摘要：設(shè)計(jì)一款用于機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)的一維伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，其具有質(zhì)量輕、體積小、可靠性高、定位精度高的特點(diǎn)。介紹轉(zhuǎn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)，包含指標(biāo)要求、輕量化臺(tái)體布局和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、負(fù)載參數(shù)計(jì)算等；進(jìn)一步介紹轉(zhuǎn)臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)；基于確定的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真，包含極限載荷下的強(qiáng)度校核和模態(tài)分析。

關(guān)鍵詞：一維伺服轉(zhuǎn)臺(tái)；總體設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-5276（2024）06-0274-04

Abstract：Designs a one-dimensional servo turntable for detecting foreign objects on airport runway， which is light in weight， small in size and with high reliability and high positioning accuracy. The overall design of the turntable is introduced， including the index requirements， the layout of the turntable， the design of the driving Themechanism and the design of load parameter calculation etc. The design of key structure for the turntable is further introduced. The finite element simulation is carried out based on the confirmed turntable structure， which embodies the strength check and modal analysis under the ultimate load.

Keywords：one-dimensional servo turntable; overall design; structural design

0引言

近幾年我國FOD檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)相關(guān)研究發(fā)展迅速，成果也比較明顯，然而FOD檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)要真正在機(jī)場(chǎng)中發(fā)揮作用，必須依賴高性能的轉(zhuǎn)臺(tái)作為載體［1］。因轉(zhuǎn)臺(tái)可承載FOD檢測(cè)雷達(dá)天線在一定的角度范圍內(nèi)以某一角速度對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道等位置的FOD檢測(cè)，所以對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的位置精度和速度穩(wěn)定度有著比較高的要求。

針對(duì)FOD轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相關(guān)學(xué)者開展了一系列研究。羅晗［2］針對(duì)一款單軸轉(zhuǎn)臺(tái)，重點(diǎn)介紹了轉(zhuǎn)臺(tái)在-40℃～+70℃工作溫度范圍內(nèi)零件熱變形對(duì)裝配體的影響。孫久榮［3］設(shè)計(jì)一款電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、減速機(jī)輸出軸與轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面直接連接的FOD檢測(cè)雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)。劉雙富等［4］對(duì)機(jī)場(chǎng)異物探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部溫濕度控制進(jìn)行了研究。桑青華等［5］針對(duì)一種邊燈式FOD探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)，重點(diǎn)分析了其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

本文針對(duì)FOD轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)量輕、體積小、可靠性高、定位精度高的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)偏心距，提高定位精度和可靠性的一維伺服轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，其具備自身質(zhì)量輕、帶載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，開展了轉(zhuǎn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)等，基于Proe4.0建立了虛擬樣機(jī)模型，并通過Abaqus對(duì)模型進(jìn)行了有限元靜力學(xué)、模態(tài)分析，校核了轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的可靠性。

1轉(zhuǎn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1指標(biāo)要求

轉(zhuǎn)臺(tái)具有方位回轉(zhuǎn)功能，主要由轉(zhuǎn)盤、支撐軸承、步進(jìn)電機(jī)、行星減速機(jī)、齒輪傳動(dòng)副、角度傳感器、控制電路板等機(jī)構(gòu)組成。

1）工作模式

轉(zhuǎn)臺(tái)具備3種工作模式：扇掃工作模式、定位工作模式、開電自檢工作模式；轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)當(dāng)具備自檢功能。當(dāng)探測(cè)設(shè)備不能正常工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即以BIT信息或者聲音報(bào)警等方式上傳給上位機(jī)；若自檢一切正常后，通報(bào)上位機(jī)可以接收工作指令，隨即處于待機(jī)工作狀態(tài)。

2）轉(zhuǎn)角范圍

該轉(zhuǎn)臺(tái)要求采用齒輪傳動(dòng)形式，方位最大轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°～340°。

