CN112460417A - 一种高精度高分辨率的单轴转台 - Google Patents

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唐先林
喻杰勇
张欣
张长清
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Abstract

本发明公开了一种高精度高分辨率的单轴转台，包括支承底座，所述支承底座下端安装有吊环和减震垫铁，所述支承底座上端安装有底座，底座内设有主轴，主轴上从上至下依次套装有上精密支承组件、直流力矩电机、下精密支承组件，所述上精密支承组件、直流力矩电机均与底座固定连接，下精密支承组件经下支承支架与底座固定连接，下支承支架下端安装有编码器，所述底座外侧壁上安装有直手柄和用户插座盒，底座上端设有安装座，安装座内固定安装有工作台面，工作台面与主轴顶部固定连接，所述安装座上端安装有定子安装板。本发明通过直流力矩电机，实现转台的运动，从而实现高位置精度和位置重复精度及高分辨率的要求。

Description

一种高精度高分辨率的单轴转台
技术领域
本发明涉及一种高精度高分辨率的单轴转台。
背景技术
单轴转台是一种单轴平台式多功能测试设备，目前对于位置精度、重复精度及分辨率要求很高转台的研究很少。现有转台一般使用同步器作为角度传感器，精度在±4″左右，分辨率在0.2″左右，满足不了高精度、高分辨率的要求。
此外，就转台结构来说，现有转台一般是使用单对轴承，回转精度在±4″左右，满足不了高精度、高分辨率的要求。
发明内容
本发明其目的就在于提供一种高精度高分辨率的单轴转台，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，一种高精度高分辨率的单轴转台，包括支承底座，所述支承底座下端安装有吊环和减震垫铁，所述支承底座上端安装有底座，底座内设有主轴，主轴上从上至下依次套装有上精密支承组件、直流力矩电机、下精密支承组件，所述上精密支承组件、直流力矩电机均与底座固定连接，下精密支承组件经下支承支架与底座固定连接，下支承支架下端安装有编码器，所述底座外侧壁上安装有直手柄和用户插座盒，底座上端设有安装座，安装座内固定安装有工作台面，工作台面与主轴顶部固定连接，所述安装座上端安装有定子安装板。
进一步，所述工作台面采用不锈钢材料制成的圆台面结构，工作台面上端面上以台面中心为圆心的三个同心圆周上均均布有4个螺纹孔。
进一步，所述主轴采用40Cr材料制成。
进一步，所述编码器为绝对式高精度角度传感器，其标称系统精度为±0.4″，单信号周期位置误差：≤±0.3″，可满足轴系定位精度±0.5″的要求。
进一步，所述底座采用铸铁牌号为HT250的材料制成。
进一步，所述支承底座为采用Q235材料制成的焊接件。
有益效果
与现有技术相比本发明具有以下优点。
1.本发明通过直流力矩电机实现转台的运动，从而实现高位置精度和位置重复精度及高分辨率的要求；
2.本发明结构设计合理、工作方式简便、易于实现，有较好的实用性和适用性，具有重要的工程实用价值。
附图说明
以下结合附图对本发明作进一步详述。
图1是本发明的结构示意图；
图中所示：1-定子安装板、2-安装座、3-工作台面、4-主轴、5-上精密支承组件、6-直手柄、7-直流力矩电机、8-下精密支承组件中、9-下轴承支架、10-编码器、11-底座、12-支承底座、13-吊环、14-减震垫铁、15-用户插座盒。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述。
一种高精度高分辨率的单轴转台，包括支承底座12，如图1所示，所述支承底座12下端安装有吊环13和减震垫铁14，所述支承底座12上端安装有底座11，底座11内设有主轴4，主轴4上从上至下依次套装有上精密支承组件5、直流力矩电机7、下精密支承组件8，所述上精密支承组件5、直流力矩电机7均与底座11固定连接，下精密支承组件5经下支承支架9与底座11固定连接，下支承支架9下端安装有编码器10，所述底座11外侧壁上安装有直手柄6和用户插座盒15，底座11上端设有安装座2，安装座2内固定安装有工作台面3，工作台面3与主轴4顶部固定连接，所述安装座2上端安装有定子安装板1。
所述工作台面3采用不锈钢材料制成的圆台面结构，工作台面3上端面上以台面中心为圆心的三个同心圆周上均均布有4个螺纹孔。
所述主轴4采用40Cr材料制成。
所述编码器10为绝对式高精度角度传感器，其标称系统精度为±0.4″，单信号周期位置误差：≤±0.3″，可满足轴系定位精度±0.5″的要求。
所述底座11采用铸铁牌号为HT250的材料制成。
所述支承底座12为采用Q235材料制成的焊接件。
本发明中，所述主轴4采用直流力矩电机7直接驱动，并采用上精密支撑组件5与下精密支撑组件8支承；定子安装板1安装在安装座2上，安装座2安装在底座11上，主轴4通过上精密支撑组件5安装于底座11上，工作台面3布置于主轴4的轴端，用户插座盒15安装在底座11上，底座11安装在支承底座上12，吊环13与减震垫铁14通过螺纹和支承底座12连接，直流力矩电机7安装在主轴4和底座11之间，下轴承支架9安装在底座11上，编码器10安装在下轴承支架9上，直手柄6安装在底座上11，均通过螺纹连接。
