錢海濤，鄭傳榮

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

穩(wěn)定跟蹤平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

錢海濤，鄭傳榮

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

針對某直升機穩(wěn)定跟蹤平臺的實際要求和使用環(huán)境，通過對常用傳動形式特點的對比分析，確定了合理的傳動方案。采用集成化設(shè)計技術(shù)，設(shè)計出的穩(wěn)定跟蹤平臺具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、抗振動性能好的特點。文中詳細(xì)介紹了穩(wěn)定跟蹤平臺的設(shè)計過程，包括具體的結(jié)構(gòu)組成、匯流環(huán)的選擇與優(yōu)化設(shè)計、傳動鏈設(shè)計與計算、控制精度的分析等。設(shè)計的穩(wěn)定跟蹤平臺在裝機使用過程中性能優(yōu)異可靠，完全滿足系統(tǒng)的使用要求。設(shè)計過程中所貫穿的集成化設(shè)計思想可為類似產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

穩(wěn)定跟蹤平臺；匯流環(huán)；傳動鏈；精度；集成化

引 言

天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)是“動中通”系統(tǒng)的主要組成部分，由穩(wěn)定跟蹤平臺、控制器、驅(qū)動器、電源及相應(yīng)的伺服控制軟件組成。其主要功能為接收IMU、GPS天線等輸出的運動平臺姿態(tài)位置信息，通過伺服控制程序計算出運動平臺當(dāng)前姿態(tài)與位置相對于目標(biāo)衛(wèi)星的方位與俯仰角度，并驅(qū)動天線指向衛(wèi)星目標(biāo)，使天線輻射波束有效覆蓋衛(wèi)星目標(biāo)，并采用信號強度比較的方式，在運動過程中實現(xiàn)目標(biāo)的精確連續(xù)跟蹤。其中的穩(wěn)定跟蹤平臺是一種具有隔離載體姿態(tài)變化及驅(qū)動與控制天線指向2種功能的精密機電傳動機構(gòu)，由多自由度主體承力機構(gòu)、驅(qū)動電機、角度測量反饋元件及傳動鏈元件組成。

本系統(tǒng)裝載于某型直升機上，由于直升機平臺的特性要求載荷具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、抗振動性能好的特點，因此穩(wěn)定跟蹤平臺在設(shè)計時除了要滿足系統(tǒng)性能要求外，還要盡量進行集成化設(shè)計，以使設(shè)備更加輕小型化。本文主要就兩軸穩(wěn)定跟蹤平臺研制中的一些設(shè)計體會與成果進行介紹。

1 驅(qū)動形式分析與選擇

穩(wěn)定跟蹤平臺中常用的驅(qū)動形式主要有采用“伺服電機-減速機-齒輪副”傳動鏈的間接驅(qū)動式(簡稱間驅(qū)式)和采用“直流力矩電機”的直接驅(qū)動式(簡稱直驅(qū)式)2種，二者的特點如下：

1)在負(fù)載相同的條件下，間驅(qū)式的重量與體積均優(yōu)于直驅(qū)式，因而直驅(qū)式更適合小負(fù)載的場合。

2)在控制精度上，間驅(qū)式單軸精度一般不小于0.1°，而直驅(qū)式可在0.1°以內(nèi)，前者低于后者。

3)在反應(yīng)速度與傳動效率上，間驅(qū)式具有較長的傳動鏈，而直驅(qū)式直接驅(qū)動負(fù)載轉(zhuǎn)動，因而前者要低于后者。

4)在結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度上，對間驅(qū)式的要求較低。間驅(qū)式電機、編碼器(或旋轉(zhuǎn)變壓器)均獨立安裝，軸上只需安裝旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及匯流環(huán)。而直驅(qū)式則要同軸串聯(lián)式安裝力矩電機、測速機、旋轉(zhuǎn)變壓器(或編碼器)、電磁制動器、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、匯流環(huán)等。