3）定位精度

各種工作模式下的重復(fù)定位精度不超過0.1°（單次最大偏差）。

4）承載能力

不小于8kg。

5）其余結(jié)構(gòu)要求

轉(zhuǎn)臺(tái)具備自鎖功能，不上電或者待機(jī)時(shí)，在134m/s飛機(jī)尾流下不允許轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服轉(zhuǎn)臺(tái)主要由方位回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伺服控制單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元等組成。上位機(jī)發(fā)命令給伺服控制單元，控制信號(hào)傳遞到伺服驅(qū)動(dòng)單元和用戶單元，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)方位回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位運(yùn)動(dòng)。通過高精度角度編碼器和控制邏輯實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)精密定位控制，工作原理如圖1所示。

如圖2所示，一維伺服轉(zhuǎn)臺(tái)主要由殼體、方位回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、基座和安裝板等組成。

方位回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)0°～340°方位旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)盤上設(shè)置xy（二維）水泡儀，安裝在基座上。轉(zhuǎn)臺(tái)初步安裝時(shí)，通過該位置水泡儀由人工快速進(jìn)行調(diào)平，調(diào)平結(jié)束后可將該水泡儀拆除。在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置零位標(biāo)識(shí)線。轉(zhuǎn)臺(tái)方位回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

如圖3所示，轉(zhuǎn)臺(tái)主要由方位回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，其中方位回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)盤、軸承、齒輪副、步進(jìn)電機(jī)、行星減速機(jī)、編碼器、驅(qū)動(dòng)控制元件（放置在轉(zhuǎn)盤上方，在剖面圖另一側(cè)）等組成；控制系統(tǒng)由控制器和驅(qū)動(dòng)器組成，安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部。電機(jī)與減速機(jī)組合將動(dòng)力傳輸于齒輪傳動(dòng)副方位軸，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)隨轉(zhuǎn)盤一起運(yùn)動(dòng)。

系統(tǒng)整體的DC24 V供電由外部提供。控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括接收上位機(jī)的控制指令、向上位機(jī)反饋當(dāng)前位置與狀態(tài)、給驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令、與相機(jī)通信。驅(qū)動(dòng)器用于控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和角度傳感器的信息采集，根據(jù)控制器的指令和角度傳感器反饋的角度信息實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)控制并將當(dāng)前的位置反饋給控制器。控制器通過電纜與上位機(jī)和相機(jī)進(jìn)行RS422串口通信和以太網(wǎng)通信，控制器與驅(qū)動(dòng)器通過電纜連接主要進(jìn)行CAN通信。其關(guān)系示意圖如圖4所示。

1.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

方位回轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、減速機(jī)、齒輪副、控制單元、編碼器組成，系統(tǒng)邏輯框圖如圖5所示。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可采用電機(jī)直驅(qū)和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)（電機(jī)加減速機(jī)）的方式實(shí)現(xiàn)。從電機(jī)控制角度考慮，電機(jī)直驅(qū)為較為理想的方式，因?yàn)殡姍C(jī)直驅(qū)的輸出軸精度高、無回程間隙、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)引入了中間環(huán)節(jié)，與直驅(qū)比較，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并且齒輪傳動(dòng)有傳動(dòng)回程間隙，精度比直驅(qū)低，但進(jìn)給驅(qū)動(dòng)由于增大了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，使電機(jī)本體的啟動(dòng)力矩減小，進(jìn)而減小了電機(jī)本體的體積。

通過比較分析，轉(zhuǎn)臺(tái)需采用電機(jī)加減速機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)，雖然減速器傳動(dòng)存在傳動(dòng)回程間隙，結(jié)合控制驅(qū)動(dòng)器傳動(dòng)精度要求，通過理論計(jì)算，傳動(dòng)回程誤差可以滿足控制器總體精度要求。

1.4方位回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)包絡(luò)尺寸為（275×330）mm，方位回轉(zhuǎn)角度為0°～340°。經(jīng)過初步建模和估算，暫時(shí)按下述參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

方位回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz=0.25kg·m2；

方位軸偏心Δz=37mm；

方位回轉(zhuǎn)負(fù)載為8kg；

方位回轉(zhuǎn)最大角加速度為100°/s2；

風(fēng)載荷：28m/s風(fēng)速下風(fēng)壓為490N/m2， 134m/s風(fēng)速下風(fēng)壓為11 223N/m2；

殼體最大迎風(fēng)面面積為79 750mm2。

1）慣性力矩

轉(zhuǎn)臺(tái)所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為0.25kg·m2，最大角加速度要求為100°/s2，則慣性力矩（單位：Nm）應(yīng)不小于

