CN111664749A - 一种高动态立式五轴电动转台 - Google Patents

Abstract

一种高动态立式五轴电动转台，包括底座支架，所述底座支架内安装有偏航组件，偏航组件的偏航轴上端套装有方位组件，所述偏航轴的顶部安装有俯仰组件，俯仰组件内侧安装有滚转组件，所述方位组件的顶部安装有高低组件。本发明将滚转组件和俯仰组件整体固定安装在偏航组件的偏航轴的上端面上，高低组件整体通过固定安装在方位组件的方位轴的上端面上，形成一体化立式五轴电动转台，其具有整体结构紧凑，占用空间小的特点，更方便在实验室环境下的使用。

Description

一种高动态立式五轴电动转台

技术领域

本发明涉及一种高动态立式五轴电动转台。

背景技术

五轴电动转台作为试验关键测试设备，在飞行器的研制过程中起着及其重要的作用。制导系统是飞行器的核心部件，评价制导系统性能主要有两种测试方法：一种是在实际打靶或实际飞行中获得数据，并从中发现问题不断完善；另一种方法是依据半实物仿真试验设备在地面测试和评价制导系统的各项性能指标。由于是在实验室条件下，真实地模拟飞行器导引头的动力学特性，因此这种设备得到了越来越广泛的应用，并且对高动态（或高频响）的要求越来越严格。

立式五轴电动转台为3+2结构形式的转台，内三轴为串联机构，从内到外依次为滚转轴系、俯仰轴系和偏航轴系；外两轴同样也是串联机构，从内到外依次是高低轴系和方位轴系。

内三轴串联机构的特性是，滚转轴系本身的转动惯量由电机转子、轴承内圈、滚转负载和滚转负载支架组成，共同相加的转动惯量是滚转轴系的“负载”，滚转组件自身绕俯仰轴方向的转动惯量是俯仰轴系的“负载”，滚转组件与俯仰组件的绕偏航方向的转动惯量是偏航轴系的“负载”；

外两轴串联机构的特性是，高低电机转子、高低轴、高低负载支架和高低负载等组成高低轴系的“负载”，高低组件整体是方位轴系的“负载”。

为了能够尽可能的提高五个轴系的动态特性，对影响每个轴系转动惯量的因素进行分析，在满足立式五轴电动转台其它要求的前提下，应该从轴承设计、电机设计以及轴系的布局方式进行优化，以实现各个轴系高动态特性。

发明内容

本发明其目的就在于提供一种高动态立式五轴电动转台，以解决上述背景技术中的问题。

为实现上述目的而采取的技术方案是，一种高动态立式五轴电动转台，包括底座支架，所述底座支架内安装有偏航组件，偏航组件的偏航轴上端套装有方位组件，所述偏航轴的顶部安装有俯仰组件，俯仰组件内侧安装有滚转组件，所述方位组件的顶部安装有高低组件；所述偏航组件包括偏航轴，偏航轴的底部安装有偏航角度传感器，偏航轴的外侧下端套装有偏航轴承组件，偏航轴承组件上端设有套装在偏航轴上的偏航电机；所述方位组件包括套装在偏航轴的外侧上端的方位轴承组件，方位轴承组件外侧套装有方位轴，方位轴外侧套装有方位电机，方位轴外侧表面上还安装有方位角度传感器；所述高低组件包括与方位轴顶部固定的高低框架，高低框架的顶部两端均安装有高低轴，高低轴上配合安装有高低轴承组件和高低电机，高低框架顶部的一端设有高低传感器支架，高低传感器支架内安装有高低角度传感器，所述高低框架的顶部内侧设有用于安装高低负载的高低负载支架，高低负载支架的两端分别与2个高低轴连接，高低负载支架上的一端还安装有高低配重；所述俯仰组件包括与偏航轴顶部固定的俯仰框架，俯仰框架的顶部两端均安装有俯仰轴，俯仰轴上配合安装有俯仰轴承组件和俯仰电机，俯仰框架顶部的一端设有俯仰传感器支架，俯仰传感器支架内安装有俯仰角度传感器；所述滚转组件包括两端分别与俯仰组件中2个俯仰轴固联的滚转框架，滚转框架内装配有滚转轴承组件和滚转电机，滚转轴承组件的外圈和滚转电机的定子均固定在滚转框架上，滚转轴承组件的内圈一端与滚转电机的转子法兰固联，滚转轴承组件的内圈另一端与滚转负载支架连接，滚转轴承组件的一端还设有滚转角度传感器，滚转负载支架内安装有滚转垫片和滚转负载，所述滚转组件的两端分别固定有前端盖和后端盖，前端盖和后端盖上分别对应安装有前配重和后配重。

