转台设计指导书

II转台设计目录第1章转台总体设计 1转台结构类型选择 1按机械台体结构分类 1按转台回转轴数量分类 2按转台驱动元件类型分类 5按转台轴承分类 5转台驱动元件选择 6转台测量元件选择 7第2章转台机械结构设计 8轴系设计 8轴承选择与固定 9轴承的安装与预紧 10轴与框架的连接 10胀紧套尺寸选择 12胀紧套安装拆卸与防护 14胀紧套结合面的配合 14框架设计 14配重设计 17限位与锁紧装置设计 17第3章转台驱动元件设计 19传动部件设计 19转动惯量计算 19电机力矩计算 21第4章转台测量元件设计 24角度传感器设计 24旋转变压器 24感应同步器 26光电码盘 27角速度传感器设计 28限位开关设计 30走线与滑环 31PAGEPAGE34第1章转台总体设计转台结构类型选择转台是一种重要的地面测试设备，用于惯性导航系统和惯性元件检定、标定，以及模拟飞行器姿态运动。转台根据用途可分为仿真转台和惯性测试转台。但目前两个类别间互相渗透的趋势愈发显著,界限日趋上移，直到中高端产品才区别明显。惯性测试转台，侧重静态或稳态性能，主要用于惯性导航系统和惯性元件如陀螺、加速度计的性能检测和标定。先进武器系统一般配备有惯性导航和制导系统,这类装置在生产、调试、测评、使用、维护(修)等各个阶段都离不开由惯性测试转台组成的测试系统。因此,惯性测试性能的好坏,直接影响武器系统研制水平及其性能评定。仿真转台，侧重动态性能，仿真转台一般用于武器平台或运动载体的运动状态模拟,是各类武器平台进行半实物仿真试验等地面综合性试验系统的关键设备和重要组成部分,也是测试、评价和标定各类运动载体、武器系统性能的经济、高效的技术手段。转台按照不同的分类标准有多种类型。按机械台体结构分类转台分为立式转台和卧式转台两种。外框轴立式转台立式转台的外框轴垂直于地平面，立式转台的结构多数为音叉式，其内O1-1所示。外框轴图1-1立式转台1-2所示。外框轴外框轴图1-2卧式转台按转台回转轴数量分类转台可分为单轴转台、双轴转台、三轴转台以及多轴转台。1-3所示。图1-3单轴转台1-4中的是卧式双轴转台。图1-4双轴转台图1-5中的是立式双轴转台，其具体结构如图1-6、1-7所示。＿[I图＿[I门但罕联祜器皂机＼

轴承//二，\f\I\f\I/／／上』＇/L、』＇/L、r图1-7双轴转台外框结构1-81-8(a)1-8(b)是卧式三轴转台。立式三轴转台 (b)卧式三轴转图1-8三轴转台1-9所示。图1-9多轴转台按转台驱动元件类型分类转台可分为电动转台、液压转台1-2-1-9中的转台都是电动转台。1-10所示。按转台轴承分类

