單軸FOD伺服轉臺設計

羅晗

單軸FOD伺服轉臺設計

羅晗1,2

（1.成都川哈工機器人及智能裝備產業技術研究院有限公司，四川 成都 610042；2.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610036）

從FOD系統的總體需求出發，設計了一款質量輕、體積小、可靠性強且定位精度高的單軸FOD轉臺系統。根據轉臺總體設計指標，介紹了轉臺的工作原理，討論了轉臺的機械結構和控制系統的設計方法，分析了轉臺在-40℃～70℃工作溫度范圍內零件熱變形對裝配體的影響。通過SolidWorks構建轉臺的三維模型，并使用ANSYS對轉臺進行靜力學分析和模態分析，計算出轉臺的應變和應力分布圖以及轉臺前6階模態頻率。分析結果表明，轉臺在工作過程中不會發生共振，結構可靠，設計滿足指標要求。

FOD轉臺；系統設計；熱特性；模態分析

FOD（Foreign Object Debris，外來物碎片）通常指出現在機場工作區域，包括滑行道、跑道等，可能損傷飛機和傷害航空工作人員的外來物體，如螺釘、塑料布、金屬片等[1]。

據統計，每年FOD造成的全球民用航空直接損失和間接損失總和超過200億美元。其中，2000年法航協和號客機空難事件最為引人注意，戴高樂機場跑道上一條掉落的43 cm長金屬薄片扎破飛機輪胎，輪胎爆炸的碎片擊中油箱，致使飛機左翼起火并墜落，直接導致113人喪生。中國民航每年發生FOD損傷飛機事件超過5000起，約占航空事故總數的三分之一[2]。

目前西方發達國家已推出FOD自動探測系統的相關產品，并逐步應用到各大民用及軍用機場，但國內FOD探測系統還處于試點建設階段。具體情況如表1所示[3]。

表1 國內外主要FOD探測系統簡表

近年來，民用航空領域的快速發展極大地推進了FOD探測系統的深入研究。FOD探測系統主要包括雷達系統、光學系統、承載系統以及后臺數據處理系統幾個部分[4]。其中，用于承載光學系統和雷達部件的承載系統，其位置精度和速度穩定性誤差將會直接影響FOD光學系統的精確成像。

因此，一款能適應不同環境的精度高、響應快、可靠性高、推廣性強的承載轉臺具有非常重要的應用價值。

1 轉臺總體設計

1.1 設計指標要求

FOD探測系統以轉臺為支撐，根據探測異物的需要安裝于機上跑道的兩側，其探測功能能否充分發揮還依賴于轉臺本身的性能。系統對FOD轉臺主要性能指標要求如表2所示。

表2 轉臺主要性能指標

1.2 轉臺系統設計

轉臺系統主要由結構模塊、控制系統和滑環組件等組成，本質上是一個高精度閉環系統。該系統的工作原理如圖1所示。

本系統與上位機通過光電滑環連接，接受上位機供電，并通過光電滑環按通訊協議將上位機工作指令傳至轉臺控制系統?？刂葡到y中的處理器再將控制信號傳輸至電機驅動器中，控制電機驅動轉臺本體實現歸零、扇掃、駐留等功能，并根據通訊協議反饋狀態信息。

圖1 轉臺系統工作原理圖

轉臺系統采用步進電機加兩級減速的方式完成對方位轉臺本體的驅動，后端采用多圈絕對值編碼器進行位置反饋，構成位置閉環回路，保證了系統的定位精度要求。

1.3 轉臺總體機構方案

轉臺總體方案中除控制系統設計外，還有整體結構設計。為了滿足FOD探測系統的使用功能和技術指標，轉臺外部結構采用立式接口，軸線與轉動方向垂直，上端連接防護罩、光學及雷達設備，下端與安裝座和電源插接件連接，如圖2所示。當探測系統運行時，轉臺部分帶動光學及雷達設備轉動，其余部分與地面保持相對靜止。此種方式轉動慣量小、剛度好、結構簡單、便于安裝和拆卸。