本发明的工作原理是，该转台运动方式为通过直流力矩电机7驱动主轴4进行运动，主轴4带动定子安装板1、安装座2、工作台面3高速旋转，通过编码器10的角度反馈，实现转台位置模式。
所述的工作台面3根据负载外形尺寸和安装要求，台面设计为Φ250mm的圆台面结构，台面材料采用不锈钢（牌号为12Cr18Ni9），表面进行精密加工，平面度优于0.01mm。以台面中心为圆心直径为81mm，151mm，221mm的三个圆周上，每一个圆周上均布4个M6的螺纹孔。
所述的主轴4是转台工作台面3、上精密支撑组件5和下精密支撑组件8、直流力矩电机7和编码器10的安装载体，主轴4采用40Cr材料，利用ANSYS力学分析对主轴4进行静力学分析和模态分析等动力学分析，主轴4满足强度、刚度和固有频率要求。
所述的上精密支撑组件5和下精密支撑组件8均采用精密机械轴承支承，上下两对轴承的支承形式，上精密支撑组件5中的轴承为主支承，采用进口的高精度角接触轴承，主要提供轴系的轴向和径向支承；下精密支撑组件8中的轴承为辅助支承，同样采用进口的高精度角接触轴承,主要为轴系提供径向支承，这样设计是为了使轴系有很好的回转精度和支承刚度。
所述直流力矩电机7通过驱动主轴4带动定子安装板1、安装座2、工作台面3高速旋转，通过编码器10的角度反馈，实现转台位置模式。
所述编码器10采用进口的绝对式高精度角度传感器，其标称系统精度为±0.4″，单信号周期位置误差：≤±0.3″，可满足本轴系定位精度±0.5″的要求。
所述底座11材料选用铸铁牌号为HT250，该材料具有尺寸稳定、易于加工等优点。其结构选用了典型的“钟”形结构，且在其内部设有加强筋，这样既可以满足强度的要求，同时还能够减轻重量。且该底座结构具有结构尺寸稳定，强度高和消除振动性能好的特点。
所述支承底座12采用焊接件，材料选用是Q235，该材料具有尺寸稳定、易于加工等优点。其结构选用了中空形结构，且在其外部设有加强筋，利用ANSYS力学分析对支承底座进行静力学分析和模态分析等动力学分析，支承底座12满足强度、刚度和固有频率要求。这样的设计结构既可以满足强度的要求，同时还能够减轻重量，通过减震垫铁14达到减震的效果。
本发明具体实施时，首先安装机械台体：将机械台体中主要结构件加工到精度要求，包括定子安装板1、安装座2、工作台面3、主轴4、上精密支承组件5、下精密支承组件8中的轴承锁紧装置等关键结构件，主轴4上安装好上精密支承组件5中的高精度角接触球轴承，并用上精密支承组件5中的轴承锁紧装置对高精度角接触球轴承进行预紧，然后将安装好的轴系插入底座11中，依次安装直流力矩电机7、下精密支承组件8中的高精度角接触球轴承及编码器10，最后装机械台体中的用户插座盒15、工作台面3、安装座2、安装平板1、支承底座12、减震垫铁14和吊环13，完成一种高精度、高分辨率的单轴转台的安装。
之后完成台体的接线：在台体安装完成后，将直流力矩电机7上的电源线接在底座11上的用户插座上，并将机械台体上的插座通过线缆和高精度、高分辨率的单轴转台控制柜连接在一起，完成高精度、高分辨率的单轴转台系统的接线。
实现高精度定位要求：完成单轴转台安装、接线和调试后，通过程序切换到定位工作模式，此时编码器10采集的数据送入控制系统，在转台处于闭环控制状态下，通过键盘控制计算机向转台发送位置命令，位置命令包含两个参数：目标位置及以到达目标位置所用的速度，加速度默认（一般为10°/s2），在转台处于位置控制状态下只可接收停车命令。一种高精度、高分辨率的单轴转台驱动元件是直流力矩电机7。
实现高速率精度要求：完成高速单轴转台安装、接线和调试后，通过程序切换到速率工作模式，此时编码器10进入工作装态，在转台处于闭环控制状态下，可通过键盘控制计算机向转台发送速率命令，速率命令包含两个参数：目标速率及以到达目标速率所用的加速度，加速度默认为10°/s2，在转台处于速率控制状态下可接收停车命令。一种高精度、高分辨率的单轴转台驱动元件是直流力矩电机7。
实现高分辨率要求：将进口的绝对式高精度角度传感器与数据采集卡连接，然后数据采集卡和工控机连接。绝对式高精度角度传感器每旋转一周，其测角系统可接收满25bits测角数据，我们选取高24位。这使得测角位置的分辨率位360°÷224＜0.0001°（0.36″），高角位置分辨率的的测控系统配上合适的控制参数可使其控制步距小于0.0001°，高角位置分辨率可使其控制步距更小，以实现更稳定、更准确的位置定位及速率功能。
高精度、高分辨率的单轴转台通过直流力矩电机7驱动主轴4进行运动，带动其特征在于电机通过驱动主轴4带动定子安装板1、安装座2、工作台面3高速旋转，通过编码器10的角度反馈，实现转台位置模式。
本发明大胆尝试进口的绝对式高精度角度传感器与进口的高精度角接触轴承，不仅达到了位置精度和重复精度的技术指标，而且使得分辨率达到了0.036″，填补了国内外高精度、高分辨率单轴转台的空白。本发明使用上下两对轴承，特别是高速运动的情况下回转精度得到很显著的提升，回转精度达到±1″以内；再者该单轴转台与常规转台相比，还有一个不同在于其对工作台面高度也有要求，本发明为此设计支承底座，保证了转台的指标要求的同时降低了开发成本，与此同时通过配合减震垫铁达到了很好的减震效果。

