智能扫描机械台结构设计

智能扫描机械台结构设计第1章绪论1.1课题背景远古时代，人类的祖先面对着充满神秘色彩的天空，编织出许多美丽、动人的神话、传说故事。这些故事经过无数代人的流传，便真有了冒险者，不惜生命代价尝试原始的飞行探险。 1903年12 月17日，莱特兄弟第一架动力飞机的试飞成功，使人类飞行的梦想变为现实。但是人类并没有为此而满足，他们将眼光瞄准了更遥远的宇宙空间。1926年 3月16日，美国人戈达德制成了世界首枚液体火箭。1957年苏联卫星首次进入太空。 1969 年 7 月 20 日，阿波罗11号飞船登月成功。1981 年 4 月 12 日，世界上第一架航天飞机哥伦比亚号发射。从此人类进入了宇宙探险时代。最早，飞行器上天之前要用许多实物进行实验研究，这样不仅造成许多财力、物力、和人力的浪费，而且有限的实验所获得的规律也不是十分的准确，其中存在很大的偶然性。随着人类航天活动的越来越频繁，对设备的可靠性及经济性的要求也越来越高。尤其是近几年来几次重大的航天飞行事故促使人们对以往的实验手段进行了深刻的反省，开始了仿真测试设备的研究，仿真转台就是在这样的背景下产生和发展起来的。二十世纪七十年代后，计算机尤其是数字计算机的发展为仿真技术提供了更高的技术基础。现在仿真转台已应用到航空、航天设备的研制和测试的各个环节。 1.2 智能扫描机械台结构设计的国内外发展状况 1.2.1 智能扫描机械台的发展状况美国是世界上最早研制和使用转台的国家，它的第一台转台于1945年诞生于麻省理工学院。从那时起直到现在，美国的转台研制和使用，无论在数量、种类，还是在精度和自动化程度上都居于世界领先水平，代表了当今世界转台的发展水平和方向。此外，英、法、德、俄等国也投入了大量的人力、财力进行仿真转台的研究。但是以美国最为典型，下面主要以美国的转台研究和发展为例进行介绍。回顾美国转台的发展过程，大体可以分为以下几个阶段：第一阶段的主要标志：用机械轴承支撑台轴，轴的驱动采用交流力矩电机。 1945年，美国麻省理工学院仪表实验室研制成功世界上第一台转台，开始了转台发展的第一个阶段。此转台后来命名为 A型台，台轴的支撑采用一般的滚珠轴承，轴的驱动直接用交流力矩电机完成。在 A型台的基础上，于1950和1953年又相继研制出了B型台和 C型台。第二阶段的主要标志：采用液体静压轴承支撑台体，用支流力矩电机驱动轴系。 1956年，美国开始研制液体静压轴承转台，并研制出了D型液体轴承台，他的摩擦力矩仅为C型转台的1/8，有利于提高精度。从五十年代开始，除了麻省理工学院，美国还有一些公司也开始研制转台。如Carco 公司于 1967 年生产了 T­025、026 和 081 型转台。Fecker 公司于 1964 年和 1965 年先后生产了352型、452型转台。 1968 年，E 型台的研制成功被认为是美国转台发展的第二个阶段。E 型台的主要材料是非磁性材料 356 号铝，采用轴向和径向带有压力补偿的液体轴承，并在耳轴上采用了空气轴承。第三阶段的主要标志：采用计算机控制和测试自动化技术。从1968年到1969年 Fecher公司生产了3768、3769型单轴转台及5768、5569型双轴转台，这期间一个引人注目的发展是这几类转台均采用数字计算机进行控制，其中5569型转台还可用数字计算机进行自动测试，可工作在伺服、同步速率、辅助速率、数字位置、自动转位及纸带定位等状态。 1969年之后，美国的转台设计和制造进入了系列化阶段，技术得到发展和完善，相应地转台也成为一种广泛使用的测试设备。从那时起至今，位于宾西法尼亚洲匹兹堡的CGC公司成为美国制造惯性导航测试设备和运动模拟系统的主要厂商，并一直代表着美国乃至世界惯性设备，尤其是转台的发展水平。 CGC公司于六十年代末至七十年代初研制了51系列转台，包括51A型、51C型、 51D型、和51G型等。这一系列转台的主要特点是：台体形式为双轴台，采用气浮轴承。