所述滚转轴承组件的内圈轴向长度大于外圈轴向长度的2倍，滚转轴承组件的内圈与滚转电机的转子和滚转负载支架固联；所述滚转轴承组件的外圈与滚转框架固联。

所述方位电机和偏航电机的定子均与底座支架固联，方位电机和偏航电机的转子分别与对应方位轴和偏航轴固联。

所述高低组件中高低电机的定子与高低框架固联，高低传感器支架固联在高低电机的定子上，高低电机的转子与高低轴固联，高低轴承组件与高低框架固联，所述高低电机的定子与高低框架之间的固联法兰的直径相等。

所述俯仰组件中俯仰电机的定子与俯仰框架固联，俯仰传感器支架固联在俯仰电机的定子上，俯仰电机的转子与俯仰轴固联，俯仰轴承组件与俯仰框架固联，所述俯仰电机的定子的与俯仰框架之间的固联法兰的直径相等。

有益效果

与现有技术相比本发明具有以下优点。

1.本发明中滚转轴承内圈在实现轴承功能的前提下，右实现了滚转主轴的功能，简化的滚转轴系的设计，降低滚转轴系转动惯量10%～18%，提高电机使用效率；

2.本发明中将电机法兰与固定框架径向对齐，去掉多余的装饰壳体，将部分电机表面与框架整体喷漆，并外露在试验环境中，这种设计方法在滚转电机、俯仰电机和高低电机都有体现，不但降低了轴系转动惯量，而且有利于电机散热；

3.本发明与传统的分体式五轴电动转台相比，偏航和方位轴系采用轴套轴技术形成的立式五轴电动转台，方位轴系转动惯量明显减小，提高了电机使用效率；五轴转台整体结构紧凑，占用空间小，更方便在实验室环境下使用。

附图说明

图1为本发明带载的结构示意图；

图2为本发明空载的结构示意图；

图3为本发明中滚转组件剖视图；

图4为本发明中滚转组件示意图；

图5为本发明中滚转轴承组件示意图；

图6为本发明中滚转和俯仰组件剖视图；

图7为本发明中滚转和俯仰组件示意图；

图8为本发明中偏航组件和方位组件剖视图；

图9为本发明中偏航组件和方位组件示意图；

图10为本发明中高低组件剖视图；

图11为本发明中高低组件示意图；

图中所示：1.滚转角度传感器、2.滚转轴承组件、3.滚转框架、4.滚转电机、5.前配重、6.前端盖、7.后端盖、8.后配重、9.滚转负载、10.滚转负载支架、11.滚转垫片、12.俯仰框架、13.俯仰轴、14.俯仰轴承组件、15.俯仰电机、16.俯仰传感器支架、17.俯仰角度传感器、18.底座支架、19.方位电机、20.方位轴、21.偏航轴、22.方位轴承组件、23.方位角度传感器、24.偏航轴承组件、25.偏航角度传感器、26.偏航电机、27.高低框架、28.高低负载支架、29.高低负载、30.高低配重、31.高低轴、32.高低轴承组件、33.高低电机、34.高低传感器支架、35.高低角度传感器、36.偏航组件、37.方位组件、38.俯仰组件、39.滚转组件、40.高低组件。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

