天线座驱动系统扭转振动谐振频率的计算及仿真

1、天线座驱动系统扭转振动谐振频率的计算及仿真             天线座驱动系统扭转振动谐振频率的计算及仿真王力生 (中国电子科技集团公司 第39研究所陕西 西安710065)摘要：介绍了天线系统驱动机构扭转振动谐振频率的计算方法。当考虑驱动机构中齿隙、摩擦等非线性因素时，应用ADAMS动力学仿真软件对天线系统驱动机构的谐振频率进行仿真计算。关键词：伺服带宽; 驱动机构; 谐振频率;ADAMSComputation and Simulation on the Harmoni

2、c Frequency of the TorsionalVibration in the Drive of an Antenna Foundation SystemWANG Lisheng(The 39th Research Institute of CETC，Xian,710065,China)Abstract：This paper introduces the computation method on the harmonic frequency of the torsional vibration in the mechanism of an antenna sy stem Consi

3、dering the nonlinear factors in the drive mechanism such as gear clearance, friction etc,the dynamic emulation softwareCD2 ADAMS is used in the simulation and computation on the harmonic frequency in the drive of the antenn a systemKeywords：servo band width; drive mechanism; harmonic frequen cy; ADA

4、MS随着雷达及通信技术的发展，对于控制精度及系统动态特性的要求也越来越高，为保证伺服 系统的稳定性，并有足够的稳定裕度，通常要求天线结构系统的固有频率高于伺服带宽的35倍。天线结构系统一般包括天线、天线座、驱动系统及基础几个主要部分，是一个复杂的弹性系 统。对于一个设计合理的天线系统来说，天线、天线座及基础可以认为是刚体，主要的变形 发生在天线结构系统中的驱动系统，因此在一般情况下，主要研究驱动系统的弹性变形引起 的结构谐振。当天线结构系统加工、装配完后，如果结构系统的谐振频率达不到系统的要求，不重新 设计，很难将结构的谐振频率提高。因此在结构设计时就应对其频率进行计算、仿真，使结 构在设计时

5、保证系统的指标要求。 1驱动系统扭转振动谐振频率的计算在计算天线系统扭转振动固有频率时，由于天线座驱动系统一般是多级齿轮传动，通常在计 算时，将复杂的多轴系统简化为单轴的等效系统，如图1所示。 在做等效系统时，将低速轴上的转动惯量转换到高速轴上应除以减速比的平方，将低速轴的 刚度折算到高速轴上应除以减速比的平方。图1中：J1，J2，Jn为各质量对轴线的转动惯量；1，2，n为各质量在扭转时的转角；K1，K2，Kn-1为各轴段的刚度。当驱动系统作为线性系统时，根据等效多质量系统的受力情况可以列出各质量的运动微分方程。 式中i为各质量的振幅，带入运动方程后整理得： 上式为1，2，n的齐次线性方程组，

6、要有非零解其系数行列式必须等于零。 将行列式展开，可得到2的n次多项式，即频率方程。解此频率方程，可以得到方程的n个根，按照其大小的顺序依次排列为1，2，n，就是系统的n个固有频率。当系统的自由度较多时，需要展开高阶行列式，求解高次代数方程，这是非常困难的。在工 程上一般采用霍尔兹法列表计算。当考虑系统中的非线性因素时，只能用非线性微分方程描述系统的振动。这时，很难用通 用的方法求解，对大多数问题只能用近似方法求得近似解。采用MSCADAMS软件进行较为详 细分析仿真是一个有效的途径。 2天线座驱动系统谐振频率的仿真计算随着计算机软、硬件技术的发展，各种CAD，CAE软件得到了广泛的应用，现在

7、可以综合应用 多种软件对天线座驱动系统进行仿真计算。首先，应用三维设计软件（如pro/e）对驱动系统进行三维结构设计，得到各个轴段及载荷 的转动惯量。然后应用有限元软件（如ansys）求出各轴的刚度。最后应用MSCADAMS动力学仿真软件对驱动系统进行仿真计算。在应用ADAMS软件进行仿真时，为简化计算模型,只考虑轴的扭转刚度，结构的连接认为是刚性连接。仿真时可以将驱动系统的齿隙、转轴的摩擦等非线性因素考虑进去。其仿真的基本步骤为：(1) 建立驱动系统零件的三维模型（right body），输入相应的质量、惯量及重心；(2) 用所需刚度的扭转弹簧（torsion spring）连接相应的零件（

