一种雷达高精度轴系设计

陈 勇

(西南电子技术研究所，四川 成都610036)

一种雷达高精度轴系设计

陈 勇

(西南电子技术研究所，四川 成都610036)

伺服传动系统的轴系精度对雷达系统的精度具有重要影响，本文应用一种新的密珠轴系结构形式，对影响轴系精度的各零件采用几何方法进行分析和计算，同时考虑到外购件精度的影响，确定满足高精度轴系误差要求时有关零件的误差项目及误差值。

轴系误差；密珠轴系；转台

由于在雷达工作过程中，需要通过伺服控制系统实时获取天线的位置信息，因此在设计时应考虑相应的位置测量精度。影响测量精度的因素除电讯误差外，有关的结构精度也起着重要作用[1]。通常根据雷达系统总体设计要求，对各个部分的精度指标进行分配，其中包含了机械部分。机械部分误差包括传动系统的传动链误差和回程误差，测角编码器、旋转变压器或自整角机等测角元件本身的测角误差及其与旋转轴连接的误差，以及联轴器的转角误差。方位或俯仰轴及相关组件组成旋转轴系统，该系统的旋转精度也是雷达伺服系统测量精度的重要组成部分。提高机械部分的精度可分担电讯部分的精度指标，有利于提高雷达的整体性能。

轴系的回转精度受本身结构形式和几何制造精度的影响，装配调整除主要受偏心调整的影响外，也受轴系的刚度、标准件(如轴承)精度、温度、润滑剂和摩擦磨损的影响。本文主要从密珠轴系的设计出发，以某雷达伺服传动系统设计为例，主要针对方位轴系，分析设计各有关组成零件的几何精度，同时也对联轴器和编码器的精度影响进行了分析。

1 轴系精度设计

1.1 几何公差

通常从3个方面对轴的回转质量进行评定，即某时刻轴系的回转轴线相对于轴线的平均线进行的轴向窜动、径向晃动和倾角运动[2]。方位(或俯仰)回转轴一般采用向心轴承和止推轴承的组合或向心推力轴承，也可采用交叉滚柱轴承，选择方式主要受下述因素影响[3]：主轴轴颈的圆度及两端轴颈的同轴度；轴承座的圆度及两端轴承座孔的同轴度；轴承精度(表现在轴向和径向游隙)。

密珠轴系比普通滚动轴承精度高，其在主轴和轴套的2圆柱面之间，密集地按某种轨迹排列着具有一定过盈量的钢球，钢球分布在柱面的4个象限，按螺旋线排列，且每个钢球公转的轨迹不重合[4]。同样，端面也分为4个象限，每象限放2列钢球，每个钢球的位置半径不同，使其钢球公转的轨迹不重合。密集的钢球起着平均效应的作用，加之一定的过盈量，使轴系回转精度高，刚度好，且结构紧凑；但太密集会增加摩擦阻力，制造成本也比直接选用标准滚动轴承要高。根据其他设备的使用经验和雷达系统对轴系部分的回转精度要求，以目前的工艺水平，只要选择合理的公差，对轴、轴套和钢球来说能够满足要求。

方位传动轴系结构图如图1所示，需要设计轴套、主轴和钢球，图1所示结构不存在两端主轴轴颈和轴承座孔的同轴度问题。在轴的某横截面上，主轴、轴套和钢球等零件如果存在直径差和不圆度，那么装配后轴系在回转时会出现轴线的径向移动，沿整个轴向来看，会导致轴线出现倾角。

图1 方位传动轴系结构图

主轴、轴套直径采用配研、配磨或配车，或者装配时选配，可不考虑直径差的影响，只考虑圆度的影响。

本设计图示上端按前述规则设计2列钢球，下部设计1圈钢球。

选用G10级钢球，其球形误差△SPH为0.000 25 mm，直径变动量VDWL为0.000 25 mm。

取主轴端面跳动误差△SHA为0.002 mm，轴套端面跳动误差△SLE为0.002 mm。

则端面跳动及钢球误差引起轴的最大径向偏移为：

本设计取L/D=1.8。

该误差服从均匀分布，所以径向偏移为：

将上端面外圈的钢球设计为不等直径。取主轴圆度为0.002 mm，轴套圆度为0.002 mm，则轴系回转精度：

由此看来，端面精度的影响较大。

在不配磨或者不选配装配的情况下，应考虑主轴和轴套的直径差。将公差值的平方代入上式根号里相加即可，不过这时精度要下降很多，因为一般直径差要大于圆度，视系统要求而定。这样的轴系，产生的是轴系的多周期误差。

由于主轴相对轴套存在倾角，轴向压环端面与轴套轴线不垂直，为此，周向应增加调整措施，以保证另一端钢球轴向的过盈量均匀。同一轴系径向、轴向应选同一类、同一组钢球。

1.2 过盈量

过盈量相当于预加载荷，可消除间隙，减小几何形状误差的影响，增加刚度。最小过盈量应考虑表面粗糙度，因转动一定时间后，磨损导致滚道的微观不平部分被压平，从而出现间隙而丧失精度。

