设计说明书
设计说明书 · 2kg 转台驱动模块
本文是REQUIREMENTS.md的实现方案：每个设计参数都必须能追到某条需求。
追溯矩阵见 §6；无对应需求的参数即为"无依据参数"，必须先补需求。
1. 总体架构
外置电机（横置）
│ 六方轴 对边8.2
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┌─────────────────────┐
│ input_shaft 输入光轴 │ 六方端 → Ø12 轴颈 → D 形段
└─────────┬───────────┘
│ 输入轴承（横置 Ø28.3 舱，x-48..-40）
▼
pinion 主动锥齿轮（m2.5×z20，全圆孔+径向顶丝）
│ 90° 啮合，锥顶 (0,0,38)
▼
┌─────────────────────┐
│ output 输出轴+从动齿轮 │ Ø12 轴身 + 止推轴环 Ø15 + 卡簧槽
└─────────┬───────────┘
│ 上轴承（凸台内 z76..84）／下轴承（cover 内 z-8..0）
▼
┌─────────────────────┐
│ platform Ø90 台面 │ D 形孔 + 凸毂径向顶丝
└─────────────────────┘
│
轴下端 z-10 磁钢 Ø6×2.5
▼ 气隙 1.5mm
AS5600 编码器板（cover 口袋内，四角支架定位）| 零件 | 功能 | 关键接口 |
|---|---|---|
| housing | 承力骨架 + 三处轴承座 + 齿轮腔 | 上舱 Ø28.3 / 输入舱 Ø28.3 / 台阶面 |
| output | 输出轴与从动齿轮一体 | Ø12 轴身、Ø15 轴环、D 扁位、卡簧槽、磁钢孔 |
| input_shaft | 输入轴 | 六方孔 8.2、Ø12 轴颈、D 形段 |
| pinion | 主动锥齿轮（分体） | Ø12.3 全圆孔 + 轮毂径向 M3 顶丝 |
| cover | 下轴承座 + 编码器腔 | Ø28.3 舱、台阶 z0、口袋 26×26、四角支架 |
| cap | 输入轴承压盖 | 止口 Ø27.4 + 中心孔 Ø18.5 |
| platform | 台面 | D 形孔 Ø12.3 + 凸毂 Ø24×5 + 顶丝 |
| bearing ×3 | 支撑与承载 | Ø12.4/Ø28/H8（≡ 6001） |
基准与坐标系：Z↑ 为输出轴；输入轴为 X 轴（外侧 −X）；锥顶 (0,0,38)；单位 mm。所有参数唯一定义于 scripts/lib/turntable_params.scad。
2. 关键尺寸链推导
2.1 传感器气隙链（R-S1/R-S2/R-S8）★ 核心
磁钢必须被硬定位，气隙由结构决定而非"调出来"：
磁钢底面 z = -10.00 ← 轴端盲孔深 2.5 = 磁钢厚，坐底即齐平（os_z0）
+ 气隙 as_gap = 1.50 ← 需求 R-S2（官方 0.5~3，取中心 1.5）
+ 芯片高 = 1.75 ← AS5600 SOIC-8 封装高（as_chip_h）
─────────────────────────────
芯片顶面 z = -11.50
- 芯片高 = 1.75
─────────────────────────────
板顶面(定位面) z = -13.25 ← as_seat_z = os_z0 - as_gap - as_chip_h设计方程（写在 SCAD 里，改需求自动重算）：
as_seat_z = os_z0 - as_gap - as_chip_h; // -13.25 = 四角支架底面关键洞察（气隙鲁棒性的来源）：
定位基准取在板顶面（芯片同侧），不是板底面。
