三維運動模擬平臺總體設(shè)計

摘 要：為實現(xiàn)對某型光電跟蹤器的動態(tài)跟蹤性能的測試，設(shè)計了一種可以實現(xiàn)方位、俯仰和垂直直線運動的模擬運動平臺，角位置精度達到15″，線位置精度達到0.01mm。

關(guān)鍵詞：運動模擬；結(jié)構(gòu)設(shè)計；機構(gòu)設(shè)計

1 引言

動態(tài)角跟蹤精度檢測裝置由被試系統(tǒng)、多波段點源目標(biāo)發(fā)生器系統(tǒng)（以下簡稱“目標(biāo)發(fā)生器”）、運動模擬平臺及總控制系統(tǒng)四個部分組成，圖1為動態(tài)角跟蹤精度檢測裝置系統(tǒng)組成原理框圖。其中的運動模擬平臺可以完成方位、俯仰和垂直直線運動。

2 目標(biāo)運動平臺

目標(biāo)運動平臺包含圓弧導(dǎo)軌副（含驅(qū)動傳動機構(gòu)）、目標(biāo)固定支撐臺面（俯仰U型框）、俯仰/升降二維運動機構(gòu)、平臺三維（俯仰、升降及滑動）伺服驅(qū)動系統(tǒng)、平臺運動控制系統(tǒng)等5部分組成，圖2為運動平臺組成框圖。

導(dǎo)軌為目標(biāo)平臺的方位運動軌跡，圍繞著圓弧導(dǎo)軌的圓心轉(zhuǎn)動，形成方位視線角速度變化；目標(biāo)固定支撐臺面負載目標(biāo)發(fā)生器在進行沿圓弧導(dǎo)軌水平運動的同時，通過俯仰和高低二維運動機構(gòu)帶動目標(biāo)發(fā)生器進行自身的位置運動，形成復(fù)合俯仰方位視線角速度變化，進而模擬目標(biāo)在空域范圍內(nèi)的位置信息，以便對被測系統(tǒng)進行測試及仿真。

2.1 運動平臺功能

平臺本身具備三個運動自由度，目標(biāo)發(fā)生器安放于運動平臺的俯仰框上，平臺依據(jù)操作者規(guī)劃的運動路徑，帶動目標(biāo)模擬系統(tǒng)形成相對被測試系統(tǒng)的方位、俯仰兩個自由運動并保證目標(biāo)光軸實時指向被測系統(tǒng)成像面中心，模擬真實環(huán)境下目標(biāo)的運動特性，以便被測系統(tǒng)進行跟蹤，分述如下。

2.1.1 模擬目標(biāo)的方位運動

整套設(shè)備在以GDX塔的轉(zhuǎn)軸中心為圓心的圓弧導(dǎo)軌上運動，實現(xiàn)方位角度變化的模擬，由于被測系統(tǒng)及圓弧導(dǎo)軌都以GDX塔的轉(zhuǎn)軸中心為圓心，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心重合，所以可以保證目標(biāo)在導(dǎo)軌上運動時，被測系統(tǒng)光軸可以始終跟隨著目標(biāo)發(fā)生器的光軸，且在某一視場可觀測到多波段點源目標(biāo)；

2.1.2 模擬目標(biāo)的俯仰運動

升降機構(gòu)為沿圓弧導(dǎo)軌運動的一套直線升降機構(gòu)，帶動目標(biāo)發(fā)生器升降，與俯仰運動機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的俯仰視線角角度變化，以便測試時被被測系統(tǒng)對目標(biāo)進行搜索或跟隨。

2.1.3 光軸調(diào)整用垂直直線運動機構(gòu)

在直線升降機構(gòu)上，疊放一俯仰運動機構(gòu)，目標(biāo)發(fā)生器以定位機構(gòu)固定在這一俯仰機構(gòu)上。當(dāng)產(chǎn)生如模擬目標(biāo)的俯仰運動時，目標(biāo)發(fā)生器被帶動產(chǎn)生直線升降時，由于運動模式為平移，所以目標(biāo)發(fā)生器光軸也出現(xiàn)上下平移，此時安放在GDX塔上的被測系統(tǒng)的光軸無論怎樣調(diào)整都會與目標(biāo)生成器光軸產(chǎn)生夾角，導(dǎo)致無法觀測到目標(biāo)圖像。本處的俯仰運動機構(gòu)的作用就是在目標(biāo)生成器出現(xiàn)水平上下運動時，實時調(diào)整光軸角度，使目標(biāo)生成器的光軸始終指向被測系統(tǒng)，這樣被測系統(tǒng)通過GDX塔帶動可實現(xiàn)光軸對準(zhǔn)，達到測試或仿真的目的。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

