤差、跟蹤控制誤差等，其中軸系傳動精度及其穩(wěn)定性對整個系統(tǒng)的指向精度影響最大，因此，在軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須引起高度重視。

在以往的軸系傳動設(shè)計中，主要利用齒輪進行傳動，但是齒輪傳動存在齒隙誤差，很難達到較高的指向精度，為了滿足該伺服轉(zhuǎn)臺高指向精度的指標，在設(shè)計軸系傳動時，采用直流力矩電機驅(qū)動形式，電機轉(zhuǎn)子直接安裝在中心軸上，中心軸上下端分別安裝軸承，保證其軸系傳動的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。

設(shè)備負載在工作過程中，整個軸系作為天線負載的支撐體，同時又是直流力矩電機的動力傳遞到整個軸系，實現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)臺的方位連續(xù)旋轉(zhuǎn)，因此，在設(shè)計軸系時，對軸系的材料、熱處理以及加工工藝都要進行綜合考慮。我們在設(shè)計軸系時，選用42CrMo優(yōu)質(zhì)合金鋼材料，并對其進行調(diào)質(zhì)處理，使其剛度和強度得以保證，加工精度要求徑向跳動≤0.03mm、軸向跳動≤0.03mm，上下軸承兩端安裝軸頸的不同軸度≤0.03mm。

在整個軸系裝配的過程中，為了滿足高精度軸系設(shè)計要求，特對軸系裝配過程做以下相關(guān)要求：中心軸在裝配時通過打表測量，滿足置中精度要求，同時，中心軸上下兩端軸頸與上下軸承配合時，通過小過盈量配合，保證軸承與中心軸同軸度≤0.03mm，直流電機轉(zhuǎn)子與中心軸裝配時，通過打表測量滿足同軸度≤0.03mm，如圖4所示。同時，匯流環(huán)在安裝時也要滿足與中心軸同軸度在0.05mm以內(nèi)，這樣有利于匯流環(huán)使用壽命。

圖4 伺服轉(zhuǎn)臺軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過以上軸系傳動設(shè)計以及裝配時調(diào)節(jié)軸系的精度，通過后期實物樣機裝配及測試，該轉(zhuǎn)臺基本滿足整個伺服系統(tǒng)的跟蹤及指向精度指標。

3 結(jié)語

本文通過某高精度伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計實例，闡述了伺服轉(zhuǎn)臺總體結(jié)構(gòu)排布、軸系傳動設(shè)計以及軸系裝配精度的要求等，后期通過實物樣機裝配以及對相關(guān)指標進行測試，各項指標檢測結(jié)果均達到設(shè)計時所需的要求，為整個系統(tǒng)的技術(shù)性能指標奠定了基礎(chǔ)，通過以上高精度伺服轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以滿足伺服系統(tǒng)的跟蹤及指向精度等指標要求。