測控儀器精密主軸系統設計

楊福來， 劉江省

（哈爾濱量具刃具集團有限公司，哈爾濱150040）

0 引言

對于需要作回轉運動的測控儀器來說，主軸系統是一個關鍵部件，主軸系統的精度將直接影響整臺測控儀器的綜合精度。主軸系統設計的主要要求是主軸能夠在一定載荷下具有一定的回轉精度，同時還要求有一定的剛度和熱穩定性。通常主軸系統由主軸，軸承，安裝在主軸上的傳動單元、驅動單元以及分度元件組成。因此，要想設計一套適合測控儀器使用的高精度精密主軸系統，主軸系統的機械結構設計、傳動和驅動單元的選型和分度元件的選型是至關重要的。

1 精密主軸系統機械結構設計

圖1

1）總體方案設計。主軸系統的機構類型有很多種，按照所用軸承種類劃分，常見的結構有半運動式圓柱型軸承結構軸系、錐形滑動軸承軸系、V型弧滑動軸承軸系和滾動摩擦軸承軸系等。這些不同的結構類型有不同的特點，適用于不同的應用場合。對于我們本次設計的適用于測控儀器的高精度精密主軸系統來說，考慮到軸系的回轉精度、剛度、主軸的熱穩定性和使用壽命等因素，同時參考過去在精密主軸系統方面的設計經驗，我們決定采用技術成熟、應用較廣的非標密珠滾動軸承的設計方案。根據儀器主軸系統安裝空間和安裝方式的要求，充分考慮精密儀器主軸機械設計過程中的各種注意事項，初步設計軸系裝配圖（如圖1所示）。密珠在保持架6、8、9的約束下，密集分布于主軸4與軸套3的徑向和端面之間；鎖緊螺母1、消隙簧片11和止推板2固定在軸套下端，限制主軸在軸向方向的竄動；主軸下端繼續向下延伸，用于安裝主軸驅動電機與角度編碼器。

2）設計過程中的計算。主軸軸系的總體方案確定后，我們在后續的具體設計過程中還需對一些關鍵參數進行充分的論證，并進行必要的設計計算，其中主要包括以下幾項：

（1）軸向滾珠直徑d1和數量z1的確定。因主軸系統是在垂直情況下安裝使用的，軸系載荷都集中在軸向承載滾珠上，所以主軸的承載能力由軸向承載滾珠的承載能力決定，影響滾珠承載能力的因素有滾珠的材料、直徑和數量，滾珠材料通常是軸承鋼GCr15，所以我們只需通過計算確定滾珠直徑和數量即可。按強度條件計算滾珠直徑d1的公式為：

式中：［P］為滾珠材料許用負荷強度；a1為負荷情況系數，靜載荷時取1；a2為工作時間系數，10000h時取2；a3為座圈轉動系數，取1；W為最大軸向載荷；k為承載負載滾珠比例，通常k=0.8；z1為止推滾珠個數。

從公式中我們可以看出，滾珠直徑d1是與滾珠個數z1之間相關聯的，在主軸載荷確定的情況下，兩者之間呈反比關系，滾珠個數z1越大，所需的滾珠直徑越小。根據材料力學分析，減小滾珠直徑會有助于提高密珠滾動軸承軸系的剛性，但是滾珠個數z1太多會影響軸系的運動靈活性。所以，我們應在不影響主軸旋轉靈活性的前提下，根據主軸尺寸合理排布滾珠，確定滾珠個數z1，從而確定鋼球直徑d1。最后還應通過計算滾珠的直徑變形量δ來校驗所選的滾珠直徑是否滿足要求。滾珠的直徑變形量：

式中，E1、E2分別為滾珠和滾珠接觸面的材料彈性模量。

（2）徑向滾珠直徑d2和個數z2的確定。因為垂直安裝使用的主軸軸系徑向載荷較小，所以徑向滾動軸承的滾珠尺寸可選得小些，以便使軸系結構更緊湊，根據我們以往的設計經驗，選取常用的φ4鋼球作為徑向滾珠，滾珠個數z2由主軸尺寸和滾珠排布周期確定。

（3）徑向滾珠裝配過盈量的確定。由于軸系零件在加工中不可避免地存在加工誤差，導致軸系在裝配時徑向會產生間隙（軸向間隙可以通過消隙簧片11調整消除），影響軸系運動精度和剛性，所以為了能夠消除此間隙，常采用過盈量裝配的方法。對于本設計的軸系來說，可以在加工完軸套內圓直徑尺寸和確定所用鋼球直徑后，通過配磨主軸外圓直徑的方式，調整主軸徑向裝配的過盈量，根據以往的設計經驗，比較合理的過盈量為5～8 μm。

2 精密主軸系統電機和角度編碼器的選型

1）主軸系統電機的選型。參考國內外主流設計選型方案，我們選用了由DDR直驅力矩電機與主軸連接一體的直接驅動方式，這種結構省去了傳動機構，主軸電機通過主軸直接作用到軸系，具有可靠性高、易維護、定位精度和可重復精度高、剛性好和機械噪聲低等諸多優點，也是現在高精度主軸軸系普遍采用的一種方式。根據主軸與負載的轉動慣量Jm（Jm=Mr2/2。式中，M為主軸與負載質量，r為負載半徑）、主軸最大轉速n和最大角加速度a，我們可以計算出主軸系統所需的最大扭矩Tm=Jm·a。在電機選型的計算過程中，以往還需校驗負載與電機軸的慣量比，但是因為DDR直驅電機技術使得電機通過主軸直接連接到負載，電機和負載的慣量成為了一個公共慣量比，慣量比能夠達到大于11000∶1，這可以滿足絕大多數的應用需求，因此只需根據最大扭矩Tm和所需的電機安裝形式尺寸選擇合適的主軸電機型號即可。

2）主軸系統角度編碼器的選型。對于精密主軸系統的分度元件，目前普遍采用的是高精度光柵角度編碼器，也是目前設計高精度主軸系統的最佳選擇?？紤]機械安裝條件和設計所需達到的精度要求，我們選用了國際著名廠商生產的孔式圓光柵角度編碼器，光柵精度為±1″，一周光柵刻線36000線，光柵信號在經過25倍頻處理后，再經過4倍頻的光柵信號辨向倍頻處理，最終的光柵分辨率能達到0.36″，完全能夠滿足精密主軸系統的設計要求。

3 結語

經過一系列的設計計算以及圖紙的繪制，完成了該套精密主軸系統的設計工作，通過對第一臺樣機的測試，各項技術指標均達到了設計要求，可見該設計方案是可行的，為我們以后對于精密主軸系統方面的設計積累了寶貴經驗。

［1］ King M，李幼涵.機器設計中伺服電機及驅動器的選型［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［2］ 呂輝.現代測控技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006.

［3］ 董玉紅，楊清梅.機械控制工程基礎［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003.