5)在加工與裝配精度上，直驅(qū)式的力矩電機、電磁制動器、測速機、旋轉(zhuǎn)變壓器等的定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙控制要求嚴(yán)格，對加工與裝配精度的要求也比間驅(qū)式高。

6)在后期維護上，間驅(qū)式各元件均可獨立更換，不牽涉其它器件，而直驅(qū)式在維護更換時，可能要將軸上的所有元件全部拆卸。

在該項目中，對設(shè)備的重量、體積有嚴(yán)格要求，而對控制精度與反應(yīng)速度的要求不是很高，根據(jù)上述分析結(jié)果，該平臺的傳動鏈形式選擇間接驅(qū)動式。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，穩(wěn)定跟蹤平臺為方位俯仰型兩維結(jié)構(gòu)，由方位轉(zhuǎn)臺與俯仰轉(zhuǎn)臺組成，且方位軸與俯仰軸垂直相交。傳動鏈形式采用“直流伺服電機-精密減速機-調(diào)隙式末級齒輪副”方案。

2.1 方位轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]

方位部分采用立軸式轉(zhuǎn)臺形式，主要由外殼、中心軸、軸承、電機、傳動齒輪副以及匯流環(huán)、旋轉(zhuǎn)變壓器、射頻鉸鏈等組成。

外殼與中心軸通過一對向心球軸承構(gòu)成方位轉(zhuǎn)臺的主體結(jié)構(gòu)。軸承位于中心軸上下兩端，較大的軸承間距可有效提高機構(gòu)的穩(wěn)定性，同時軸承間距可作為匯流環(huán)的安裝空間。

轉(zhuǎn)臺與匯流環(huán)進行了集成化設(shè)計。中心軸及軸承組由轉(zhuǎn)臺與匯流環(huán)共用，匯流環(huán)的內(nèi)環(huán)直接安裝在中心軸上，在外殼與中心軸之間安裝電刷、電刷支架等匯流環(huán)的其他部件。相對于傳統(tǒng)的獨立匯流環(huán)設(shè)計減少了一個主軸及一對軸承,結(jié)構(gòu)更加緊湊。

分體式旋轉(zhuǎn)變壓器的定子與轉(zhuǎn)子分別同軸安裝在中心軸與殼體上，射頻鉸鏈安裝在中心軸內(nèi)部，高度上與匯流環(huán)重合，可有效降低方位轉(zhuǎn)臺的高度。

電機安裝在轉(zhuǎn)臺外殼上，經(jīng)末級齒輪副減速后驅(qū)動中心軸做方位360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。齒輪傳動副設(shè)計為中心矩可調(diào)式，通過機械調(diào)節(jié)可有效減小齒輪側(cè)隙，提高傳動精度。

此種形式結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高，同時抗振動性能好。方位轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 方位轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

為滿足機載環(huán)境要求，匯流環(huán)采用結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、可靠性高的柱式金屬絲滑環(huán)結(jié)構(gòu)形式。金屬絲采用金基合金材料，該材料具有良好的導(dǎo)電性、彈性及耐磨性，可有效降低載機振動對電接觸性能的影響，同時工作中磨損小，粉末少，壽命長，無需定期維護[2]。

在匯流環(huán)設(shè)計中改進了常用的金屬絲電刷懸臂安裝形式，結(jié)構(gòu)上對金屬絲電刷進行了多個自由度的約束，以增強其抗振能力，提高了振動環(huán)境下的電接觸可靠性；采用了單通道多根刷絲并聯(lián)的多觸點設(shè)計，增加了接觸面積，減小了接觸電阻，同時減小了接觸電阻的波動范圍，有利于信號的連續(xù)穩(wěn)定傳輸[2]。

在功率通道設(shè)計中，為防滑環(huán)打火、被燒毀，通道功率容量設(shè)計值達(dá)到負(fù)載功率的1.5倍以上。

2.2 俯仰轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]

俯仰轉(zhuǎn)臺安裝在方位轉(zhuǎn)臺的中心軸上，在方位電機的驅(qū)動下作360°連續(xù)轉(zhuǎn)動，主要由天線單元、U型框架、電機、旋轉(zhuǎn)變壓器及傳動齒輪副組成。

