转台结构设计

转台结构设计（精选11篇）

转台结构设计 篇1

1 转台概述

1.1 轮式起重机金属结构转台之作用

轮式起重机金属结构主要由三部分构成:吊臂、转台、车架 (或底架) 。

起重机转台是用于安装吊臂、起升机构、变幅机构、旋转机构、配重、发动机和司机室的机架结构。它通过旋转支撑装置装在起重机的车架上。为了保证起重机的正常作业, 转台应具有足够的强度和刚度。

1.2 转台的结构形式

轮式起重机转台通常采用焊接结构。目前转台的主要结构形式有二种:a.平面框架式;b.板式结构。

平面框架式转台由两根以转台纵向轴成对称布置的纵梁和若干联系横梁构成。纵梁是转台的主要受力构件, 起重机上车的主要受力部件应直接支撑在纵梁上。或通过相应的横梁将力传递到纵梁上去, 如图1所示。

1.横梁, 2.纵梁, 3.回转支承.

板式结构转台是根据转台上的机构和设备布置要求, 由钢板焊成的承弯构件。高强度的板式结构转台常用于大吨位的轮式起重机中。

20T轮式起重机属中小吨位起重机, 考虑到铁路应用的特点, 材料用量最少 (结构最轻) 并不就等于最经济或最优, 再加上配重的设置, 客观上不要求在转台上最省料, 因此, 在考虑20T轮式起重机转台方案设计时, 仍采用板式结构转台, 如图2所示。

20T起重机转台平面为长×宽=4 800mm×3 100mm。采用厚30mm的16Mn低合金结构钢板制成, 下平面焊有回转支承垫板, 上平面布置有前后铰点座、卷扬支承安装架等主要受力结构及其它机构、设备等。

1.3 转台的材料

除前铰点座外, 转台其余主要受力结构均采用16Mn低合金结构钢板, 屈服极限为:σs=315N/mm2。前铰点座材料为ZG230-450。

与碳素钢相比, 低合金结构钢具有更高的屈服极限与抗拉强度, 更好的低温冷脆性和耐磨性, 可用于-40℃以下寒冷地区的各种钢结构件。另还有较好的可焊性, 但应力集中系数较高。如果结构的强度由最大载荷控制, 不决定于受变载荷作用的疲劳寿命, 在这种情况下采用16Mn低合金结构钢效果最好。16Mn低合金结构钢通常应用于起重机的臂架、转台等及承受动载荷的焊接结构。

2 转台的受力分析与计算

2.1 板式结构转台的结构简化及受力分析

转台可用结构力学方法进行分析, 可近似地简化为简支外伸梁进行计算。采用油缸变幅的转台受力简图, 如图3所示。

当起重机起吊载荷Q时, 作用于转台上的载荷有:

(1) 由吊臂根部铰支座传来的拉力P;

(2) 由变幅油缸传来的压力N;

(3) 起升绳拉力S起;

(4) 转台及上车机构重力G1和配重G2。

转台以两支点支承于起重机的底架上。

2.2 板式结构转台的主要受力计算

设计计算时, 以吊臂位于最小幅度, 起吊额定起重量作为计算工况来确定转台上的作用载荷, 选择转台截面尺寸。

转台的刚度对于保证起重机的正常工作具有重要意义, 设计时应充分考虑。转台变形过大, 对起重机的安全及可靠性指标均不利。

已知计算工况为:360°全回转, 20t×6m, 使用支腿6m×6m, 基本臂长L =9.9m (参考20T有关技术资料) , 设吊臂仰角 (计算工况) 为u, 根据图1所示关系则有:

Lcosu-1=6 代入L

解得:u=45°

设Q为超额定起重量, 是额定值的1.25倍

则 Q=20t×1.25=25 t

(1) 变幅油缸传来的压力N

根据起重臂受力分析, 可列出平衡方程式并解出:

N=[ (Q+G0/2) Lcosu+ (W1+W2) H1-S起×r]/H

其中:G0为吊臂重量, 按6t计算; (W1+W2) H1为风载力矩, 此处不予考虑;S起×r为卷扬钢丝绳产生的力矩, S起=Q/6, r=920mm;H为吊臂后铰点到变幅缸轴心线的垂直距离, H=2260mm。

将以上数据代入式中解得:N=[ (25+6/2) ×7-25/6×0.92]/2.26=85t

将N分解为水平及垂直两个方向的分力:

Ny= Nsinα=85sin75=82t

Nx= Ncosα=85cos75=22t

其中:α为变幅缸轴仰角

(2) 吊臂根部铰支座传来的拉力P

由平衡方程式还可解出:

Py=Q+G0-Nsinα+ S起sinβ

Px= W1+W2-Ncosα- S起cosβ

其中:β为起升绳仰角, β=50°

将相应参数代入式中解得:

undefined

转台所受的各种力及力矩均已在图3中示意出, 并对主要受力作出计算, 其余力及力矩的计算此处不再赘述。

2.3 转台弯矩图分析

根据图3, 可以作出转台的弯矩图, 如图4所示。

从图中, 可以看出20T轮式起重机转台承受最大弯矩处, 为转台平面后铰点处, 最大弯矩是21t.m。前铰点由于结构所限, 也是容易产生应力大的地方。因此应对前后铰点处进行强度校核。

3 转台的强度校核

3.1 后铰点处转台强度校核

抗弯模量W:

W后=∑bh2/6=3100×302/6+30×7002/6×2=5365000mm3

弯曲正应力σs后:

σs后=MP/ W后=21×1000×1000×9.8/5365000=38.4N/mm2

σs后<σs=315N/mm2

∴ 强度校核通过计算

3.2 前铰点处转台强度校核抗弯模量W

此处只考虑转台平面截面抗弯模量 (未计算前铰点座) 。

W前=bh2/6=3100×302/6=465000mm3

弯曲正应力σs前:

σs前=MN/ W前=4.69×1000×1000×9.8/465000=98.8N/mm2

σs前<σs=315N/mm2

强度校核通过计算

计算表明, 前后铰点处转台强度足以满足20T起重机转台的要求。

前后铰点之间的地方, 由于均在回转支承范围之内, 通过高强度螺栓与回转支承连接成一体。故强度远远好于前后铰点处, 因此未作强度校核, 此处只给予说明。

4 结论

通过实际检验, 用上述分析计算所得结果校验转台强度完全满足20T轮式起重机的要求。

参考文献

[1]张质文.起重机设计手册[M].北京:中国铁道出版社, 2001, 7.

[2]陈心爽.材料力学[M].上海:同济大学出版社, 1996, 3.

转台结构设计 篇2

关于中国自动控制领域发展的研究

程代展 中国科学研究院数学与系统科学研究院系统与控制重点实验室

自动控制就是将控制技术与其他信息技术融合起来，自主控制工业过程，减少人为干预。自动化在社会，经济以及我们的日常生活中发挥着很重要的作用。控制论也就是自动化理论，是工程与数学交叉的一个学科分支，旨在监测动态系统的运行。在工业制造自动化及其设备方面，中国有着悠久的历史。近些年，中国在自动控制理论方面取得了长足进步，提出了许多新理论和新工程技术，满足了工业，农业，国防以及社会的其他方面的需求。现代科学例如复杂性，系统多样性，量子技术等，均发现其与控制学科的紧密联系。另一方面，控制论本身还有许多尚未解决的需要更加深入研究的基础性问题。本文旨在回顾中国在这些方面所取得发展和进步以及展望其未来的发展方向。

关键字：控制理论，高科技方向，当代科学，基础性问题 1 对中国的控制论的简要概述

自动化技术是社会生产力的一个关键因素。自动控制技术在工业，国防以及能源供应，通信，交通运输，工业制造，航空航天，导弹以及火箭导航等方面的发展上扮演着不可或缺的角色。一个国家的自动化程度体现着该国工业和国防的发展水平。

