范明星 陈坚华 王春光

（1.开封大学机械与汽车工程学院，河南 开封 475000；2.宁波亚德客自动化工业有限公司，浙江 宁波 315500）

测试平台是现代机械制造业实现产品更新换代、技术提升、提高生产效率和实现快速发展必不可少的装备之一[1]。近年来，由于市场需求的增加，我国涌现出一批采用最新技术的新产品。但是，与欧美等国家相比，我国大多数企业在测试平台方面的自主创新能力、竞争能力、关键零部件等核心技术还是比较落后，美国、日本、德国和法国等工业蓬勃发展的国家仍然掌控着国际市场的话语权。我国的测试平台行业在品牌、产品、技术、人才、管理等方面都仍有很大的改进空间，随着市场对测试平台产品的需求日益增加，我国本土企业也将迎来测试平台产业发展的重要机遇[2-3]。

为满足户外测试作业的需要，本文设计了一个测试平台。首先，查找文献，了解国内外升降装置及回转装置的研究现状；然后，根据测试平台的设计要求，在SolidWorks软件中设计总体方案，并将测试平台分为回转装置和升降装置；接着，对回转装置及升降装置的动力源的选型及中间轴、轴承和滚珠丝杆计算; 最后，在SolidWorks软件中设计各个零件的结构。在满足设计要求的情况下，本次设计结构简单、制作成本低及实用性高等，可以应用于不同的户外环境。

1. 方案设计

1.1 总体结构和工作原理

本文所设计的测试平台是针对一个重15 kg，长度280 mm、宽度250 mm、高度300 mm的被测试件，对平台的要求为转速2～10 r/min，升降500 mm，能够在户外测试作业中实现360°旋转。

根据工作原理，可以将此装置拆分为两部分，一部分为旋转，另一部分为升降，然后再组合[4]。于是,将升降回转测试平台分为回转装置和升降装置。在SolidWorks软件中设计了总体方案，如图1所示。

1.2 回转装置方案的选择

回转装置借鉴一种回转轴承，内圈或外圈有齿，可通过齿轮传动减速，但此轴承都较大，多用在大型机器中，在此设计中显然不合适[5-6]。本文采用角接触球轴承替换回转轴承，由减速器驱动中间轴旋转，方案如图所示。

图2 旋转装置

1.3 升降装置方案的选择

升降装置主要有液压升降、伸缩式、剪叉式、套筒式、垂直丝杆升降等[7-8]。考虑到升降回转测试平台较小，精度要求不是特别高，且在户外工作，最终选择了垂直丝杆升降的方案。同时，为了增加装置的稳定性，在滚珠丝杆的四周增加了4根支撑杆，具体方案如图3所示。

图3 升降装置

2. 选型计算

2.1 中间轴的计算

回转装置需要有检测装置，检测的电线需从中间轴内部穿过[9]。电线直径6 mm，于是取中间轴的空心直径为8 mm，最小轴段的厚度为2 mm。轴的中间段与蜗轮蜗杆减速器通过键连接，在最小轴段的基础上厚度增加2 mm。考虑到需要承受的轴向载荷较大，并结合轴承的内径，确定中间轴直径为25 mm。确定好轴的尺寸后，对轴进行有限元分析。

中间轴在回转装置中的最高转速为10 r/min，是不断运动的，可以用动力学模块去分析，但是，这将加大计算时间，精度也不能完全保证，因此，对中间轴进行简化，运用静力学模块来分析[10]。

首先，根据中间轴的受力情况对轴进行边界条件的设定。中间轴的中部与轴承相配合，最大直径的轴段的下表面靠在轴承上，上表面与连板接触，于是将该轴段的下表面和上表面限制在平面上，与轴承内圈相接触的圆周面被限制在圆柱面上；中间轴上部的4个螺纹孔由螺钉与连接板固定，于是将4个螺纹孔固定；键槽与键相连，假设轴按逆时针转动，于是将键槽的右侧面与键相接触[11]。接着，对模型进行网格划分。由于中间轴最小壁厚为2 mm，为了使轴沿壁厚方向有两层网格单元，将总的网格密度设置为1 mm，此时，比率自动变为0.05。然后，将中间轴加1.1的扭矩，并加离心力，设置角速度为1.047 rad/s，并增加400 N的竖直外力，设置完成后，进行求解计算[12-14]。初始结果的应力云图如图4所示。

图4 中间轴应力云图

观察发现，中间轴最大应力处红色区域没有覆盖两层单元，网格划分不太合理，于是将最大应力附近的边线应用网格控制，将键槽内部面的网格密度设置为0.5 mm，比率为1.5，最大应力附近的边线的网格密度设置为0.05 mm，比率为1.5，设置完成后重新生成网格并求解计算。应用网格控制后，应力云图及最大应力处的局部放大图如图5、图6所示。进行网格控制后，应力最大处的红色区域已覆盖两层单元，因此，精度满足要求。从图5、图6可以看出，最大强度增加到83.8 MPa, 而该中间轴的材料选为合金钢，合金钢的屈服强度一般为几百兆帕，因此，中间轴的强度满足要求。