天線單元通過一組軸承對安裝在U型框架上，俯仰軸與天線陣面一體化設(shè)計，天線重心盡量向俯仰軸靠近，以減小偏心現(xiàn)象。

電機安裝在U型框架的右側(cè)支耳上，通過末級齒輪副減速后驅(qū)動天線單元在0°～90°作俯仰轉(zhuǎn)動。同時設(shè)計機械限位，以防止異常情況下天線俯仰角度超出轉(zhuǎn)動范圍。

同方位一樣，齒輪副也采用中心距可調(diào)式設(shè)計，可有效減小齒輪側(cè)隙，提高傳動精度。

分體式旋轉(zhuǎn)變壓器同軸安裝在框架左側(cè)的天線俯仰軸與支耳上，實時檢測并反饋天線的俯仰角度。

天線單元將4個發(fā)射組件、1個接收組件及1個功分器集成設(shè)計在天線的背面，使天線單元對外的射頻連接減少為必需的上下行兩路信號。與天線單元的發(fā)射、接收組件有射頻連接關(guān)系的上變頻器、下變頻器安裝在俯仰框架上，隨俯仰轉(zhuǎn)臺同步作方位轉(zhuǎn)動，縮短了射頻傳輸鏈路，降低了射頻損耗。由于天線在俯仰向不需要作360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，故用柔性射頻電纜代替射頻鉸鏈來傳輸射頻信號。

俯仰電機驅(qū)動器也集成在U型框架上，可減少匯流環(huán)的通道數(shù)量。

穩(wěn)定跟蹤平臺的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定跟蹤平臺結(jié)構(gòu)示意圖

3 傳動鏈設(shè)計與校核[3]

如上所述，該平臺選擇由“伺服電機-減速機-末級齒輪副”構(gòu)成的間驅(qū)式傳動鏈。下面對傳動鏈的驅(qū)動力矩、減速機速比、末級齒輪副速比及齒輪模數(shù)等內(nèi)容進行設(shè)計計算與校核。

3.1 方位傳動鏈設(shè)計

方位轉(zhuǎn)臺的主要技術(shù)指標(biāo)為：

1)方位角速度v≥60°/s(10 r/min)；

2)方位角加速度β≥80°/s2(1.4 rad/s2)。

方位驅(qū)動力矩主要由慣性力矩與匯流環(huán)產(chǎn)生的摩擦力矩組成，具體計算如下：

方位載荷轉(zhuǎn)動慣量J≈4 kg·m2

故慣性力矩T1=Jβ=4 × 1.4=5.6 N·m

摩擦力矩T2≈3 N·m

機載傳動系統(tǒng)的驅(qū)動力矩安全系數(shù)一般為2～3。該項目中按3考慮，則總的驅(qū)動力矩為T=3(T1+T2)=25.8 N·m。

根據(jù)上述計算選擇的電機及減速機的主要技術(shù)參數(shù)為

電機：額定功率50 W，額定力矩48 mN·m，額定轉(zhuǎn)速10 400 r/min；

減速機：速比235，額定力矩15 N·m，效率85%。

根據(jù)驅(qū)動力矩及齒輪副相關(guān)設(shè)計計算，得到齒輪副主要參數(shù)為：模數(shù)m=1; 主動齒輪齒數(shù)Z1=48; 從動齒輪齒數(shù)Z2=200;齒輪副速比i=4.17。則方位軸輸出的額定力矩T=0.048×235×0.85×4.17×0.97≈38.8 N·m(0.97為齒輪副傳動效率)；方位軸輸出的額定轉(zhuǎn)速v=10 400 ÷ 235 ÷ 4.17=10.6 r/min。

