三轴雷达仿真转台设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 三轴雷达仿真转台是三轴转台的一种，本次设计的三轴雷达仿真转台主要用于某型机载雷达的测试。 转台性能的优劣直接关系到仿真和测试试验的可靠性，是保证某型机载雷达的精度和性能的基础。 本文针对三轴雷达仿真转台的机械结构设计进行了详细的讨论，并进行了理论论证及必要的计算，同时对本转台中使用到的测量元件及联轴器等其他原件的结构及原理作了简单的介绍 ，设计 中 采用铸 铝合金作为 台体 的材料，实现了低 转 速 、 高精度的要求 ，并且减轻了整体的重量， 使机构在满足：转角范围、速度范围、最大角加速度 等设计参数要求的 前提下，使结构设计尽量优化。 本设计紧紧围绕着设计任务书中的各项指标，从内环开始至外环一步一步地展开设计。 本文主要内容包括转台的总体结构论证、转台的详细结构设计、转台的误差分析等。结合转台设计的特点，本文重点讨论了转台机械结构的设计思想及设计过程。 关键词 ： 三轴仿真转台 ； 机载雷达 ； 测量元件 ；联轴器：内环：中环：外环。 档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is of in is to a of on of so of a of is on of of to it do At of in in in to by of of of of of of in ； 档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 摘 要 . 1 第 1 章 绪 论 . 5 课题背景 . 5 智能扫描机械台 的发展状况 . 5 国内 智能扫描机械台 的发展状况 . 7 未来转台的发展趋势 . 8 立题的目的和意义 . 8 文主要工作 . 8 第 2 章智能扫描机械台总体设计 . 9 总体设计流程 . 9 转台类型的确定 . 9 转台运动功能设计 . 10 工作原理 . 10 运动功能方案 . 10 转台总体布局设计 . 10 转台主要参数设 计 . 11 第 3 章 智能扫描机械台机械结构详细设计 . 12 转台内环结构设计 . 12 结构设计 . 12 转矩计算 . 13 向固定方式的选择 . 14 的最小直径的确定 . 15 承的选择 . 15 承的固定与密封 . 15 框轴与负载盘的联接方式 . 16 要零件刚度校核 . 17 电机转矩的校核 . 18 转台中环结构设计 . 19 结构设计 . 19 矩计算 . 20 电机转矩校核 . 21 转台外环结构设计 . 21 结构设计 . 21 转矩计算 . 21 电机转矩校核 . 23 机械转角限位装置设计 . 23 第 4 章 误差分析 . 26 档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 回转精度分析 . 26 滚动轴系回转精度 . 26 俯仰轴系回转精度 . 26 方位轴系回转精度 . 27 三轴相交度分析 . 27 滚动轴与俯仰轴的相交度 . 27 仰轴与方位轴的相交度 . 28 第 5 章 测量及其它元件简介 . 29 直流无刷电机 . 29 感应同步器 . 30 绝对式光电码盘 . 30 钢丝滚道轴承 . 31 胀紧式联轴器 . 32 结 论 . 33 参考文献 . 34 致 谢 . 33 档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 1 章 绪 论 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。 智能扫描机械台结构设计 的国内外发展状况 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。 档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 967 年生产了 026 和 081 型转台。 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 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 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。 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， 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。产的 51 系列双轴台和 53 系列多轴台在控制上均采用了 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， 司提出了改进的三轴台（ 称制造方案。在 设计制造方案中，规定 一台超精密三轴设备。 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。 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。 档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 技术指标比以前的转台提高一个数量级以上。表 几种型号的三轴转台与 技术指标： 表 种型号的三 T 的技术指标比较轴转台与 号 三根轴的摆动 轴的正交度 轴的定位精度 最大 指向 误差 速率不平稳性 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 50 53E 0 53E 0 52M 00 53G 0 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 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 伺服台，首次应用光栅为精密测角元件。