蘇芬平 崔偉

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

一、引言

轉(zhuǎn)臺被廣泛應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域，比如對雷達(dá)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(tài)。轉(zhuǎn)臺的綜合性能直接影響到設(shè)備測試結(jié)果的可靠性和精確性，對航空航天產(chǎn)品和武器裝備的系統(tǒng)性能以及運(yùn)行精度起到了至關(guān)重要的作用[1]。本文以某高精度二維轉(zhuǎn)臺為工程背景，對高精度直驅(qū)轉(zhuǎn)臺進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。

在高精度轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)中，首先考慮在機(jī)械結(jié)構(gòu)上減小傳動機(jī)構(gòu)對軸系精度的影響，其次在伺服控制中運(yùn)用先進(jìn)的控制方法，提高系統(tǒng)的整體精度。

在本轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)中選用力矩電機(jī)直接驅(qū)動負(fù)載的方案，既消除了齒隙回差（無回差），又縮短了傳動鏈，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單緊湊，使控制系統(tǒng)具有反應(yīng)速度快、線性度好、共振頻率高等優(yōu)點(diǎn)，因而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及靜態(tài)、動態(tài)控制精度。

二、轉(zhuǎn)臺整體方案

轉(zhuǎn)臺主要有俯仰軸系、方位軸系、底座組成，轉(zhuǎn)臺總體的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

三、方位軸系設(shè)計(jì)

方位軸系主要承載俯仰部分及負(fù)載，帶動俯仰部分及負(fù)載實(shí)現(xiàn)360°連續(xù)轉(zhuǎn)動。方位軸系由方位軸、軸承、方位座、匯流環(huán)、電機(jī)、測角元件、制動器等組成，參見圖2。

1、方位軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方位軸系的結(jié)構(gòu)必須滿足下述要求：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足高精度要求：由于轉(zhuǎn)臺要求定位精度 0.01°（36″），系統(tǒng)回差 0.009°（32″），對于高精度的大功率系統(tǒng)，除伺服系統(tǒng)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(jī)直接驅(qū)動，徹底消除傳動鏈造成的誤差和回差；

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足大的傾覆力矩要求：轉(zhuǎn)臺的負(fù)載是兩個天線，最大負(fù)載時，每個天線250kg，尺寸3m×1.5m×0.4m，安裝于方位軸兩側(cè)。天線迎風(fēng)面積較大，八級風(fēng)情況下，風(fēng)對天線產(chǎn)生的作用力達(dá)到3.7kN，十二級風(fēng)情況下，風(fēng)對天線產(chǎn)生的作用力達(dá)到9.2kN，對方位軸承處產(chǎn)生的傾覆力矩達(dá)到5.5kNm。因此在方位設(shè)計(jì)中，選用高精度轉(zhuǎn)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(qū)動力矩計(jì)算

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

根據(jù)技術(shù)要求，轉(zhuǎn)臺方位速度最高為400°/s，最大 加 速 度 為 120°/s2， 即 負(fù) 載 角加 速 度ε=120°/s2=2.1rad/s2。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以計(jì)算出方位運(yùn)轉(zhuǎn)時總的轉(zhuǎn)動慣量，其中，負(fù)載兩個125kg負(fù)載，轉(zhuǎn)動慣量為480kgm2；其他旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量為200kg，轉(zhuǎn)動慣量為410kgm2。則方位運(yùn)轉(zhuǎn)時總的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為：

J=480+410=890(kgm2)

方位運(yùn)行時的慣性轉(zhuǎn)矩為：

MJ=Jε=890×2.1=1869(Nm)

另有：摩擦力矩Tm=60Nm（按轉(zhuǎn)盤軸承給出的啟動力矩計(jì)算）。

根據(jù)以上計(jì)算，方位峰值力矩為：

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

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

3、轉(zhuǎn)盤軸承選型及計(jì)算

（1）轉(zhuǎn)盤軸承結(jié)構(gòu)形式選擇

轉(zhuǎn)盤軸承根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承、雙排角接觸推力球轉(zhuǎn)盤軸承、交叉圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承、交叉圓錐滾子轉(zhuǎn)盤軸承和三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤軸承等不同的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)本產(chǎn)品的受力大小和結(jié)構(gòu)形式，選用四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、摩擦力小等特點(diǎn)[3]。

