高精度二軸測試轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

楊帥

摘 要：本文介紹了一種用于雷達(dá)天線標(biāo)定測量的高精度二軸測試轉(zhuǎn)臺。詳細(xì)介紹二軸測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)組成和原理，并對其各軸系進(jìn)行了傳動鏈功率校核及精度分析，最后通過有限元仿真軟件校核在工作工況下轉(zhuǎn)臺機體的剛度和強度。結(jié)果表明，二軸測試轉(zhuǎn)臺各項參數(shù)均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：二軸測試轉(zhuǎn)臺;測角精度;定位精度;軸系設(shè)計

1 引言

高精度測試轉(zhuǎn)臺在雷達(dá)天線標(biāo)定中起到關(guān)鍵作用，其承載能力、測角精度和定位精度對雷達(dá)天線標(biāo)定測試試驗的可靠性和置信度尤為重要。其中，高精度二維測試轉(zhuǎn)臺通過俯仰和方位兩向姿態(tài)的可控調(diào)節(jié)，在實驗室環(huán)境下模擬雷達(dá)天線在實際工作時的各項位姿及其對應(yīng)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。高精度測試轉(zhuǎn)臺的研究，對我國國防建設(shè)有重要意義。[1-3]

本文所述高精度二軸測試轉(zhuǎn)臺可承載并實現(xiàn)負(fù)載的方位轉(zhuǎn)動和俯仰轉(zhuǎn)動，可接收伺服控制系統(tǒng)的控制指令，實現(xiàn)相應(yīng)的方位和俯仰任意位置定位或隨動運動，并可長時間鎖定在該位置和保證負(fù)載在空間的穩(wěn)定指向，以供標(biāo)校實驗要求。

2 技術(shù)指標(biāo)

二軸測試轉(zhuǎn)臺是被測雷達(dá)天線的承載設(shè)備，其主要由方位和俯仰兩軸組成，均具備定位鎖定及掉電自鎖功能。其中方位軸轉(zhuǎn)動行程為：實現(xiàn)±60°和±15°內(nèi)扇掃，帶機械限位并可切換;俯仰軸轉(zhuǎn)動行程為：±7°。其他指標(biāo)要求如表1所示。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及功率校核

3.1系統(tǒng)組成

二軸測試轉(zhuǎn)臺主要由下方位轉(zhuǎn)臺和上俯仰轉(zhuǎn)軸兩部分組成。其中，下方位轉(zhuǎn)臺采取方位渦輪回轉(zhuǎn)支承傳動鏈驅(qū)動，主要由方位底座、精密減速機及伺服電機、渦輪回轉(zhuǎn)支承、測角編碼器、限位開關(guān)、機械限位和方位轉(zhuǎn)盤等組成;上俯仰軸采取精密梯形絲桿驅(qū)動，主要由梯形推桿組件、精密減速機及伺服電機、俯仰工作臺、限位開關(guān)、編碼器等組成。如圖1所示。

3.2下方位轉(zhuǎn)臺

下方位轉(zhuǎn)臺使用滾珠式回轉(zhuǎn)支撐承載和精密渦輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)，編碼器同軸安裝在回轉(zhuǎn)支承中間，與方位底座相連，轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與上方位轉(zhuǎn)盤相連，可保證0回差的測角精度。方位轉(zhuǎn)臺伺服電機驅(qū)動行星減速機和渦輪減速機轉(zhuǎn)動。渦輪減速機可方位自鎖，伺服電機帶閘，可有效保證方位轉(zhuǎn)盤掉電自鎖。上轉(zhuǎn)盤底部裝有撞塊，受方位底座側(cè)邊安裝的限位塊限制，轉(zhuǎn)盤可在-62°～62°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。此外-15°～15°處也裝有限位塊，為可拆卸設(shè)計，用于改變轉(zhuǎn)臺的機械限位范圍。如圖2所示。

3.3上俯仰軸

上俯仰軸系使用梯形絲桿組件和減速電機驅(qū)動，推動上工作臺面繞轉(zhuǎn)軸在±7.5°的工作范圍內(nèi)俯仰運動。俯仰限位由絲杠兩端的止擋和螺母實現(xiàn)，絲桿所在的俯仰減速箱上對應(yīng)設(shè)置有尼龍限位撞塊，用于俯仰極限限位。

俯仰驅(qū)動推桿為精密梯形絲桿，可實現(xiàn)掉電機械自鎖功能。在負(fù)載的作用下，實現(xiàn)機械上運動的0回差。工作臺一側(cè)轉(zhuǎn)軸處同軸設(shè)置有測角編碼器，實時反饋工作臺的仰角值;另一側(cè)轉(zhuǎn)軸處裝有接近開關(guān)，用于限制俯仰運動范圍。如圖3所示。

4 功率校核

4.1下方位轉(zhuǎn)臺

下方位轉(zhuǎn)臺由伺服電機驅(qū)動行星減速機和渦輪回轉(zhuǎn)支撐運動，其摩擦力矩MF為：

式中，d為回轉(zhuǎn)支撐滾道回轉(zhuǎn)直徑;μ為回轉(zhuǎn)支撐徑向摩擦系數(shù)，此處取0.05;Mp為回轉(zhuǎn)支撐承受的偏載力矩;mh為回轉(zhuǎn)支撐自身摩擦力矩，低溫系數(shù)取2。

根據(jù)選型，回轉(zhuǎn)支撐滾道直徑450mm，摩擦力矩為100N·m，滾道承受的負(fù)載約為1200Kg，偏載100mm。計算可得，摩擦力矩MF為365N·m。

