一種機場異物探測的伺服轉臺設計

摘要：設計一款用于機場跑道異物探測的一維伺服轉臺，其具有質量輕、體積小、可靠性高、定位精度高的特點。介紹轉臺的總體設計，包含指標要求、輕量化臺體布局和驅動機構設計、負載參數計算等；進一步介紹轉臺關鍵結構件設計；基于確定的轉臺結構進行有限元仿真，包含極限載荷下的強度校核和模態分析。

關鍵詞：一維伺服轉臺；總體設計；結構設計

中圖分類號：TH122文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）06-0274-04

Abstract：Designs a one-dimensional servo turntable for detecting foreign objects on airport runway， which is light in weight， small in size and with high reliability and high positioning accuracy. The overall design of the turntable is introduced， including the index requirements， the layout of the turntable， the design of the driving Themechanism and the design of load parameter calculation etc. The design of key structure for the turntable is further introduced. The finite element simulation is carried out based on the confirmed turntable structure， which embodies the strength check and modal analysis under the ultimate load.

Keywords：one-dimensional servo turntable; overall design; structural design

0引言

近幾年我國FOD檢測雷達系統相關研究發展迅速，成果也比較明顯，然而FOD檢測雷達系統要真正在機場中發揮作用，必須依賴高性能的轉臺作為載體［1］。因轉臺可承載FOD檢測雷達天線在一定的角度范圍內以某一角速度對機場跑道等位置的FOD檢測，所以對轉臺控制系統的位置精度和速度穩定度有著比較高的要求。

針對FOD轉臺結構設計，相關學者開展了一系列研究。羅晗［2］針對一款單軸轉臺，重點介紹了轉臺在-40℃～+70℃工作溫度范圍內零件熱變形對裝配體的影響。孫久榮［3］設計一款電機通過皮帶帶動減速機轉動、減速機輸出軸與轉臺臺面直接連接的FOD檢測雷達轉臺伺服控制系統。劉雙富等［4］對機場異物探測轉臺內部溫濕度控制進行了研究。桑青華等［5］針對一種邊燈式FOD探測轉臺，重點分析了其控制系統的設計。

本文針對FOD轉臺質量輕、體積小、可靠性高、定位精度高的發展需求，設計了一種可調節偏心距，提高定位精度和可靠性的一維伺服轉臺結構，其具備自身質量輕、帶載能力強、結構緊湊的特點，開展了轉臺總體設計、結構設計、驅動傳動設計等，基于Proe4.0建立了虛擬樣機模型，并通過Abaqus對模型進行了有限元靜力學、模態分析，校核了轉臺結構的強度、剛度、穩定性，驗證了結構的可靠性。

1轉臺總體設計

1.1指標要求

轉臺具有方位回轉功能，主要由轉盤、支撐軸承、步進電機、行星減速機、齒輪傳動副、角度傳感器、控制電路板等機構組成。

1）工作模式

轉臺具備3種工作模式：扇掃工作模式、定位工作模式、開電自檢工作模式；轉臺應當具備自檢功能。當探測設備不能正常工作時，應當立即以BIT信息或者聲音報警等方式上傳給上位機；若自檢一切正常后，通報上位機可以接收工作指令，隨即處于待機工作狀態。

2）轉角范圍

該轉臺要求采用齒輪傳動形式，方位最大轉動范圍為0°～340°。

3）定位精度

各種工作模式下的重復定位精度不超過0.1°（單次最大偏差）。

4）承載能力

不小于8kg。

5）其余結構要求

轉臺具備自鎖功能，不上電或者待機時，在134m/s飛機尾流下不允許轉動。

1.2轉臺系統設計

伺服轉臺主要由方位回轉機構、伺服控制單元、伺服驅動單元等組成。上位機發命令給伺服控制單元，控制信號傳遞到伺服驅動單元和用戶單元，進而驅動方位回轉機構，實現轉臺的方位運動。通過高精度角度編碼器和控制邏輯實現全閉環精密定位控制，工作原理如圖1所示。

如圖2所示，一維伺服轉臺主要由殼體、方位回轉機構、基座和安裝板等組成。

方位回轉機構可實現0°～340°方位旋轉。轉臺的轉盤上設置xy（二維）水泡儀，安裝在基座上。轉臺初步安裝時，通過該位置水泡儀由人工快速進行調平，調平結束后可將該水泡儀拆除。在適當的位置設置零位標識線。轉臺方位回轉機構如圖3所示。