从七十年代初开始，CGC着手研制53系列多轴转台。先后研制成功了53B、53D、 53E、53G、53W 等型转台。53 系列转台的主要特点是：台体形式均为多轴台，普遍采用气浮轴承，轴系回转精度和正交精度均达到角秒级；使用感应同步器作测角元件。 CGC 生产的 51 系列双轴台和 53 系列多轴台在控制上均采用了 MPACS30H 系列模块化精密角度控制系统，这一系统的应用是转台技术的重大发展。从此，转台进入了计算机控制和测试自动化阶段。 1984 年，CGC 公司提出了改进的三轴台（Improved Three Axis Test Table,简称 ITATT）的制造方案。在 CGC 的设计制造方案中，规定 ITTATT 是一台超精密三轴设备。ITATT 三轴测试转台可用于舰船导航和空间传感器的测试，还可用于战略系统的测试。ITATT转台在制造方案中采用了新材料和许多新技术。在台体材料与机械结构方面，采用了石墨复合材料——碳纤维增强塑料级球形结构改善了转台的对称性及偏转特性。在轴承方面采用有缘磁悬浮轴承。在电机方面使用多相感应式电机。用滚环代替滑环，降低了摩擦力矩，提高了高速平稳性和控制精度，同时提高了可靠性。在测角系统中，将感应同步器和绝对光学编码器结合使用。在控制方面，采用了数字状态反馈技术为误差补偿创造了条件。采用了这些新技术之后，高精度三轴转台ITATT的技术指标比以前的转台提高一个数量级以上。表1.1是几种型号的三轴转台与ITATT的技术指标：表1.1 几种型号的三T的技术指标比较轴转台与ITAT 型号三根轴的摆动 sec 轴的正交度 sec 轴的定位精度 sec 最大指向误差 sec 速率不平稳性 sec 内框轴中框轴外框轴内框轴/中框轴中框轴/外框轴内框轴中框轴外框轴 53W 0.25 0.35 0.35 2.1 0.9 0.46 0.74 1.3 5.8 150 53E 0.5 0.41 0.65 1.5 1.9 0.25 0.6 0.52 5.5 50 53E 0.15 0.46 0.7 1.4 0.95 0.77 0.75 0.77 4.3 50 52M 0.45 0.5 0.6 0.12 0.01 0.64 0.58 0.98 2.3 200 53G 0.33 0.25 0.47 0.4 0.4 0.84 0.64 0.98 2.7 30 ITATT 0.03 0.02 0.01 0.02 0.02 0.03 0.0. 0.03 0.11 2 1.2.2 国内智能扫描机械台的发展状况国内自六十年代中期开始转台的研制工作，其发展状况大致如下： 1966 年，707 所开始研制 DT­1 型单轴低速转台，1974 年进行全面的精度测定， 1975年通过鉴定。该台由机械台体和电子控制箱两部分组成，采用气浮轴承，交流力矩电机直接驱动，用感应同步器和旋转变压器组成测角系统。 1975 年，303 所研制成功了 SFT­1.1 型伺服台，首次应用光栅为精密测角元件。该伺服台与美国Fecker公司生产的200型转台一样，可提供三种工作状态。 1979 年，哈尔滨工业大学和原六机部 6354 所及 441 厂合作研制出我国第一台双轴伺服转台——TPCP­1型双轴气浮轴承台，又称7191双轴台。 1982年， 6354所研制成了7191­Ⅱ型双轴台，该台是在7191转台的基础上研制的，提高了可靠性。1983年，航天部一院13所研制了SSFT型双轴伺服台，该转台是我国最大的双轴伺服台。 1984 年，哈工大与 6354 所共同承担了计算机控制双轴转台，即 CCGT 双轴转台的研制任务，1988年研制成功。该台是我国第一台计算机控制的双轴台。 1985年，由哈工大研制的DPCT型单轴计算机控制转台是我国第一台计算机控制的转台。 1990年，中国航空精密机械研究所研制成功了SGT­1型三轴捷联惯导测试转台。这是我国第一台计算机控制的高精度三轴惯导测试台。