2）摩擦力矩

摩擦力矩（單位：N）主要包括軸承以及旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封引起的摩擦。其中軸承的摩擦包括軸向負(fù)載和傾覆力矩引起的摩擦力矩。

摩擦力矩T按28m/s風(fēng)速計(jì)算2.19；按134m/s風(fēng)速計(jì)算4.08。

3）風(fēng)引起的阻力矩

134m/s風(fēng)速引起的阻力矩（單位：Nm）為

經(jīng)過初步計(jì)算134m/s風(fēng)速下的轉(zhuǎn)矩為61.7Nm。

28m/s風(fēng)速引起的阻力矩為

4）總力矩

通過上述計(jì)算，可以得出：

總力矩28m/s風(fēng)速下為5.4Nm；134m/s風(fēng)速下為66.3Nm。

系統(tǒng)要求設(shè)備在28m/s風(fēng)速下能夠動(dòng)作，在134m/s風(fēng)速下不被破壞（盡量考慮較大風(fēng)速下可以工作），因而在設(shè)計(jì)時(shí)所有器件和結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度按照134m/s風(fēng)速下的最大力矩（66.3Nm）計(jì)算，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功率需要考慮短時(shí)內(nèi)承受134m/s風(fēng)速下最大力矩（66.3Nm）。

2關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

2.1轉(zhuǎn)盤、殼體

轉(zhuǎn)臺(tái)整體設(shè)計(jì)布局非常緊湊并盡可能輕量化設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面采用硬鋁合金7075加工而成，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下盡可能減小質(zhì)量，轉(zhuǎn)臺(tái)整體質(zhì)量約為6kg。

2.2偏心套

在安裝電機(jī)的殼體孔加工完成后，其相對(duì)位置就確定了，無法對(duì)齒輪側(cè)隙進(jìn)行調(diào)節(jié)。加入偏心套后，當(dāng)齒輪或殼體存在加工和裝配誤差時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套可調(diào)節(jié)兩齒輪之間的側(cè)隙，能消除齒厚偏差、中心距的偏差和公法線偏差［6］。偏心套的引入不僅降低了殼體孔系的位置精度、齒輪螺旋角精度的加工要求，還控制了回差，使得產(chǎn)品精度滿足要求。以下對(duì)偏心套結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。

偏心套結(jié)構(gòu)如圖6所示，其外徑為R，內(nèi)徑為r，偏心距為e，其厚度為m，則偏心套可調(diào)節(jié)齒隙p值為

式中m與殼體安裝孔的深度有關(guān)。

通過分析可知，影響齒側(cè)間隙的參數(shù)有：殼體上的一對(duì)齒輪安裝孔的間距實(shí)測(cè)值為a，小齒輪分度圓半徑實(shí)測(cè)值為r1，大齒輪分度圓半徑實(shí)測(cè)值為r2，則實(shí)測(cè)齒側(cè)間隙t值為t=a-r1-r2。

此時(shí)引入偏心套可調(diào)節(jié)齒隙p值，則

調(diào)整后的齒側(cè)間隙t′值為t′=a-r1-r2-p，即

因此，根據(jù)上述理論計(jì)算，在齒輪副、殼體安裝完成后，對(duì)其齒側(cè)間隙進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，若與設(shè)計(jì)要求齒隙0.026mm有出入，再對(duì)偏心套方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)齒側(cè)間隙。

3有限元仿真分析

3.1基于Abawus的有限元靜力分析

基于Proe建立的高精度、高映射三維幾何模型涉及很多模型細(xì)節(jié)特征，主要包括倒角、圓角、螺栓孔、斜邊、復(fù)雜齒輪外形等，而這些模型細(xì)節(jié)并不是本次分析所關(guān)注的重點(diǎn)，且如果加上這些細(xì)節(jié)分析會(huì)大大增加仿真計(jì)算量。因此，對(duì)一些零部件的幾何模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。將簡(jiǎn)化后的三維模型導(dǎo)出為step格式，導(dǎo)入Abawus中建立有限元靜力分析模型，對(duì)云臺(tái)結(jié)構(gòu)各個(gè)零件進(jìn)行材料賦值，對(duì)模型采用自由劃分技術(shù)劃分十結(jié)點(diǎn)二次四面體單元，控制全局網(wǎng)格尺寸大小為5mm。