1-10液压转台转台可分为机械轴承转台、液压轴承转台、气浮轴承转台。机械轴承转台：转台回转轴的支承是机械轴承。液压轴承转台：转台回转轴的支承是液压轴承。转台类型的选择需要根据设计要求合理确定。转台驱动元件选择由于转台是高精度精密测试设备，要求转角精度高、转速平稳，同时又要求调速范围大。因此对于驱动元件的性能要求很高。一般要求其具有体积小、重量轻、高精度、低速平稳运行、高藕合刚度、大扭矩、可堵转、快速响应、特性线性度好、调速方便等的要求。转台常用的驱动元件有电机、液压马达等。电机与液压马达驱动，各有利弊，选择哪种液压驱动的优点是：12～20%。故适用于大负载转台，或是小负载但通频带很宽的高频响转台。0.0004°/s50万倍。电动机驱动的主要优点是：实现连续回转，而摆动式液压马达则不能。液压马达必须设置液压油源，而电动机不需要。驱动元件与转台框架的联接方式分为直接驱动和间接驱动。直接驱动是将电机或液压马达的输出轴直接与框架固联，其主要优点是有利于改善和提高系统的动态性能和精度，缺点是其低速性能取决于元件本身的低速性能；间接驱动是将电机或液压马达的输出轴经齿轮减速再与框架轴固联，其主要优点是可以改善系统的超低速性能及用小力矩电机可驱动大力矩负载，缺点是由于齿轮啮合间隙以及齿面磨损后影响系统的精度和稳定性。目前国内外的高精度测试转台大多采用直接驱动方式。对于一般精度的转台可采用减速回程误差速机，直接驱动转台回转轴。对于电机驱动的转台，常见的电机为力矩电动机和直流伺服电动机。力矩电机转速低，可直接与框架连接形成直接驱动。但当驱动力矩增大时，其允许的最高转速也减小。所以，但直流伺服电动机的轴向尺寸较大，不宜用于转台的内框和中框轴的驱动。力矩电机分为直流力矩电机和交流力矩电机。与交流力矩电机相比，直流力矩电机具有能力指标高控制线路简单等优点，故通常优先选用。有三种可供选择的直流力矩电机，即感应电机，其结构简单、可靠，但在控制特性、体积和发热上远逊于直流电机，故不再采用。有刷直流力矩电机由于有电刷和换向器，需要维护，这对多元件同轴的系统是极不方便的，另外由于受到工艺的限制转矩波动及发热问题都成为不可回避的问题。无刷直流力矩电动机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电动机。无刷电机已不再是一台“彻底的”直流电机，它是利用转轴的位置来对电枢绕组进行换向类似于采用可变频率电源的同步电机，但仍称其为无刷直流电机。无刷电机的最大特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触机构。加工它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维护方便。另外减小有刷电机转矩波动的措施是增加但在原理上只要充分正弦化和三相对称，波动就可以很小，不受工艺的限制。虽然无刷直流力矩电机结构复杂有控制电路且价格较高，但由于它运行反应速度快，机械特性的线度好，能在很低的转速下稳定运行，在堵转状态下能产生较大的转矩，转矩和转速的波动小，精密转台一般都采用无刷直流电机。电机类型的选用要根据具体情况确定，除了考虑转台转速、精度指标外，还要考虑成本问题。转台测量元件选择转台测量元件主要有角度传感器和角速度传感器。角度传感器有光电码盘、感应同步器、旋转变压器。角速度传感器主要是测速机。在选择传感器时，按照以下选用原则选择：1/3；传感器的精度、分辨率比系统总的精度和分辨率最好高一个数量级；传感器的结构尺寸满足总体安装使用要求；有的转台只需要位置控制，测量元件只选择角度传感器就可以。有的转台除了要求位置控制外，还需要速度控制，测量元件需要选择角度、角速度传感器。转台的总体设计至关重要，可以说，转台总体方案的合理确定是保证转台总体性能要求的基础。转台总体方案主要包括机械结构设计、驱动元件设计、测量元件设计等几个方面的内容。