自动控制系统可以简述为一种含有某些可以辨识其行为元件的设备。由于执行机构能够自主的进行控制行为，设备和进程也被称为是自动化的。一个典型的案例是18世纪80年代由瓦特发明的浮力球控制器，通过检测水龙头的流量来调节进水阀的开关量。

在5000多年的文明史上，作为四大文明古国之一，中国拥有不计其数的发明创造，当然其中包含了大量的自动化器件和设备。其中，有用来检测地震的地动仪（公元前139年─公元前78年），能够自动识别南方的指南针（公元250年─公元330年），还有用于金属冶炼的鼓风机（公元前57年─

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公元前25年），宋朝宋应星编写的《天工开物》（主要介绍自然科学）包含了许多的工程设备。

尽管Maxwell关于调速器的论著要早许多，但是Wiener的著作《控制学》被认为是控制学的开端。Pontryagin的《最大值原理》，Bellman的《动态编程》以及Kalman的《控制系统的滤波器和静态空间》被认为是现代控制理论的三大里程碑。Dr.Tsien于1954年编写的《工程控制学》中国学者对于现代控制论发展的一大贡献。自那以后，中国的研究人员和工程师们在控制论的发展和应用方面做了许许多多的工作。

在现代中国，尤其是1979年以来，30年的改革开放使得中国发生了翻天覆地的巨变。中国的GDP在以大约10个百分点的速度增长。如今，已是世界 中北大学2012届本科毕业设计说明书

研究的主体方向已经渐渐发生了改变。越来越多的注意力被聚焦在了高科技主导的控制论问题上。与纯粹的数学运算相异的是，控制论根源于工程应用领域，旨在研究解决实际的应用问题。如果没有工程应用的背景和目的，那么控制论也将失去其存在的意义和价值！与此同时，在许多高新技术领域，也出现了许多亟待解决的控制问题，这就向系统和控制领域的科学研究人员提出了新的挑战。

作为一门学科，概念越是宽泛，那么人们对其所获成果的期望值也就越低！将普通的控制论应用于具有特殊性的高科技上，可能会产生更多型的问题和结果。作者已经在相关的文献里阐释了他的观点，本文中，我们会给出更多的高科技所要求的细节，也许这正是针对控制论及其应用所主要研究的课题。

2.1网络交互式控制系统

当今社会，网络已经成为我们日常生活的一个重要方面，也是先进技术发展的一个重要部分。得益于互联网，我们可以方便快捷的进行信息交互。网络传感器亦或是拥有一定计算存储能力的执行机构节点，都可以远程控制复杂的动态系统。与网络交互系统紧密相关的是两大基本控制问题，网络的控制和网络交互系统的控制。

网络互连有其特殊的问题，比如网络拥堵，数据包丢失以及用于确定某些信息的数据延迟。为了确保大型网络的工作效率，像互联网，对其进行故障监测是个不小的挑战。一个网络交互控制系统是由一系列的动态单元构成的。这些单元通过一个重要的交互网络进行信息交换，以此达到操作和行为的协调性。网络交互式控制系统的研究集中在以下几个方面：1.系统模型的建立：既然一个交互式控制系统是由传感器，执行元件和控制器构成的，那么我们就有必要建立一个何时的模型来研究实际系统的动态性能和可控性。2.控制器的分析和设计：正是由于交互式控制系统有着自身独特的特点如交互性，迟后性以及随意性，所以设计此类型的控制系统时，在考虑如上特点时，就有必要建立新的分析模型和新的控制方案。3.监测失误：在针对系统失误的监测中，特有的注意力需要针对网络交互式控制系统的独有特性。4.实验和仿真研究：与机械系统不同的是，这种动态的网络交互式系统几乎不

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能被种种方程来描述。因而实验和仿真研究，作为解决交互式控制系统一些问题的高效工具应运而生。标准检查程序问题和软件工具是为了学习和控制此类系统的设计而发展来的。

虽然目前许多工业上的交互式控制系统已经研究了很长时间，如动力系统，交通运输系统，信息通信系统。但是也仅仅是上世纪末，人们才开始从交互式控制系统的观点出发来进行研究。在不久的将来，这种新的观点有望带来突破性的进展。

交互式控制系统是一个相互交叉的学科分类，是一个极具挑战并且前途光明的研究领域！2.2 智能机器人

在20世纪70年代至20世纪80年代间，随着计算机控制机器人的出现，机器人领域成为了计算机科学和机械工程研究的热土，这是因为这些研究正好模拟了相关控制技术的研究成果。自那以后，机器人控制技术成为了控制论中较为活跃的分支。

在过去的大约20年中，中国在机器人技术研究和产品的研制上有了客观的成果。中国生产了一些列的工业机器人，然而，中国对于印刷机器人，焊接机器人，汽车生产线上的装配机器人，无人机，水下机器人以及各式各样的机器人的需求量是非常庞大的，中国的机器人制造远未满足该需求。

这个领域的一些课题包括机器人的状态预估，监测控制以及在复杂环境下利用智能控制技术对智能机器人进行控制等等。在机器人领域的未来发展中，挑战将永远存在，略举数例，比如：自主型的人机交互技术，采用高数据流传感器的控制技术，服务和医疗机器人。2.3 导弹、飞机和火箭的引导制导

在空天领域，控制论曾一度成为它们的生存技术。严格来讲，现代控制理论最成功的工程应用就是人造卫星的控制。

中国的空间计划早在中华人民共和国成立之初就已经发起了。中国的 中北大学2012届本科毕业设计说明书

位航天员送入太空。中国成为世界上继苏联，美国之后 中北大学2012届本科毕业设计说明书

制成为了一种可实践的有用工具。一种新的模糊控制推论已被提出来了。

要想解决系统中的不确定性和不可动态建模问题，抗敏感扰动控制技术被提出，主要针对在不确定性方面的预估和补偿，这种新技术在工业应用上取得了一些成效。

在将高科技应用到现代工业的同时，现代工业对我们提出了更快、更精准的控制要求。现代控制论中得出的越来越多的结论正在或即将被应用到工业中。当代科学推动控制论前进

当代科学中出现了许多富有挑战性的系统和控制问题，这就为控制理论和控制技术的发展提供了新的广阔空间。3.1多重代理系统

在上世纪末，复杂性和复杂系统的出现吸引了来自生物学家，医学家，计算机科学家和系统学家的眼球。据说复杂的科学才是21世纪的科学。

多重代理系统的同步性自然是由生物学家发现的，然后再由系统学家用简单的规则进行了建模仿真的研究。最近，系统学家开始揭示其内在的数学逻辑，并且通过设计集散控制来获取多重代理系统的同步性。

对多重代理系统的共识使得对这个系统研究的很广泛。不同的研究方法如李亚普诺夫方程，广义拉萨尔不变性原理都被用来证明：在合适的集散控制下，利用本系统信息，在多重代理系统的共识下，我们应当注意的是，最先得出的结论并没有要求任何优先连接权给著名的Vicsek 模型,而是被研究人员唐和郭在随机框架中得出来的。3.2转换系统

转换系统也许被认为是含有多重标准和多重模型的最简的交互系统。他们拥有复杂系统的典型性质如非线性，因此研究转换系统也成为一个控制系统的热门课题。

稳定性和稳定状态是研究转换系统的基本问题。在此过程中，李亚普诺夫二次普通方程有着重要作用。李亚普诺夫方程的存在是被证实了的。并且一些必要充分条件被获得。人们对转换系统的可控性进行了研究，一些充分或必要和充分必要条件被获得。

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转换系统还是研究多重代理系统的基础。正因为如此，在多重代理系统共识的研究中，得到了一些转换系统的新特性。3.3系统生物学

系统生物学旨在理解系统生物的动态性。它致力于在系统层面分析系统生物。事实上，Norbert Wiener，现代控制论之父，是 中北大学2012届本科毕业设计说明书

