三軸測試轉臺結構設計與分析

摘 ?要：本文介紹了一種用于天線測試的三軸重載高精度轉臺，轉臺各軸均采用雙電機驅動的方式實現齒輪消隙，實現較高的定位精度。文章詳細介紹了轉臺的技術指標及結構組成，并對傳動鏈功率設計進行了計算校核。使用Hyperworks/optistuct軟件有限元建模，對搬運器進行各工況下變形和強度的力學分析。分析結果表明，整機安全裕度符合設計指標要求。

關鍵詞：三軸測試轉臺;定位精度;雙電機消隙;驅動回差;

引言

高精度的重載測試轉臺作為關鍵設備，在雷達天線內場、外場標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系到測試實驗的可靠性和置信度。其中，精密三軸天線測試轉臺可在實驗環境下模擬重型天線實際工作時的各種姿態，復現其不同姿態下的微波場特性，從而對其微波器件的功能和性能反復仿真、測試和標定，是天線近場測量的重要設備之一[1-3]。隨著雷達天線陣面尺寸重量的大型化和高精度化，對測量標定轉臺設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臺的研究和制造，對航空航天及國防建設有重要意義[4]。

本文所述三軸轉臺主要為位置和隨動功能轉臺，承載較大，為側重靜態穩態性能的角度指示型測試轉臺。其可承載較大負載并實現三軸大范圍轉動，并可在大負載下保持在空間的穩定指向;可接收上位機的控制指令，實現相應的上方位、俯仰和下方位任意位置定位或隨動運動，引導被測天線精確指向目標，并可長時間鎖定在該位置，以滿足標校測試要求。

1.技術指標及結構系統組成

三軸測試轉臺由上、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、下方位軸配置導電滑環，可360?連續旋轉，其它基本技術指標如下：

三軸轉臺主要由上方位轉臺、俯仰軸系和下方位轉臺三大部分組成。上方位轉臺由上臺面、上回轉支承、精密減速機、驅動齒輪、匯流環、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、雙級旋變、俯仰框架和限位擋塊組成;下方位轉臺由下臺面、下回轉支承、精密減速機、驅動齒輪、匯流環、雙級旋變和下底座等組成。其整體結構組成如圖1所示。

2.轉臺結構設計及分析

三軸測試轉臺按照功能可分為轉臺結構系統和轉臺控制系統兩部分。為了在保證轉臺在大負載下、任意位姿時各轉軸無運動回差，各軸均采用雙電機消隙的方式，有效保證轉臺在任意位置時均被驅動齒輪壓緊，消除末級齒隙和減速機背隙等回差對轉臺角度定位的影響[5]。以下對各結構組成部分進行介紹：

1）上方位轉臺

上方位轉臺，使用滾子式帶內齒回轉支承承載，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。旋變下方設置有20通道的匯流環，供轉臺上方位旋變自身使用和轉盤上器件通訊供電等使用，確保轉臺可360?連續旋轉。為消除方位驅動齒隙，保證定位精度，使用兩組電機通過精密減速器帶動兩個小齒輪，分別同時驅動內齒式回轉支承的雙電機消隙的結構。由于轉臺轉速較低，上方位轉臺旋轉時，主要克服摩擦力矩Mf1和額定彎矩Mp1。根據負載重量及回轉支承參數等，計算上方位轉動所需的總功率為P1：

代入數據計算可得：P1=0.47Kw，考慮到慣量匹配和雙電機驅動效率損耗等因素，上方位電機選型為0.4Kw，兩臺電機可滿足上方位轉動需求。

2）俯仰軸系

由于俯仰軸轉臺的承載較大，為降低對精密減速機的輸出扭矩要求，使用俯仰大齒輪配二級大小齒輪副和兩組減速電機同步驅動的方式。俯仰主軸兩側貫穿左右，分別布置承載軸承、限位開關和測角雙級高精度旋變。兩組減速電機安裝座上均設置有可調偏心套，用于調整消除末級驅動齒隙。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，機械運動的限位范圍為92?～-47?。俯仰軸系轉動時，主要克服摩擦力矩Mf2和額定彎矩Mp2。根據負載重量，計算俯仰軸轉動所需的總功率為P2：

3.力學仿真分析

三軸測試轉臺在重載荷下可能引起結構的失效破壞或變形較大影響精度，因此需要對主體結構進行力學仿真分析。根據轉臺結構特點建立有限元模型，使用Hyperworks/optistuct軟件進行有限元分析。根據負載條件要求，進行變形和強度分析，要求在以上綜合載荷下，變形滿足使用要求，結構不屈服且有較大裕量[6]。

轉臺的力學環境條件如下：自重;俯仰0?時正向8噸載荷，或俯仰90?時4噸米彎矩載荷。分析時，結構底部約束，在上轉盤臺面上施加載荷，模型基座蓋板等采用實體單元，筋、板類結構均采用殼單元建模，負載載荷在相應位置建立質量單元后，按重力施加，固結點采用剛性單元連接。

在8噸正向載荷下，轉臺基體的最大位移約0.8mm，位置在頂部臺面中心處。最大應力區分布在俯仰框架與下臺面連接交界位置處，約140Mpa。轉臺主體結構的母材使用16Mn（Q345），屈服強度為340Mpa，因此結構不會發生屈服。在安全系數2時，安全裕度仍為0.21，符合設計要求。

在4噸米的彎矩載荷下，轉臺基體的最大位移約1.1mm，位置在頂部臺面邊緣處。最大應力區出現在俯仰中心主軸兩側位置處，約170Mpa。中心主軸的母材使用40Cr，屈服強度為785Mpa，安全系數大于4，符合設計要求。

4.結論

本文介紹了一種用于天線測試的三軸重載高精度轉臺，轉臺采用雙電機驅動的方式實現齒輪傳動消隙，實現重載下的低驅動回差。詳細介紹了轉臺的結構組成和原理，并對各軸傳動鏈設計進行了功率校核計算，并使用力學仿真軟件有限元建模，對轉臺進行了各工況下變形和強度的力學分析，分析結果表明，整機安全裕度符合設計指標要求。該重型三軸測量轉臺具有結構緊湊、定位精度高、和承載大等特點，目前已廣泛應用在微波暗室中雷達天線的測量。

參考文獻

[1] ?黃建國.精密三軸測試轉臺控制系統設計與實現[C]. 南京：南京電子技術研究所，2011.

[2] ?張國志，齊曉娜.一種自動天線測試轉臺的設計[J].河北省科學院學報，2011，28（2）：45-48.

[3] ?張軍，劉衍，趙迎超. 天線與轉臺之間的坐標關系[J]. 火控雷達技術，2007，36：30-32.

[4] ?夏斯.三軸測試轉臺精度特性分析和控制系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[5] ?龐振基，黃其圣. 精密機械設計[M]. 北京：機械工業出版社，2000：321-324.

[6] ?張申科，鄧遙林.天線測試轉臺及支架系統對測試的影響分析[J]. 電信技術，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，研究方向為精密機械及測試計量技術。