在确定了转台的总体方案之后，转台研制工作主要集中在转台机械结构和控制系统的设计和实现中。转台机械结构的设计主要是在对转台框架的固有频率及其各个轴系结构的刚度等进行动力学分析的基础上，确定转台台体的机械结构；控制系统的任务就是最大限度地挖掘系统的潜力，使转台的总体性能达到或者超过设计指标。第2章 转台机械结构设计轴系设计轴系是实现转台各零部件有机联系的关键，各框架之间通过轴系连接在一起，通过轴系传递力矩及传动精确的回转运动。轴系由轴、轴承、连接机构等组成。结构如图2-1所示。轴由两个面对面角接触轴承支承，轴上还连接电机转子和其他连接机构。连接机构连接机构电机轴承轴2-1单轴转台轴系结构2-2二轴转台轴系结构图2-2是二轴转台轴系结构，内框轴是一通轴，其上安装有负载盘、轴承、电机和光电码盘。外框轴由两段轴组成，一端连接电机，另一端连接光电码盘。轴系设计主要涉及刚度、强度、材质、结构形状等。刚度、强度问题是轴系设计的普遍内容，轴系的刚度反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力，转台轴系的载荷是弯矩和扭矩，相应的变形为挠度、扭转角，其刚度为抗弯刚度和抗扭刚度。对于重要的轴系，除了进行强度验算外，还必须进行刚度验算。结构形状设计取决工艺性和相关局部功能。在转台设计中轴常采用中空结构，这样既可以空心过电缆线，以消除导线浮动带来的系统干扰力矩，又可增大结构，减小重量和转动惯量。轴承选择与固定在轴系的设计过程中，主轴组件的性能很大程度上取决于支承轴承的刚度。轴承的支承刚度对转台系统的动力学特性有重要的影响，影响转台轴系的固有频率和频响指标。转台回（高频率的简谐运动（或摆动状态下，因此，要求轴承不仅具有灵敏轴承的高精度、低摩擦特性，还要求轴承具有较高的刚度和抗卸载能力。所以，在轴承的选择及配置型式的确定上必须进行慎重考虑。需根据回转精度的要求，各框架轴承分别确定相应的等级。在轴承的配置型式上则根据受力及负载情况相应的采用面对面式或背对背式。并且，每根轴上的轴承尽可能的对称分布。轴承固定方式有两种：两端固定、一端固定一端游动。如图2-2所示。一端固定一端游动 (b)两端固定图2-3轴承固定方式在转台中，一般采用两端固定方式，图2-1和2-2的轴承固定方式都是两端固定，采用这种方式，主要是为了限制轴的轴向运动。用于转台的轴承目前主要有滚动轴承和空气静压轴承两种。滚动轴承可以直接从厂家购买，从而缩短了转台的研制周期。高精度的滚动轴承，在经过预紧和精密调整后，也可以使整个轴系的精度相当高，而且，滚动轴承的刚度承载能力大。但滚动轴承是接触式的轴承，长时间使用由于滚动体和滚道之间的磨损会降低其精度和刚度。因此，滚动轴承精度保持性不好，而且轴承的预紧和调整也比较麻烦。空气轴承的轴套和轴之间无接触，故精度保持性3以上。因此，空气轴承特别适用于精度高、承载低、转速低的转台。空气轴承有两个主要缺点：一是要有一套供气设备和系统。二是空气轴承制造工艺复杂、成本高。一般精度的转台采用的滚动轴承多是角接触球轴承，该轴承可以同时承受轴向载荷和径向载荷。采用角接触球滚动轴承一方面是考虑到轴系结构设计比较简单，可以很容易地进行预紧和消除间隙，另一方面是这种轴承承载能力强，支承刚度相对深沟球轴承高，摩擦力矩较小。采用型号合适的滚动轴承、适当的安装和正确的预载荷后所达到的几何精度可以接近空气轴承的试验数据。转台轴所安装轴承跨距不能太大，否则台体尺寸加大。但又不宜太小，因为跨距太小对提高轴系回转精度是十分不利的。影响主轴回转精度的因素有很多，而轴承的内圈径向跳动是主要影响因素。确定跨距应综合考虑诸因素。轴承的安装与预紧并在套圈和滚动体接触处产生弹性预变形，以此来提高轴承的旋转精度和刚度。预紧力可以2-4所示，两轴承利用该轴系后端轴向调整螺母，实现两轴承轴向和径向预紧，从而提高其回转精度。螺钉螺钉框架轴调整螺母轴与框架的连接