过量子闭环系统的测量元件取得的。然而，不同级别的机械系统对扰动的敏感度不同。从现代控制论的观点出发，反馈就是要将扰动和不确定性降低。因此，在取得由测量元件和对扰动敏感的机械设备后的数据时，就需要进行权衡了。

为了阐述量子控制的必要性，席和金在考虑了量子交互系统换相扰动后，将量子闭环系统与经典闭环系统作比较，错误的修正率差别很大。

消相干是量子信息和量子通信要解决的关键问题，它是量子控制的瓶颈，也是量子计算机发展中的关键。这不可避免的要受到有关系统和环境之间的相互作用。净化是一个传统的方法，即在获得最高的量子纠缠态的同时抵御噪音破坏系统的能力。不幸的是，在持续的噪音下用净化的方法打开量子系统是不实用的。席的团队分析了量子系统的纠缠动力学，获得了一些关于纠缠动力学突然崩溃的性质，特别是和环境温度的关系。

为了使基于量子技术的可能稳态系统成为现实，需要建立更多的先进技术和理论。例如，利用反馈实时控制单个量子系统的可行性。4 控制论中的基本问题

在控制论系统中，依然有许多既基础而又富有挑战性的问题有待解决。这些问题的解决对于控制论的发展无疑是重要的。因此，系统与控制论的研究人员需要在这些方面多加关注。4.1自动控制系统的性能和复杂性

反馈性能是控制论里最基本的问题之一。Wiener提出了两个基本的概念，信息和反馈。目前，反馈被认为是控制论的核心。熟识反馈性能对于控制器的设计时大有裨益的。不仅如此，而且有助于理解控制系统的内在本质。郭和他的研究团队就反馈性能这个问题钻研了好多年，他们通过提出不确定性系统的边界，在这个问题的研究上获得了量子上的结论，成为了该领域的先驱。他们也提出了一些不稳定学说，包括非线性系统的决定性参数顺序和临界价值半径。这些结论激发了对于更宽泛控制系统的性能研究。

许多非线性机械系统有其确定的复杂特性：动态性能的多重平衡，循环和轮流解决顺序。黄河他的合作者研究了此类动态性能的可控性，稳定性以及协调控制，并获得了许多成果。

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研究混沌系统的复杂特性，也是一个很有意义的课题。这一课题或许可以在交流通信领域获得潜在的应用。在中国，混沌系统的研究很是活跃。大量的控制性能被研究得出，得出的关于混沌系统的多重诱导因子是一个很有意义的结论，也获得了业界的认可。4.2 复杂系统的鉴别

系统鉴别是现代控制论的一个经典问题，这是由于大部分的现代控制理论都依赖系统的动态模型。因此，为了鉴别不同的复杂系统，我们需要发展新的鉴别技术。

陈和他的研究团队在复杂系统识别这个领域研究了数年，他们的很多研究成果被用在了新的挑战上。对于Wiener模型 和汉密尔顿系统而言，人们提出了新的递归算法和集合算法。更为突出的是，有人在可靠的证据下得出了多输入多输出通道下非线性由暗变明的适应性算法。

一个复杂系统的模型可能不止一个。因此，这一系列模型的数据搜集和识别成为了新一类型的建模和识别问题。这一类型的问题，不论是学术研究还是复杂过程系统的应用都是一个不小的难题。4.3 非线性亦或参数分布系统

将非线性系统线性化是研究非线性系统一种很有效的方法。就线性化而言，非常规状态反馈要比常规状态反馈强大得多。目前，一个很严峻的问题是，为非常规反馈的线性化找到一种充分必要条件或者是找到一种有用的饱和状态。最近的一项研究表明，利用矩阵的半张量结果，再提供数学状态和算法，可以部分解决这个问题。

非线性系统的全面可控性研究成为了非线性控制系统的另一大难题。非最小相位非线性控制系统的稳定性是有名的控制难题。有人提出了李亚普诺夫齐次方程导数的概念，在设计多方面中枢系统时采用这种方法，就可以使得非最小相位非线性控制系统的一个类型可一被非线性状态反馈稳定！

参数分布系统的可控性和客观性是一个很艰难的问题，特别是在系统含有许多不同系数的时候。姚率先将Riemanian几何应用在了这个问题上，后来这个方法也被借鉴到贝壳阴影的可观性研究中。一些其他方面的发展包括：1，对于一维参数分布系统可控性和可观性的直接估计，也包含二次双

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曲---抛物线方程。2，Riesz基里和它在波动方程的控制上的应用。5 结束语

经济全球化和中国经济的迅猛发展为中国自动化的发展提供了良机。中国的快速工业化为国内的控制学家和工程学家的发挥和创造提供了一个广阔的发展平台。因此，相比于发达国家，诸如美国，日本，中国必将成为自动控制学和工程学研究人员的乐园，中国能够为其创造性的工作提供良好的环境和空间。

四大主题玩转台湾夏日游 篇3

环岛风光游

台湾虽然只是一个小小的岛屿，但这片素有“宝岛”之称的土地却孕育着令人应接不暇的纷繁风情。从台北敦化南路优雅的散步道到台东苏花公路的太平洋美景，从有“小马尔代夫”之尘的垦丁到充满柔美自然韵致的花莲……台湾的美，散落在岛上每一个不同的侧面。对于时间较为充裕的游客来说，花上10天左右的时间，环岛全面感受台湾的人文风光与自然美景绝对是初夏别具风情的丰富体验。

旅行时间：8～10天

旅行路线：台北—花莲—台东—垦丁—高雄—嘉义（阿里山）—南投（日月潭）—台北

Day1：台北—中正纪念堂（换班仪式及自由广场文艺演出）—故宫博物馆（内藏24万余件文物）—士林夜市（几乎涵盖所有台湾小吃）—台北101大楼（信义商圈地标，俯瞰台北夜景）

Day2：花莲—太鲁阁国家公园（台湾的“国家公园”，特色为峡谷和断崖）—七星潭（花莲近郊最佳的观光踏浪海滨）

Day3：台东—卑南文化公园（东南亚地区最大的墓葬群遗址）—知本温泉（台东第一景之称的温泉疗养区，晚间亦有露天观星浴池）

Day4：屏东垦丁—垦丁大街（各式各样的商店、各式趣味游戏及临时彩绘紋身）—垦丁海水浴场（台湾数一数二的海水浴场，适合游泳、拾贝、弄潮）—南湾（垦丁国家公园最宽阔的沙滩，垦丁水上新潮活动的大本营）

Day5：高雄—真爱码头（爱河出口处，有“真爱轮”与“光荣轮”常态性固定观光航线）—西子湾（以夕阳美景及天然礁石闻名的海湾）—六合夜市

Day6嘉义—阿里山（高山长青、涧水长蓝，森林与高山铁路组成的“台湾之肺”）—姐妹潭（相思亭及环潭步道）—三代木（树中的三代同堂，阿里山的森林奇观）

Day7：嘉义—南投—日月潭（台湾唯一且最富盛名的天然湖泊，环湖观光可远观邵族之祖灵地拉噜岛，登上玄光寺可远观旧蒋公行馆涵碧楼、文武庙、慈恩塔）

Day8：南投—台北（若时间充裕可前往西门町购物后返回）

影视文艺游

近年来，《一页台北》、《不能说的秘密》、《那些年，我们一起追的女孩》等一系列优秀的台湾电影在大陆引起了不小的关注，而这些影视作品中许多令人印象深刻的特色取景地也成为了许多年轻人向往的旅行目的地。热爱台湾影视作品的文艺范们不妨抽出8～9天的假期，化身成为电影中的主角，循着镜头游台湾，演绎一段属于自己的特色假期。