從計算結(jié)果可以看出，方位軸輸出的力矩及轉(zhuǎn)速均滿足指標(biāo)要求，設(shè)計結(jié)果是合理可行的。

3.2 俯仰傳動鏈設(shè)計

俯仰轉(zhuǎn)臺的主要技術(shù)指標(biāo)為：

1)俯仰角速度v≥60°/s(10 r/min)；

現(xiàn)階段而言，許多的高職院校，誤將校園文化建設(shè)理解成物質(zhì)文化建設(shè)，這是十分片面的。誤以為將校園內(nèi)的設(shè)置完善，豐富學(xué)生的課余生活，這就是校園文化建設(shè)，但是實際上來說，這只是一種娛樂文化，這將會導(dǎo)致娛樂消遣之風(fēng)在整個校園盛行。高校要進行文化建設(shè)，但是卻沒有一個明確的目標(biāo)，整個局限在對于學(xué)生的管理和思想政治教育的基礎(chǔ)層面上，沒有達(dá)到整體辦學(xué)、培養(yǎng)高素質(zhì)人才的高層次目標(biāo)。

2)俯仰角加速度β≥80°/s2(1.4 rad/s2)。

俯仰驅(qū)動力矩主要由慣性力矩、偏心力矩及柔性電纜導(dǎo)致的干擾力矩組成，具體計算如下：

俯仰載荷轉(zhuǎn)動慣量J≈1.5 kg·m2

故慣性力矩T1=Jβ=1.5 × 1.4=2.1 N·m

又有偏心力矩T2≈1.5 N·m

干擾力矩T3≈0.5 N·m

考慮3倍的安全系數(shù)，則總的驅(qū)動力矩為

T=3(T1+T2+T3)=12.3 N·m

根據(jù)上述計算選擇電機及減速機的主要技術(shù)參數(shù)為

減速機：速比100，額定力矩6 N·m，效率85%。

根據(jù)驅(qū)動力矩及齒輪副相關(guān)設(shè)計計算，得到的齒輪副主要參數(shù)為：模數(shù)m=1；主動齒輪齒數(shù)Z1=20；從動齒輪齒數(shù)Z2=120；齒輪副速比i=6。則俯仰軸輸出的額定力矩T=0.033 × 100 × 0.85 × 6 × 0.97 ≈ 16.3 N·m(0.97為齒輪副傳動效率)；俯仰軸輸出的額定轉(zhuǎn)速v=7 240 ÷ 100 ÷ 6=12 r/min。

從計算結(jié)果可以看出，俯仰軸輸出的力矩及轉(zhuǎn)速均已滿足指標(biāo)要求，設(shè)計結(jié)果是合理可行的。

4 跟蹤精度分析[1,4]

穩(wěn)定跟蹤平臺的跟蹤精度由方位軸跟蹤精度與俯仰軸跟蹤精度聯(lián)合組成。其中方位軸跟蹤精度與系統(tǒng)的各種誤差有關(guān),其誤差種類及其最大值具體為

旋轉(zhuǎn)變壓器測量誤差：± 0.1°

載體姿態(tài)測量誤差：± 0.1°

程序計算與帶寬誤差：± 0.05°

加工與裝配誤差：± 0.1°

航姿系統(tǒng)安裝誤差：± 0.1°

其中航姿系統(tǒng)安裝誤差可通過標(biāo)校措施測定其大小和方向，為已定系統(tǒng)誤差，可以在處理程序中進行修正。其他誤差均已確定存在,但其方向具有不確定性,故上述誤差應(yīng)定義為未定系統(tǒng)誤差。根據(jù)誤差合成理論，按方和根法對上述誤差進行合成計算。故方位跟蹤精度為

俯仰軸跟蹤精度與方位軸情況相同，故俯仰軸跟蹤精度為

eB≈±0.18°

根據(jù)方位軸和俯仰軸的幾何關(guān)系，將單軸精度按矢量合成得出平臺總的跟蹤精度為

可以看出，平臺的跟蹤精度滿足±0.3°的跟蹤精度指標(biāo)要求。

5 性能測試與試驗

穩(wěn)定跟蹤平臺經(jīng)過了一系列的規(guī)定試驗程序，即速度與加速度測試；靜態(tài)指向精度測試；動態(tài)跟蹤精度測試；各項環(huán)境例行試驗。全部試驗程序順利通過，表明該平臺完全滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語