8、right body）；(3) 建立各零件的约束（joint）;(4) 使用扫频函数（sweep）给输入端施加扫频的正弦运动(motion)；(5) 对系统进行仿真计算；(6) 使用后处理器得到输出轴的位移响应；(7) 使用后处理器对输出轴的位移响应进行傅里叶变换（FFT），得到系统的谐振频率。下面对某机载卫星通信天线系统的俯仰驱动系统进行仿真计算。应用Pro/E软件对卫星通信天线系统进行三维结构设计，可以得出所需的俯仰负载的转动惯量、重量及重心的位置。这个天线系统的俯仰驱动系统为一级传动系统。当俯仰轴结构设计完成后，应用有限元分析软件ANSYS对俯仰轴及电机轴进行扭转刚度计算。俯仰轴的有限元

9、模型如图2所示。分别计算得出俯仰轴及电机轴的扭转刚度。俯仰传动系统的结构参数如下：结构参数确定后，应用ADAMS软件对传动系统进行动力学仿真。其ADAMS仿真模型如图3所示。在模型中有5个圆柱体，其中part.e为仿真俯仰转动负载；part.dcl为仿真俯仰大齿轮；part.xcl为仿真俯仰小齿轮；part.dj为驱动电机；part.temp为一个过渡零件。part.temp是一个质量及惯量极小的零件，在par.temp零件上有2个圆柱体，他们之间有一个大齿轮上的圆柱体，通过这3个圆柱体之间的位置来控制系统的传动回差。part.temp与part.dcl之间通过2个接触力contact_1与c

10、ontact_2emp之间通过扭簧torsion_spring_1连接，扭簧torsion_spring_1仿真俯仰轴的刚度。part.dcl与part.xcl之间通过齿轮约束gear_1连接，仿真齿轮传动。part.xcl与part.dj之间通过扭簧torsion_spring_2连接，扭簧torsion_spring_2仿真电机轴的扭转刚度。当不考虑回差、摩擦这些非线性因素仿真时，传动系统的系统是一个线性扭转振动系统。线性扭转振动系统的谐振频率与振幅、初始条件无关。这时，将仿真模型中的摩擦及接触力用deactivate屏蔽，将part.temp与part.dcl用fixed约束成一体。给驱

11、动电机motion加一个扫频函数sweep，描述电机的角位移运动关系。频率从050 Hz变 化。仿真计算后通过ADAMS后处理器，可以得出part.e的位移曲线，对该位移曲线进行傅里叶变换（FFT），可以得出系统的谐振频率。结果如图4所示。 由图中可以得出系统的谐振频率为34.76 Hz。当考虑系统齿隙、摩擦等非线性因素时，天线驱动系统的振动为非线性振动系统，其系统的扭转振动固有频率与振幅、相位及初始条件有关。通常天线系统的自跟踪精度是天线波束宽度的1/10，天线跟踪转动的最小范围一般在跟 踪精度的角度范围内。因此在仿真非线性系统时，将扫频函数sweep的位移幅值控制在此范围内。在仿真非线性系

12、统时，将模型中用deactivate命令屏蔽的摩擦力、接触力用activa te命令激活。将固定part.temp与part.dcl的约束fixed删除。仿真结果如图5所示。由图5可以看出，考虑非线性因素后结构的谐振频率曲线中有3个较为明显的谐振峰，其频率值分别为12.11 Hz，14.26 Hz及17.58 Hz。非线性系统的谐振频率与线性系统的谐振频率相比有较大幅度的下降。实际中对多套天线系统进行了谐振频率测试，其系统的谐振频率范围为12.415 Hz。由此可以看出，此仿真方法在一定程度上与实际一致。3结语本文探索了一种应用MSC.ADAMS软件对天线驱动系统的仿真计算，仿真结构的精确程度取决于仿真模型的建立。影响仿真结果的因素主要有系统的惯量、刚度及扫频函数的幅值。应用三维设计软件设计时，应尽可能地造型准确，这样，负载的转动惯量才可能准