范明星 陳堅(jiān)華 王春光

（1.開(kāi)封大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，河南 開(kāi)封 475000；2.寧波亞德客自動(dòng)化工業(yè)有限公司，浙江 寧波 315500）

測(cè)試平臺(tái)是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更新?lián)Q代、技術(shù)提升、提高生產(chǎn)效率和實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展必不可少的裝備之一[1]。近年來(lái)，由于市場(chǎng)需求的增加，我國(guó)涌現(xiàn)出一批采用最新技術(shù)的新產(chǎn)品。但是，與歐美等國(guó)家相比，我國(guó)大多數(shù)企業(yè)在測(cè)試平臺(tái)方面的自主創(chuàng)新能力、競(jìng)爭(zhēng)能力、關(guān)鍵零部件等核心技術(shù)還是比較落后，美國(guó)、日本、德國(guó)和法國(guó)等工業(yè)蓬勃發(fā)展的國(guó)家仍然掌控著國(guó)際市場(chǎng)的話語(yǔ)權(quán)。我國(guó)的測(cè)試平臺(tái)行業(yè)在品牌、產(chǎn)品、技術(shù)、人才、管理等方面都仍有很大的改進(jìn)空間，隨著市場(chǎng)對(duì)測(cè)試平臺(tái)產(chǎn)品的需求日益增加，我國(guó)本土企業(yè)也將迎來(lái)測(cè)試平臺(tái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機(jī)遇[2-3]。

為滿足戶外測(cè)試作業(yè)的需要，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)。首先，查找文獻(xiàn)，了解國(guó)內(nèi)外升降裝置及回轉(zhuǎn)裝置的研究現(xiàn)狀；然后，根據(jù)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，在SolidWorks軟件中設(shè)計(jì)總體方案，并將測(cè)試平臺(tái)分為回轉(zhuǎn)裝置和升降裝置；接著，對(duì)回轉(zhuǎn)裝置及升降裝置的動(dòng)力源的選型及中間軸、軸承和滾珠絲桿計(jì)算; 最后，在SolidWorks軟件中設(shè)計(jì)各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)。在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，本次設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低及實(shí)用性高等，可以應(yīng)用于不同的戶外環(huán)境。

1. 方案設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

本文所設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)是針對(duì)一個(gè)重15 kg，長(zhǎng)度280 mm、寬度250 mm、高度300 mm的被測(cè)試件，對(duì)平臺(tái)的要求為轉(zhuǎn)速2～10 r/min，升降500 mm，能夠在戶外測(cè)試作業(yè)中實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)工作原理，可以將此裝置拆分為兩部分，一部分為旋轉(zhuǎn)，另一部分為升降，然后再組合[4]。于是,將升降回轉(zhuǎn)測(cè)試平臺(tái)分為回轉(zhuǎn)裝置和升降裝置。在SolidWorks軟件中設(shè)計(jì)了總體方案，如圖1所示。

1.2 回轉(zhuǎn)裝置方案的選擇

回轉(zhuǎn)裝置借鑒一種回轉(zhuǎn)軸承，內(nèi)圈或外圈有齒，可通過(guò)齒輪傳動(dòng)減速，但此軸承都較大，多用在大型機(jī)器中，在此設(shè)計(jì)中顯然不合適[5-6]。本文采用角接觸球軸承替換回轉(zhuǎn)軸承，由減速器驅(qū)動(dòng)中間軸旋轉(zhuǎn)，方案如圖所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)測(cè)試平臺(tái)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(shí)，為了增加裝置的穩(wěn)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(jì)算

2.1 中間軸的計(jì)算

回轉(zhuǎn)裝置需要有檢測(cè)裝置，檢測(cè)的電線需從中間軸內(nèi)部穿過(guò)[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(guò)鍵連接，在最小軸段的基礎(chǔ)上厚度增加2 mm?？紤]到需要承受的軸向載荷較大，并結(jié)合軸承的內(nèi)徑，確定中間軸直徑為25 mm。確定好軸的尺寸后，對(duì)軸進(jìn)行有限元分析。

中間軸在回轉(zhuǎn)裝置中的最高轉(zhuǎn)速為10 r/min，是不斷運(yùn)動(dòng)的，可以用動(dòng)力學(xué)模塊去分析，但是，這將加大計(jì)算時(shí)間，精度也不能完全保證，因此，對(duì)中間軸進(jìn)行簡(jiǎn)化，運(yùn)用靜力學(xué)模塊來(lái)分析[10]。

首先，根據(jù)中間軸的受力情況對(duì)軸進(jìn)行邊界條件的設(shè)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(nèi)圈相接觸的圓周面被限制在圓柱面上；中間軸上部的4個(gè)螺紋孔由螺釘與連接板固定，于是將4個(gè)螺紋孔固定；鍵槽與鍵相連，假設(shè)軸按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，于是將鍵槽的右側(cè)面與鍵相接觸[11]。接著，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)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(wǎng)格單元，將總的網(wǎng)格密度設(shè)置為1 mm，此時(shí)，比率自動(dòng)變?yōu)?.05。然后，將中間軸加1.1的扭矩，并加離心力，設(shè)置角速度為1.047 rad/s，并增加400 N的豎直外力，設(shè)置完成后，進(jìn)行求解計(jì)算[12-14]。初始結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 中間軸應(yīng)力云圖

