基于SolidWorks軟件的升降回轉測試平臺結構設計

范明星 陳堅華 王春光

（1.開封大學機械與汽車工程學院，河南 開封 475000；2.寧波亞德客自動化工業有限公司，浙江 寧波 315500）

測試平臺是現代機械制造業實現產品更新換代、技術提升、提高生產效率和實現快速發展必不可少的裝備之一[1]。近年來，由于市場需求的增加，我國涌現出一批采用最新技術的新產品。但是，與歐美等國家相比，我國大多數企業在測試平臺方面的自主創新能力、競爭能力、關鍵零部件等核心技術還是比較落后，美國、日本、德國和法國等工業蓬勃發展的國家仍然掌控著國際市場的話語權。我國的測試平臺行業在品牌、產品、技術、人才、管理等方面都仍有很大的改進空間，隨著市場對測試平臺產品的需求日益增加，我國本土企業也將迎來測試平臺產業發展的重要機遇[2-3]。

為滿足戶外測試作業的需要，本文設計了一個測試平臺。首先，查找文獻，了解國內外升降裝置及回轉裝置的研究現狀；然后，根據測試平臺的設計要求，在SolidWorks軟件中設計總體方案，并將測試平臺分為回轉裝置和升降裝置；接著，對回轉裝置及升降裝置的動力源的選型及中間軸、軸承和滾珠絲桿計算; 最后，在SolidWorks軟件中設計各個零件的結構。在滿足設計要求的情況下，本次設計結構簡單、制作成本低及實用性高等，可以應用于不同的戶外環境。

1. 方案設計

1.1 總體結構和工作原理

本文所設計的測試平臺是針對一個重15 kg，長度280 mm、寬度250 mm、高度300 mm的被測試件，對平臺的要求為轉速2～10 r/min，升降500 mm，能夠在戶外測試作業中實現360°旋轉。

根據工作原理，可以將此裝置拆分為兩部分，一部分為旋轉，另一部分為升降，然后再組合[4]。于是,將升降回轉測試平臺分為回轉裝置和升降裝置。在SolidWorks軟件中設計了總體方案，如圖1所示。

1.2 回轉裝置方案的選擇

回轉裝置借鑒一種回轉軸承，內圈或外圈有齒，可通過齒輪傳動減速，但此軸承都較大，多用在大型機器中，在此設計中顯然不合適[5-6]。本文采用角接觸球軸承替換回轉軸承，由減速器驅動中間軸旋轉，方案如圖所示。

圖2 旋轉裝置

1.3 升降裝置方案的選擇

升降裝置主要有液壓升降、伸縮式、剪叉式、套筒式、垂直絲桿升降等[7-8]?？紤]到升降回轉測試平臺較小，精度要求不是特別高，且在戶外工作，最終選擇了垂直絲桿升降的方案。同時，為了增加裝置的穩定性，在滾珠絲桿的四周增加了4根支撐桿，具體方案如圖3所示。

圖3 升降裝置

2. 選型計算

2.1 中間軸的計算

回轉裝置需要有檢測裝置，檢測的電線需從中間軸內部穿過[9]。電線直徑6 mm，于是取中間軸的空心直徑為8 mm，最小軸段的厚度為2 mm。軸的中間段與蝸輪蝸桿減速器通過鍵連接，在最小軸段的基礎上厚度增加2 mm?？紤]到需要承受的軸向載荷較大，并結合軸承的內徑，確定中間軸直徑為25 mm。確定好軸的尺寸后，對軸進行有限元分析。

中間軸在回轉裝置中的最高轉速為10 r/min，是不斷運動的，可以用動力學模塊去分析，但是，這將加大計算時間，精度也不能完全保證，因此，對中間軸進行簡化，運用靜力學模塊來分析[10]。

首先，根據中間軸的受力情況對軸進行邊界條件的設定。中間軸的中部與軸承相配合，最大直徑的軸段的下表面靠在軸承上，上表面與連板接觸，于是將該軸段的下表面和上表面限制在平面上，與軸承內圈相接觸的圓周面被限制在圓柱面上；中間軸上部的4個螺紋孔由螺釘與連接板固定，于是將4個螺紋孔固定；鍵槽與鍵相連，假設軸按逆時針轉動，于是將鍵槽的右側面與鍵相接觸[11]。接著，對模型進行網格劃分。由于中間軸最小壁厚為2 mm，為了使軸沿壁厚方向有兩層網格單元，將總的網格密度設置為1 mm，此時，比率自動變為0.05。然后，將中間軸加1.1的扭矩，并加離心力，設置角速度為1.047 rad/s，并增加400 N的豎直外力，設置完成后，進行求解計算[12-14]。初始結果的應力云圖如圖4所示。

圖4 中間軸應力云圖

觀察發現，中間軸最大應力處紅色區域沒有覆蓋兩層單元，網格劃分不太合理，于是將最大應力附近的邊線應用網格控制，將鍵槽內部面的網格密度設置為0.5 mm，比率為1.5，最大應力附近的邊線的網格密度設置為0.05 mm，比率為1.5，設置完成后重新生成網格并求解計算。應用網格控制后，應力云圖及最大應力處的局部放大圖如圖5、圖6所示。進行網格控制后，應力最大處的紅色區域已覆蓋兩層單元，因此，精度滿足要求。從圖5、圖6可以看出，最大強度增加到83.8 MPa, 而該中間軸的材料選為合金鋼，合金鋼的屈服強度一般為幾百兆帕，因此，中間軸的強度滿足要求。