如圖3所示，轉臺主要由方位回轉機構和控制系統組成，其中方位回轉機構由轉盤、軸承、齒輪副、步進電機、行星減速機、編碼器、驅動控制元件（放置在轉盤上方，在剖面圖另一側）等組成；控制系統由控制器和驅動器組成，安裝在轉臺內部。電機與減速機組合將動力傳輸于齒輪傳動副方位軸，驅動機構隨轉盤一起運動。

系統整體的DC24 V供電由外部提供。控制器是整個系統的核心，包括接收上位機的控制指令、向上位機反饋當前位置與狀態、給驅動器發送控制指令、與相機通信。驅動器用于控制步進電機的轉動和角度傳感器的信息采集，根據控制器的指令和角度傳感器反饋的角度信息實現對轉臺轉動的閉環控制并將當前的位置反饋給控制器。控制器通過電纜與上位機和相機進行RS422串口通信和以太網通信，控制器與驅動器通過電纜連接主要進行CAN通信。其關系示意圖如圖4所示。

1.3驅動機構設計

方位回轉傳動系統由電機、減速機、齒輪副、控制單元、編碼器組成，系統邏輯框圖如圖5所示。

驅動機構作為傳動機構可采用電機直驅和進給驅動（電機加減速機）的方式實現。從電機控制角度考慮，電機直驅為較為理想的方式，因為電機直驅的輸出軸精度高、無回程間隙、結構簡單。進給驅動引入了中間環節，與直驅比較，其結構相對復雜，并且齒輪傳動有傳動回程間隙，精度比直驅低，但進給驅動由于增大了傳動機構的傳動比，使電機本體的啟動力矩減小，進而減小了電機本體的體積。

通過比較分析，轉臺需采用電機加減速機的方式實現，雖然減速器傳動存在傳動回程間隙，結合控制驅動器傳動精度要求，通過理論計算，傳動回程誤差可以滿足控制器總體精度要求。

1.4方位回轉機構參數設計

整個轉臺包絡尺寸為（275×330）mm，方位回轉角度為0°～340°。經過初步建模和估算，暫時按下述參數進行設計：

方位回轉轉動慣量Jz=0.25kg·m2；

方位軸偏心Δz=37mm；

方位回轉負載為8kg；

方位回轉最大角加速度為100°/s2；

風載荷：28m/s風速下風壓為490N/m2， 134m/s風速下風壓為11 223N/m2；

殼體最大迎風面面積為79 750mm2。

1）慣性力矩

轉臺所有轉動部件的轉動慣量約為0.25kg·m2，最大角加速度要求為100°/s2，則慣性力矩（單位：Nm）應不小于

2）摩擦力矩

摩擦力矩（單位：N）主要包括軸承以及旋轉動密封引起的摩擦。其中軸承的摩擦包括軸向負載和傾覆力矩引起的摩擦力矩。

摩擦力矩T按28m/s風速計算2.19；按134m/s風速計算4.08。

3）風引起的阻力矩

134m/s風速引起的阻力矩（單位：Nm）為

經過初步計算134m/s風速下的轉矩為61.7Nm。

28m/s風速引起的阻力矩為

4）總力矩

通過上述計算，可以得出：

總力矩28m/s風速下為5.4Nm；134m/s風速下為66.3Nm。

系統要求設備在28m/s風速下能夠動作，在134m/s風速下不被破壞（盡量考慮較大風速下可以工作），因而在設計時所有器件和結構件的強度按照134m/s風速下的最大力矩（66.3Nm）計算，驅動機構的功率需要考慮短時內承受134m/s風速下最大力矩（66.3Nm）。

2關鍵結構件設計設計

2.1轉盤、殼體

轉臺整體設計布局非常緊湊并盡可能輕量化設計。轉臺臺面采用硬鋁合金7075加工而成，在保證結構強度的前提下盡可能減小質量，轉臺整體質量約為6kg。

2.2偏心套

在安裝電機的殼體孔加工完成后，其相對位置就確定了，無法對齒輪側隙進行調節。加入偏心套后，當齒輪或殼體存在加工和裝配誤差時，通過轉動偏心套可調節兩齒輪之間的側隙，能消除齒厚偏差、中心距的偏差和公法線偏差［6］。偏心套的引入不僅降低了殼體孔系的位置精度、齒輪螺旋角精度的加工要求，還控制了回差，使得產品精度滿足要求。以下對偏心套結構進行詳細說明。

偏心套結構如圖6所示，其外徑為R，內徑為r，偏心距為e，其厚度為m，則偏心套可調節齒隙p值為

式中m與殼體安裝孔的深度有關。

通過分析可知，影響齒側間隙的參數有：殼體上的一對齒輪安裝孔的間距實測值為a，小齒輪分度圓半徑實測值為r1，大齒輪分度圓半徑實測值為r2，則實測齒側間隙t值為t=a-r1-r2。