旅行时间：8～9天

旅行路线：台北—新北—台中—南投—高雄—垦丁—高雄/台北

Day1：《艋舺》：剥皮寮老街-龙山寺 -西门町 -敦南诚品-台北101

Day 2：《不能说的秘密》：红毛城- 真理大学- 淡江中学- 八里左岸- 淡水老街- 渔人码头

Day 3：《那些年，我们一起追的女孩》：侯硐猫村 -十分瀑布 -菁桐车站-平溪天灯

Day 4：《阵头》：台中科博馆 -东海大学 -都会公园 -九天玄女宫 -东海夜市 -逢甲夜市

Day 5：《花样少男少女》：宝岛时代村- 日月潭 -清境农场-清境

Day 6：《爱在日月潭》：孔雀园- 梅子酒庄- 塔塔加 -鹿林神木 -阿里山游园 -姐妹潭 -神木区

Day 7：《痞子英雄》：高雄真爱码头-南区分局 -爱河 -美丽岛站 -瑞丰夜市

Day8：《海角七号》：恒春西门 -恒春老街 -阿嘉的家 -茂伯的家 -猫鼻头 -万里桐 -白沙湾 -垦丁大街

美食吃货游

台湾的各色美食小吃可谓是名闻遐迩，有人说，如果到台湾没吃饱台湾美食就等同于没有去过台湾。从传统的美食小吃，到特色的创意美食，从街头小店到各色夜市……台湾全省319个乡镇，各地皆有你报得出名字或报不出名字的可口美味。吃，也是了解台湾的一种方式。对于爱好美食的专业“吃货们”来说，准备好一个大大的胃，在赴台旅行的途中填满各式各样的美食料理，也是充满幸福感的一大享受。

旅行时间：5～6天

旅行路线：台北—新北—台中—台南—高雄

Day1：剥皮寮老街—龙山寺—西门町（老天禄卤味、杨桃冰、阿宗面线）—台北101—饶河夜市（古早豆花、蚵仔面线、福州胡椒饼、牛肉面、药炖排骨、麻辣臭豆腐、麻辣鸭血、杨桃汁、蟹壳黄、生炒蟹脚、芒果草莓奇异果冰、焗烤马铃薯、一口煎饺）

Day2：红毛城—八里左岸—淡水老街（阿给、鱼丸、烤鸟蛋、鱼酥、虾酥、虾卷、臭豆腐）—渔人码头—士林夜市（士林大香肠蚵仔面线、河粉煎天妇罗、清蒸油炸肉丸、珍珠奶茶、广东粥、豪大大鸡排、韩国泡菜锅）

Day3：黄金瀑布—九份老街（芋圆、草仔粿、黑糖麻糬、豆腐乳）—基隆庙口小吃（奶油螃蟹、鼎边趖、泡泡冰、排骨羹、八宝冬粉）

Day4： 一中商圈—东海大学—都会公园—逢甲夜市（炸鸡排、章鱼小丸子、逢甲四合一、蜂蜜柠檬芦荟、可丽饼、胡椒饼、仙人掌冰）

Day5： 赤崁楼—武庙—德记洋行—安平树屋—开台天后宫—花园夜市（腌芭乐、炭烤鸡排、鱼蛋、冬瓜茶、爆酱猪排、邋撒面）

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Day6： 中山大学—西子湾—旗津—爱河—六合夜市（棺材板、盐蒸虾、木瓜牛奶、筒仔米糕、海鲜粥、过鱼汤、十全药炖排骨、土魠鱼羹）

血拼购物游

赴台旅游除了赏风光、品美食，购物血拼也是不可避免的行程。台湾便宜的化妆品、流行名牌运动服饰、时尚配件饰品以及特色文创艺品种类丰富，许多进口商品的价格比大陆要优惠的多。此外，无论是商场、百货公司还是小铺，这里的导购服务都非常周到耐心。对于爱血拼的女孩子来说，在游台湾的同时也少不了好好过把“购物瘾”。

旅行时间：4～5天

旅行路线：台北—台中—高雄—垦丁—高雄/台北

Day1：台北101及信义商圈（各式服装品牌及化妆品）—信义诚品（书籍及文创产品）—逛西门町（流行服饰用品）—师大夜市

Day2：中正纪念堂—台北故宫— 北投图书馆— 士林夜市（美食及百货小商品）

Day3：术馆园道（艺术特色商户）— 一中商圈（各式品牌）—都会公园—东海夜市—逢甲夜市（美食及百货小商品）

Day4：真爱码头—爱河—城市光廊（文创产品）—六合夜市（美食及百货小商品）—新崛江（南部“西门町”，平价流行服饰用品）

Day5：恒春古城巡礼—南湾戏水—后壁湖浮浅—关山日落—垦丁大街（各式商户及热带纪念品）

赴台小贴士：

入台旅行证件：目前大陆居民赴台“个人游”试点城市居民赴台自由行须持双证：《通行证》及《入台证》。其中，《通行证》可到户籍所在地公安局办理，《入台证》则需由具有资质的旅行社统一向台湾移民署申请办理。

住宿预定：在台湾，住民宿是最常见也是大家耳熟能详的旅游产品。赴台自由行的游客可在前往台湾前按自己的行程计划通过网络预订民宿。这样不仅能省时省力地解决住宿问题，也能在旅行途中感受不同形式的台湾民风，找到家的感觉。对于旅行者而言，可谓是既经济又有趣。需要注意的是，台湾电压为110伏特，插座为扁头二脚式，部份旅馆有220伏特的设备，但游客最好随身自备转换插头及转压器备用。

购物退税：目前，人民币对台币的参考汇率约为：1人民币（CNY）=4.92台币（TWD）。台湾的货品税与营收税已包含在定价中，不另加收。部分大型百货商店、品牌专卖店提供5%退税。要求同一天同家商店内购买满新台币3000元以上，持有效证件，正确填写退税单，保留收银条或发票以及未使用的退税物品，在离境日于机场退税柜台办理退税手续。

转台结构设计 篇4

随着雷达电子技术的不断发展, 对于雷达测试用车载电子对抗转台的结构设计也提出了新的要求:工作状态时要把转台安装到车上去, 而且机动性和作战能力要快速反应, 且转台的重量要轻, 不用吊装设备人力就可以把转台安装到车上。因而在研制过程, 要求既要保证雷达的工作状态, 又要保证质量轻, 强度高, 灵活方便, 适应环境。

1 转台的结构组成

如图1所示, 转台总体结构是由负载盘1、俯仰轴系、方位轴系组成。俯仰轴系与方位轴系之间由推力轴承8承受径向力, 且用胀紧联轴器21连接, 且两轴系由转台底座16支撑组成转台整体。因此试验转台分为台体与底座两部分, 可拆卸安装, 总高度为1 100±50 mm, 垂直承载≤150 kg。

2 俯仰轴系的组成与功能

俯仰轴系由俯仰轴4、俯仰轴电机23、俯仰轴减速器22、俯仰轴码盘5、俯仰轴支座7、非接触式电磁感应开关26、限位装置机械挡铁27、机械零位锁紧装置3等组成。全部俯仰轴系实现了其负载旋转角范围为+10°~-90°, 并且保证俯仰最大动态误差为±0.1°, 最大静态误差为±0.1°, 最大跟踪速度为0.1°/s~6°/s, 最大角加速度2°/s2。采用闭环控制, 实现实时监控反馈信息, 保证回转精度。

1.负载盘2.云台3, 9, 20.机械零位锁紧装置4.俯仰轴5.俯仰轴码盘6, 24.防雨罩7.俯仰轴支座8.推力轴承10.方位轴电机11.方位轴12.旋转变压器13.方位轴联轴器14.方位轴码盘15.码盘罩16.转台底座17.调整垫铁18, 26.电磁感应开关19.安装法兰21.胀紧联轴器22.减速器23.俯仰轴电机25.刻度盘27.机械挡铁

1) 俯仰轴支撑负载与负载盘, 承受所施加的径向力, 也是减速器联接与固定件。左轴承为成对使用的角接触球轴承, 能承受径向力和轴向力, 间隙比较小, 保证了俯仰轴的回转精度。右端采用减速器的轴承直接支撑, 能承受较大的径向力与轴向力, 既保证了俯仰轴的回转精度, 又缩小了轴向尺寸, 使结构紧凑。