图2-4轴承预紧2-5才能保证轴与孔的同轴度要求，而且不可调。DH7|k6(a)键连接 (b)过盈配图2-5轴与框架连接方式DH7|k6转台轴与孔的连接常螺钉连接和胀紧套连接。螺钉连接如图2-4，轴与框架孔的配合采用过渡配合，既不存在大的间隙（像键连接，又不需要高的配合精度（像过盈配合，加工装配都比较简单。但是，要求轴与孔的同轴度比较高，不能承受过载，螺钉孔的存在，在一定程度上削弱了轴和框架的刚度。2-612~14在轴与框架内孔的同轴度有误差的情况下，可以通过紧固螺钉进行调整，以保证整个转台的精度指标。图2-6胀紧套连接方式胀紧套的主要用途是实现轴与孔的联结，用以传递负载。其负荷的传递是通过胀紧套中靠胀套与机件的结合压力及相伴产生的摩擦力传递扭矩、轴向力或两者的复合载荷。胀紧套连接是一种无键连接，它与键连接和过盈连接相比具有以下特点：在轴与孔上均不再加工键槽，可提高轴和孔的强度，减少应力集中源；定心好，使用维护方便；对运动。工作中不会磨损。胀套在胀紧后，接触面紧密贴合，不易产生锈蚀，所以寿命长，强度高；具有过载保护功能。胀套在超载时可以保护设备不受损坏。胀紧套尺寸选择各种胀套已经标准化，可根据轴和毂孔尺寸以及传递载荷的大小，从标准中选用合适的的型号和尺寸。选择时应满足：MtMM2(0.5M2(0.5dF)2a式中 Mt—胀紧套的额定扭矩（N〃M—需传送的扭矩（N〃m）Ft—胀紧套额定轴向力（N）d—传动轴直径（m）Fa—轴向力（N）根据胀紧套的额定扭矩确定尺寸，尺寸如图2-7所示，具体尺寸数据见表2-1。2-7胀紧套尺寸2-1胀紧套尺寸基本尺寸（mm）额定负荷内六角螺钉胀套与轴结合面上的压力ptN/mm2胀套与轮载结合面上的压力ptN/mm2重量kgdDlL转矩MtkN．m轴向kNd1nMAN．m4548505560657075808590951001101201301401501601701801902002202402602807580808590951101151201251301351451551651801902002102252352502602853053253556464646464647878787878781001001001161161161161461461461461461461461777272727272728888888888881121121121301301301301621621621621621621621973.94.154.34.86.46.911.812.714.715.718.019.026.932.040.352.064.673.883.7109123.2138145.4188225244373174174174174213213338338369369400400538583673800923985104512831369145414541710188018802670M8M8M8M8M8M8M10M10M10M10M10M10M12M12M12M14M14M14M14M16M16M16M16M16M16M16M2099991111111112121313121315131516171516171720222220414141414141838383838383145145145230230230230355355355355355355355690185170165150170155185170175165170160160155165155170165165150150150145155155145155110105105951101051151101151101151101101101201151251251251151151151101201201151201.51.71.61.71.82.03.63.84.04.34.54.77.27.78.311.712.513.214.020.621.625.026.231.133.636.154.930032037540517717719719744047029302930M20M20222269069015514512011558.371.0注：Z18型胀套螺钉的机械性能等级为12.9级。胀紧套安装拆卸与防护胀紧套在出厂时已涂了润滑油，可直接安装使用。安装时首先将胀紧套松开。然后将胀紧套放到设计位置的孔中，使用测力扳手拧紧螺栓，拧紧的方式是每个螺栓每次只拧到额定1/4胀紧套的拆卸：胀紧套的防护：安装时防止胀紧套污染，在露天作业或工作环境较差的机器上，应定期在外露的胀紧套端面及螺栓上涂防锈油脂。胀紧套结合面的配合表2-2给出了胀紧套结合面的配合及表面粗糙度，共设计时参考。表2-2胀紧套的结合面的公差及表面粗糙度胀套内径与胀套结合的轴与胀套结合的孔d(mm)公差带Ra公差带Ra＜38h71.6H72.5≥38h81.6H82.5框架设计框架是转台的关键零件，提高其力学性能对系统的精度具有重要的意义。框架结构如图所示。内框结构中框结构外框结构2-8对于多轴转台，各框架的设计顺序是：由内到外（或称为负载受到内框架约束，外框架设计受到中框架约束。转台的框架断面为空心矩形，其断面重量轻、惯性矩大、刚度好。框架材料选用优质铸造铝合金（ZL205A，具有强度高、比重小、加工性好的优点，可使框架具有较高的刚度和较小的转动惯量。对长期工作在角秒级的转台来说，必须对内应力产生的结构蠕变进行严格控制，所以，在框架加工过程中要经过人工时效来减小内应力，保证框架在转台工作中不发生残余应力变形，从而可靠地保证框架形位尺寸的稳定性，实现框架的高精度要求。系统工作频带作为衡量转台动态特性的一个重要指标，在设计时一定要预以重视和考虑。从大量研究资料和工程经验可以知道，驱动功率和结构刚度是影响转台频响带宽的两个主要因素。在设计时必须保证所选择的驱动功率足够大，可以保证系统带宽在要求的范围内，且留有拓宽的余地，但是，驱动功率足够大也不一定能够拓宽频带，因为结构刚度是限制控制系统能否充分利用驱动功率的一个重要因素，所以在驱动功率足够大的情况下，还要考虑框架的机械谐振。另外，对于电动转台来说，由于采用的是力矩电机，电机的大小和重量主要是取决于各轴系的转动惯量和轴系工作时的最大角加速度等指标，为了最大限度地降低电机质量尤其是内环和中环电机的重量，如何降低其轴系的转动惯量成为电动转台台体结构设计好坏的关键技术。一般转台轴系的转动惯量主要包括负载惯量、框架惯量、电机惯量、轴和轴承惯量，而负载惯量、电机惯量、轴和轴承惯量往往是比较容易控制，框架惯量往往是设计中最需要关注的参数。综上所述，我们可以看出，若单方面提高框架刚度必然要求增大框架的壁厚等参数，带来的结果就是转动惯量的提高；而单方面要求降低转动惯量必然要牺牲框架的刚度，这本身就是一对矛盾。为了解决这个问题，目前常采用现代优化方法，从重视频带宽度的角度出发，借助于大型有限元分析软件对所要设计的框架进行优化设计，使框架有一个较高的固有频率同时，框架质量最轻，即转动惯量最小。框架固有频率当然是越大越好，一般设计要求机械系统的自由振动固有频率必须高于最高工作频率4-8倍。配重设计但对于内框，由于负载重心偏离俯仰轴线，故俯仰轴存在着较大的偏载力矩，为此，必须对2-9所示。即式中 m1—负载质量；L1—负载质心到转轴距离；m2—配平块质量；L2—配平块质心到转轴距离