下方位轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速為1rpm，回轉(zhuǎn)支撐的減速比為102，行星減速機的減速比為10，傳動效率按0.4×0.8計。計算可得電機功率及轉(zhuǎn)矩需求為：

因此，選擇松下MINAS A6系列0.4kW伺服電機，額定轉(zhuǎn)矩1.27NM即滿足要求。

4.2上俯仰軸

俯仰軸推桿力臂約為922mm，正向負(fù)載約為1200kg，力臂為4373mm，可得所需推力為：

根據(jù)選型，精密梯形絲桿直徑40mm，導(dǎo)程6mm，可計算所需驅(qū)動力矩為[4]：

其中螺旋導(dǎo)程角γ：

式中，P到絲桿導(dǎo)程6mm，d為絲桿直徑40mm。

當(dāng)量摩擦角β：

式中，f為梯形絲桿副摩擦系數(shù)，取0.15;為螺紋半角，取30°。

代入公式得：驅(qū)動力矩T為25N·m。

所選齒輪箱減速比為1.2，俯仰減速機速比為35，傳動效率按0.8×0.8計。計算可得電機輸出轉(zhuǎn)矩需求為

因此，選擇松下MINAS A6系列0.4kW伺服電機，額定轉(zhuǎn)矩1.27NM即可滿足要求。

5 精度分析

5.1下方位轉(zhuǎn)臺精度

回轉(zhuǎn)支承在轉(zhuǎn)動過程中，由于加工裝配的不完善性，存在一定的軸向和徑向跳動。其中軸承的軸向跳動不會影響側(cè)角精度;而徑向跳動會使轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏移，使安裝在軸上的編碼器造成一定的計量偏差。為了減小徑向跳動誤差，回轉(zhuǎn)支承高精度定制，偏心和徑向跳動約為0.05mm，可計算測角誤差為：

此外，編碼器自身和計算存在誤差，約0.005°;采用幾何計量的方法來標(biāo)校轉(zhuǎn)臺的角度誤差，此處標(biāo)校誤差約為0.002°。

方位軸在精確定位時，其定位精度受方位測角精度、驅(qū)動分辨率和末級齒隙誤差影響。方位測角精度計算約0.014°;方位傳動鏈減速比為1020，伺服電機編碼器為20位，因此整套驅(qū)動分辨率很高，取0.001°;高精度渦輪蝸桿副的齒隙誤差約為0.05°。

經(jīng)計算，方位軸系可滿足測角精度±0.05°，定位精度±0.1°的要求。

5.2俯仰軸精度

由于俯仰軸采用推桿單邊頂升，梯形絲桿始終處于壓緊自鎖狀態(tài)，整個傳動鏈內(nèi)的齒輪回差在偏載作用下已完全消除，因此該轉(zhuǎn)臺不存在齒隙等驅(qū)動回差，測量精度和定位精度均主要取決于編碼器測角精度。

同理分析可得，俯仰軸系采用滑動自潤滑軸套，轉(zhuǎn)動精度更高，有較小的軸向和徑向跳動。其中軸套徑向跳動會使轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏移，使安裝在軸上的編碼器造成一定的計量偏差。軸套的徑向跳動約為0.005mm，轉(zhuǎn)軸直徑為30mm，故可計算得測角誤差：

編碼器自身和計算存在誤差，約0.005°;采用幾何計量的方法來標(biāo)校轉(zhuǎn)臺的角度誤差，此處標(biāo)校誤差約為0.002°。

俯仰軸系在精確定位時，其定位精度主要受俯仰測角精度、驅(qū)動分辨率影響。測角精度計算約0.02°;整個方位傳動鏈減速比折算為45000，因此整套驅(qū)動分辨率很高，定位精度主要受測角精度影響。經(jīng)計算，俯仰軸系可滿足測角精度±0.05°，定位精度±0.08°的要求。

6 仿真分析

通過力學(xué)仿真分析，進(jìn)一步考察二軸測試轉(zhuǎn)臺在工作載荷下機體剛度和強度能否滿足設(shè)計要求。根據(jù)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)特點，使用Altair Hyperworks 建立有限元分析模型。如圖4所示，在分析當(dāng)中略去了非承力件，負(fù)載以質(zhì)量單元進(jìn)行代替。主承力筋板采用殼單元及實體單元模擬，銷軸等用梁單元和剛性單元模擬。

如圖5所示，在考慮轉(zhuǎn)臺自重及1000kg垂直負(fù)載工況的邊界條件下，轉(zhuǎn)臺主體最大變形約為0.45mm，位于工作臺的邊角處;應(yīng)力值最大約為63MPa，分布在方位轉(zhuǎn)盤靠近梯形推桿側(cè)支臂處。母材采用Q355，屈服強度為355MPa，因此主體結(jié)構(gòu)不會屈服，并有5.6倍安全系數(shù)，符合設(shè)計要求。

7 結(jié)論

本文介紹了一種用于雷達(dá)天線標(biāo)定測量的高精度二軸測試轉(zhuǎn)臺，詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)臺的系統(tǒng)組成和工作原理，并對方位和俯仰軸系進(jìn)行了傳動鏈功率校核及精度分析，最后對轉(zhuǎn)臺機體在工作載荷下的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行有限元仿真分析。結(jié)果表明，二軸測試轉(zhuǎn)臺各項參數(shù)均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。該型高精度二軸測試轉(zhuǎn)臺指向定位精度高、整機結(jié)構(gòu)緊湊、承載大，目前已廣泛使用在雷達(dá)天線的標(biāo)定測量。

參考文獻(xiàn)：

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（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031;2.安徽博微聯(lián)控科技有限公司，安徽 合肥 230031）