觀察發(fā)現(xiàn)，中間軸最大應(yīng)力處紅色區(qū)域沒(méi)有覆蓋兩層單元，網(wǎng)格劃分不太合理，于是將最大應(yīng)力附近的邊線應(yīng)用網(wǎng)格控制，將鍵槽內(nèi)部面的網(wǎng)格密度設(shè)置為0.5 mm，比率為1.5，最大應(yīng)力附近的邊線的網(wǎng)格密度設(shè)置為0.05 mm，比率為1.5，設(shè)置完成后重新生成網(wǎng)格并求解計(jì)算。應(yīng)用網(wǎng)格控制后，應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力處的局部放大圖如圖5、圖6所示。進(jìn)行網(wǎng)格控制后，應(yīng)力最大處的紅色區(qū)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(qiáng)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(qiáng)度一般為幾百兆帕，因此，中間軸的強(qiáng)度滿足要求。

圖5 中間軸應(yīng)用網(wǎng)格控制應(yīng)力云圖

圖6中間軸應(yīng)局部放大應(yīng)力云圖

2.2 軸承的選型

由于回轉(zhuǎn)裝置在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，回轉(zhuǎn)裝置會(huì)承受少量徑向力，而回轉(zhuǎn)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，根據(jù)確定的軸承內(nèi)徑25 mm，選擇7205C角接觸球軸承[15]。主要參數(shù)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(cè)物與連板的重量，而該軸承的額定載荷遠(yuǎn)大于所需承受的重量，同時(shí)，所需的轉(zhuǎn)速最大為10 r/min，因此，可選擇該軸承。

2.3 回轉(zhuǎn)裝置的動(dòng)力源的選型

通過(guò)計(jì)算被測(cè)物的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩，選擇42BYG4501步進(jìn)電機(jī)。主要性能參數(shù)如下：步距角1.8°,保持轉(zhuǎn)矩0.17 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.024 kg·cm2，重量0.2 kg。

由于蝸輪蝸桿減速器最小型號(hào)只與57步進(jìn)電機(jī)相匹配，故重新選擇步進(jìn)電機(jī)，最終選擇57BYG4501步進(jìn)電機(jī)。主要性能參數(shù)如下:步距角1.8°,保持轉(zhuǎn)矩0.17 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.135 kg·cm2，重量0.5 kg。此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩大大增加，因此，滿足要求。

3. 主要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 中間軸的設(shè)計(jì)

中間軸在回轉(zhuǎn)裝置中，帶動(dòng)連板旋轉(zhuǎn)，當(dāng)用鍵將中間軸與連板相連時(shí)，為了使軸受力平衡，需使用多個(gè)鍵，而中間軸與連板相連的軸端較薄，隨著鍵的數(shù)量增加，會(huì)導(dǎo)致該軸段的強(qiáng)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(shí)又保證中間軸的強(qiáng)度與連板相連的軸端的強(qiáng)度同步，最終采用螺釘連接，螺釘均勻?qū)ΨQ(chēng)分布。

考慮到需要檢測(cè)回轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，在連板的下側(cè)安裝速度傳感器，此時(shí)就會(huì)有連接電線，而軸在運(yùn)動(dòng)中是不斷旋轉(zhuǎn)的，這將會(huì)出現(xiàn)電線纏繞問(wèn)題。為解決電線纏繞問(wèn)題，對(duì)中間軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，把原來(lái)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(guò)，這就很好地解決了電線纏繞問(wèn)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(kāi)了槽，同時(shí)，在連板相對(duì)應(yīng)處也開(kāi)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(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的兩個(gè)電路通過(guò)電接觸而形成完整的電路，中間軸的下面裝了滑環(huán)。中間軸的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2 支架的設(shè)計(jì)

圖7 中間軸的結(jié)構(gòu)

支架相當(dāng)于回轉(zhuǎn)裝置的底座，為了保證支架由較大的強(qiáng)度和較低的質(zhì)量，支架由鋁合金制成，輪廓為方形框架?？紤]加工方便并節(jié)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(qiáng)度，中間中空，方便在里面安裝中間軸、蝸輪蝸桿減速器、步進(jìn)電機(jī)等。

首先，在焊接之前，將底板兩邊緣加工8個(gè)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(jìn)電機(jī)等的電線孔，與升降裝置的移動(dòng)平板中的電線孔配作。焊接完成后，對(duì)支架底部進(jìn)行精銑，作為定位基準(zhǔn)面，對(duì)支架頂部中間需要安裝支撐軸座的部位進(jìn)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(kāi)關(guān)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(jìn)電機(jī)控制器的螺釘孔，在后板處打好安裝電源的螺釘孔，在兩側(cè)回形筋板處打好安裝擋板的螺釘孔。支架的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 支架的結(jié)構(gòu)

3.3 配重塊的設(shè)計(jì)

為了使升降回轉(zhuǎn)測(cè)試平臺(tái)在工作時(shí)更加平穩(wěn)，特意設(shè)計(jì)了配重塊。考慮到工作環(huán)境在室外，同時(shí)，為了配重塊攜帶方便，在配重塊上加了環(huán)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(cè)試平臺(tái)將更穩(wěn)定。

圖9 配重塊模型

圖10 加配重塊

圖11 未加配重塊

4. 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了用于戶外測(cè)試作業(yè)的測(cè)試平臺(tái)，利用SolidWorks軟件構(gòu)建了三維模型，并將測(cè)試平臺(tái)分為回轉(zhuǎn)裝置和升降裝置，對(duì)回轉(zhuǎn)裝置及升降裝置的動(dòng)力源進(jìn)行了選型；在SolidWorks軟件中設(shè)計(jì)各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)，對(duì)中間軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；對(duì)比了加配重塊及未加配重塊的重心位置。在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，本次設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低及實(shí)用性高等，可以應(yīng)用于不同的戶外環(huán)境，為測(cè)試平臺(tái)在領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用提供了一定的參考。