轉臺本體結構除了考慮本身重量和負載承受能力，同時還需要為電機、編碼器、雷達系統和光學系統等部件提供安裝位置。

圖2 FOD探測系統示意圖

轉臺運行時需要進行360°旋轉工作，因此內部使用光電滑環傳遞方位信號和上電，在中心軸套內部設計滑環安裝孔位，通過此器件實現轉臺系統與上位機之間的信號傳遞。

根據“高精度、快響應、適用環境廣”的原則，在進行本體結構設計時應盡量保證質心與旋轉中心重合，減少旋轉過程中的偏心載荷，并降低轉動慣量。轉臺本體選用6061鋁合金材料，其加工性能和抗腐蝕性良好，并且韌性高、變形量小、重量輕，在保證轉臺結構強度的同時能有效減輕重量，從而提升轉臺響應速度[5]。

2 轉臺結構設計及軟件設計

2.1 轉臺主體零件結構設計

轉臺結構如圖3所示，主要包括上底座、下底座、傳動齒輪副、軸系零件等。外購件包括步進電機、行星減速機、滑環和編碼器等。

圖3 轉臺結構圖

上底座是轉臺主體零件，作為編碼器、電機以及軸系零件的安裝基體。下底座作為轉臺的下端支撐件，其內腔與內齒圈外徑采用過盈安裝，外部與安裝座連接。轉臺內部軸系使用一對軸承定位旋轉軸心，軸承內外圈分別與上底座和中心軸套過盈配合，并通過中心軸套端面軸肩壓緊下底座。然后將電機組件和編碼器組件與上底座安裝孔過盈配合，通過上底座的加工精度保證定位精度。轉臺使用步進電機驅動，且要求在低溫啟動時輸出速度較低，輸出力矩卻較大，因而不宜采用直接驅動的方式。在電機輸出端連接高精度行星減速機并配備小齒輪與內齒圈嚙合形成多級增扭結構。大直徑齒輪傳動在往復定位過程中存在回程誤差，影響定位精度[6]，因此為了提高轉臺的跟蹤精度，在回饋端的齒輪副中采用雙薄片錯齒消隙結構傳動誤差，并采用15 bit分辨率絕對值編碼器反饋角度信息。

2.2 電機選型計算

采用步進電機作為轉臺完成跟蹤和定位運動的動力源，一方面需要考慮光電設備的負載重量，另外還需考慮運動時的摩擦載荷和風阻載荷。但由于整個FOD系統尺寸較小，外部使用圓弧形防風罩，因此風阻載荷可忽略不計。

（1）慣性負載力矩

轉臺在運動過程中，本身質量以及負載會產生慣性載荷，則[2]：

M＝（1）

式中：M為慣性載荷力矩，N·m；為轉動慣量，kg·m2，最大為3；為角加速度，rad/s2，最大為5。

計算得：M＝15 N·m。

（2）摩擦負載力矩

在回轉運動中，轉臺運動部件會產生滾動摩擦，則[7]：

M＝（2）

式中：M為摩擦負載力矩，N·m；為滾動摩擦系數，＝0.4 mm；為負載質量，＝14 kg；為重力加速度，取9.8 m/s2。

計算得：M＝0.0548 N·m。

最終在進行步進電機選型時，需考慮慣性負載力矩和摩擦負載力矩的總和，并保留設計安全裕度，一般可取2倍，即：

＝2(M＋M) （3）

式中：為驅動力矩，N·m。

計算得：＝30.1096 N·m。

由于轉臺采用兩級減速，減速比＝80:1，因此電機力矩M＝/＝0.376372 N·m。通過調研最終選擇力矩0.4 N·m的42步進電機。

2.3 轉臺熱特性分析

FOD轉臺安裝在不同的戶外機場，地域不同、地理環境復雜、氣候多樣，不同緯度地域的極端環境溫差可達80℃～90℃。根據材料的物理特性，溫度變化會導致材料的體積發生變化。當零件不受邊界條件約束時，隨溫度變化產生的自由變形被稱作熱變形；當零件受邊界條件約束時，隨溫度變化不能自由變形而產生的內部應力，被稱作熱應力[8]。因此有必要對轉臺進行熱特性分析，了解材料、零件結構與變形量和熱應力之間的相關數據，保證轉臺在復合環境下工作的穩定性。因篇幅關系不具體闡述熱應力。