该伺服台与美国 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 双轴气浮轴承台，又称 7191 双轴台。 1982 年， 6354 所研制成了 7191- 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 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 档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 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 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。 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。 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。 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。 档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 章智能扫描机械台总体设计 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： 1000 700 2负载重量： 1503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 s、中环 s、外环 s 6最大角加速度：内环 500/环 180/环 180/三轴转角精度： 8三轴相交度： 9视场角： 45 10双十频响指标：内环 4、外环 3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 转 台 技 术 参 数确 定 转 台 类 型转 台 运 动 功 能设 计转 台 总 体 布 局设 计转 台 主 要参 数 设 计图 台总体设计流程图 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，纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 s 300/s、中环 s 180/s、外环 s160/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。 转台运动功能设计 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。 运动功能方案 转台运动功能图如图 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 台运动功能图 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实现最大的结构刚度。综上所述，本转台的总体结构我们采用立式 构形式。其总体布局如图 示 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 能扫描机械台 总体布局图 转台主要参数设计 本转台负载安装于内环轴孔中，负载尺寸为 1000 700，所以内环轴径由负载尺寸决定也为 1000 。内环轴壁厚尺寸，考虑其刚度，结合经验暂定为 23于转台设计的特殊性，其它结构尺寸均与前一步结构设计的结果直接相关，所以暂无法确定。 本章小结 在本章设计中，根据此次设计的技术要求，完成了本设计的总体设计流程，确定了转台的类型 为 ；根据转台的运动原理，设计出它的运动功能方案 ，三轴均为直接驱动 ；根据技术指标，考虑转台的负载尺寸 ，确定负载过渡盘厚度为 23计转台的总体布局 为立式 。纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 3 章 智能扫描机械台 机械结构详细设计 详细设计主要完成 转台的内部机械结构设计，包括转台内环结构设计、中环结构设计、外环结构设计以及轴承、联轴器、电机和测量元件的选择。转台机械结构详细设计流程如图 示 已 知 参 数设 计 结 构（ 及 选 择 测 量 元 件 ）计 算 各 部 转 矩粗 选 电 机主 要 零 件 刚 度 校 核满 足 要 求 ？电 机 转 矩 校 核满 足 要 求 ？结 束台结构详细设计流程图 转台内环结构设计 内环结构设计是转台设计的第一步，因此也是设计的关键一步。内环结构设计所要解决的关键技术问题是：全中空轴系设计及负载的安装界面设计。 结构设计 内环轴系的结构设计如图 示，轴系转子为内环轴（内环框架），负载安装在内环轴的后 端，由于负载尺寸较大，在内环轴的后端增加一负载过渡盘，辅助支撑负载，内环波导座位于负载过渡盘的顶端。内环轴系的支撑采用钢丝滚道轴承，由于内环轴的轴向尺寸较大，为了保证轴的刚度，我们除了在轴的前端用一钢丝滚道轴承作为主支撑外，在轴的后端再增加一钢丝滚道轴承作为辅助支撑。内环驱动电机安装在轴系前端，电机转子用螺钉与内环轴相联，这种布置一方面可以扩大视场角，另一反面可以最大限度的起到静力矩平衡的作用。内环测角元件为感应同步器。 内环定子与中环框架作成一体。这样既可以使结构紧凑，又可以实现更高的系统刚度和精度。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 中环框架负载过渡盘滚动波导座滚动电机感应同步器辅助轴承主轴承滚动轴图 环轴系结构图 本转台各轴系均为局部转角，系统超限保护均为三级保护，其顺序为软件保护、光电开关保护和机械限位，其中机械限位均有橡胶缓冲装置。 转矩计算 理论力学定义 3刚体的转动惯量是刚体转动时惯性的度量，它等于刚体内各质点的质量与质点 到轴的垂直距离平方的距离之和，即 21nz i m r （ 由式 见，转动惯量的大小不仅与质量大小有关，而且与质量的分布情况有关。因此对于结构不规则的复杂零件，用式 算转动惯量就显得非常复杂。