高精度二軸測試轉臺結構設計與分析

楊帥

摘 要：本文介紹了一種用于雷達天線標定測量的高精度二軸測試轉臺。詳細介紹二軸測試轉臺系統組成和原理，并對其各軸系進行了傳動鏈功率校核及精度分析，最后通過有限元仿真軟件校核在工作工況下轉臺機體的剛度和強度。結果表明，二軸測試轉臺各項參數均滿足設計指標要求。

關鍵詞：二軸測試轉臺;測角精度;定位精度;軸系設計

1 引言

高精度測試轉臺在雷達天線標定中起到關鍵作用，其承載能力、測角精度和定位精度對雷達天線標定測試試驗的可靠性和置信度尤為重要。其中，高精度二維測試轉臺通過俯仰和方位兩向姿態的可控調節，在實驗室環境下模擬雷達天線在實際工作時的各項位姿及其對應的微波場特性，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。高精度測試轉臺的研究，對我國國防建設有重要意義。[1-3]

本文所述高精度二軸測試轉臺可承載并實現負載的方位轉動和俯仰轉動，可接收伺服控制系統的控制指令，實現相應的方位和俯仰任意位置定位或隨動運動，并可長時間鎖定在該位置和保證負載在空間的穩定指向，以供標校實驗要求。

2 技術指標

二軸測試轉臺是被測雷達天線的承載設備，其主要由方位和俯仰兩軸組成，均具備定位鎖定及掉電自鎖功能。其中方位軸轉動行程為：實現±60°和±15°內扇掃，帶機械限位并可切換;俯仰軸轉動行程為：±7°。其他指標要求如表1所示。

3 系統結構設計及功率校核

3.1系統組成

二軸測試轉臺主要由下方位轉臺和上俯仰轉軸兩部分組成。其中，下方位轉臺采取方位渦輪回轉支承傳動鏈驅動，主要由方位底座、精密減速機及伺服電機、渦輪回轉支承、測角編碼器、限位開關、機械限位和方位轉盤等組成;上俯仰軸采取精密梯形絲桿驅動，主要由梯形推桿組件、精密減速機及伺服電機、俯仰工作臺、限位開關、編碼器等組成。如圖1所示。

3.2下方位轉臺

下方位轉臺使用滾珠式回轉支撐承載和精密渦輪蝸桿傳動結構，編碼器同軸安裝在回轉支承中間，與方位底座相連，轉軸通過聯軸器與上方位轉盤相連，可保證0回差的測角精度。方位轉臺伺服電機驅動行星減速機和渦輪減速機轉動。渦輪減速機可方位自鎖，伺服電機帶閘，可有效保證方位轉盤掉電自鎖。上轉盤底部裝有撞塊，受方位底座側邊安裝的限位塊限制，轉盤可在-62°～62°的范圍內轉動。此外-15°～15°處也裝有限位塊，為可拆卸設計，用于改變轉臺的機械限位范圍。如圖2所示。

3.3上俯仰軸

上俯仰軸系使用梯形絲桿組件和減速電機驅動，推動上工作臺面繞轉軸在±7.5°的工作范圍內俯仰運動。俯仰限位由絲杠兩端的止擋和螺母實現，絲桿所在的俯仰減速箱上對應設置有尼龍限位撞塊，用于俯仰極限限位。

俯仰驅動推桿為精密梯形絲桿，可實現掉電機械自鎖功能。在負載的作用下，實現機械上運動的0回差。工作臺一側轉軸處同軸設置有測角編碼器，實時反饋工作臺的仰角值;另一側轉軸處裝有接近開關，用于限制俯仰運動范圍。如圖3所示。