四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承由兩個座圈組成，鋼球與圓弧滾道四點(diǎn)接觸，其外形如圖3所示，其結(jié)構(gòu)和安裝方式如圖4所示。

（2）轉(zhuǎn)盤軸承計(jì)算

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算：方位軸承載軸向力Fa為15kN，12級風(fēng)產(chǎn)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(zhuǎn)盤軸承的基本參數(shù)為：外徑Φ410mm，內(nèi)徑Φ260mm，滾道直徑為Φ335mm，厚50mm，精度P5級。

四、俯仰軸系設(shè)計(jì)

俯仰軸系位于方位軸系之上。俯仰軸系由俯仰電機(jī)、俯仰支架、俯仰軸和轉(zhuǎn)盤軸承、限位開關(guān)、負(fù)載安裝板等組成。俯仰結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

1、軸承計(jì)算及選型

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算：俯仰軸承載經(jīng)向力Fr為9kN（含最大負(fù)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(zhuǎn)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(tài)下，轉(zhuǎn)臺在外力作用下自行轉(zhuǎn)動，方位和俯仰系統(tǒng)都裝有機(jī)械鎖，轉(zhuǎn)臺停止工作后，人為將鎖銷插入鎖孔。除機(jī)械鎖外，為防止轉(zhuǎn)臺在停機(jī)狀態(tài)下自行轉(zhuǎn)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(qū)動器控制。制動器附帶有手動釋放桿，可在斷電狀態(tài)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(tài)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(qū)動軸上，需經(jīng)過一級齒輪減速傳動，安裝在制動軸上。同時，經(jīng)過減速可以增大對驅(qū)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(fēng)力造成的負(fù)載轉(zhuǎn)動即可。選擇參數(shù)為：制動扭矩200Nm，經(jīng)2.38的減速比，可制動476Nm。電磁鐵驅(qū)動電壓90VDC，允許最大轉(zhuǎn)速800rpm。

3、脹緊套計(jì)算及選型

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

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

目前在市場上，脹套作為一種標(biāo)準(zhǔn)組件可供選擇和購買。脹套一般按傳遞的載荷、結(jié)合面的粗糙度以及被連接件的尺寸進(jìn)行選擇。

根據(jù)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(shù)，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(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺通過底座固定在地基或其他載體上。并通過調(diào)平裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)臺的調(diào)平。底座為錐形結(jié)構(gòu)，在減輕重量的同時保證底座的剛度和強(qiáng)度。充分利用底座內(nèi)部空間，安裝電氣件。底座設(shè)計(jì)連接器安裝板，用于維修內(nèi)部器件和安裝連接器等。

底座為整個轉(zhuǎn)臺的安裝基礎(chǔ)，對強(qiáng)度剛度進(jìn)行有限元分析[2]。底座的應(yīng)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(yīng)力為7.9MPa，遠(yuǎn)低于鑄造鋁合金的許用應(yīng)力值，滿足強(qiáng)度剛度要求。

在轉(zhuǎn)臺工作過程中，為了避免諧振出現(xiàn)和由此而造成設(shè)備損壞[5]，要求機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率遠(yuǎn)離系統(tǒng)的帶寬要求。

對底座進(jìn)行模態(tài)分析，其一階模態(tài)振型如圖8所示。其中一階模態(tài)頻率為396.54Hz。由于轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)截止頻率要求為60Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)的一階模態(tài)頻率。

六、安全性設(shè)計(jì)

為了保證設(shè)備使用安全可靠、操作簡便，預(yù)防由于載荷過大、突然斷電、操作不當(dāng)以及其他意外事故，造成被測負(fù)載或其他設(shè)備的損壞，在轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)中采取了各種安全保護(hù)措施[6]。

