高精度轉臺的分析與設計

蘇芬平 崔偉

1.北京航天科頤技術有限公司，北京 100091；2.中國航天科工集團第二研究院206所，北京 100854

一、引言

轉臺被廣泛應用在航空航天等領域，比如對雷達的方位角與俯仰角的控制；模擬各種載體的偏航、俯仰、橫滾等姿態。轉臺的綜合性能直接影響到設備測試結果的可靠性和精確性，對航空航天產品和武器裝備的系統性能以及運行精度起到了至關重要的作用[1]。本文以某高精度二維轉臺為工程背景，對高精度直驅轉臺進行了設計和研究。

在高精度轉臺設計中，首先考慮在機械結構上減小傳動機構對軸系精度的影響，其次在伺服控制中運用先進的控制方法，提高系統的整體精度。

在本轉臺設計中選用力矩電機直接驅動負載的方案，既消除了齒隙回差（無回差），又縮短了傳動鏈，使機械結構簡單緊湊，使控制系統具有反應速度快、線性度好、共振頻率高等優點，因而提高了系統的穩定性及靜態、動態控制精度。

二、轉臺整體方案

轉臺主要有俯仰軸系、方位軸系、底座組成，轉臺總體的結構形式如圖1所示。

三、方位軸系設計

方位軸系主要承載俯仰部分及負載，帶動俯仰部分及負載實現360°連續轉動。方位軸系由方位軸、軸承、方位座、匯流環、電機、測角元件、制動器等組成，參見圖2。

1、方位軸系的結構設計

方位軸系的結構必須滿足下述要求：

（1）結構設計需滿足高精度要求：由于轉臺要求定位精度 0.01°（36″），系統回差 0.009°（32″），對于高精度的大功率系統，除伺服系統中選用高精度的測角器件外，方位軸系采用無刷直流力矩電機直接驅動，徹底消除傳動鏈造成的誤差和回差；

（2）結構設計需滿足大的傾覆力矩要求：轉臺的負載是兩個天線，最大負載時，每個天線250kg，尺寸3m×1.5m×0.4m，安裝于方位軸兩側。天線迎風面積較大，八級風情況下，風對天線產生的作用力達到3.7kN，十二級風情況下，風對天線產生的作用力達到9.2kN，對方位軸承處產生的傾覆力矩達到5.5kNm。因此在方位設計中，選用高精度轉盤軸承用于承受大的傾覆力矩，以及大的軸向力和徑向力。

2、方位驅動力矩計算

方位力矩主要包括慣性力矩、摩擦力矩。選用電機和軸承時，還要用到傾覆力矩，以及軸向力、徑向力。

根據技術要求，轉臺方位速度最高為400°/s，最大 加 速 度 為 120°/s2， 即 負 載 角加 速 度ε=120°/s2=2.1rad/s2。

根據結構設計可以計算出方位運轉時總的轉動慣量，其中，負載兩個125kg負載，轉動慣量為480kgm2；其他旋轉部件質量為200kg，轉動慣量為410kgm2。則方位運轉時總的負載轉動慣量為：

J=480+410=890(kgm2)

方位運行時的慣性轉矩為：

MJ=Jε=890×2.1=1869(Nm)

另有：摩擦力矩Tm=60Nm（按轉盤軸承給出的啟動力矩計算）。

根據以上計算，方位峰值力矩為：

T=MJ+Tm=1869+60=1929(Nm)

方位連續力矩主要為摩擦力矩，并考慮留有一定的余量，則選擇電機的連續力矩大于200Nm。

3、轉盤軸承選型及計算

（1）轉盤軸承結構形式選擇

轉盤軸承根據結構形式可分為四點接觸球轉盤軸承、雙排角接觸推力球轉盤軸承、交叉圓柱滾子轉盤軸承、交叉圓錐滾子轉盤軸承和三排圓柱滾子組合轉盤軸承等不同的結構形式。根據本產品的受力大小和結構形式，選用四點接觸球轉盤軸承，它具有結構緊湊、重量輕、摩擦力小等特點[3]。