在進(jìn)行受力分析時(shí)，對(duì)方位回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，整個(gè)機(jī)構(gòu)能夠承受負(fù)載8kg，作用力在回轉(zhuǎn)中心工況下不發(fā)生損壞。

轉(zhuǎn)臺(tái)在承受負(fù)載8kg，作用力在回轉(zhuǎn)中心工況下的應(yīng)力情況如圖7所示?？梢杂^察到，其整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力主要分布在0～6MPa范圍內(nèi)，最大值為5.8MPa，最大應(yīng)力集中在施加作用力的位置，其中轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)材料為7075鋁合金，其屈服強(qiáng)度為455MPa，取4倍安全系數(shù)，113.75MPa＞7.7MPa，故轉(zhuǎn)臺(tái)在該工況下滿足強(qiáng)度要求。

整個(gè)機(jī)構(gòu)能夠承受負(fù)載8kg、作用力在回轉(zhuǎn)中心工況下的變形分布情況如圖8所示?？梢杂^察到，其整體結(jié)構(gòu)的變形主要分布在0～0.001 8mm范圍內(nèi)，最大值為0.001 9mm，最大變形集中在施加作用力處，故轉(zhuǎn)臺(tái)在工作風(fēng)載下滿足剛度使用要求。

3.2基于Abawus的有限元模態(tài)分析

伺服轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)力學(xué)分析主要是模態(tài)分析，基于Abawus建立有限元模態(tài)分析模型。網(wǎng)格劃分、固定約束情況與靜力分析相同。經(jīng)過模態(tài)分析，得到了轉(zhuǎn)臺(tái)的6階模態(tài)云圖和對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率值分別如圖9所示和表1所示。

振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法明確了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法。

由模態(tài)分析可知，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)在前6階振型中的固有頻率范圍為602.7～3 532.2Hz，外部激勵(lì)頻率小于300Hz。因此轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求，可保證其在工作時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性。

4結(jié)語

1）本文設(shè)計(jì)了一種高負(fù)載自重比的一維伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，具備輕量化、帶載能力強(qiáng)、高集成化等特點(diǎn)。方位機(jī)構(gòu)采用回轉(zhuǎn)支撐的布局方式，增加了結(jié)構(gòu)的緊湊性。主體結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋁合金材料，結(jié)構(gòu)采用薄壁結(jié)構(gòu)加局部加筋設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。

2）綜合考慮風(fēng)載荷力矩、慣性力矩、偏心力矩、摩擦力矩等因素影響，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，為電機(jī)、減速機(jī)配比選型提供指導(dǎo)。

3） 基于Abawus，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力分析和模態(tài)分析，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足使用要求，不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

4）該轉(zhuǎn)臺(tái)在工程中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，使用激光跟蹤儀測(cè)出位置精度誤差最大為0.06°，優(yōu)于0.1°的技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 孫久榮，王大明，李寒. 基于STM32的FOD雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2015，43（12）：2288-2290.

［2］ 羅晗. 單軸FOD伺服轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械，2021，48（12）：36-42.

［3］ 孫久榮. FOD檢測(cè)雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］. 西安：西安工業(yè)大學(xué)，2016.

［4］ 劉雙富，余南陽. 機(jī)場(chǎng)跑道異物探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)探測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)溫度控制實(shí)驗(yàn)研究［J］. 制冷與空調(diào)（四川），2019，33（1）：98-102.

［5］ 桑青華，朱偉林. 一種邊燈式FOD探測(cè)設(shè)備伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 現(xiàn)代信息科技，2021，5（8）：42-44，47.

［6］ 解曉輝. NGW行星齒輪減速器回差分析［D］. 北京：機(jī)械科學(xué)研究院，2004.

收稿日期：20230308

第一作者簡(jiǎn)介：王麗男（1993—），女，江蘇南通人，工程師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械裝備，linanwang.anne@foxmail.com。

DOI：10.19344/j. cnki. issn1671-5276.2024.06.054