此時引入偏心套可調節齒隙p值，則

調整后的齒側間隙t′值為t′=a-r1-r2-p，即

因此，根據上述理論計算，在齒輪副、殼體安裝完成后，對其齒側間隙進行測量和計算，若與設計要求齒隙0.026mm有出入，再對偏心套方向進行旋轉來調節齒側間隙。

3有限元仿真分析

3.1基于Abawus的有限元靜力分析

基于Proe建立的高精度、高映射三維幾何模型涉及很多模型細節特征，主要包括倒角、圓角、螺栓孔、斜邊、復雜齒輪外形等，而這些模型細節并不是本次分析所關注的重點，且如果加上這些細節分析會大大增加仿真計算量。因此，對一些零部件的幾何模型進行適當簡化。將簡化后的三維模型導出為step格式，導入Abawus中建立有限元靜力分析模型，對云臺結構各個零件進行材料賦值，對模型采用自由劃分技術劃分十結點二次四面體單元，控制全局網格尺寸大小為5mm。

在進行受力分析時，對方位回轉機構進行受力分析，整個機構能夠承受負載8kg，作用力在回轉中心工況下不發生損壞。

轉臺在承受負載8kg，作用力在回轉中心工況下的應力情況如圖7所示。可以觀察到，其整體結構的應力主要分布在0～6MPa范圍內，最大值為5.8MPa，最大應力集中在施加作用力的位置，其中轉盤結構材料為7075鋁合金，其屈服強度為455MPa，取4倍安全系數，113.75MPa＞7.7MPa，故轉臺在該工況下滿足強度要求。

整個機構能夠承受負載8kg、作用力在回轉中心工況下的變形分布情況如圖8所示。可以觀察到，其整體結構的變形主要分布在0～0.001 8mm范圍內，最大值為0.001 9mm，最大變形集中在施加作用力處，故轉臺在工作風載下滿足剛度使用要求。

3.2基于Abawus的有限元模態分析

伺服轉臺動力學分析主要是模態分析，基于Abawus建立有限元模態分析模型。網格劃分、固定約束情況與靜力分析相同。經過模態分析，得到了轉臺的6階模態云圖和對應的模態頻率值分別如圖9所示和表1所示。

振動模態是彈性結構固有的、整體的特性。通過模態分析方法明確了結構物在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態的特性，就能預測結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應。因此，模態分析是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法。

由模態分析可知，轉臺系統在前6階振型中的固有頻率范圍為602.7～3 532.2Hz，外部激勵頻率小于300Hz。因此轉臺設計滿足指標要求，可保證其在工作時的可靠性和穩定性。

4結語

1）本文設計了一種高負載自重比的一維伺服轉臺，具備輕量化、帶載能力強、高集成化等特點。方位機構采用回轉支撐的布局方式，增加了結構的緊湊性。主體結構采用高強度鋁合金材料，結構采用薄壁結構加局部加筋設計，實現結構輕量化。

2）綜合考慮風載荷力矩、慣性力矩、偏心力矩、摩擦力矩等因素影響，對轉臺的方位驅動傳動系統進行詳細參數設計計算，為電機、減速機配比選型提供指導。

3） 基于Abawus，對轉臺整體結構進行有限元靜力分析和模態分析，結果表明：所設計的轉臺結構強度、剛度滿足使用要求，不會發生共振現象。

4）該轉臺在工程中實現應用，使用激光跟蹤儀測出位置精度誤差最大為0.06°，優于0.1°的技術要求。

參考文獻：

［1］ 孫久榮，王大明，李寒. 基于STM32的FOD雷達轉臺控制系統的設計［J］. 計算機與數字工程，2015，43（12）：2288-2290.

［2］ 羅晗. 單軸FOD伺服轉臺設計［J］. 機械，2021，48（12）：36-42.

［3］ 孫久榮. FOD檢測雷達轉臺伺服控制系統的設計［D］. 西安：西安工業大學，2016.

［4］ 劉雙富，余南陽. 機場跑道異物探測系統光學探測轉臺溫度控制實驗研究［J］. 制冷與空調（四川），2019，33（1）：98-102.

［5］ 桑青華，朱偉林. 一種邊燈式FOD探測設備伺服控制系統設計［J］. 現代信息科技，2021，5（8）：42-44，47.

［6］ 解曉輝. NGW行星齒輪減速器回差分析［D］. 北京：機械科學研究院，2004.

收稿日期：20230308

第一作者簡介：王麗男（1993—），女，江蘇南通人，工程師，碩士，研究方向為機械裝備，linanwang.anne@foxmail.com。

DOI：10.19344/j. cnki. issn1671-5276.2024.06.054