在转台的开发和制造领域，中国和世界先进水平相比还有许多差距，例如，对于转台相关的技术缺乏深入系统的研究，导致了生产的转台可靠性差，也没有批量生产的能力；在一些领域存在空白等。 1.2.3 未来转台的发展趋势不断应用新技术来提高转台的测试精度，增强转台的稳定性及环境适应性是 [3] 未来转台发展的主要趋势。具体为： 1. 进一步提高技术指标； 2. 实现测试自动化； 3. 加强各种环境下的测试，控制环境对测试精度的影响，如温度、压力、地基等的影响。 4. 对测试的可靠性、稳定性提出进一步的要求。同时，由于转台的应用越来越广泛并逐渐向商品化发展，使得转台的研制在保证精度的前提下不断的应用新材料和新工艺以降低成本，这也成为未来转台发展的一大趋势。 1.3 立题的目的和意义本转台主要用于测试机载雷达跟踪目标的灵敏性,模拟雷达在跟踪动态目标时的现场实际运动情况。它在机载雷达的研制和实验室测试方面具有不可替代的作用。 1.4 本文主要工作本论文主要将完成对智能扫描机械台的总体设计,对智能扫描机械台机械结构的详细设计：对内中外三环的转矩的计算与三轴各轴电机的转矩校核，根据本次设计的相关技术要求对本转台的误差分析。第2章智能扫描机械台总体设计 2.1 转台技术要求转台总体设计是转台设计中的关键环节，它对转台所能达到的技术性能和经济性起着决定性的作用。本次设计所要达到的技术要求如下： 1．负载尺寸： 1000700F´ 2．负载重量：150kg 3．转角范围：内环±90°，中、外环±45° 4．最大角速度：内环300°/s、中环180°/s、外环160°/s 5．最小角速度：内环0.003°/s、中环0.003°/s、外环0.003°/s 6．最大角加速度：内环500°/s 2 、中环180°/s 2 、外环180°/s 2 7．三轴转角精度：0.003° 8．三轴相交度：0.5mm 9．视场角：±45° 10．双十频响指标：内环4Hz，中、外环 3Hz 2.2 总体设计流程根据机械设计总体设计的一般规律及智能扫描机械台的特点，智能扫描机械台总体设计流程如图2.1：图 2.1 转台总体设计流程图 2.3 转台类型的确定智能扫描机械台根据其方位轴系和滚动轴系所在位置的不同，分为立式和卧式两种类型。立式转台外环是方位轴系，内环是滚动轴系；卧式转台与立式转台相反，外环是滚动轴系，内环是方位轴系。根据本次转台设计的技术指标，内环转角范围为±90°，而中、外环转角范围为±45°，所以内环应为滚动轴系。因此我们选用立式转台。根据驱动装置的不同，转台又可分为液压驱动转台、电动转台和电液混合驱动转台。液压驱动自身存在线性度差、转角小、低速性能差、维护复杂等许多缺点。而本设计要求的转速范围为：内环0.003°/s～300°/s、中环0.003°/s～180°/s、外环0.003°/s～ 160°/s。显然，低速性能要求较高，液压驱动不能满足要求，所以我们选择电力驱动。综上，我们选用立式电动转台。 2.4 转台运动功能设计 2.4.1 工作原理智能扫描机械台的三个轴都由电机直接驱动，通过改变电机电流来改变各轴的转速，通过一个峰值电流来实现电机的最大加速度。各电机的启停及通过各电机的电流由接收到的外部信号控制，从而使转台上的负载能够跟踪信号的运动。 2.4.2 运动功能方案转台运动功能图如图 2.2 所示，内环、中环和外环均由电机驱动，外环实现方位运动、中环实现俯仰运动、内环实现滚转运动。图 2.2 转台运动功能图 2.5 转台总体布局设计根据技术指标，考虑到负载尺寸较大，为了尽可能降低转台惯量，提高转台的响应速度，我们将内环轴设计为中空，负载直接安装在内环轴的中空部位。在尽可能减小转台中环惯量的同时，为了保证中环刚度，我们将中环框架设计为与内环（滚动轴）同心的圆筒结构，这种结构具有结构刚度高、工艺性好等优点，且能实现尽量小的转动惯量。由于本转台整体结构较大，同时为了保证中环框架的正确安装，我们将外环框架设计为分体式薄壁箱结构，这一结构可以在达到最小质量的情况下