4 功率校核

4.1下方位轉臺

下方位轉臺由伺服電機驅動行星減速機和渦輪回轉支撐運動，其摩擦力矩MF為：

式中，d為回轉支撐滾道回轉直徑;μ為回轉支撐徑向摩擦系數，此處取0.05;Mp為回轉支撐承受的偏載力矩;mh為回轉支撐自身摩擦力矩，低溫系數取2。

根據選型，回轉支撐滾道直徑450mm，摩擦力矩為100N·m，滾道承受的負載約為1200Kg，偏載100mm。計算可得，摩擦力矩MF為365N·m。

下方位轉臺的轉速為1rpm，回轉支撐的減速比為102，行星減速機的減速比為10，傳動效率按0.4×0.8計。計算可得電機功率及轉矩需求為：

因此，選擇松下MINAS A6系列0.4kW伺服電機，額定轉矩1.27NM即滿足要求。

4.2上俯仰軸

俯仰軸推桿力臂約為922mm，正向負載約為1200kg，力臂為4373mm，可得所需推力為：

根據選型，精密梯形絲桿直徑40mm，導程6mm，可計算所需驅動力矩為[4]：

其中螺旋導程角γ：

式中，P到絲桿導程6mm，d為絲桿直徑40mm。

當量摩擦角β：

式中，f為梯形絲桿副摩擦系數，取0.15;為螺紋半角，取30°。

代入公式得：驅動力矩T為25N·m。

所選齒輪箱減速比為1.2，俯仰減速機速比為35，傳動效率按0.8×0.8計。計算可得電機輸出轉矩需求為

因此，選擇松下MINAS A6系列0.4kW伺服電機，額定轉矩1.27NM即可滿足要求。

5 精度分析

5.1下方位轉臺精度

回轉支承在轉動過程中，由于加工裝配的不完善性，存在一定的軸向和徑向跳動。其中軸承的軸向跳動不會影響側角精度;而徑向跳動會使轉臺的回轉中心發生偏移，使安裝在軸上的編碼器造成一定的計量偏差。為了減小徑向跳動誤差，回轉支承高精度定制，偏心和徑向跳動約為0.05mm，可計算測角誤差為：

此外，編碼器自身和計算存在誤差，約0.005°;采用幾何計量的方法來標校轉臺的角度誤差，此處標校誤差約為0.002°。

方位軸在精確定位時，其定位精度受方位測角精度、驅動分辨率和末級齒隙誤差影響。方位測角精度計算約0.014°;方位傳動鏈減速比為1020，伺服電機編碼器為20位，因此整套驅動分辨率很高，取0.001°;高精度渦輪蝸桿副的齒隙誤差約為0.05°。

經計算，方位軸系可滿足測角精度±0.05°，定位精度±0.1°的要求。

5.2俯仰軸精度

由于俯仰軸采用推桿單邊頂升，梯形絲桿始終處于壓緊自鎖狀態，整個傳動鏈內的齒輪回差在偏載作用下已完全消除，因此該轉臺不存在齒隙等驅動回差，測量精度和定位精度均主要取決于編碼器測角精度。

同理分析可得，俯仰軸系采用滑動自潤滑軸套，轉動精度更高，有較小的軸向和徑向跳動。其中軸套徑向跳動會使轉臺的回轉中心發生偏移，使安裝在軸上的編碼器造成一定的計量偏差。軸套的徑向跳動約為0.005mm，轉軸直徑為30mm，故可計算得測角誤差：

編碼器自身和計算存在誤差，約0.005°;采用幾何計量的方法來標校轉臺的角度誤差，此處標校誤差約為0.002°。

俯仰軸系在精確定位時，其定位精度主要受俯仰測角精度、驅動分辨率影響。測角精度計算約0.02°;整個方位傳動鏈減速比折算為45000，因此整套驅動分辨率很高，定位精度主要受測角精度影響。經計算，俯仰軸系可滿足測角精度±0.05°，定位精度±0.08°的要求。

6 仿真分析

通過力學仿真分析，進一步考察二軸測試轉臺在工作載荷下機體剛度和強度能否滿足設計要求。根據轉臺結構特點，使用Altair Hyperworks 建立有限元分析模型。如圖4所示，在分析當中略去了非承力件，負載以質量單元進行代替。主承力筋板采用殼單元及實體單元模擬，銷軸等用梁單元和剛性單元模擬。

如圖5所示，在考慮轉臺自重及1000kg垂直負載工況的邊界條件下，轉臺主體最大變形約為0.45mm，位于工作臺的邊角處;應力值最大約為63MPa，分布在方位轉盤靠近梯形推桿側支臂處。母材采用Q355，屈服強度為355MPa，因此主體結構不會屈服，并有5.6倍安全系數，符合設計要求。

7 結論

本文介紹了一種用于雷達天線標定測量的高精度二軸測試轉臺，詳細介紹了轉臺的系統組成和工作原理，并對方位和俯仰軸系進行了傳動鏈功率校核及精度分析，最后對轉臺機體在工作載荷下的應力和應變進行有限元仿真分析。結果表明，二軸測試轉臺各項參數均滿足設計指標要求。該型高精度二軸測試轉臺指向定位精度高、整機結構緊湊、承載大，目前已廣泛使用在雷達天線的標定測量。

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] 龐振基，黃其圣. 精密機械設計[M]. 北京：機械工業出版社，2000：230-247

（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031;2.安徽博微聯控科技有限公司，安徽 合肥 230031）