2) 俯仰轴电机与行星齿轮减速器结合进行驱动, 可实现较大的传动比, 保证了电机外形尺寸, 转矩与功率较小。且使俯仰轴旋转获得所需要的转角范围。

3) 俯仰轴码盘的作用是测量反馈俯仰轴的转角误差, 实现其闭环控制。

4) 俯仰轴支承座采用整体式结构, 采用铝合金铸造成型的方法, 侧面板使刚度大大提高, 既可承受俯仰轴全部的径向力, 同时又起到了固定码盘、支撑减速器的作用。在俯仰轴与支腿联接处, 零位锁紧销与负载盘联接处有采用双金属铸造的钢套, 保证了装配精度。

5) 非接触式感应开关用来保证负载盘转到极限位置时不超过其转角范围, 起限位的作用。

6) 当软件限位与感应开关限位不起作用时, 机械限位装置保证不超过极限位置, 起到过载保护的作用。

7) 当转台处于不工作状态, 运输、存放时机械零位锁紧装置使俯仰轴系处于零位, 进行锁紧起到保护的作用。

8) 负载盘1上安装负载与云台等, 起支撑、固定的作用。

9) 云台2 (摄像机支架) 上安装、支承摄像机, 并调解摄像机的回转与俯仰角度使其对准轴系中心。

3 方位轴系的组成与功能

方位轴系由方位轴电机10, 方位轴11, 旋转变压器12, 方位轴码盘14, 机械零位锁紧装置9, 方位轴码盘罩15, 方位轴码盘安装法兰19, 接触式电磁感应开关18等组成。方位轴系实现了为±170°的转角范围, 并且保证了方位最大动态误差±0.06°, 最大静态误差为±0.03°, 最大跟踪速度为0.01°/s~6°/s, 最大角加速度为2°/s2。且采用了闭环控制, 实现实时监控反馈信息, 保证回转精度。

1) 方位轴电机是由我校自行研制的力矩电机, 采用组合式结构, 由电机上端盖、外壳、定子、转子、下端盖、方位轴组成: (1) 电机上端盖的作用为通过推力轴承支撑整个俯仰轴系;通过圆锥滚子轴承对方位轴进行支撑;固定了机械限位装置与方位零位锁紧装置, 水平测量装置和方位轴刻度盘。 (2) 方位轴电机外壳的作用是固定电机定子, 联接电机上端盖及下端盖, 而且也是电机与转台底座的联接体。 (3) 电机转子除了本身电机的作用外, 这里也起联接电机与方位轴的作用。 (4) 方位轴联接电机转子, 使电机驱动自身旋转带动整个方位轴系旋转达到方位旋转角度;而且通过胀紧联轴器与俯仰轴系紧密联接, 成为有机的整体。选用了圆锥滚子轴承能承受较大的径向力, 保证在负载的作用下能够安全稳定地工作。 (5) 方位轴电机下端盖的作用是通过圆锥滚子轴承对方位轴进行支撑;同时固定旋转变压器、方位码盘罩、方位轴码盘, 对方位轴感应开关通过支架进行间接固定;也对电机进行了密封, 但最大的一个作用就是承受方位轴的轴向力。

2) 旋转变压器是调节电流电压防止外部电磁干扰。

3) 方位轴码盘是测量反馈方位轴的转角误差实现其闭环控制。

4) 机械零位锁紧装置20是当转台在不工作状态时, 运输、存放使俯仰轴系处于零位, 用机械锁紧装置锁紧, 起到保护的作用。

5) 机械限位装置是当软件限位与感应开关限位不起作用时, 器械挡铁实现其功能, 保证不超过极限位置, 也起到过载保护的作用。

6) 方位轴码盘罩是防止方位轴感应片与电线缠绕在一起造成事故, 起到了保护的作用。

7) 非接触式感应开关是感应方位回转角转动范围, 起限位的作用。

8) 方位轴码盘安装法兰与电机下端盖、码盘进行配合, 起到联接与安装的作用。

4 其它零部件的结构与功能特点

1) 转台底座16的功能是对整个台体的支撑, 通过调整垫铁17与车体相联。底座开有侧面窗口观察装配零部件。

2) 调整垫铁17的功能是调整转台的某点高度, 使其处于水平状态。

3) 俯仰轴减速器22与电机防雨罩24是用来防雨与安装俯仰轴刻度盘25, 保证电机与减速器不被破坏。

4) 俯仰轴码盘防雨罩6是防止雨淋、盐雾等, 保证系统稳定工作。

5) 推力轴承8的功能是承受俯仰轴系与负载所施加的径向力, 让方位轴承承受最小的轴向力。

5 结语

俯仰轴系、方位轴系具有结构简单紧凑、结构尺寸小的优点, 降低了转动惯量, 使选择的电机转矩、功率相对较小, 使转台的平衡性、平稳性提高, 使转台的结构更加合理优化。电机的上端盖与电机外壳、电机外壳与电机下端盖、旋转变压器、方位轴码盘法兰与码盘的装配与拆卸都采用组合式, 把机械限位与机械零位锁紧装置结合起来使结构更加紧凑, 拆装与加工过程更简单、合理。在结构设计时, 充分考虑了方位轴系和俯仰轴系之间的垂直度及回转精度直接影响工作台面的位置精度, 也考虑了两个轴系旋转部件的平衡技术, 只有平衡合理才能减小电机功率, 解决驱动、锁紧、平稳运动和整机可靠性等问题。

参考文献

[1]郭阳宽.双轴伺服转台系统设计与实验研究[D].北京:清华大学, 2004.

转台结构设计 篇5

摘要：介绍了三轴惯性陀螺测试转台的工作方式及其控制系统的功能，研究了以8051单片机为系统控制核心的转台控制器的硬件及软件设计问题，提出了采用8051单片机及Intel8254定时／计数器对步进电机进行开环位置及速度控制的解决方案。

关键词：陀螺测试转台单片机步进电机运动控制

导航系统是飞行器的重要组成部分。惯性陀螺仪表普遍应用于各种类型的飞行器的导航系统中，它反映了飞行器的飞行姿态以及其它重要导航信息，保证了人为或自动驾驶仪对飞行器进行控制的安全性与准确性。为了确保惯性陀螺仪表工作的可靠性，需要对仪表进行定期的校验，用测试转台测试陀螺仪表是比较常用的方法。某机场所使用的测试转台大部分存在老化严重以及功能单一的问题，尤其是部分转台还是老式的手动转台，很难保证校准精度，所以需要研制新型数字化的低成本的高精度陀螺测试转台及其控制系统。

转台结构设计 篇6

关键词：五轴机床；运动误差；辨识；加工测试

1.加工测试

摇篮式五轴机床转台回转轴的安装定位误差直接影响着工件相对于刀具位置的准确性。回转轴有三个直线位移误差 ， ， 和三个转角误差 ， 和 。其中对机床加工精度有显著影响的有：线性位移误差 、 ，角位移误差 、 。对于其余的运动误差进行分析可知： 可通过对刀等程序予以消除， 在回转轴的输出转角方向上，因此可以忽略不计。所以，只需检测出旋转轴的四项运动误差即可。

目前，五轴机床旋转轴误差辨识多采用非切削测量方法[1-2]，需要用到专用测量仪器。这些专用仪器的安装检测过程复杂，对检测人员技术要求高，对各种不同类型的五轴机床通用性不强。

根据本文作者前期研究提出的误差模型[3]进行误差辨识研究，如图1所示，工件加工的步骤如下：

1.1将工件安装在初始位置，即：Y轴保持静止，A轴保持水平静止，工件放在旋转轴（C轴）转角为0处（+X方向），距离工件中心距离为L。

1.2加工测量基准面

先测量基准面，方法如下：

在工件两侧沿Y方向各切削一平面，再沿X方向各切削一平面，宽度为2l，切深为h。切出四条交线a0、b0、c0、d0。a0和c0之间的距离是P0。b0和d0的距离是Q0。