溫度與變形量的關系為[9]：

Δ＝Δ（4）

式中：Δ為變形量，m；為材料線性膨脹系數，1/℃；為物體在熱膨脹方向上的長度，m；Δ為溫度變化量，即物體的末時溫度與初始溫度之差，℃。

綜合環境和使用要求，本轉臺選用材料及其物理性質如表3所示。

表3 轉臺主要零件材料及其物理性質

一維轉臺根據裝配關系主要考慮徑向的熱變形過程，根據式（4）并結合產品的零件尺寸，在分析過程中以室溫+20℃為基準溫度，對承載系統各重要部件及整體在較高溫度+70℃和較低溫度-40℃的熱變形進行定量或定性分析。

根據式（4）以及表3計算出重要零件熱變形對配合的影響如表4所示。

（1）上底座與軸承外圈配合

軸承安裝在上底座軸承座孔內，在常溫20℃時為過盈裝配，過盈量為0.035 mm。根據計算，溫度在-40℃～70℃范圍內，軸承的熱變形量都小于上底座的熱變形，在高溫時上底座內孔變形量大于軸承外徑變形量，但處于過盈范圍內，所以整個溫度范圍內都是過盈狀態，避免軸承與上底座松脫失效。

（2）中心軸套與軸承內圈配合

中心軸套安裝在軸承內孔中，為減少設計時旋轉中心軸的定位誤差，在常溫20℃時兩個零件采用過盈配合，過盈量在0.004～0.01 mm。根據計算，溫度在-40℃～70℃范圍內，軸承的熱變形量都小于中心軸套外徑的熱變形，低溫時中心軸套變形量大于軸承內孔變形量，但變形量在過盈范圍內，所以整個溫度范圍都處于過盈狀態，避免軸承與中心軸套松脫。

（3）編碼器部件檢測齒輪副的變形量

現階段轉臺齒輪副采用標準7級精度直齒圓柱齒輪，設計齒頂隙為0.25 mm，齒輪副回轉時存在間隙，根據計算得到檢測齒輪副的側隙為0.094～0.312 mm，此處采用柔性消隙齒輪，可補償熱變形量和齒輪副側隙，確保檢測精度。

表4 變形對配合的影響

2.4 轉臺控制軟件設計

此轉臺的控制軟件主要是針對STM32處理器中的程序進行設計，是實現系統控制功能的核心。轉臺控制系統主要包括電機驅動模塊、通信模塊、位置標定、PID控制、溫度檢測模塊、傾角監測模塊、故障反饋模塊等。具體組成框架構思如圖4所示。

圖4 控制軟件構架圖

各主要模塊功能簡介如下：

（1）上電自檢模塊：轉臺上電后，根據程序設定進行自檢，旋轉一定角度后再回歸零位置，然后將自檢結果上報至上位機，等待上位機的工作指令；

（2）零位置標定模塊：轉臺采用絕對值編碼器，可以實現360°旋轉，在任意位置進行零位置標定，并設置為起始點；

（3）PID控制模塊：根據上位機指令，控制電機完成正反轉、啟停等動作，使轉臺完成扇掃、駐留、半圓掃、多點駐留等動作；

（4）通信模塊：接收上位機指令，并將轉臺實時位置信號、溫度以及傾角信號反饋至上位機；

（5）故障反饋模塊：當轉臺超載或編碼器故障時，反饋故障信號至上位機。

3 轉臺仿真分析

單軸轉臺的外形結構相對簡單，但內部結構復雜。因此在靜力學仿真分析時需要對其結構進行簡化[10]。在不影響狀態結構力學特性和仿真分析結果的前提下，對轉臺零件的螺紋孔、倒角進行去除，提高運算速度；對軸承等部件在不影響仿真準確性的前提下進行簡化處理。

