精密测试转台轴系结构设计与研究

　　1　测试转台轴承结构设计要求

　　高新技术的不断发展,对惯导系统及元器件性能、精度的要求越来越高,与之相应的,对惯导测试设备精度、自动化程度的要求也越来越高。本文主要介绍了我所为某单位研制的高精度惯导测试转台。

　　该转台具有速率、位置、摇摆、振动功能。设计中,对机械台体提出了很高的要求:①必须具有结构合理的高精度的轴系精度,为被测对象和精密测角元件提供精确的回转基准;②轴系必须有足够的刚度,避免转台在高频振动状态下产生变形,丧失台体精度;③必须保证联结可靠、稳定,避免转台长期使用后联结松动;④必须具有良好的制造工艺性和装拆工艺性。

　　2　轴系结构特点

　　该转台主轴轴系结构如图1所示,轴系由上一台无刷力矩电机作为驱动执行元件,工作时通过计算机实时控制系统控制电机的转动。轴系下端同轴安装一高精度角度编码器作为角度测量、反馈元件。该轴系结构布局合理、紧凑,联结强度高,具有很好的制造和装配工艺性。

　　3　轴系结构设计

　　主轴轴系的精度关键在于轴承选型及组合的设计。在许多机械设备中,如高精度机床主轴,经常采用角接触球轴承或轴承组合作为轴系结构,为了提高回转轴系的旋转精度,增加轴承组合的刚性,减少支承的轴向和径向窜动量,降低轴承部位的振动及噪音,提高轴承内部负荷分布的合理性和轴承的使用寿命,应消除轴承的游隙。

　　目前,通常采用预紧方法消除轴承的游隙。其结构形式有多种,如图2所示。其中图2 (a), (b)是弹簧预紧结构,此种预紧方法保持一个固定不变的、不受热膨胀的预加载荷,故又称定压预紧;图2 (c),(d)是采用不同长度的内外圈预紧结构,在使用过程中其相对位置不会发生变化,故又称定位预紧。定位预紧方法能实现轴系上关键部件的精确定位,而且容易测量和控制轴承内、外环垫圈高度差,实现高的轴系回转精度。本轴系结构设计采用图2 ( c)所示结构。

　　两套轴承内、外环垫圈的设计对轴系的旋转精度和刚性影响极大。一般内、外环垫圈厚度的设计是先给定其中任一件的尺寸,另一件的厚度根据轴承内、外环端面的轴向名义尺寸差得出,如图3所示。即有

　　应用“预加载荷”理论以后,Δ1,Δ1这两个尺寸不能直接根据轴承的名义尺寸确定,必须在“预加载荷”的作用下实际测量并作计算。具体方法如下:首先,把已按要求选配好的轴承作好标记,并分别测出每一套轴承的内环、外环的实际厚度,作好记录,然后按图4所示,把被测轴承放在测量工装上,并把它们一起放置于1级平板上;把加工有四个均布测量缺口的压头装在轴承内环孔内,在压头上施加根据所选轴承型号确定的“预加载荷”P (必须是静载荷),并保证压力中心与轴承轴心线重合,用千分表在圆周方向的四个位置上测出轴承内环、外环的高度差分别为δ11,δ12,δ13,δ14,取其平均值作为δ1,假设这套轴承的内、外环厚度实际测量值分别为A1, B1,则有