(2-2)LL1L2m1m2负载转轴配平块限位与锁紧装置设计

图2-9配平块有的转台转动角度范围是有限的，为了防止转过范围，造成线路缠绕甚至扯断，要有限2-10转台结构图，在图中，外框转角范围小于360°，因此在外框与支座上安装限位装置，具体而起到限制转角范围的作用。在限位装置上常安装橡胶套，可起到缓冲撞击力的作用，避免限位装置外框中框锁紧装置内框限位装置外框中框锁紧装置内框支座2-10限位锁紧装置图限位装置 图2-12锁紧装置2-13中的限位装置安装在转台内外框限位装置外框限位装置基座限位装置2-13不合适的限位装置第3章 转台驱动元件设计传动部件设计对于直接驱动式的转台，需要联轴器或者直接与电机提供的接口连接。在图3-1中的单轴转台轴系结构中，电机转子直接联在轴上，驱动轴系回转。齿轮减速机直流力矩电机齿轮减速机对于间接驱动式的转台，需要传动机构。常用的传动机构有丝杠螺母、齿轮、涡轮蜗杆等。如图齿轮减速机直流力矩电机齿轮减速机转动惯量计算

图3-1转台传动机构转动惯量是驱动元件设计计算的一项重要原始数据。刚体绕Z轴转动的转动惯量为：Jr2mr2dmi2m

(3-1)z i i zJzm式中rz—惯性半径，rJzm当刚体的回转轴不在刚体的质心上时，转动惯量的平行移轴公式为：z JJ mdz

(3-2)式中Jzc—通过质心轴Zc的转动惯量；Jz—通过与Zc轴平行的Z轴的转动惯量；d—Z轴与Zc轴之间的距离常用的均质物体的转动惯量见表3-1。表3-1 均质物体的转动惯量形状简图转动惯量细直杆J ml2zc 12Jml2z 3薄壁圆筒JzmR2圆柱J1mR2z 2JJm(3R2l2)x y 空心圆柱Jm(R2r2)z 2薄壁空心球J2mR2z 3实心球J2mR2z 5圆锥体J3mr2z 10JJ3m(4r2l2)x y 圆环Jm(R23r2)z 4立方体Jm(a2b2)z Jm(a2c2)y Jm(b2c2)x 矩形薄板Jm(a2b2)z Jma2y 12Jmb2x 12CAD中转动惯量计算方法：CADCAD的相关命令计算各零部件的转动惯量。电机力矩计算电机的载荷除了惯性载荷（转动惯量）外，还有摩擦载荷、各种环境载荷。惯性载荷惯性载荷是由于一定质量的物体具有加速度或者角速度才产生的。计算回转运动时的惯性载荷，需要知道角加速度ε、转动惯量J等参数。对于转动物体，惯性力矩MJ为式中 J—物体的转动惯量；ε—物体角加速度摩擦载荷

MJJ

(3-3)转台各转动轴转动过程中产生摩擦载荷。它是两物体接触面上存在的一种阻止运动的力矩。转台摩擦力矩主要由轴承中的摩擦、齿轮啮合齿面之间的摩擦以及其他附属装置的摩擦引起的，摩擦力与其作用力臂的乘积即为摩擦力矩。摩擦分为静摩擦和动摩擦。轴承上的摩擦力矩计算公式如下。轴承静摩擦力矩计算：Msfs