一种高动态立式五轴电动转台，包括底座支架18，如图1-图11所示，所述底座支架18内安装有偏航组件36，偏航组件36的偏航轴21上端套装有方位组件37，所述偏航轴21的顶部安装有俯仰组件38，俯仰组件38内侧安装有滚转组件39，所述方位组件37的顶部安装有高低组件40；所述偏航组件36包括偏航轴21，偏航轴21的底部安装有偏航角度传感器25，偏航轴21的外侧下端套装有偏航轴承组件24，偏航轴承组件24上端设有套装在偏航轴21上的偏航电机26；所述方位组件37包括套装在偏航轴21的外侧上端的方位轴承组件22，方位轴承组件22外侧套装有方位轴20，方位轴20外侧套装有方位电机19，方位轴20外侧表面上还安装有方位角度传感器23；所述高低组件40包括与方位轴20顶部固定的高低框架27，高低框架27的顶部两端均安装有高低轴31，高低轴31上配合安装有高低轴承组件32和高低电机33，高低框架27顶部的一端设有高低传感器支架34，高低传感器支架34内安装有高低角度传感器35，所述高低框架27的顶部内侧设有用于安装高低负载29的高低负载支架28，高低负载支架28的两端分别与2个高低轴31连接，高低负载支架28上的一端还安装有高低配重30；所述俯仰组件38包括与偏航轴21顶部固定的俯仰框架12，俯仰框架12的顶部两端均安装有俯仰轴13，俯仰轴13上配合安装有俯仰轴承组件14和俯仰电机15，俯仰框架12顶部的一端设有俯仰传感器支架16，俯仰传感器支架16内安装有俯仰角度传感器17；所述滚转组件39包括两端分别与俯仰组件38中2个俯仰轴13固联的滚转框架3，滚转框架3内装配有滚转轴承组件2和滚转电机4，滚转轴承组件2的外圈和滚转电机4的定子均固定在滚转框架3上，滚转轴承组件2的内圈一端与滚转电机4的转子法兰固联，滚转轴承组件2的内圈另一端与滚转负载支架10连接，滚转轴承组件2的一端还设有滚转角度传感器1，滚转负载支架10内安装有滚转垫片11和滚转负载9，所述滚转组件39的两端分别固定有前端盖6和后端盖7，前端盖6和后端盖7上分别对应安装有前配重5和后配重8。

所述滚转轴承组件2的内圈轴向长度大于外圈轴向长度的2倍，滚转轴承组件2的内圈与滚转电机4的转子和滚转负载支架10固联；所述滚转轴承组件2的外圈与滚转框架3固联。

所述方位电机19和偏航电机26的定子均与底座支架18固联，方位电机19和偏航电机26的转子分别与对应方位轴20和偏航轴21固联。

所述高低组件40中高低电机33的定子与高低框架27固联，高低传感器支架34固联在高低电机33的定子上，高低电机33的转子与高低轴31固联，高低轴承组件32与高低框架27固联，所述高低电机33的定子与高低框架27之间的固联法兰的直径相等。

所述俯仰组件38中俯仰电机15的定子与俯仰框架12固联，俯仰传感器支架16固联在俯仰电机15的定子上，俯仰电机15的转子与俯仰轴13固联，俯仰轴承组件14与俯仰框架12固联，所述俯仰电机15的定子的与俯仰框架12之间的固联法兰的直径相等。

本发明中，所述滚转组件39以滚转框架3为支撑，滚转轴承组件2的外圈和滚转电机4的定子均固定在滚转框架3上；滚转轴承组件2的内圈一端与滚转电机4的转子法兰固联，另一端与滚转负载支架10联接，进而支撑滚转负载9在绕滚转轴系运动，滚转角度传感器1是钢带式结构，可节省安装空间，降低滚转框架的径向尺寸；前配重5通过前端盖6安装在滚转组件39的前端，后配重8通过后端盖7安装在滚转组件39的后端，滚转垫片11放置在滚转负载9和滚转负载支架10之间，用来调节滚转负载9与三轴交点之间的距离；所述滚转组件39整体通过滚转框架3的两个端面与2个俯仰轴13固联，俯仰轴13分布在俯仰框架13左右两端并与俯仰轴承组件14配合，俯仰轴承组件14与俯仰框架12固联，俯仰电机15的定子与俯仰框架12固联，俯仰电机15的转子与俯仰轴13固联并驱动俯仰轴系旋转，俯仰传感器支架16安装在俯仰电机15的定子端面上，俯仰框架12在左端用来固定光电开关等传感器实现电气限位，俯仰框架12右端的俯仰传感器支架16固定俯仰角度传感器17定子部分或光栅读数头，俯仰角度传感器17转子部分固定在右端的俯仰轴端。