图5 中间轴应用网格控制应力云图

图6中间轴应局部放大应力云图

2.2 轴承的选型

由于回转装置在旋转时会产生离心力，回转装置会承受少量径向力，而回转装置主要承受的是轴向力，则轴承既受到径向力，又受到轴向力，因此，选择角接触球轴承。查机械设计手册，根据确定的轴承内径25 mm，选择7205C角接触球轴承[15]。主要参数如下：轴向基本额定载荷, 径向基本额定载荷。而轴承主要承受的轴向力为被测物与连板的重量，而该轴承的额定载荷远大于所需承受的重量，同时，所需的转速最大为10 r/min，因此，可选择该轴承。

2.3 回转装置的动力源的选型

通过计算被测物的转动惯量，折算到电机轴上的转矩，选择42BYG4501步进电机。主要性能参数如下：步距角1.8°,保持转矩0.17 N·m，转动惯量0.024 kg·cm2，重量0.2 kg。

由于蜗轮蜗杆减速器最小型号只与57步进电机相匹配，故重新选择步进电机，最终选择57BYG4501步进电机。主要性能参数如下:步距角1.8°,保持转矩0.17 N·m，转动惯量0.135 kg·cm2，重量0.5 kg。此时步进电机的保持转矩大大增加，因此，满足要求。

3. 主要零件的结构设计

3.1 中间轴的设计

中间轴在回转装置中，带动连板旋转，当用键将中间轴与连板相连时，为了使轴受力平衡，需使用多个键，而中间轴与连板相连的轴端较薄，随着键的数量增加，会导致该轴段的强度大大降低，因此，中间轴与连板的连接不能用键连接。为了使中间轴与连板更好地连接，同时又保证中间轴的强度与连板相连的轴端的强度同步，最终采用螺钉连接，螺钉均匀对称分布。

考虑到需要检测回转装置的转速，在连板的下侧安装速度传感器，此时就会有连接电线，而轴在运动中是不断旋转的，这将会出现电线缠绕问题。为解决电线缠绕问题，对中间轴的结构进行改进，把原来的中间轴加工成空心的，速度传感器所需的电线由轴的中间穿过，这就很好地解决了电线缠绕问题。为了更好地放置速度传感器的电线，在中间轴的最上面的轴段开了槽，同时，在连板相对应处也开了槽，方便电线的引出；在中间轴末端的轴段打了圆孔，方便电线的引入。为保持两个相对运动结构之间的两个电路通过电接触而形成完整的电路，中间轴的下面装了滑环。中间轴的结构如图7所示。

3.2 支架的设计

图7 中间轴的结构

支架相当于回转装置的底座，为了保证支架由较大的强度和较低的质量，支架由铝合金制成，轮廓为方形框架。考虑加工方便并节省材料，支架采用焊接的方式。支架由一块底板、前后各一块板、一块顶板、左右各一块回形筋板焊接而成。左右的筋板为了增加强度，中间中空，方便在里面安装中间轴、蜗轮蜗杆减速器、步进电机等。

首先，在焊接之前，将底板两边缘加工8个U形槽，方便用螺钉与升降装置相连接。再将前后板加工出槽口，方便焊接完成后用手搬移支架。然后，在底板处加工出升降装置的步进电机等的电线孔，与升降装置的移动平板中的电线孔配作。焊接完成后，对支架底部进行精铣，作为定位基准面，对支架顶部中间需要安装支撑轴座的部位进行精铣，并加工出安装孔及安装支撑轴座的螺钉孔。接着，在支架前部的前板加工出安装显示屏的安装口及开关和接线的安装口。最后，在前板处打好安装电路板盒子及步进电机控制器的螺钉孔，在后板处打好安装电源的螺钉孔，在两侧回形筋板处打好安装挡板的螺钉孔。支架的结构如图8所示。

图8 支架的结构

3.3 配重块的设计

为了使升降回转测试平台在工作时更加平稳，特意设计了配重块。考虑到工作环境在室外，同时，为了配重块携带方便，在配重块上加了环形把手；为了配重块更好地放在支脚的上部，将配重块挖去圆孔，最终效果如图9所示。

加配重块及未加配重块的重心位置如图10、图11所示, 可以看出,加了配重块后, 重心下降了153.97 mm,测试平台将更稳定。

图9 配重块模型

图10 加配重块

图11 未加配重块

4. 结论

本文设计了用于户外测试作业的测试平台，利用SolidWorks软件构建了三维模型，并将测试平台分为回转装置和升降装置，对回转装置及升降装置的动力源进行了选型；在SolidWorks软件中设计各个零件的结构，对中间轴的内部结构进行了优化设计；对比了加配重块及未加配重块的重心位置。在满足设计要求的情况下，本次设计结构简单、制作成本低及实用性高等，可以应用于不同的户外环境，为测试平台在领域内的应用提供了一定的参考。