三軸測試轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

摘 ?要：本文介紹了一種用于天線測試的三軸重載高精度轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺各軸均采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)齒輪消隙，實(shí)現(xiàn)較高的定位精度。文章詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)組成，并對傳動(dòng)鏈功率設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算校核。使用Hyperworks/optistuct軟件有限元建模，對搬運(yùn)器進(jìn)行各工況下變形和強(qiáng)度的力學(xué)分析。分析結(jié)果表明，整機(jī)安全裕度符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：三軸測試轉(zhuǎn)臺;定位精度;雙電機(jī)消隙;驅(qū)動(dòng)回差;

引言

高精度的重載測試轉(zhuǎn)臺作為關(guān)鍵設(shè)備，在雷達(dá)天線內(nèi)場、外場標(biāo)定中起著不可替代的作用，其承載能力、測角精度和定位精度直接關(guān)系到測試實(shí)驗(yàn)的可靠性和置信度。其中，精密三軸天線測試轉(zhuǎn)臺可在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下模擬重型天線實(shí)際工作時(shí)的各種姿態(tài)，復(fù)現(xiàn)其不同姿態(tài)下的微波場特性，從而對其微波器件的功能和性能反復(fù)仿真、測試和標(biāo)定，是天線近場測量的重要設(shè)備之一[1-3]。隨著雷達(dá)天線陣面尺寸重量的大型化和高精度化，對測量標(biāo)定轉(zhuǎn)臺設(shè)備的性能和精度要求也在不斷提高。因此，高精度重載多軸測試轉(zhuǎn)臺的研究和制造，對航空航天及國防建設(shè)有重要意義[4]。

本文所述三軸轉(zhuǎn)臺主要為位置和隨動(dòng)功能轉(zhuǎn)臺，承載較大，為側(cè)重靜態(tài)穩(wěn)態(tài)性能的角度指示型測試轉(zhuǎn)臺。其可承載較大負(fù)載并實(shí)現(xiàn)三軸大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，并可在大負(fù)載下保持在空間的穩(wěn)定指向;可接收上位機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的上方位、俯仰和下方位任意位置定位或隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)被測天線精確指向目標(biāo)，并可長時(shí)間鎖定在該位置，以滿足標(biāo)校測試要求。

1.技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成

三軸測試轉(zhuǎn)臺由上、下方位軸和俯仰軸組成，各軸均具有定位鎖定及掉電位置鎖定功能。其中上、下方位軸配置導(dǎo)電滑環(huán)，可360?連續(xù)旋轉(zhuǎn)，其它基本技術(shù)指標(biāo)如下：

三軸轉(zhuǎn)臺主要由上方位轉(zhuǎn)臺、俯仰軸系和下方位轉(zhuǎn)臺三大部分組成。上方位轉(zhuǎn)臺由上臺面、上回轉(zhuǎn)支承、精密減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪、匯流環(huán)、雙級旋變和上底座等組成;俯仰框架主要由主齒輪、中心主軸、軸承組、二級減速齒輪、限位開關(guān)、雙級旋變、俯仰框架和限位擋塊組成;下方位轉(zhuǎn)臺由下臺面、下回轉(zhuǎn)支承、精密減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪、匯流環(huán)、雙級旋變和下底座等組成。其整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2.轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

三軸測試轉(zhuǎn)臺按照功能可分為轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)兩部分。為了在保證轉(zhuǎn)臺在大負(fù)載下、任意位姿時(shí)各轉(zhuǎn)軸無運(yùn)動(dòng)回差，各軸均采用雙電機(jī)消隙的方式，有效保證轉(zhuǎn)臺在任意位置時(shí)均被驅(qū)動(dòng)齒輪壓緊，消除末級齒隙和減速機(jī)背隙等回差對轉(zhuǎn)臺角度定位的影響[5]。以下對各結(jié)構(gòu)組成部分進(jìn)行介紹：

1）上方位轉(zhuǎn)臺

上方位轉(zhuǎn)臺，使用滾子式帶內(nèi)齒回轉(zhuǎn)支承承載，同軸安裝雙級高精度旋變，精度等級為0級，測角誤差小于20秒。旋變下方設(shè)置有20通道的匯流環(huán)，供轉(zhuǎn)臺上方位旋變自身使用和轉(zhuǎn)盤上器件通訊供電等使用，確保轉(zhuǎn)臺可360?連續(xù)旋轉(zhuǎn)。為消除方位驅(qū)動(dòng)齒隙，保證定位精度，使用兩組電機(jī)通過精密減速器帶動(dòng)兩個(gè)小齒輪，分別同時(shí)驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒式回轉(zhuǎn)支承的雙電機(jī)消隙的結(jié)構(gòu)。由于轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速較低，上方位轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)時(shí)，主要克服摩擦力矩Mf1和額定彎矩Mp1。根據(jù)負(fù)載重量及回轉(zhuǎn)支承參數(shù)等，計(jì)算上方位轉(zhuǎn)動(dòng)所需的總功率為P1：