最小过盈量为：

Δmin=2Δ1+4Δ2+2Δ3

式中，Δ1、Δ2、Δ3分别为主轴、钢球、轴套表面微观不平度。

最大过盈量要考虑材料的强度、驱动力矩，以及是否便于装配等。过盈量太大会导致转动不灵活，甚至出现电动机带不动的现象。

1.3 精度测量

要保证轴系精度，应进行加工中的工序间测量，主轴、轴套一般采用圆度仪进行几何误差测量。

钢球按尺寸进行分组后，进行直径和直径变动量的测量。测量时将钢球放在平面上，测微仪的测头与平面垂直，钢球置于两者之间。测量VDWL时不断转动钢球。

轴系装配后，用电感式或电容式测微仪直接接于轴系径向，测其径向值，轴向可测得轴向值。轴系回转的误差运动也是具有规律性的，主轴上设计有测量段，必要时应设计测量夹具。测量仪器上的示值是测量段的径向跳动，它是由轴系晃动(滚动段)引起，测量段轴的圆度、测量段与滚动段的不同轴度的综合反映，应剔除圆度和不同轴度。生产实际中，各工序靠轴两端的定位顶尖孔定位，测量段轴颈与滚动段同时加工，测量段轴颈的圆度，测量段与滚动段的不同轴度可忽略，可近似认为测量段的读数就是轴系的回转精度。不同测量位置的径向跳动见表1。

表1 不同测量位置的径向跳动

2 测角元件及联轴器

2.1 角编码器

以常用的角编码器为例，其系统误差有刻划码道沿圆周分布的角度误差、刻划中心与编码器回转中心的偏心、带狭缝板的狭缝装配时对于码道的位置误差、光电接收电路的转换及细分误差等。根据系统精度要求，选取 △θcod=2.471 9″。

2.2 角编码器轴与输出轴的同轴度

角编码器通过联轴器与主轴输出端连接，存在两轴线的不同轴，即编码器轴线相对于输出轴有偏心；但对平均轴线来说，这个偏心与主轴偏心方向可能相同，也可能相反而部分抵消。设此同轴度为δ2，本设计取δ2=0.01。

2.3 联轴器

由于被连接两轴的同轴度偏差，从而产生运动角度传递误差。由于传递力矩会产生扭转误差和空程误差，因而在设计或购买时，要求联轴器有足够的扭转刚度，而其他方向的刚度要小。一般联轴器的传动精度控制在编码器系统精度的1/3～1/5。实际使用中，精密联轴器可控制在1″内。

3 系统总转角精度

对主轴、轴套零件，沿轴线还可提出锥度或圆柱度要求，避免回转轴线倾角过大。可将锥度折算成轴线的最大偏心，工艺上也可保证锥度很小，这里暂不讨论。本文中的δ1/2就是轴系截面上回转轴线对平均轴线的偏心。编码器轴线与主轴不同轴，对主轴平均轴线来说也是产生了偏心。偏心造成的转角误差如图2所示。

图2 回转轴偏心示意图

设平均轴线中心为O1，也认为它是理想中心，编码器轴中心O绕O1转动，偏心e是主轴运动误差δ1和不同轴度δ2的综合作用结果，如下式：

设A点为编码器读数头，读数半径为R，如前述偏心距为e。编码器轴绕O1转过α角时，实际转过的角度是β，转角差为：

R取50 mm，最大读数误差为：

取△θjion= 1″,△θcod=2.4719″，则总的测角误差为：

满足系统分解到轴系部分总误差(<1′)的要求。

4 结语

轴的端面跳动对轴系精度的影响大于圆度，所以对端面跳动的要求应高些，端面滚道设计尽量靠近轴的中心。受轴系制造精度、编码器的安装精度影响大于编码器、联轴器本身精度的影响，在相同测量精度的情况下，编码读数半径大对提高轴系精度有利，为此须综合考虑结构体积、刚度和回转精度来选择编码器。主轴长度设计应尽量短，在现有工艺水平和配磨或选配装配情况下，按上述来控制主轴、轴套圆度和锥度，钢球直径差，轴及轴套端面跳动，比较容易达到，也能保证轴系回转精度。如果不采用配磨或选配装配，精度将下降很多，除了控制有关零件的几何公差外，设计调整结构也是需要考虑的。提高滚动接触面的表面粗糙度有利于减小装配和运转后的变形，从而减小轴系晃动。装配后，由于端面调整螺钉轴向被拉紧，轴、轴套和钢球产生过盈配合，轴系会产生微观变形，密集的钢球产生均化作用，实际减少了轴的晃动。

[1] 吴凤高.天线座结构设计[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1986.

[2] 平丽浩.雷达结构与工艺[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3] 吴迤.测量雷达天线座轴系精度分析[J].电子机械工程，2001(4):32.

[4] 刘品. 机械精度设计与检测基础[M]. 哈尔滨：西哈尔滨工业大学出版社,2013.

责任编辑李思文

AKindofHighPrecisionShaftSystemDesignofRadar

CHEN Yong

(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

The shafting precision of servo transmission is one of the key factors of radar’s precision. In the paper, the application of a high precision dense ball bearing shafting structure was analyzed, the factors of key parts which affected the axis error were calculated in the way of geometry, and the impact of bought-in components was considered at the same time. The error terms and the error values were analyzed and calculated in order to fit the high precision index of axis.

axis error, dense ball bearing shafting, turntable

TH 132

：A

陈勇(1977-)，男，工程师，主要从事雷达结构设计等方面的研究.

2015-01-07