因此板厚公差完全不进入气隙链——气体隔的是磁钢和芯片，只要芯片面被定位住，板多厚都无所谓。
2.2 轴向承载链（R-L1）
2kg → 19.6 N。正向下压（台面承重）：
台面 2kg → 轴 D 形段 → Ø12 轴身 → 轴环 Ø15(z70..76)
→ 上轴承内圈下端面(r6..7.5) → 滚珠 → 外圈 → 箱体台阶 z76| 校验项 | 数值 | 判定 |
|---|---|---|
| 轴环半径 | 7.5 | — |
| < 打印轴承外圈内径 10.3 | ✓ | 不压外圈 |
| < 钢轴承滚珠内缘 7.62 | ✓ | 不压滚珠 |
| ∈ 打印轴承内圈面 [6.2, 9.7] | ✓ | 压得住 |
| ∈ 钢轴承内圈面 [6.0, 7.8] | ✓ | 压得住 |
| 轴环接触应力 | 19.6N / π(7.5²−6²)=63.6mm² = 0.31 MPa | PETG 安全（屈服 ≫20MPa） |
反向上抬：轴 → 下卡簧槽挡圈 → 下轴承内圈下端面 → 滚珠 → 外圈 → cover 台阶 z0 ✓
R-L1 的本质是"载荷必须过滚珠"：轴环与舱壁、与外圈之间不得有任何接触面，
否则轴向力绕过滚珠走塑料滑动摩擦，2kg 下会磨损/卡死。
2.3 传动链（R-F2/R-M1）
| 项 | 值 |
|---|---|
| 模数 × 齿数 | m2.5 × z20（两轮相同，传动比 1:1） |
| 锥角 | 45°（正交轴） |
| 外锥距 L_out / 内锥距 L_in | 35.355 / 23.355 |
| 齿面宽 | 12 |
| 背隙 | 0.30 |
| 锥顶 | (0, 0, 38)，两轮共用 |
3. 公差最坏情况分析
3.1 气隙最坏情况（R-S8）
| 误差源 | 单边 | 对气隙影响 |
|---|---|---|
| 芯片高 1.75±0.25（估值，待实测） | ±0.25 | ∓0.25 |
| 磁钢坐底偏差（压入深度） | ±0.30 | ±0.30 |
| 四角支架定位面打印公差 | ±0.15 | ±0.15 |
| 合计 | ±0.70 |
- 气隙范围：0.80 ~ 2.20 mm
- 需求窗口：0.5 ~ 3.0 mm
- 余量：下限 +0.30mm / 上限 +0.80mm → R-S2 满足，鲁棒 ✓
3.2 板厚不进链
板厚 1.6 只影响：口袋深度（18 ≥ 支架5.25+板1.6+螺钉头3=9.85 ✓）、螺钉长度。
不进入气隙链（见 §2.1 关键洞察）→ 板厚公差可放宽 ✓
3.3 配合间隙表
| 配合 | 设计值 | 依据 |
|---|---|---|
| 轴承外径 ↔ 舱孔 | 28.00 ↔ 28.30（0.30） | R-P2 打印收缩补偿；钢件滑配 |
| 轴 Ø12 ↔ 打印轴承内孔 12.4 | 0.40 | R-P2 PETG 孔收缩 |
| 轴 Ø12 ↔ 钢轴承内孔 12.00 | 0~0.02 轻压 | 旋转轴应内圈紧配 |
| 轴颈 ↔ pinion 孔 12.3 | 0.30 | 装配可插入 + 顶丝锁紧 |
| 轴 D 扁位 ↔ 台面 D 孔 | 0.30 | 可装入 |
4. 轴承选型分析（R-L2 驱动）
| 指标 | 打印轴承（8实体） | 6001 钢轴承（12×28×8） | 需求 |
|---|---|---|---|
| 径向游隙 | 滚道间隙 0.31 → 内圈相对外圈 0.3~0.6 mm | 内部游隙典型 5~20 μm | R-L2 ≤0.3 |
| 外圈↔舱孔窜动 | 0.30 | 0.30（可收紧至 0.05） | — |
| 总径向跳动 | 0.3~0.6+ → ✗ 不满足 | 0.01~0.05 → ✓ 满足 | R-L2 |