四點接觸球轉盤軸承由兩個座圈組成，鋼球與圓弧滾道四點接觸，其外形如圖3所示，其結構和安裝方式如圖4所示。

（2）轉盤軸承計算

根據技術指標，經計算：方位軸承載軸向力Fa為15kN，12級風產生的徑向力Fr=9kN，傾覆力矩M=9.5kNm，同時考慮方位軸剛度和支撐部位等因素，最終所選轉盤軸承的基本參數為：外徑Φ410mm，內徑Φ260mm，滾道直徑為Φ335mm，厚50mm，精度P5級。

四、俯仰軸系設計

俯仰軸系位于方位軸系之上。俯仰軸系由俯仰電機、俯仰支架、俯仰軸和轉盤軸承、限位開關、負載安裝板等組成。俯仰結構簡圖如圖5所示。

1、軸承計算及選型

根據技術指標，經計算：俯仰軸承載經向力Fr為9kN（含最大負載及安裝件），傾覆力矩

5.4kNm。同時考慮俯仰軸剛度和安裝空間等因素，最終所選轉盤軸承與方位相同。

2、制動器選型及安裝

為了防止斷電狀態下，轉臺在外力作用下自行轉動，方位和俯仰系統都裝有機械鎖，轉臺停止工作后，人為將鎖銷插入鎖孔。除機械鎖外，為防止轉臺在停機狀態下自行轉動，還裝有電磁制動器。電磁制動器斷電鎖緊，通電解鎖。制動器電源的通斷，由伺服驅動器控制。制動器附帶有手動釋放桿，可在斷電狀態下通過人工撥動釋放桿，使得摩擦片分離脫開。便于斷電狀態下需要解除制動時使用。

由于空間原因，制動器不能直接安裝在驅動軸上，需經過一級齒輪減速傳動，安裝在制動軸上。同時，經過減速可以增大對驅動軸的制動力矩。

方位、俯仰軸系的制動器選為同樣型號。在斷電情況下，制動器只要克服不平衡力矩和風力造成的負載轉動即可。選擇參數為：制動扭矩200Nm，經2.38的減速比，可制動476Nm。電磁鐵驅動電壓90VDC，允許最大轉速800rpm。

3、脹緊套計算及選型

脹緊連接是軸和輪轂之間，放置一對或多對與內、外錐面貼合的脹緊連接套（簡稱脹套），在軸向力作用下，外環脹大，與軸和輪轂緊密貼合，產生足夠的摩擦力，以傳遞轉矩、軸向力或兩者的復合載荷[4]。

脹套連接的定心性好，裝拆或調整軸與輪轂的相對位置方便，沒有應力集中，承載能力高，使用可靠，長壽命，免維護，無間隙，具有密封作用。

目前在市場上，脹套作為一種標準組件可供選擇和購買。脹套一般按傳遞的載荷、結合面的粗糙度以及被連接件的尺寸進行選擇。

根據安裝尺寸及俯仰傳遞的峰值力矩，并考慮留有一定的安全系數，選用BUSH-B-ф160×ф210型號的脹套，其額定軸向力422kN，額定扭矩為33.75kNm。

五、底座設計

轉臺通過底座固定在地基或其他載體上。并通過調平裝置進行轉臺的調平。底座為錐形結構，在減輕重量的同時保證底座的剛度和強度。充分利用底座內部空間，安裝電氣件。底座設計連接器安裝板，用于維修內部器件和安裝連接器等。