本发明中，偏航组件36以底座支架18为支撑，在内孔固定偏航轴承组件24并与偏航轴21配合，在偏航轴21的上部安装方位轴承组件22，并由方位轴20绕偏航轴21在外圈旋转，偏航电机26和方位电机19分布在底座支架18内侧的中部和上部，其中定子部分与底座支架18固联，转子部分与偏航轴21和方位轴20固联；为了节省空间，方位角度传感器23为钢带式结构，紧贴方位轴20的外表面；偏航角度传感器25的转子部分固定在偏航轴21的下端，偏航轴角度传感器25的定子或读数头固定在底座支架18的下端。

本发明中，高低组件40以高低框架27为支撑，高低负载29通过高低负载支架28固定在高低轴31上，高低轴31与分布在高低框架27左右两端的高低轴承组件32配合，高低电机33的定子固定在高低框架37上，高低电机33的转子与高低轴31固联并驱动高低轴系旋转，高低传感器支架34安装在高低电机33的定子端面，高低框架27在左端用来固定光电开关等传感器实现电气限位，右端的高低传感器支架34固定高低角度传感器35的定子部分或光栅读数头，高低角度传感器35的转子部分固定在右端的高低轴端，高低配重30固定在高低负载支架28的前侧。

本发明中，所述滚转组件39和俯仰组件38整体通过俯仰框架12固定在偏航轴21的上端面上，高低组件40整体通过高低框架27固定在方位轴20的上端面上，形成一体化立式五轴电动转台。

本发明的技术特征在于，（1）取消了原有装置的滚转主轴设计，将原有滚转轴承组件的内圈沿轴向伸长，用轴承内圈替换原有滚转主轴，滚转轴承内圈同时承担了两个功能；（2）取消了原有电机外罩设计，电机定子法兰直接与框架外圆对接，部分电机定子将与框架一样喷漆并外露在使用环境中；（3）取消了原有外环轴系分体式设计，以偏航轴系中的偏航主轴为支撑，并在偏航主轴的上部固定一套方位轴承组件，方位轴承的内圈与偏航主轴固联，方位轴承的外圈与方位主轴固联，至此实现偏航轴系和方位轴系一体化设计。

本发明是一种3+2组合的串联机构，内三轴为滚转、俯仰和偏航轴系，外两轴为高低和方位轴系；由于串联机构内环的惯量特性会影响外环的动态特性，因此在设计过程中，应尽量降低滚转、俯仰和高低轴系的转动惯量。

本发明的工作原理是，由钢制的滚转负载支架10的内腔来安装滚转负载9，其形状为大直径的中空结构，自身的转动惯量在滚转轴系中占比约为20%；将滚转轴承组件2的内圈沿轴向两端加长，用滚转轴承组件2的内圈取代滚转轴，即滚转轴承组件2的内圈同时承担轴承转子和滚转轴的功能，这种方式可减小滚转轴系转动惯量10%～18%，可提高滚转轴系电机的使用效率，进而提升滚转轴系的动态特性；同时也可以减小滚转组件的转动惯量，提高外围俯仰轴系和偏航轴系的动态特性；将滚转电机4、俯仰电机15和高低电机33的定子与框架的固联法兰直接在直径方向上对齐，将部分电机定子与框架同时喷漆并外露在环境中，在不增加电机重量的前提下，最大限度的提升电机输出效率，提高滚转轴系、俯仰轴系和高低轴系的动态特性；将偏航轴系和方位轴系采用一体化布局形式，利用“轴套轴”结构将偏航和方位两个轴系组合在一起；以偏航轴承组件为支撑，偏航轴与偏航轴承内圈一起旋转，方位轴承组件安装在偏航轴的上端，以偏航轴和方位轴承内圈为支撑，方位轴与方位轴承外圈一起旋转，实现偏航轴系和方位轴系的轴套轴组合，即偏航轴系在内圈旋转，方位轴系在外圈旋转。

本发明的使用形式不局限于使用电动马达，原来的设计样式同样能满足液压马达的使用条件；所述的偏航轴21与俯仰框架12，方位轴20与高低框架27之间的连接方式可使用胀紧套替换螺钉。

本发明应用于被测负载尺寸和重量较大的五轴转台，所述俯仰轴承组件和高低轴承组件分别为俯仰角接触球轴承对和高低角接触球轴承对，可将俯仰角接触球轴承对和高低角接触球轴承对更改为圆锥滚子轴承对，以增加轴系在轴向和径向的刚度。

