三維運動模擬平臺總體設計

摘 要：為實現對某型光電跟蹤器的動態跟蹤性能的測試，設計了一種可以實現方位、俯仰和垂直直線運動的模擬運動平臺，角位置精度達到15″，線位置精度達到0.01mm。

關鍵詞：運動模擬；結構設計；機構設計

1 引言

動態角跟蹤精度檢測裝置由被試系統、多波段點源目標發生器系統（以下簡稱“目標發生器”）、運動模擬平臺及總控制系統四個部分組成，圖1為動態角跟蹤精度檢測裝置系統組成原理框圖。其中的運動模擬平臺可以完成方位、俯仰和垂直直線運動。

2 目標運動平臺

目標運動平臺包含圓弧導軌副（含驅動傳動機構）、目標固定支撐臺面（俯仰U型框）、俯仰/升降二維運動機構、平臺三維（俯仰、升降及滑動）伺服驅動系統、平臺運動控制系統等5部分組成，圖2為運動平臺組成框圖。

導軌為目標平臺的方位運動軌跡，圍繞著圓弧導軌的圓心轉動，形成方位視線角速度變化；目標固定支撐臺面負載目標發生器在進行沿圓弧導軌水平運動的同時，通過俯仰和高低二維運動機構帶動目標發生器進行自身的位置運動，形成復合俯仰方位視線角速度變化，進而模擬目標在空域范圍內的位置信息，以便對被測系統進行測試及仿真。

2.1 運動平臺功能

平臺本身具備三個運動自由度，目標發生器安放于運動平臺的俯仰框上，平臺依據操作者規劃的運動路徑，帶動目標模擬系統形成相對被測試系統的方位、俯仰兩個自由運動并保證目標光軸實時指向被測系統成像面中心，模擬真實環境下目標的運動特性，以便被測系統進行跟蹤，分述如下。

2.1.1 模擬目標的方位運動

整套設備在以GDX塔的轉軸中心為圓心的圓弧導軌上運動，實現方位角度變化的模擬，由于被測系統及圓弧導軌都以GDX塔的轉軸中心為圓心，可以實現旋轉中心重合，所以可以保證目標在導軌上運動時，被測系統光軸可以始終跟隨著目標發生器的光軸，且在某一視場可觀測到多波段點源目標；

2.1.2 模擬目標的俯仰運動

升降機構為沿圓弧導軌運動的一套直線升降機構，帶動目標發生器升降，與俯仰運動機構產生相應的俯仰視線角角度變化，以便測試時被被測系統對目標進行搜索或跟隨。

2.1.3 光軸調整用垂直直線運動機構

在直線升降機構上，疊放一俯仰運動機構，目標發生器以定位機構固定在這一俯仰機構上。當產生如模擬目標的俯仰運動時，目標發生器被帶動產生直線升降時，由于運動模式為平移，所以目標發生器光軸也出現上下平移，此時安放在GDX塔上的被測系統的光軸無論怎樣調整都會與目標生成器光軸產生夾角，導致無法觀測到目標圖像。本處的俯仰運動機構的作用就是在目標生成器出現水平上下運動時，實時調整光軸角度，使目標生成器的光軸始終指向被測系統，這樣被測系統通過GDX塔帶動可實現光軸對準，達到測試或仿真的目的。

2.2 結構設計

目標運動平臺主的結構部分要由目標支撐固定機構、俯仰/升降聯動機構、方位滑動臺體、圓弧導軌機構、電機驅動元件、光電編碼器及氣浮光學平臺組成，以實現目標發生器的固定、俯仰/升降及方位運動，圖3為目標運動平臺系統組成三維設計效果圖。目標支撐固定機構（圖中俯仰框）用于目標系統的安裝及定位；俯仰/升降自由度設計成聯動機構以保證滑動臺體沿圓弧導軌機構進行方位運動時始終指向被試系統光軸。

2.2.1 方位旋轉設計

圓弧導軌方位維由高精密重載圓弧導軌、渦輪蝸桿傳動機構、伺服電機驅動機構、定位軸及軸承機構、承載臺面等五個部分組成。結構設計的關鍵是高精密重載圓弧導軌的定制和驅動與傳動機構的設計，本方案的圓弧導軌機構為外購定制THK弧形內徑1.8m的導軌副系統，采用4段各1/4圓拼接而成，內外環均為16個滑塊支撐平臺上面部分。

方位旋轉維臺面考慮試驗臺整體功能，由四塊1/4圓形臺面拼接而成，分別為升降臺臺面、人行通道臺面（升降臺臺面對面的1/4臺面）、布線臺面及備用基準臺面，拼接時采用高分辨率激光設備定位，從而實現各塊各自功能，以滿足設計指標要求。

方位驅動單元采用日本安川1.5kW伺服電機驅動，傳動單元為直徑950mm的大型精密渦輪匹配蝸桿實現。

2.2.2 直線升降設計

直線升降維由導向支撐導軌機構、螺桿傳動機構、剛性支架、輔助支撐、俯仰支撐臺面及驅動單元等六部分組成，如圖4所示。

直線升降機構行程長、精度高、驅動困難是設計及元件選型的三大難點，設計時考慮整體剛性，將外圍框架設計為長方形加固鋁合金支架及底角輔助支撐方式，采用航天級高強度鋁合金型材經刮研工藝以保證導向導軌機構的定位精度；內部采用每側2根共計4根THK高精度直線導軌副，其自身精度為每1m內位置誤差0.02mm；通過松下1kW伺服電機及減速器帶動THK高精度大型滾珠螺桿執行升降維移動；大型滾珠螺桿自身精度為每1m內位置精度誤差0.02mm。

2.2.3 俯仰旋轉設計

3 結束語

為了進行優化設計，本運動模擬單元通過三維實體建模，獲得了大量的用于計算和優化的信息，這些信息用來進行優化設計計算，對結構的優化、電機的優選及反饋原件的布置都起到了很大的作用，通過實體加工檢測，很好的完成了設計指標。

參考文獻

[1]孫恒，傅則紹.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]薛開.基于多軸運動控制器的兩軸轉臺控制系統[J].哈爾濱工程大學學報，2006（8）：570～573.

作者簡介：紀小輝（1970-），男，陜西人，西安工業大學光電學院，副教授，主要從事教學和科研工作，研究方向為光電儀器設計。