NDd4

(3-4)式中fs—静摩擦系数，一般在0.1～0.3以上；—接触面的法向压力D—轴承外径；d—轴承内径轴承动摩擦力矩计算：

M fNDdf 4

(3-5)式中 f—动摩擦系数，一般在0.1～0.3以下；—接触面的法向压力D—轴承外径；d—轴承内径环境载荷有些转台，如天线转台需要在露天环境中工作，所受的载荷除摩擦载荷、惯性载荷外，还有风载荷。环境温度使机械机构产生热变形，而产生温差载荷。外载荷的确定，要视具体情况而定，有的可从理论上进行推导，有的需要借助实验来测定。风载荷计算：式中v—风速（/s

2vMw16SdPsdv

(3-6)—风压（N/2S—迎风面积d—迎风面中心到回转轴的距离（m）各级风速风压值见表3-2表3-2各级风速风压（设计参考）风级名称风速风压kg/m2陆地地面物体征象海面状态km/hm/s0无风<10-0.20-0.0025静静1软风1-50.2-1.50.0056-0.014烟能表示方向，但风向标不动微波2轻风6-111.6-3.30.016-0.68人面感觉有风，风向标转动小波3微风11-193.3-5.40.71-1.82树叶及微枝摇动不息，旌旗展开小波4和风20-285.4-7.91.89-3.9能吹起地面纸张与灰尘轻浪5清风29-388.0-10.73-7.16有叶的小树摇摆中浪6强风39-4910.8-13.87.29-11.9小树枝摇动，电线呼呼响大浪7疾风50-6113.9-17.112.08-18.28全树摇动，迎风步行不便巨浪8大风61-7417.1-20.718.49-26.78微枝折毁，人向前行阻力甚大狂浪9烈风74-8820.8-24.427.03-37.21建筑物有小损狂涛10狂风89-10224.4-28.437.51-50.41可拔起树来，损坏建筑物狂涛11暴风102-11728.4-32.650.77-66.42陆上少见，有则必有广泛破坏狂涛12飓风>11732.7-66.41-85.1陆上极少见,摧毁力极大海浪滔天第4章 转台测量元件设计角度传感器设计转台角位置测量系统的精度主要由传感器的精度及测角线路决定，角位置传感器有许多感应同步器、光电码盘。下面对它们的特点、使用情况进行简单介绍。旋转变压器旋转变压器简称旋变，英文名称是resolver，亦称解析器、解算器等。旋变是一种输出电压随转子转角变化成一定函数关系的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。按输出电压与转子转角间的函数关系，旋转变压器主要分三大类：正－余弦旋转变压器 其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系。线性旋转变压器 其输出电压与转子转角成线性函数关系。比例式旋转变压器 其输出电压与转角成比例关系转台上用的是正－余弦旋转变压器，其工作原理是，旋变由转子和定子绕组构成，并且4-1S1S3S2S4为定子绕组，它们的结构完全相同。R1R3R2R4为转子绕组，它们的结构也完全相同。定子绕组引出线直接接到接线板上，转子绕组要通过滑环接到接线板上。S1S3ES13=EsinωtR1R3R2R4R1R3S1S3θ式中 k—变压比（即绕组匝数比E—励磁信号的幅值；ω—励磁信号角频率；θ—旋转变压器转角

ER13kEsintcosER24kEsintsin

(4-1)(4-2)S1S2 S4S3RθRR4R1R2 R3图4-1旋转变压器结构实际使用时通常采用多极工作形式，一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组作为输出（两相输入单相输出。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。(1)鉴相工作方式给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差90°的交流励磁电压，即ES13EcostES24E

这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，根据线性叠加原理，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：ER13kES13coskES24sinkE(costcossintsin)kEcos(t)

(4-5)由上式可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，这样，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子和被测轴连接在一起，所以，被测轴的角位移就知道了。(2)鉴幅工作方式给定子两绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即式中 α—激磁绕组中的电气角则转子上的叠加电压为：