底座為整個轉臺的安裝基礎，對強度剛度進行有限元分析[2]。底座的應力云、變形云圖如圖6、圖7所示。

由以上分析可以看出，底座的最大變形為0.018mm，最大應力為7.9MPa，遠低于鑄造鋁合金的許用應力值，滿足強度剛度要求。

在轉臺工作過程中，為了避免諧振出現和由此而造成設備損壞[5]，要求機械結構的固有頻率遠離系統的帶寬要求。

對底座進行模態分析，其一階模態振型如圖8所示。其中一階模態頻率為396.54Hz。由于轉臺系統截止頻率要求為60Hz，遠遠低于系統的一階模態頻率。

六、安全性設計

為了保證設備使用安全可靠、操作簡便，預防由于載荷過大、突然斷電、操作不當以及其他意外事故，造成被測負載或其他設備的損壞，在轉臺設計中采取了各種安全保護措施[6]。

轉臺方位軸360°連續轉動，不需要安裝電氣限位和機械限位。主要針對俯仰軸系設計電氣限位和機械限位。

在俯仰軸系設計時，均設計有軟件限位、電氣限位以及機械限位。軟件限位角度最小，電氣限位角度次之，機械限位角度最大。若軟件限位失效，轉角超出規定值，光電感應開關感應，驅動器控制電機停止運動。若電氣限位失效，還有機械限位裝置限位，考慮到軸系轉角范圍有限，機械設計時，采取金屬擋塊的結構，擋塊前端裝有吸能緩沖墊用于緩沖，機械限位裝置結構簡單、可靠實用。

1、電氣限位

轉臺的俯仰電氣限位裝置由安裝在俯仰座上的霍爾開關和安裝在負載安裝板上的感應磁柱組成，實現-5°～+185°的限位。結構形式如圖9所示。

轉臺的俯仰電氣限位裝置由兩個霍爾開關和一個感應磁柱組成，霍爾開關分別安裝在俯仰座-5°和185°位置，感應磁柱安裝在負載安裝板上（轉動部分）。俯仰軸轉動，實現-5°～+185°的限位。安裝結構形式如圖9所示。

2、機械限位

俯仰機械限位采用機械擋塊方式，檔塊安裝在俯仰座的側面，上下各一個，大約在-10°和+195°位置，在擋塊面上安裝橡膠緩沖器，緩沖器的行程約為2°，用于撞擊瞬時吸收部分動能；撞塊安裝在負載天線安裝板上。結構形式如圖10所示。

3、自鎖設計

為了防止斷電狀態下，轉臺在外力作用下自行轉動，方位和俯仰系統都裝有機械鎖，停止工作后，人為將鎖銷插入鎖孔。除機械鎖外，為防止系統在短暫停機狀態下自行轉動，還裝有電磁制動器。電磁制動器斷電鎖緊，通電解鎖。通過直流電進行控制，制動器斷電時，摩擦片被壓緊，動力軸被制動固定；制動器通電時，摩擦片分離脫開，動力軸可自由旋轉。制動器電源的通斷，由伺服驅動器控制。

4、緊急制動與報警功能

轉臺設置緊急制動開關，在發現緊急情況時，人為觸動此開關，使系統迅速停止工作。

此緊急制動開關與控制箱上的開關互鎖，即該開關工作時，其他開關不起作用，只有再撥動該開關使其復位，其它控制開關才有效。

在轉臺底座部位安裝有聲光電報警器，在轉臺需要啟動時，聲光報警器發出警示聲音及燈光閃爍，提示周邊工作人員撤離，經確認轉臺可以啟動后，操作人員關閉聲光報警器，啟動轉臺開始工作。

在轉臺和控制箱的明顯部位安裝故障報警器，當轉臺出現故障時，發出警報。

七、結論

本文設計了一種高精度二維轉臺，轉臺方位俯仰均通過力矩電機直接驅動，消除了傳動鏈的傳動誤差，實現了轉臺高精度回轉。在轉臺設計中，高精度轉盤軸承的使用提高了轉臺的承載能力，并使轉臺結構簡化。采用電磁制動器和齒輪副進行方位軸和俯仰軸的制動，起到斷電制動作用。轉臺設計中充分考慮軟件、電氣、機械限位及報警功能，提高了安全性。為高精度通用轉臺的設計提供了解決方案。