| 是否需"激活" | 需要（手动拧断熔丝） | 不需要 | — |
| 静态承载 | PETG 球接触，强度低 | C0 ≈ 2.4 kN（20N 仅 0.8%） | R-L1 |
| 与 R-A5 互换性 | 同尺寸 | 同尺寸 | R-A5 |
✅ 需求冲突裁决（D1，2026-09-30 用户已拍板）
R-A5（两者通用）与 R-L2（径向跳动≤0.3）互相矛盾，按两阶段处理：
- 验证阶段（当前 v3，方案 B）：
brg_od = 28.3，3 个 print-in-place 打印轴承先验证机构（用户确认"打印验证用"）；此阶段 6001 钢轴承也能装入（0.3 滑配），但不满足 R-L2 - 定版阶段（方案 A）：用户自购 3 个 6001 钢轴承后，
brg_od改为 28.05；届时需重打 housing、cover（轴承舱所在的 2 个件），其余零件不变；打印轴承将无法装入定版箱体——以放弃严格 R-A5 换取 R-L2/R-S1
| 方案 | 舱孔 | R-A5 通用 | R-L2 跳动 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| A 优先精度 | 28.05 | ✗ 打印件需另做 28.4 备件 | ✓ | 定版采用（购 6001 后） |
| B 优先通用（当前验证版） | 28.30 | ✓ | ✗（0.3~0.6） | v3 采用，先验证机构 |
| C 折中 | 28.15 | △ 打印件偏紧需试 | △ | 不采用 |
5. 假设与风险
| 编号 | 假设/风险 | 影响 | 对策 |
|---|---|---|---|
| A1 | AS5600 板厚 1.6、芯片高 1.75（据用户照片估） | 气隙中心值偏移 | 实测实物后修正 as_chip_h，重跑审计（Q3）；§3.1 已证明公差带内仍合规 |
| A2 | 磁钢压到底即与轴端齐平 | 气隙减小最多 0.3 | 压装时用深度规；§3.1 已留余量 |
| A3 | 台面半径/偏心量未知 | 倾覆刚度无法算（R-L4） | 待用户给（Q2） |
| A4 | 电机扭矩未知 | 齿轮强度无法校核 | 待用户给型号（Q4） |
| A5 | 打印件尺寸波动 ±0.15~0.3 | 配合松紧 | 关键配合留 0.3 余量 |
| A6 | 板顶焊盘与四角支架局部重叠 0.1mm | 板微倾斜 | 可接受（板厚1.6，无影响） |
| A7 | AS5600 芯片居中于板（照片判读） | 磁钢与芯片偏心 → 角度周期性误差 | 装前用卡尺量芯片中心到 4 孔的对称性；若偏心，需按实际偏置重定位支架 |
| A8 | 挡圈厚 1.0（DIN471 Ø12） | 轴向浮动量 | 槽宽 1.1 − 挡圈 1.0 = 0.1mm 轴向浮动 ≤ R-L3(0.3) ✓；若用非标挡圈需复算 |
| A9 | 上轴承外圈无上方轴向挡 | 倒置/提起时外圈可能上移（正常使用时靠重力与载荷压在下台阶） | 非功能缺陷；如需彻底防脱，可把凸台加高到 z86 并在轴承上方加卡簧槽 |
3.4 传感器精度与轴承游隙的耦合（决定轴承选型）★
AS5600 要求磁钢中心与芯片霍尔阵列同心（R-S1 ≤0.5mm）。轴系的径向游隙会直接平移磁钢，
因此 R-L2 不只是机械指标，而是传感器精度的前置条件：
| 轴承 | 径向游隙 | 舱孔配合 | 总径向最大偏移 | 对 R-S1(≤0.5) |
|---|---|---|---|---|
| 打印轴承 | 0.3~0.6 | 0.30 | 0.6~0.9 | ✗ 吃掉全部余量 |
| 6001 钢轴承 | 0.005~0.02 | 0.30（可收紧 0.05） | 0.31~0.32（收紧后 0.055~0.07） | △ / ✓ |