ES13EES24Esin

(4-6)(4-7)ER13kES13coskES24sinkE(coscossinsin)costkEcos()cost

(4-8)由上式可见，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得转角。感应同步器感应同步器和旋转变压器一样也是一种电磁式位置检测元件，两者的工作原理相同，它是利用两个平面印制绕组的互感随位置不同而变化的原理工作的，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺4-2后者用于角位移测量。由于感应同步器采用印制绕组，极数很多，可达几百、上千个，节距很小，配上适当的信号处理电路可以达到很高的测量精度。子 图4-2旋转式感应同步器结构感应同步器的基板上敷有绝缘层，常用环氧树脂，在绝缘层上粘有一层紫铜箔，厚度为为屏蔽层以防静电感应，在定子表面喷涂一层绝缘漆以保护表面。定子和转子之间的气隙一0.25±0.005mm。旋转感应同步器定子、转子上的绕组是由辐射状的导片组成。转子上的绕组是一个单向360、512、720、10202º1º360段绕组，这些绕组按所处磁场位置分为正弦和余弦两大组。正弦绕组和余弦绕组交替排列，32017876等几种。一般来说，在极数相同的情况下，旋转式感应同步器的直径做的做大，越容易做的与旋转变压器一样，有鉴相式、鉴幅式两种工作方式，原理亦相同。感应同步器的特点：具有很高的精度和分辨率，直线式感应同步器的精度可达到±1um0.2um300mm的旋转式感应同步器的精度可达到±1",0.05"，重0.1"。抗干扰能力强。感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置。任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号。因而不受瞬时作用的偶然干扰信号的影响。平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场和磁场变化的影响很小。所以使用寿命长。不怕油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫。工艺性好。成本低，便于复制和成批生产。另外，感应同步器中导片的数量很多，产生一种误差平均效应，明显减小了导片节距误差对测量精度的影响使测量精度远远高于制造精度。因此，对制造精度的要求并不很高。感应同步器的缺点是：输出信号弱，信号处理麻烦，配套的用于信号处理的电子设备比较复杂，价格高。光电码盘光电编码器是一种回转式数字测量元件，将测得的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式的数字信号输出。因此光电码盘可分为增量式和绝对式两种。增量式码盘的输出信号经处理后的数码表示相对于某个基准点的相对转角，即对于这个基准位置码盘所增加的角度数量，它用于测量转速非常方便。绝对式码盘的输出信号经处理后的二进制数码就表示码盘所在点的绝对角位置，比较适合于做角位置控制系统的传感器。增量式码盘结构如图4-3所示。增量式码盘轴旋转时，有相应的脉冲输出，其旋转方向的判别和脉冲数量的增减需要借助后部的判向电路和计数器来实现。其计数起点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量，还可以把每转发出的一个脉冲信号作为参考机械零位。光电编码器的指示光栅上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90°相位。利用AB两路信号，可根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；可根据脉冲的频率可AB利用、B两相的90°相位差进行细分处理（四倍频电路实现，提高分辨率。另外，码盘里“一转信号”测量的起始基准。图4-3增量式码盘结构4-4组成。码盘上有按一定规律分布的由透明和不透明区构成的光学码道图案，它们是由涂有光乳剂的玻璃质圆盘用光刻技术制成的。码盘与被测件转轴相联，当回转轴转动时带动码道盘同步转动，在码道盘一侧装有光源另一侧装有狭缝和光电转换器。当码道盘与狭缝发生相对位移时，光源发出的光补调制成强弱变化的一组光信号，经过光电转换成强弱变化的信号，该电信号再经码盘信号处理电路处理即可输出二进制的绝对位置编码信号。显然码盘的分辨NΔθ=360°/2N。图4-4绝对式码盘结构目前，国际上生产的转台所用的测量元件大体上分为两类：一是光电编码，二是由旋转变压器和感应同步器构成的测角系统。旋转变压器和感应同步器作为测角元件，构成双通道测角系统，由感应同步器组成精通0.0001～0.9999°,0.0001°；由旋转变压器组成粗通道，测角范围为0.1～359.90.1°。两个通道测得的数据通过粗精耦合处理，就可以组成测角范0.0001～359.9999°,0.0001°的高精度转台测角系统。旋转变压器和感应同步器输出信号为模拟量，须经过模数转换才能被计算机接受，精度越高感应同步器尺寸也大，不易实现转台的小型化。光电码盘输出数字信号，响应快，易实现小型化。现在常用光电码盘作为测角元件。旋转变压器和光电码盘安装简单，方便，对安装精度要求不高。但对于感应同步器来说，安装比较困难。要求高的平面度、端跳度，还要保证定子与转子之间的间隙在要求范围内