穩(wěn)定跟蹤平臺為適應(yīng)機載環(huán)境的苛刻要求，在研制中貫穿了集成化設(shè)計思想，有效簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量，減小了體積，最終達(dá)到了裝機條件。

裝機后，系統(tǒng)經(jīng)過了試飛驗證，并多次執(zhí)行了正式飛行任務(wù)。在試飛及執(zhí)行飛行任務(wù)過程中，系統(tǒng)跟蹤穩(wěn)定、連續(xù)，性能優(yōu)異、可靠，完全滿足系統(tǒng)的使用要求。

[1] 吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社,1986.

[2] 湯鋒，姜毅. 某直升機載雷達(dá)匯流環(huán)的設(shè)計[J].電子機械工程，2010, 26(6)：30-32.

[3] 王生洪, 龔振邦，王世萍.電子設(shè)備機械設(shè)計[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1994.

[4] 費業(yè)泰. 誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

錢海濤(1979-),男，高級工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體及機電傳動技術(shù)的研制工作。

鄭傳榮(1976-),男，高級工程師，主要從事匯流環(huán)技術(shù)研制工作。

·簡訊·

澳大利亞科學(xué)家成功生產(chǎn)出微型激光

據(jù)澳大利亞ABC報道，澳大利亞國立大學(xué)的研究人員利用直徑只有十億分之幾米的納米線成功生產(chǎn)出微型激光，相關(guān)論文刊登在《自然-光子學(xué)》雜志上。這項研究成果是在朝著制造未來電腦芯片的道路上邁出的關(guān)鍵一步。由于這種微型激光的問世，未來的電腦電路將在三維尺度下制造，采用光線而不是電來運轉(zhuǎn)。制造使用光線的電腦電路擁有很多優(yōu)勢：光線的傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子，也就是說，可以制造速度更快的電腦以及尺寸更小且能效更高的芯片。如果利用納米線和光線，就可以在三維尺度下制造電路，利用光線的相互連接在層與層之間傳輸信息，進而打造更緊湊、速度更快的處理器。

研究人員指出，這種微型激光還可以用于制造超靈敏光學(xué)傳感器和近場光學(xué)顯微鏡。他們?nèi)〉玫闹饕黄剖钦业搅艘环N使用砷化鎵制造微型線路的方式。這種線路可以在室溫環(huán)境下工作。在研究過程中，他們將微小的金顆粒沉淀在一個表面上，而后在含有鎵和砷的氣體的情況下將金顆粒加熱到750 ℃，鎵和砷發(fā)生反應(yīng)，形成可以引導(dǎo)光線的固態(tài)晶體線。相對于空氣來說，砷化鎵擁有極高的折射率，能夠引導(dǎo)光線穿過，納米線的末端起到鏡子的作用。但使用這種納米線制造電腦芯片仍需幾年的研發(fā)才可成為現(xiàn)實。

摘編自http://www.jd37.com/news/20141/128523.html

Structure Design of a Stabilization Tracking Platform

QIAN Hai-tao，ZHENG Chuan-rong

(The38thResearchInstituteofCETC，Hefei230088,China)

Based on the practical requirement and service environment of the stabilization tracking platform for a type of helicopter, a rational scheme is determined by means of characteristic analysis of several familiar transmission types. The stabilization tracking platform, designed with the integration design technology, has excellences of compact structure, small weight and good resistance to vibration. The design process of the stabilization tracking platform is discussed in detail, including structural composition, selection and optimization design of the slip ring, design and calculation transmission chain and control precision analysis. The stabilization tracking platform shows its excellent and reliable performance during operation. And it fully meets the operation requirements of the system. The integration design idea throughout the design process can provide a reference for the design of similar products.

stabilization tracking platform; slip ring; transmission chain; accuracy; integration

2013-10-16

TN820.8

A

1008-5300(2014)01-0019-04