结论：若 R-L2/R-S1 成立，定版必须用 6001 钢轴承，且舱孔从 28.30 收紧到 28.05。
✅ 裁决 D1（2026-09-30）：用户确认上述结论。当前 v3 保持 28.30 + 打印轴承做机构验证；用户自购 6001 后改 28.05 定版（重打 housing、cover，仅改 brg_od 一个参数）。
6. 需求追溯矩阵
每条需求 → 设计参数 → 审计断言 → 实测值。* 表示脚本断言带需求编号。
| 需求 | 设计参数（SCAD） | 审计断言 | 实测 | 状态 |
|---|---|---|---|---|
| R-F1 | in_hex_af=8.2, in_hex_deep=10 | 六方孔对边/深度 | — | 待补断言 |
| R-F2 | z_apex=38, g_delta=45 | 锥顶重合 | 由 SCAD 保证 | ✓ |
| R-F4/R-F5 | plat_flat, hub_d=24 | platform D 孔/凸毂 | ✓ | ✓ |
| R-F6 | os_z0=-10, 盲孔Ø6.2×2.5 | 磁钢盲孔空/盲端实 | ✓ | ✓ |
| R-L1 | col_d=15, col_z0/z1=70/76 | 轴环 r7.5 ∈ 两种内圈面、<外圈内径/滚珠内缘 | ✓ 4条 | ✓ |
| R-L2 | 舱孔 28.3 / 轴承选型 | §4 分析（脚本待补） | 0.3~0.6 | ⚠️ 冲突待裁决 |
| R-L3 | 轴环 z76 + 卡簧槽 | 轴环顶面 z76、卡簧槽环带 | ✓ | ✓ |
| R-M1 | g_backlash=0.30 | 齿侧间隙计算 | 0.30 | ✓ |
| R-M2 | 腔 Ø56 vs 齿轮 Ø53.6 | 齿轮过腔口余量 1.2/边 | ✓ | ✓ |
| R-M3 | 轴环+台阶+卡簧 | 台阶 z76 双支承 | ✓ | ✓ |
| R-S1 | 板 4 孔 ±8.3 定位 → 天然对中 | 支架孔位 | ✓ | ✓ |
| R-S2 | as_gap=1.5 | 气隙 ∈[0.5,3] | 1.5 | ✓ |
| R-S4 | 轴端 PETG | 材料非铁磁 | ✓ | ✓ |
| R-S5 | as_seat_z=-13.25 硬定位 | 支架底面实测 z-13.25 | ✓ | ✓ |
| R-S6 | 4×M3×6 孔 | 4 底孔存在且未穿舱 | ✓ 3条 | ✓ |
| R-S7 | 焊盘 r7~10 vs 滚珠区 r7~13 | 计算 | ⚠️ 已写入警告 | ✓ |
| R-S8 | §3.1 公差表 | 气隙 0.8~2.2 ⊆ [0.5,3] | 计算 | ✓ |
| R-P2 | 舱孔+0.3、轴承内孔+0.4 | 28.3 / 12.4 | ✓ | ✓ |
| R-P5 | — | 8 零件连通分量=1；bearing=8 | ✓ | ✓ |
| R-P6 | 环管挖法 | 卡簧槽轴芯保留 | ✓ | ✓ |
| R-A1 | 装配顺序 | 输入舱贯通、齿轮过腔口、六方端过 cap 孔 | ✓ | ✓ |
| R-A3 | 轴环移至轴承下方 | 上轴承过轴顶无阻挡 | ✓ | ✓ |
| R-A4 | M3×6/M3×8/M3×25 | 顶丝行程、咬合 4.4、螺钉尖端 -8.85 | ✓ 6条 | ✓ |
| R-A5 | 舱孔 28.3 | 舱孔−轴承OD = 0.3 | ✓ | ✓ |
| R-D2 | manifest 引用同一 STL | 打包脚本核对 | ✓ | ✓ |
审计现状：85 项全部 PASS（python3 scripts/audit_turntable.py）
变更记录：v1 初稿（2026-09-29）——建立设计基线；发现 R-A5/R-L2 冲突（§4）。