Claims (5)

1.一种高动态立式五轴电动转台，包括底座支架（18），其特征在于，所述底座支架（18）内安装有偏航组件（36），偏航组件（36）的偏航轴（21）上端套装有方位组件（37），所述偏航轴（21）的顶部安装有俯仰组件（38），俯仰组件（38）内侧安装有滚转组件（39），所述方位组件（37）的顶部安装有高低组件（40）；所述偏航组件（36）包括偏航轴（21），偏航轴（21）的底部安装有偏航角度传感器（25），偏航轴（21）的外侧下端套装有偏航轴承组件（24），偏航轴承组件（24）上端设有套装在偏航轴（21）上的偏航电机（26），；所述方位组件（37）包括套装在偏航轴（21）的外侧上端的方位轴承组件（22），方位轴承组件（22）外侧套装有方位轴（20），方位轴（20）外侧套装有方位电机（19），方位轴（20）外侧表面上还安装有方位角度传感器（23）；所述高低组件（40）包括与方位轴（20）顶部固定的高低框架（27），高低框架（27）的顶部两端均安装有高低轴（31），高低轴（31）上配合安装有高低轴承组件（32）和高低电机（33），高低框架（27）顶部的一端设有高低传感器支架（34），高低传感器支架（34）内安装有高低角度传感器（35），所述高低框架（27）的顶部内侧设有用于安装高低负载（29）的高低负载支架（28），高低负载支架（28）的两端分别与2个高低轴（31）连接，高低负载支架（28）上的一端还安装有高低配重（30）；所述俯仰组件（38）包括与偏航轴（21）顶部固定的俯仰框架（12），俯仰框架（12）的顶部两端均安装有俯仰轴（13），俯仰轴（13）上配合安装有俯仰轴承组件（14）和俯仰电机（15），俯仰框架（12）顶部的一端设有俯仰传感器支架（16），俯仰传感器支架（16）内安装有俯仰角度传感器（17）；所述滚转组件（39）包括两端分别与俯仰组件（38）中2个俯仰轴（13）固联的滚转框架（3），滚转框架（3）内装配有滚转轴承组件（2）和滚转电机（4），滚转轴承组件（2）的外圈和滚转电机（4）的定子均固定在滚转框架（3）上，滚转轴承组件（2）的内圈一端与滚转电机（4）的转子法兰固联，滚转轴承组件（2）的内圈另一端与滚转负载支架（10）连接，滚转轴承组件（2）的一端还设有滚转角度传感器（1），滚转负载支架（10）内安装有滚转垫片（11）和滚转负载（9），所述滚转组件（39）的两端分别固定有前端盖（6）和后端盖（7），前端盖（6）和后端盖（7）上分别对应安装有前配重（5）和后配重（8）。

2.根据权利要求1所述的一种高动态立式五轴电动转台，其特征在于，所述滚转轴承组件（2）的内圈轴向长度大于外圈轴向长度的2倍，滚转轴承组件（2）的内圈与滚转电机（4）的转子和滚转负载支架（10）固联；所述滚转轴承组件（2）的外圈与滚转框架（3）固联。

3.根据权利要求1所述的一种高动态立式五轴电动转台，其特征在于，所述方位电机（19）和偏航电机（26）的定子均与底座支架（18）固联，方位电机（19）和偏航电机（26）的转子分别与对应方位轴（20）和偏航轴（21）固联。

4.根据权利要求1所述的一种高动态立式五轴电动转台，其特征在于，所述高低组件（40）中高低电机（33）的定子与高低框架（27）固联，高低传感器支架（34）固联在高低电机（33）的定子上，高低电机（33）的转子与高低轴（31）固联，高低轴承组件（32）与高低框架（27）固联，所述高低电机（33）的定子与高低框架（27）之间的固联法兰的直径相等。

5.根据权利要求1所述的一种高动态立式五轴电动转台，其特征在于，所述俯仰组件（38）中俯仰电机（15）的定子与俯仰框架（12）固联，俯仰传感器支架（16）固联在俯仰电机（15）的定子上，俯仰电机（15）的转子与俯仰轴（13）固联，俯仰轴承组件（14）与俯仰框架（12）固联，所述俯仰电机（15）的定子的与俯仰框架（12）之间的固联法兰的直径相等。

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