目標(biāo)運動平臺主的結(jié)構(gòu)部分要由目標(biāo)支撐固定機構(gòu)、俯仰/升降聯(lián)動機構(gòu)、方位滑動臺體、圓弧導(dǎo)軌機構(gòu)、電機驅(qū)動元件、光電編碼器及氣浮光學(xué)平臺組成，以實現(xiàn)目標(biāo)發(fā)生器的固定、俯仰/升降及方位運動，圖3為目標(biāo)運動平臺系統(tǒng)組成三維設(shè)計效果圖。目標(biāo)支撐固定機構(gòu)（圖中俯仰框）用于目標(biāo)系統(tǒng)的安裝及定位；俯仰/升降自由度設(shè)計成聯(lián)動機構(gòu)以保證滑動臺體沿圓弧導(dǎo)軌機構(gòu)進行方位運動時始終指向被試系統(tǒng)光軸。

2.2.1 方位旋轉(zhuǎn)設(shè)計

圓弧導(dǎo)軌方位維由高精密重載圓弧導(dǎo)軌、渦輪蝸桿傳動機構(gòu)、伺服電機驅(qū)動機構(gòu)、定位軸及軸承機構(gòu)、承載臺面等五個部分組成。結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是高精密重載圓弧導(dǎo)軌的定制和驅(qū)動與傳動機構(gòu)的設(shè)計，本方案的圓弧導(dǎo)軌機構(gòu)為外購定制THK弧形內(nèi)徑1.8m的導(dǎo)軌副系統(tǒng)，采用4段各1/4圓拼接而成，內(nèi)外環(huán)均為16個滑塊支撐平臺上面部分。

方位旋轉(zhuǎn)維臺面考慮試驗臺整體功能，由四塊1/4圓形臺面拼接而成，分別為升降臺臺面、人行通道臺面（升降臺臺面對面的1/4臺面）、布線臺面及備用基準(zhǔn)臺面，拼接時采用高分辨率激光設(shè)備定位，從而實現(xiàn)各塊各自功能，以滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

方位驅(qū)動單元采用日本安川1.5kW伺服電機驅(qū)動，傳動單元為直徑950mm的大型精密渦輪匹配蝸桿實現(xiàn)。

2.2.2 直線升降設(shè)計

直線升降維由導(dǎo)向支撐導(dǎo)軌機構(gòu)、螺桿傳動機構(gòu)、剛性支架、輔助支撐、俯仰支撐臺面及驅(qū)動單元等六部分組成，如圖4所示。

直線升降機構(gòu)行程長、精度高、驅(qū)動困難是設(shè)計及元件選型的三大難點，設(shè)計時考慮整體剛性，將外圍框架設(shè)計為長方形加固鋁合金支架及底角輔助支撐方式，采用航天級高強度鋁合金型材經(jīng)刮研工藝以保證導(dǎo)向?qū)к墮C構(gòu)的定位精度；內(nèi)部采用每側(cè)2根共計4根THK高精度直線導(dǎo)軌副，其自身精度為每1m內(nèi)位置誤差0.02mm；通過松下1kW伺服電機及減速器帶動THK高精度大型滾珠螺桿執(zhí)行升降維移動；大型滾珠螺桿自身精度為每1m內(nèi)位置精度誤差0.02mm。

2.2.3 俯仰旋轉(zhuǎn)設(shè)計

3 結(jié)束語

為了進行優(yōu)化設(shè)計，本運動模擬單元通過三維實體建模，獲得了大量的用于計算和優(yōu)化的信息，這些信息用來進行優(yōu)化設(shè)計計算，對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、電機的優(yōu)選及反饋原件的布置都起到了很大的作用，通過實體加工檢測，很好的完成了設(shè)計指標(biāo)。

參考文獻

[1]孫恒，傅則紹.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]薛開.基于多軸運動控制器的兩軸轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2006（8）：570～573.

作者簡介：紀小輝（1970-），男，陜西人，西安工業(yè)大學(xué)光電學(xué)院，副教授，主要從事教學(xué)和科研工作，研究方向為光電儀器設(shè)計。