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得：P1=0.47Kw，考慮到慣量匹配和雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率損耗等因素，上方位電機(jī)選型為0.4Kw，兩臺電機(jī)可滿足上方位轉(zhuǎn)動(dòng)需求。

2）俯仰軸系

由于俯仰軸轉(zhuǎn)臺的承載較大，為降低對精密減速機(jī)的輸出扭矩要求，使用俯仰大齒輪配二級大小齒輪副和兩組減速電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的方式。俯仰主軸兩側(cè)貫穿左右，分別布置承載軸承、限位開關(guān)和測角雙級高精度旋變。兩組減速電機(jī)安裝座上均設(shè)置有可調(diào)偏心套，用于調(diào)整消除末級驅(qū)動(dòng)齒隙。俯仰軸系的第一級大小齒輪減速比為6：1，第二級大小齒輪減速比為3：1，機(jī)械運(yùn)動(dòng)的限位范圍為92?～-47?。俯仰軸系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主要克服摩擦力矩Mf2和額定彎矩Mp2。根據(jù)負(fù)載重量，計(jì)算俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)所需的總功率為P2：

3.力學(xué)仿真分析

三軸測試轉(zhuǎn)臺在重載荷下可能引起結(jié)構(gòu)的失效破壞或變形較大影響精度，因此需要對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)仿真分析。根據(jù)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立有限元模型，使用Hyperworks/optistuct軟件進(jìn)行有限元分析。根據(jù)負(fù)載條件要求，進(jìn)行變形和強(qiáng)度分析，要求在以上綜合載荷下，變形滿足使用要求，結(jié)構(gòu)不屈服且有較大裕量[6]。

轉(zhuǎn)臺的力學(xué)環(huán)境條件如下：自重;俯仰0?時(shí)正向8噸載荷，或俯仰90?時(shí)4噸米彎矩載荷。分析時(shí)，結(jié)構(gòu)底部約束，在上轉(zhuǎn)盤臺面上施加載荷，模型基座蓋板等采用實(shí)體單元，筋、板類結(jié)構(gòu)均采用殼單元建模，負(fù)載載荷在相應(yīng)位置建立質(zhì)量單元后，按重力施加，固結(jié)點(diǎn)采用剛性單元連接。

在8噸正向載荷下，轉(zhuǎn)臺基體的最大位移約0.8mm，位置在頂部臺面中心處。最大應(yīng)力區(qū)分布在俯仰框架與下臺面連接交界位置處，約140Mpa。轉(zhuǎn)臺主體結(jié)構(gòu)的母材使用16Mn（Q345），屈服強(qiáng)度為340Mpa，因此結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生屈服。在安全系數(shù)2時(shí)，安全裕度仍為0.21，符合設(shè)計(jì)要求。

在4噸米的彎矩載荷下，轉(zhuǎn)臺基體的最大位移約1.1mm，位置在頂部臺面邊緣處。最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在俯仰中心主軸兩側(cè)位置處，約170Mpa。中心主軸的母材使用40Cr，屈服強(qiáng)度為785Mpa，安全系數(shù)大于4，符合設(shè)計(jì)要求。

4.結(jié)論

本文介紹了一種用于天線測試的三軸重載高精度轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)消隙，實(shí)現(xiàn)重載下的低驅(qū)動(dòng)回差。詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)組成和原理，并對各軸傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)進(jìn)行了功率校核計(jì)算，并使用力學(xué)仿真軟件有限元建模，對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行了各工況下變形和強(qiáng)度的力學(xué)分析，分析結(jié)果表明，整機(jī)安全裕度符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。該重型三軸測量轉(zhuǎn)臺具有結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高、和承載大等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在微波暗室中雷達(dá)天線的測量。

參考文獻(xiàn)

[1] ?黃建國.精密三軸測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[C]. 南京：南京電子技術(shù)研究所，2011.

[2] ?張國志，齊曉娜.一種自動(dòng)天線測試轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)[J].河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，28（2）：45-48.

[3] ?張軍，劉衍，趙迎超. 天線與轉(zhuǎn)臺之間的坐標(biāo)關(guān)系[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)，2007，36：30-32.

[4] ?夏斯.三軸測試轉(zhuǎn)臺精度特性分析和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[5] ?龐振基，黃其圣. 精密機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：321-324.

[6] ?張申科，鄧遙林.天線測試轉(zhuǎn)臺及支架系統(tǒng)對測試的影響分析[J]. 電信技術(shù)，2016（8）：54-59.

作者簡介：王晨晨，男，1985年生，安徽合肥人，博士研究生，研究方向?yàn)榫軝C(jī)械及測試計(jì)量技術(shù)。