范明星 陳堅華 王春光

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

測試平臺是現(xiàn)代機械制造業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品更新?lián)Q代、技術(shù)提升、提高生產(chǎn)效率和實現(xiàn)快速發(fā)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(xiàn)出一批采用最新技術(shù)的新產(chǎn)品。但是，與歐美等國家相比，我國大多數(shù)企業(yè)在測試平臺方面的自主創(chuàng)新能力、競爭能力、關(guān)鍵零部件等核心技術(shù)還是比較落后，美國、日本、德國和法國等工業(yè)蓬勃發(fā)展的國家仍然掌控著國際市場的話語權(quán)。我國的測試平臺行業(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空間，隨著市場對測試平臺產(chǎn)品的需求日益增加，我國本土企業(yè)也將迎來測試平臺產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要機遇[2-3]。

為滿足戶外測試作業(yè)的需要，本文設(shè)計了一個測試平臺。首先，查找文獻，了解國內(nèi)外升降裝置及回轉(zhuǎn)裝置的研究現(xiàn)狀；然后，根據(jù)測試平臺的設(shè)計要求，在SolidWorks軟件中設(shè)計總體方案，并將測試平臺分為回轉(zhuǎn)裝置和升降裝置；接著，對回轉(zhuǎn)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(shè)計各個零件的結(jié)構(gòu)。在滿足設(shè)計要求的情況下，本次設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低及實用性高等，可以應(yīng)用于不同的戶外環(huán)境。

1. 方案設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

本文所設(shè)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(zhuǎn)速2～10 r/min，升降500 mm，能夠在戶外測試作業(yè)中實現(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)測試平臺分為回轉(zhuǎn)裝置和升降裝置。在SolidWorks軟件中設(shè)計了總體方案，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，可通過齒輪傳動減速，但此軸承都較大，多用在大型機器中，在此設(shè)計中顯然不合適[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]。考慮到升降回轉(zhuǎn)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(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. 選型計算

2.1 中間軸的計算

回轉(zhuǎn)裝置需要有檢測裝置，檢測的電線需從中間軸內(nèi)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(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，對軸進行有限元分析。

中間軸在回轉(zhuǎn)裝置中的最高轉(zhuǎn)速為10 r/min，是不斷運動的，可以用動力學(xué)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(xué)模塊來分析[10]。

首先，根據(jù)中間軸的受力情況對軸進行邊界條件的設(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(shè)軸按逆時針轉(zhuǎn)動，于是將鍵槽的右側(cè)面與鍵相接觸[11]。接著，對模型進行網(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，比率自動變?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，進行求解計算[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(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)時會產(chǎn)生離心力，回轉(zhuǎn)裝置會承受少量徑向力，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。查機械設(shè)計手冊，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(zhuǎn)速最大為10 r/min，因此，可選擇該軸承。

2.3 回轉(zhuǎn)裝置的動力源的選型

通過計算被測物的轉(zhuǎn)動慣量，折算到電機軸上的轉(zhuǎn)矩，選擇42BYG4501步進電機。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(shù)如下:步距角1.8°,保持轉(zhuǎn)矩0.17 N·m，轉(zhuǎn)動慣量0.135 kg·cm2，重量0.5 kg。此時步進電機的保持轉(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

3.1 中間軸的設(shè)計

中間軸在回轉(zhuǎn)裝置中，帶動連板旋轉(zhuǎn)，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(shù)量增加，會導(dǎo)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?qū)ΨQ分布。

考慮到需要檢測回轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)速，在連板的下側(cè)安裝速度傳感器，此時就會有連接電線，而軸在運動中是不斷旋轉(zhuǎn)的，這將會出現(xiàn)電線纏繞問題。為解決電線纏繞問題，對中間軸的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(huán)。中間軸的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2 支架的設(shè)計

圖7 中間軸的結(jié)構(gòu)

支架相當于回轉(zhuǎn)裝置的底座，為了保證支架由較大的強度和較低的質(zhì)量，支架由鋁合金制成，輪廓為方形框架。考慮加工方便并節(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(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(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

為了使升降回轉(zhuǎn)測試平臺在工作時更加平穩(wěn)，特意設(shè)計了配重塊。考慮到工作環(huán)境在室外，同時，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,測試平臺將更穩(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)計了用于戶外測試作業(yè)的測試平臺，利用SolidWorks軟件構(gòu)建了三維模型，并將測試平臺分為回轉(zhuǎn)裝置和升降裝置，對回轉(zhuǎn)裝置及升降裝置的動力源進行了選型；在SolidWorks軟件中設(shè)計各個零件的結(jié)構(gòu)，對中間軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計；對比了加配重塊及未加配重塊的重心位置。在滿足設(shè)計要求的情況下，本次設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低及實用性高等，可以應(yīng)用于不同的戶外環(huán)境，為測試平臺在領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用提供了一定的參考。