由理论力学知识我们可以得出转动惯量的又一计算公式 2 （ 式中z惯性半径（或回转半径）。 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 由式 见，只要我们知道零件的回转半径和质量就可以方便地计算出零件的转动惯量。在机械制图软件 “工具 ”菜单中有一 “查询 面域 /质量特性 ”命令，此命令可以直接生成三维零件的质量及回转半径。利用此命令我们就可以很方便地计算出零件的转动惯量。本次设计所有关于转动惯量的计算都是使用此方法来完成的。 零件转矩与转动惯量的关系见式 3.1 （ 式中 零件角加速度。 表 内环转动零件数据 名称 质量 （ 转动惯量 （ m） 负载 150 载过渡盘 动波导座 动轴 助轴承内环 应同步器转子 计 环轴系各零件质量及转动惯 量计算结果如表 示 转矩： 8 7 . 2 4 9 5 0 0 7 6 1 . 3 9 7180 N m 向固定方式的选择 1. 选择驱动系统的轴向固定方式时 ,要考虑作用在轴上的轴向力是怎样通过轴承传递到箱体或支座上去的 ,零部件轴向固定是否可靠 ,不能靠过渡配合来承受轴向力。 2. 当轴向力很小时 ,可采用挡圈、弹性挡圈、紧定螺钉、销等实现轴向固定。当轴向力较大时 ,应采用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端压板、圆锥面等进行轴向固定。 3. 为了防止轴承内座圈与轴发生相对轴向位移 ,内座圈与轴通常需要在两个方向上进行轴向固定。 4. 对于工作温度不高、两个支承之间的距离较小的轴来说 ,可以采用两端固定 ,使每一个支承都能限制轴的单向移动 ,两个支承合在一起就能限制轴的双向移动。对于工作温度较高、两个支承之间的距离较大的轴来说 ,应采用一端固定一端游动的方法 ,使一个支承限制轴的双向移动 ,另一个支承游动。 5. 对于能承受双向轴向载荷的轴承组合结构 ,安装时可以对轴承进行预紧 ,消除间隙 ,并使滚动体与内外座圈之间产生预变形 ,这样可以提高轴承的刚度和旋转精度 ,减小轴在工作时的振动。对于用来承受双向轴向载 荷的单个轴承 ,纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 预紧来消除。 小轴向尺寸、减轻重量 ,大、中型雷达的方位转台可以采用带内齿轮或外齿轮的特大型轴承 ,该轴承能承受径向力、双向轴向载荷和倾覆力矩 ,其内、外座圈与转台有关部分通常采用螺栓进行轴向固定。 的最小直径的确定 轴的最小直径的设计，由公式： 3 其中： d 为轴的最小直径； A 为由材料与受载情况决定的系数； P 为轴传递的功率（ n 为轴的转速 （ r/。 由表 A 的值取 80，带入式 d=988 表 常用几种材料的 A 值 轴的材料 20 35 45 160135 135118 118106 8572 承的选择 轴承分为滚动轴承和滑动轴承，它们都可以用于支撑轴及轴上零件，以保持轴的旋转精度，并减少转轴与支撑之间的摩擦和磨损。滑动轴承的摩擦损失较大，使用、润滑、维护也比较复杂；滚动轴承摩擦因数较低，启动力矩小、轴向尺寸小，特别是已经标准化，使得设计、使用、润 滑、维护都很方便。 滚动轴承的分类也很多，包括调心球轴承、调心滚子轴承、推力球轴承、圆锥滚子轴承、深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承等等。 由于内框轴在旋转时需同时承受轴向力与径向力，所以选择的轴承形式必须满足这两点要求，满足需求的轴承有：推力调心滚子轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承。 推力调心滚子轴承的轴向载荷有限制，不可选。在同样外形尺寸下，角接触球轴承，由于内框需同时承受轴向和径向载荷，所以选择安装角接触球轴承。、 承的固定与密封 轴承端盖既对轴承起到固定支撑作用，也对轴承 起到密封作用。本次设计中轴承尺寸如表 示 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 表 盖尺寸 号 尺寸关系 符号 尺寸关系 符号 尺寸关系 D（轴承外径） 130 +d =145 0+d =175 3d（螺钉直径） 12 0+70 e 4 n（螺钉数） 8（个） 17 2 轴承密封是为了阻止润滑剂外泄流失污染环境，并防止灰尘、水、腐蚀性气体等侵入轴承。一般可分两大类： 1. 接触式密封 1) 毡圈密封：轴承端 盖上开出梯形槽，将按标准制成环形的细毛毡放置于槽中，以与轴密合接触。 2) 唇形密封圈密封：密封圈由皮革或耐油橡胶等材料制成，具有唇形结构，将其装如轴承盖中，靠材料的弹力和环行螺旋弹簧的扣紧作用与轴紧密接触。 2. 非接触式密封 1) 间隙式密封：在轴表面与轴承端盖通孔壁之间形成有一定轴向宽度的环行间隙，依靠间隙流体阻力效应密封 . 2) 迷宫式密封：在旋转件与固定件之间构成曲折的间隙来实现密封。 由于内框无特殊要求，所以采用普通密封方式即可满足设计要求。本次设计采用毡圈油封，型号：毡圈 92010 内框轴与负载盘的联接方式 内框轴轴端与负载盘的联接可采用的方式有多种：如过盈配合、键连接、成型连接、弹性环联接、胀紧套连接等等，均可实现。 过盈配合连接是利用两个相配零件的装配过盈量实现的一种连接。零件的配合表面多为圆柱面。组成过盈联接后，由于组合处的弹性变形和装配过盈量，在包容件和被包容件的配合面间将产生很大的正压力。当连接承受外载荷时，配合表面考此正压力所产生的摩擦力或摩擦力矩来传递载荷。但拆开过盈配合联接需要很大的外力，往往会损坏连接零件的配合表面，甚至整个零件。 键联接包括平键联接、半圆键联接、楔键 联接、切向键联接。平键联接具有结构简单、对中性好、拆装方便等优点，但这种联接不能承受轴向力，起不到轴向固定作用。半圆键联接只用于静联接，主要用于载荷较小的联接及锥形轴端与轮毂的连接。楔键联接用于静联接，主要用于定心精度要求不高、载荷平稳和低速的场合。纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 联接承载能力大，适于传递较大的转矩，