3.1 轉臺結構靜力學分析

將需要分析的轉臺模型，經過簡化處理后導入ANSYS進行靜力學分析。轉臺經過簡化后再進行網格劃分的模型如圖5所示。

轉臺網格劃分正確，節點總數2996361，單元總數1689049。再根據實際工況設定轉臺靜態受力的邊界約束條件，對轉臺上部邊緣添加140 N的力，對轉臺下底座施加方向約束。計算得到應變、應力結果如圖6、圖7所示。

圖5 轉臺網格化后示意圖

圖6 轉臺應變圖

圖7 轉臺應力圖

由計算結果可看出，轉臺在負載140 N的情況下，其主要承載部件變形量為0.007 mm，與直徑45 mm的中心軸的比值為0.007/45＝1.6×10-4，變形完全可忽略，結構滿足剛度要求；轉臺主體部件采用6061鋁料加工成型，其許用應力為5.5×107Pa，計算分析轉臺最大應力為1.279×107Pa，兩者比值為4.3，即安全系數大于2，則轉臺設計滿足強度要求。

3.2 轉臺模態分析

模態分析是一種研究結構動力學特性的方法，主要研究機構在無阻尼條件下自身的固有振動特性[11]。為排除轉臺本身的振動頻率與外界的輸入頻率產生共振造成產品損壞，對轉臺結構進行模態分析[12]。前6階固有頻率振型如圖8所示，整理振型圖得到轉臺固有頻率如表5所示。

表5 轉臺固有頻率表

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717.52～1562 Hz，外部激勵頻率小于300 Hz，因此轉臺設計滿足指標要求，保證了其在工作時的可靠性和穩定性。

4 結束語

FOD轉臺是集機械結構、伺服控制系統和光電傳輸等模塊于一身的復雜系統。傳動齒輪副中采用消隙結構，并在信號檢測反饋端連接高精度編碼器，具有原理簡單、裝配方便、性能可靠的特點。伺服系統以STM32處理器為控制核心，通過上位機指令實現對單軸轉臺的運動控制、串口通信以及狀態監測等功能。在綜合機械結構和控制系統的基礎上，通過內部調試和外場試用驗證了轉臺設計方案的可靠性和可實施性。

本文主要進行了以下工作：

（1）闡述了轉臺的工作原理、總體方案和局部結構的設計選型情況；

（2）通過對轉臺靜力學仿真，計算出其主要承載部件在負載條件下的變形和應力分布；

（3）通過對轉臺的模態分析，計算出前6階振型的固有頻率，通過對比外部激勵頻率，驗證其工作的可靠性和穩定性。

通過分析研究，后期轉臺系統可進一步在輕質化、溫度適應性和高精度等方面進行優化。

圖8 轉臺前6階模態分析振型圖

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Design of Uni-Axial FOD Servo Turntable

LUO Han1,2

( 1.Chengdu CHG Robots &Intelligent Equipment Institute,Chengdu 610042, China;2.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610036, China)

A light-weight and miniature uni-axial FOD turntable system with high stability and locative accuracy is designed based on the overall requirements of FOD system. Upon the design indicators, we elaborate the functional theory, mechanical structure and control system design method of the turntable and analyze the impact of the components thermal deformation on assembly in the operating temperature range between -40℃and 70℃. We adopt SolidWorks to form the turntable’s 3D model and use ANSYS software to make the statics and modal analysis. The strain and stress pattern and the first six-rank modal frequency of the turntable is calculated. The result indicates that resonance does not occur during the operation. Therefore, the structure is reliable and the design meets the indication requirements.

FOD turntable；system design；thermal property；modal analysis

TN820.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.12.005

1006-0316 (2021) 12-0036-07

2021-04-26

四川省科技創新人才項目（2020JDRC0149）

羅晗（1989－），男，四川南充人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為智能裝備設計，E-mail：396722074@qq.com。