圖5 中間軸應用網格控制應力云圖

圖6中間軸應局部放大應力云圖

2.2 軸承的選型

由于回轉裝置在旋轉時會產生離心力，回轉裝置會承受少量徑向力，而回轉裝置主要承受的是軸向力，則軸承既受到徑向力，又受到軸向力，因此，選擇角接觸球軸承。查機械設計手冊，根據確定的軸承內徑25 mm，選擇7205C角接觸球軸承[15]。主要參數如下：軸向基本額定載荷, 徑向基本額定載荷。而軸承主要承受的軸向力為被測物與連板的重量，而該軸承的額定載荷遠大于所需承受的重量，同時，所需的轉速最大為10 r/min，因此，可選擇該軸承。

2.3 回轉裝置的動力源的選型

通過計算被測物的轉動慣量，折算到電機軸上的轉矩，選擇42BYG4501步進電機。主要性能參數如下：步距角1.8°,保持轉矩0.17 N·m，轉動慣量0.024 kg·cm2，重量0.2 kg。

由于蝸輪蝸桿減速器最小型號只與57步進電機相匹配，故重新選擇步進電機，最終選擇57BYG4501步進電機。主要性能參數如下:步距角1.8°,保持轉矩0.17 N·m，轉動慣量0.135 kg·cm2，重量0.5 kg。此時步進電機的保持轉矩大大增加，因此，滿足要求。

3. 主要零件的結構設計

3.1 中間軸的設計

中間軸在回轉裝置中，帶動連板旋轉，當用鍵將中間軸與連板相連時，為了使軸受力平衡，需使用多個鍵，而中間軸與連板相連的軸端較薄，隨著鍵的數量增加，會導致該軸段的強度大大降低，因此，中間軸與連板的連接不能用鍵連接。為了使中間軸與連板更好地連接，同時又保證中間軸的強度與連板相連的軸端的強度同步，最終采用螺釘連接，螺釘均勻對稱分布。

考慮到需要檢測回轉裝置的轉速，在連板的下側安裝速度傳感器，此時就會有連接電線，而軸在運動中是不斷旋轉的，這將會出現電線纏繞問題。為解決電線纏繞問題，對中間軸的結構進行改進，把原來的中間軸加工成空心的，速度傳感器所需的電線由軸的中間穿過，這就很好地解決了電線纏繞問題。為了更好地放置速度傳感器的電線，在中間軸的最上面的軸段開了槽，同時，在連板相對應處也開了槽，方便電線的引出；在中間軸末端的軸段打了圓孔，方便電線的引入。為保持兩個相對運動結構之間的兩個電路通過電接觸而形成完整的電路，中間軸的下面裝了滑環。中間軸的結構如圖7所示。

3.2 支架的設計

圖7 中間軸的結構

支架相當于回轉裝置的底座，為了保證支架由較大的強度和較低的質量，支架由鋁合金制成，輪廓為方形框架?？紤]加工方便并節省材料，支架采用焊接的方式。支架由一塊底板、前后各一塊板、一塊頂板、左右各一塊回形筋板焊接而成。左右的筋板為了增加強度，中間中空，方便在里面安裝中間軸、蝸輪蝸桿減速器、步進電機等。

首先，在焊接之前，將底板兩邊緣加工8個U形槽，方便用螺釘與升降裝置相連接。再將前后板加工出槽口，方便焊接完成后用手搬移支架。然后，在底板處加工出升降裝置的步進電機等的電線孔，與升降裝置的移動平板中的電線孔配作。焊接完成后，對支架底部進行精銑，作為定位基準面，對支架頂部中間需要安裝支撐軸座的部位進行精銑，并加工出安裝孔及安裝支撐軸座的螺釘孔。接著，在支架前部的前板加工出安裝顯示屏的安裝口及開關和接線的安裝口。最后，在前板處打好安裝電路板盒子及步進電機控制器的螺釘孔，在后板處打好安裝電源的螺釘孔，在兩側回形筋板處打好安裝擋板的螺釘孔。支架的結構如圖8所示。

圖8 支架的結構

3.3 配重塊的設計

為了使升降回轉測試平臺在工作時更加平穩，特意設計了配重塊?？紤]到工作環境在室外，同時，為了配重塊攜帶方便，在配重塊上加了環形把手；為了配重塊更好地放在支腳的上部，將配重塊挖去圓孔，最終效果如圖9所示。

加配重塊及未加配重塊的重心位置如圖10、圖11所示, 可以看出,加了配重塊后, 重心下降了153.97 mm,測試平臺將更穩定。

圖9 配重塊模型

圖10 加配重塊

圖11 未加配重塊

4. 結論

本文設計了用于戶外測試作業的測試平臺，利用SolidWorks軟件構建了三維模型，并將測試平臺分為回轉裝置和升降裝置，對回轉裝置及升降裝置的動力源進行了選型；在SolidWorks軟件中設計各個零件的結構，對中間軸的內部結構進行了優化設計；對比了加配重塊及未加配重塊的重心位置。在滿足設計要求的情況下，本次設計結構簡單、制作成本低及實用性高等，可以應用于不同的戶外環境，為測試平臺在領域內的應用提供了一定的參考。