1.3加工被测量平面

加工完测量基准面后刀具回到加工起始点，以消除运动误差对被测量平面切削的影响。在旋转轴转角为0度时，在工件边缘沿Y方向切削一平面，切宽为p，切深为h（相对于第一层），产生交线a。当C轴转角为90、180、270度时，均沿Y方向切削一平面，宽度为p，切深为h（相对于第一层），分别产生交线b、c、d。其中，a竖直面和c竖直面之间的水平距离是P，a水平面和c水平面之间的竖直距离是hca。b竖直面和d竖直面之间的距离是Q。b水平面和d水平面之间的竖直距离是hbd。

2.误差检测

以X方向的加工误差辨识为例，说明误差分离原理如下：

（1）

其中 表示误差敏感方向在+X方向，正是 所在的方向，通过（1）式，可求出 ，即C轴转过180度时，C轴原点在X方向上的漂移量。

同理，我们可以对Y方向和Z方向的误差进行辨识，求得

， ，

由此我们分离出C轴转过180度时，四项运动误差的值。

3.误差辨识

对工件第二层切削的垂直面和水平面的中线进行CMM检测。在每条中线上按一定间隔进行测量。对采样点进行最小二乘拟合，得到拟合直线。两拟合直线的实际距离与理论值的差值就是误差值。

4.结论

本文提出了一种基于加工测试的五轴机床转台回转轴运动误差的辨识方法，采用误差敏感方向矢量从已切削工件中识别运动误差，本方法操作简便，准确可靠，检测效率高，可推广到混合式结构和万能主轴头式结构的五轴机床中。

参考文献：

[1]S.Bossoni and J.Cupic.Test piece for simultaneous 5-axis machining. Laser metrology and machine performance VIII， 2007.P.24-33.

[2]C. Hong， S. Ibaraki， and A. Matsubara， Influence of position dependent geometric errors of rotary axes on a machining test of cone frustum by five-axis machine tools. Precision Engineering， 2011.35（1）： p.1-11.

[3]张亚，傅建中，陈子辰.摇篮式五轴机床空间误差的简化建模方法.机械设计， 2012.29（10）： p.76-79.

作者简介：张亚（1982.1-），男，机械制造及其自动化专业，博士，研究方向为数控技术。

转台结构设计 篇7

设计转台的目的是检测光电跟踪系统中瞄准线的独立性,它是光电跟踪系统的重要功能,独立于载体实时跟踪目标物体,因此要尽量减少载体对其跟踪性能的影响。该单轴转台系统可以完成位置、速度、加速度控制以及完成正弦曲线运动,可以在一维平面内模拟载体的运动,从而定量测试光电跟踪系统瞄准线的独立性。本文从机械结构、元件选型、控制方案及精度标定等方面介绍该系统的设计实现。

1 转台机械结构设计

1.1 转台整体结构设计

表1为转台的技术指标要求。由于台面直径与承载要求都比较大,因此转台的外形采用了立式台面结构,其主要优点是:结构简单,抗扭刚度好,转动惯量小,负载能力大,便于安装和拆卸测试对象。本转台由底座、回转轴系、工作台面、力矩电机、角度传感器、导电滑环、测速电机等组成,如图1所示。

直流力矩电机、位置反馈元件、导电滑环和测速电机都需要安装到回转轴系上,因此,合理安排元器件在轴长度方向的布局是结构设计重点需要考虑的问题。权衡缩短轴承跨距和器件配置两项因素,此处采用两段轴的设计。轴Ⅰ主要起支撑和驱动作用,保证转台的倾角回转精度,无刷电机的转子与轴Ⅰ末端连接带动后者转动。轴Ⅱ设计成非主要受力件,挂接了角度传感器、导电滑环与测速电机等器件。

1.2 主要轴系元件的选型

1.2.1 电机选型

电机选择影响到转台能否实现最大加速度、最大速度、频带等指标,同时影响结构和尺寸。为了保证转台的高精度、快响应以及运动平稳性,项目选用包头永磁电机研究所生产的钕铁硼无槽直流力矩电机。此款产品转子采取无槽结构,能消除齿槽效应,减小力矩波动,有利于改善低速性能;同时电机线性度更好,电磁气隙大,电枢电感小,电气时间常数小;由于电机输出力矩大,故过载能力好,响应快。

设备最大负载100kg,转台台面质量30kg,系统折算到轴系上的转动惯量J=7.19kg/m2,最大转动加速度α=130°/s2=2.27rad/s2,于是可计算出惯性力矩Mf=Jα=16.32N·m。

另外考虑轴系存在干摩擦负载力矩Mc,取滚动摩擦因数。则Mc=G=0.000 4×130×9.8=0.51N·m。得到总力矩M=Mc+Mf=16.8N·m。

所选电机的连续堵转力矩应该满足Me≥2(0.8~1.1)×M。综合考虑,选用力矩电机型号为250ZLW40,其主要技术参数为:额定转速130r/min,连续堵转力矩55N·m,峰值堵转力矩140N·m。

1.2.2 角度传感器选型

角度传感器的特性是系统位置控制精度的影响因素之一。根据位置精度为12.96″的技术要求,系统选用雷尼绍公司的圆光栅,内含圆光栅尺RESM 20US A 100(15 744线、系统精度±2.23″、分辨率82.3″)、读数头T2011-30A、细分盒Ti 0100A20A(100细分)。经过100细分后测角元件的分辨率可达0.82″。

2 转台运动控制

2.1 总体控制原理

以DSP技术为核心构建数字伺服控制系统。DSP快速计算系统的控制规律,经由高精度D/A输出给驱动器,从而实现对转台的实时控制。系统引入高精度圆光栅作为反馈元件,构成位置回路与速度回路的闭环,使系统满足各项动态性能指标。在控制算法上采用了复合控制和高阶输入串联校正,达到改善系统动态特性的效果。转台控制原理框图如图2所示。

2.2 控制策略

转台控制策略中通常至少包含两个回路:位置回路和速度回路。前者实现对目标指令的快速、准确跟踪;后者比前者的响应更快,能快速克服外部干扰,保证系统响应的快速性。为了克服闭环调速在启动和堵转时电流过大的问题,系统必须能够自动限制电枢电流的大小,因此在系统内引入电流环。于是,转台控制策略便包括了速度环、位置环和电流环,三环控制策略框图如图3所示。

2.3 控制系统实现

单轴转台硬件组成如图4所示,用户通过工业计算机的用户界面对转台进行控制。计算机执行用户的操作,将运动指令发送到PMAC运动控制器。后者再根据指令和编码器反馈进行运算,完成位置环和速度环控制,所得到的速度指令信号被传送至功放模块,完成电流环控制。最后功放输出模拟信号,以脉宽调制方式驱动力矩电机运动。

2.4 运动控制模块的选择

数字控制方法选用了美国Delta tau公司的PMAC-MINI运动控制卡,借助于Motorola的DSP56000数字信号处理器,PMAC具有55微秒/轴的高速伺服更新频率。另外还具有速度和加速度前馈,可减少由于干摩擦而引起的跟踪误差。

功放模块选择了美国Copley公司的XTL-230-18数字伺服驱动器,它具有高带宽的嵌入式控制环路、四阶陷波滤波器和高效率的动态PWM。内部集成了高速电流内环,电流控制采用非线性两态调制和线性PI控制技术,系统电流内环相应频带达1kHz。

3 上位机软件设计

本系统上位机控制软件基于美国NI公司的LabWindows/CVI虚拟仪器软件开发平台,它以ANSI C为核心,将功能强大、使用灵活的C语言平台与数据采集、分析和表达的测控专业工具结合起来,在工业控制领域有着广泛的应用。上位机控制软件与PMAC之间的信息流程如图5所示。为了满足用户数据采集的实时性要求,在LabWindows/CVI下实现了基于C语言的多线程机制,充分利用了CPU的空闲时间片,较大地提高了程序的运行效率与鲁棒性。