轉(zhuǎn)臺方位軸360°連續(xù)轉(zhuǎn)動，不需要安裝電氣限位和機(jī)械限位。主要針對俯仰軸系設(shè)計(jì)電氣限位和機(jī)械限位。

在俯仰軸系設(shè)計(jì)時，均設(shè)計(jì)有軟件限位、電氣限位以及機(jī)械限位。軟件限位角度最小，電氣限位角度次之，機(jī)械限位角度最大。若軟件限位失效，轉(zhuǎn)角超出規(guī)定值，光電感應(yīng)開關(guān)感應(yīng)，驅(qū)動器控制電機(jī)停止運(yùn)動。若電氣限位失效，還有機(jī)械限位裝置限位，考慮到軸系轉(zhuǎn)角范圍有限，機(jī)械設(shè)計(jì)時，采取金屬擋塊的結(jié)構(gòu)，擋塊前端裝有吸能緩沖墊用于緩沖，機(jī)械限位裝置結(jié)構(gòu)簡單、可靠實(shí)用。

1、電氣限位

轉(zhuǎn)臺的俯仰電氣限位裝置由安裝在俯仰座上的霍爾開關(guān)和安裝在負(fù)載安裝板上的感應(yīng)磁柱組成，實(shí)現(xiàn)-5°～+185°的限位。結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。

轉(zhuǎn)臺的俯仰電氣限位裝置由兩個霍爾開關(guān)和一個感應(yīng)磁柱組成，霍爾開關(guān)分別安裝在俯仰座-5°和185°位置，感應(yīng)磁柱安裝在負(fù)載安裝板上（轉(zhuǎn)動部分）。俯仰軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)-5°～+185°的限位。安裝結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。

2、機(jī)械限位

俯仰機(jī)械限位采用機(jī)械擋塊方式，檔塊安裝在俯仰座的側(cè)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(fù)載天線安裝板上。結(jié)構(gòu)形式如圖10所示。

3、自鎖設(shè)計(jì)

為了防止斷電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)臺在外力作用下自行轉(zhuǎn)動，方位和俯仰系統(tǒng)都裝有機(jī)械鎖，停止工作后，人為將鎖銷插入鎖孔。除機(jī)械鎖外，為防止系統(tǒng)在短暫停機(jī)狀態(tài)下自行轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)。制動器電源的通斷，由伺服驅(qū)動器控制。

4、緊急制動與報警功能

轉(zhuǎn)臺設(shè)置緊急制動開關(guān)，在發(fā)現(xiàn)緊急情況時，人為觸動此開關(guān)，使系統(tǒng)迅速停止工作。

此緊急制動開關(guān)與控制箱上的開關(guān)互鎖，即該開關(guān)工作時，其他開關(guān)不起作用，只有再撥動該開關(guān)使其復(fù)位，其它控制開關(guān)才有效。

在轉(zhuǎn)臺底座部位安裝有聲光電報警器，在轉(zhuǎn)臺需要啟動時，聲光報警器發(fā)出警示聲音及燈光閃爍，提示周邊工作人員撤離，經(jīng)確認(rèn)轉(zhuǎn)臺可以啟動后，操作人員關(guān)閉聲光報警器，啟動轉(zhuǎn)臺開始工作。

在轉(zhuǎn)臺和控制箱的明顯部位安裝故障報警器，當(dāng)轉(zhuǎn)臺出現(xiàn)故障時，發(fā)出警報。

七、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種高精度二維轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺方位俯仰均通過力矩電機(jī)直接驅(qū)動，消除了傳動鏈的傳動誤差，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)臺高精度回轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)中，高精度轉(zhuǎn)盤軸承的使用提高了轉(zhuǎn)臺的承載能力，并使轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)簡化。采用電磁制動器和齒輪副進(jìn)行方位軸和俯仰軸的制動，起到斷電制動作用。轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)中充分考慮軟件、電氣、機(jī)械限位及報警功能，提高了安全性。為高精度通用轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)提供了解決方案。