Claims (6)

1.一种高精度高分辨率的单轴转台，包括支承底座（12），其特征在于，所述支承底座（12）下端安装有吊环（13）和减震垫铁（14），所述支承底座（12）上端安装有底座（11），底座（11）内设有主轴（4），主轴（4）上从上至下依次套装有上精密支承组件（5）、直流力矩电机（7）、下精密支承组件（8），所述上精密支承组件（5）、直流力矩电机（7）均与底座（11）固定连接，下精密支承组件（5）经下支承支架（9）与底座（11）固定连接，下支承支架（9）下端安装有编码器（10），所述底座（11）外侧壁上安装有直手柄（6）和用户插座盒（15），底座（11）上端设有安装座（2），安装座（2）内固定安装有工作台面（3），工作台面（3）与主轴（4）顶部固定连接，所述安装座（2）上端安装有定子安装板（1）。
2.根据权利要求1所述的一种高精度高分辨率的单轴转台，其特征在于，所述工作台面（3）采用不锈钢材料制成的圆台面结构，工作台面（3）上端面上以台面中心为圆心的三个同心圆周上均均布有4个螺纹孔。
3.根据权利要求1所述的一种高精度高分辨率的单轴转台，其特征在于，所述主轴（4）采用40Cr材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种高精度高分辨率的单轴转台，其特征在于，所述编码器（10）为绝对式高精度角度传感器，其标称系统精度为±0.4″，单信号周期位置误差：≤±0.3″，可满足轴系定位精度±0.5″的要求。
5.根据权利要求1所述的一种高精度高分辨率的单轴转台，其特征在于，所述底座（11）采用铸铁牌号为HT250的材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种高精度高分辨率的单轴转台，其特征在于，所述支承底座（12）为采用Q235材料制成的焊接件。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113738768A (zh) * 2021-08-03 2021-12-03 九江精密测试技术研究所 一种适用于倒挂转台的高精度简化轴系结构

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