4 转台标定

4.1 角位置定位精度标定

在转台平面旋转中心处安装23面棱体,将自准直仪安装在良好的隔震地基上,使自准直仪的光轴垂直棱体面,如图6所示。启动转台,使其依次转动棱体面规定的角度(即360°/23),记下自准直仪读数C1i(i=1,…,23)。转台回零,按照前面的操作过程,反向转动被测轴,记下准直仪的相应读数C2i,最后使被测轴回到零位。其中最大绝对值即为角位置定位精度,图7给出了其中一次的测试数据。由图7可以看出,转台的角位置定位精度为7″。

4.2 倾角回转精度

将电子水平仪分两次互相垂直放置在台面的某一位置上,如图8所示,调整台体底座,旋转工作台一周,使横向和竖向电子水平仪的读数变化量尽量小。将初始0°时电子水平仪的读数记为Wx0和Wy0,然后按顺时针方向间隔10°旋转一周,记下横向坐标的电子水平仪的读数Wxi和竖向坐标的电子水平仪的读数Wyi,i=1,2,…,36。将数据经过处理后得到如图9所示的测试数据,取最大与最小值即为倾角回转误差,得到的最终测试值为-1.8″~2.0″。

4.3 端面跳动度

将百分表固定在良好的隔震地基上,百分表表针抵到工作台上台面Φ350 mm外圆上,让表针有0.5mm~1mm的压下量(如图10所示)。缓慢转动工作台一周至两周,记下转动过程中百分表的最大和最小读数值Mimax和Mimin,并将其记录到测试报告中。其中,测量次数i=1,2,…,5。测试数据见图11,得到端面跳动度为0.03mm。

4.4 速率精度测试

选择6个测试段来检测单轴速率位置转台速率精度:10°/s、50°/s、100°/s、200°/s、300°/s和360°/s。每个速率段测试完成后,由计算机显示速率精度的计算结果,并保存图片和文件。

采用定时测角方式,让转轴按给定速率运转,待其稳定后,按一定时间间隔读取被测轴位置系统数字显示值,连续测量10次,得到θ1,θ2,…,θ10。

得到的数据代入速率精度Uω计算公式:

其中:θg为给定速率下被测轴在规定的采样时间间隔内角位移增量名义值;为给定速率下被测轴在规定的采样时间间隔内角位移增量实测值的平均值。

数据记录表明,测试速度越大,速率精度越高,因此取指标要求最低速度即转台速度10°/s下的速率精度作为测试结果,如图12所示。由图12中测试数据计算可得速率精度。

5 结论

本文结合单轴精密测试转台的研制,从机械结构、元器件选型和控制方法方面进行了设计分析和实验验证。实验结果显示转台响应快、带载能力强、具有较高的定位精度和速度平稳性,表明了系统设计方案的实用性和有效性。

摘要：研制的单轴转台用于测试和检验光电跟踪系统中瞄准线独立性。根据提出的转台性能指标,从结构设计、元器件选型和控制模型等方面进行了详细分析和设计,给出了基于PMAC控制器和数字滤波的复合闭环伺服控制策略和实现方案。实验测试结果显示各项指标均达到并超出了提出的设计要求,所设计的转台能够在实验室条件下模拟被测对象在实际工作状态的运动,为实际系统的研制和改进提供了参考依据。

关键词：单轴转台,PMAC,复合控制,设计

参考文献

[1]张玉良.单轴转台旋转位置精确控制设备研制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013:16.

[2]李中.高精度转台控制方法研究[D].西安:西安电子科技大学,2014:13.

转台结构设计 篇8

ATP系统功能组件包括粗跟踪模块和精跟踪模块。粗跟踪模块由粗跟踪相机实现对地面信标光的探测获得光轴位置信息, 驱动两维转台实现主光学系统对地面站光轴的粗跟踪, 将光轴引入精跟踪模块视场, 具有大范围跟踪特点;精跟踪模块位于后光路, 由精跟踪相机探测获得光轴位置信息, 控制快速指向镜进一步补偿粗跟踪系统跟踪误差, 使得入射光轴精确地与系统光轴对准, 具有小范围高精度高频响应的特点。

二维转台作为前光学系统的载体, 是粗跟踪指向功能的执行单元。国内外关于地面二维转台系统的研究很多[1,2], 但对于星载二维转台的报道[3]比较少见。由于星上载荷需要承受特殊的力学环境, 所以, 其在抗力学环境设计上存在很多地面转台所没有面临过的新问题。

首先, 卫星通常要求载荷有较高的固有频率, 以避免与平台结构发生振动耦合 (尤其是小卫星平台, 通常要求载荷一阶固有频率大于100 Hz) ;其次, 载荷在初样研制阶段需要经受鉴定级力学试验考核, 其中包括5~100 Hz的正弦振动和5~2 000Hz的宽带随机振动;此外, 卫星对载荷有严格的重量限制, 加之二维转台的大质量悬臂安装特性, 轻质、高刚度是星载二维光电转台设计的难点。加之航天应用对材料选用的限制和极高可靠性要求, 又给设计的灵活性带来了诸多的限制。

本文以真实工程项目所遇到的实际问题为分析对象, 结合初期力学试验结果, 通过对试验曲线的解读和相关理论的调研、分析、总结来寻找优化设计的途径, 并对优化设计后的结构进行试验验证, 用试验结果来证明设计的有效性和合理性。

1 二维转台总体设计

ATP二维转台是前光路光学主体的安装平台, 并实现光学主体的两维转动, 完成ATP系统的粗跟踪指向功能。总体设计指标如下:

(1) 转动范围按工作任务要求分解, 俯仰转动范围-30°~+70°, 方位轴系转动范围-90°~+90°。

(2) 总重量由于卫星平台对载荷重量的严格限制, 粗跟踪模块 (二维转台及光电负载) 重量被限制在25 kg以内。

(3) 负载重量光电负载包含主望远镜、跟踪相机、信标光, 经过轻量化设计的总重量约为7 kg。

(4) 固有频率为了避免载荷与卫星结构发生振动耦合, 要求二维转台沿平台发射方向一阶固有频率大于100 Hz, 另外两轴向大于75 Hz。

(5) 空心轴设计主望远镜光路需要通过多次反射穿过旋转轴到达后光路 (由于整机光学偏振保持要求, 光路折转8次后由方位轴引入后光路) , 光线直径28 mm, 需要在方位与俯仰轴中心开孔不小于30 mm。

(6) 工作角速度小于5°/s, 角加速度小于2°/s2。

(7) 粗跟踪带宽为5 Hz。

(8) 光学光斑抖动量要求转台两维轴系跳动量均优于±8″。

2 二维转台初期设计与模态测试

2.1 结构形式

二维转台由俯仰和方位两个独立轴系构成。俯仰轴系安装在U形架顶端, U形架两翼分别安装两组轴系, 光学主体安装在两段轴系中间, 光学主体框架两端与两轴系主轴固定;方位轴系安装在U形架底端, 带动U形架、俯仰轴系及光学主体实现方位转动。

二维转台第一阶段结构设计结果:俯仰轴系负载 (光学主体、俯仰轴系转子) 约7.2 kg, 转动惯量850 kg·cm2;方位轴系负载 (包括:光学主体、俯仰轴系、U型架、方位轴系转子等) 约22 kg, 转动惯量3 800 kg·cm2。

2.2 轴系配置

2.2.1 方位轴系

方位轴系固定端采用背对背安装接触角为25°的角接触球轴承, 施加一定的轴向预紧力, 以消除游隙、减小晃动、提高轴系精度。游动端选用具有中等游隙的深沟球轴承, 内圈固定, 外圈游动, 用以消除方位轴由于温度变化引起的轴向伸缩、提高安装在方位轴尾端的旋转变压器的回转精度。

2.2.2 俯仰轴系

俯仰轴系采用温度补偿型轴系设计, 轴向一端固定, 一端自由 (轴系配置方式与方位轴系基本相同) , 可有效避免由于温度变化造成的精度下降摩擦力矩陡增。径向采用U型架两端支撑, 可有效保证精度, 并具有较好的力学特性。

2.3 模态测试试验

二维转台试验件主结构 (U形架、光学框架、电机基座) 材料采用2A12-T4铝合金, 轴系材料为2Cr13 (调制) , 光学主体采用等效结构负载 (质量分布、刚度等效) 。试验前, 二维转台两维轴系经过静平衡, 未进行轴系锁定。

对二维转台试验件X、Y、Z三轴向开展正弦扫频试验, 从而得到二维转台的模态 (频率域振型) 特性。

正弦扫频试验条件:频率范围5~2 000 Hz, 加速度幅值0.5g (g=9.8 m2/s) , 扫描速率2 oct/min (每分钟两倍频程) 。

X方向 (平台发射) 加速度频域响应曲线如图4所示。

从加速度响应结果可见, 二维转台一阶模态发生在Y方向 (俯仰轴系轴线方向) , 共振频率为56 Hz, 振动模式为二维转台整体绕X轴弯曲振动;二阶模态发生在X方向 (平台发射方向, 望远镜轴线方向) , 固有频率约为68 Hz (如图4) , 振动模式为二维转台整体绕Y轴弯曲振动。

0.5g正弦扫频试验后, 又对试验件进行了2g扫频和鉴定级正弦和随机振动摸底。目的是进一步了解初期结构的动力学特性, 试验结果不是很理想。

3 试验结果分析与优化设计

以上试验结果表明:

(1) 二维转台一阶固有频率与X方向共振频率均偏低, 不满足设计指标要求。

(2) 共振现象不显著, 响应峰平缓, 品质因数偏低 (如图4) 。

(3) 当激励幅值增加时, 一阶频率向低频方向移动。

(4) 方位轴系顶端负载 (如次镜) 局部共振特性被淹没, 表现出明显的非线性特性。

进一步对初期结构设计结果进行有限元仿真分析, 分析结果更加清晰地表明:二维转台前两阶振型表现为方位轴系的弯曲振动。共振时, 沿方位轴线, 距离轴系固定端越远, 加速度响应幅值越大。可见, 二维转台的方位轴系承载转台自重和平台输入的动载荷, 直接决定转台的谐振频率。下面分别从振动控制理论和轴系支撑刚度理论入手, 结合星载光电跟踪转台自身的设计约束, 寻找提高系统抗力学性能的方法和途径。

3.1 振动控制理论

振动控制的基本方法[4]包括:

(1) 通过控制系统的固有频率, 避免外激励作用下的共振。

(2) 通过引入阻尼或耗能机构来防止系统产生过大的响应, 即使是在发生共振的情形。

(3) 使用隔振装置, 减小从设备某一部分传递到其他部分的激振力。

(4) 附加平衡质量和吸振器, 降低系统的响应。

首先, 固有频率的控制。为了提高系统的固有频率, 最经常采取的措施是增大系统的刚度。结合本系统, 可以通过改变一个或几个参数, 如使用大比刚度材料或增加支撑点 (轴承) 的数量以及优化支撑点位置来提升旋转轴的刚度。

其次, 阻尼的应用。可以通过在系统中引入阻尼来控制其响应, 例如使用内部阻尼较大的结构材料, 比如复合材料。在有些结构中, 阻尼是通过连接引入的。例如, 螺栓和铆钉联接, 由于被连接的物体表面间有相对滑动, 从而比焊接消耗更多的能量。因此为了增大结构的阻尼, 可以使用螺栓或铆钉连接。但必须注意, 螺栓和铆钉连接会降低结构的刚度。

系统共振时响应的振幅是:

式中η是损失因子, E是材料的弹性模量。Eη值最大的材料, 其共振振幅最小。由于应变与位移x成正比, 应力与Ex成正比, 所以损失系数最大的材料承受的应力最小。

基于以上对振动控制方法的总结与分析, 针对本研究对象所面临的实际问题, 主要应从两方面来对二维转台系统的抗力学性能进行改善。首先, 提高轴系支撑刚度并同时减小负载重量, 以提高系统的固有频率, 从而避免转台系统与飞行平台发生振动耦合;其次, 在设计中尽量选用阻尼比大的材料与零件连接方式, 以此降低振动响应幅值, 减小共振对轴系及光电负载的破坏性。

3.2 轴系支撑刚度理论

由于方位轴系的刚度直接决定转台系统的固有频率。下面依次从轴承刚度、预紧力施加和轴系刚度的设计原则和影响因素进行详细地剖析, 最后对提高角接触轴承支撑刚度的要点进行总结。从而获得轴系刚度设计的原则和优化设计的途径。

3.2.1 决定轴承刚度的因素

(1) 滚动体类型滚子轴承的刚度要高于球轴承, 陶瓷滚动体的刚度要高于同样的钢制滚动体。

(2) 滚动体的数量和尺寸大量的小滚动体会使轴承的刚度更高。

(3) 接触角接近负荷角的接触角会使轴承有更高的刚度。

(4) 高径向刚度圆柱滚子轴承或接触角极小的角接触轴承。

(5) 高轴向刚度:大接触角的角接触推力球轴承。

3.2.2 预负荷

(1) 预负荷可以看作是负的内部游隙。

(2) 施加预负荷的原因:增加刚度、提高轴系导向精度、减小噪声水平、更长的工作寿命。

(3) 各种研究表明增大轴承预负荷可以直接、有效增加轴系支撑刚度。

(4) 通过弹簧施加预负荷不适用于需要高刚度、负荷方向改变或者可能出现不确定冲击负荷的轴承应用中。

3.2.3 系统刚度

(1) 影响因素:轴承刚度、轴的直径、负载悬伸量、轴承座刚度、轴承的数量和位置及配合。

(2) 高支撑刚度、精密轴系应用设计的基本准则:

①选择尽可能大的轴径;

②将工作端支撑位置和主轴端部之间的距离减到最小;

③缩短两组轴承之间的距离, 跨距指导值:l=3~3.5 d;

④选择合适的轴承配置。

(3) 轴承刚度:滚动体的类型、滚动体的数量和尺寸、接触角。

(4) 希望非定位端也具有高刚度:使用带圆锥孔的圆柱滚子轴承, 能够实现轴承内部的轴向位移, 并能使内圈和外圈均为过盈配合。

3.2.4 角接触轴承支撑轴系

(1) 718系列薄壁轴承特别适用于高刚度要求的场合, 因为相对于其内径而言, 该轴承所包含滚珠的数量最多, 相对于外径尺寸, 它能使用最大的轴径。这两种特性对于系统刚度特别重要, 随着滚珠数量的增加轴承的刚度在提高, 随着轴径的增大轴的刚度也在增加。

(2) 接触角:接触角25°的轴承主要用于高轴向刚度或高轴向承载能力的场合。

(3) 隔圈:在承载下不能变形, 因为形状误差会影响轴承组的预负荷;应该使用高等级钢材制造以获得45~60 HRC的硬度;表面平行度的形状误差不能超过1~2μm;内、外隔圈的宽度应该保持一致 (一起同时加工) 。

(4) 文献[5]通过实例, 详细阐明隔圈的使用和配合间隙的控制对提高轴系支撑刚度, 降低响应非线性起到至关重要的作用。

(5) 文献[6]通过理论分析证明增加滚动体数量、增大预紧力和优化配合间隙对轴系刚度提高和减小响应非线性有着显著的效果。

由以上提高轴系支撑刚度理论的总结与分析, 可以归纳以下几点设计原则:方位轴系固定端的刚度对系统支撑刚度起着决定性的作用。选用角接触球轴承背对背安装作为固定端的同时, 在轴承系列、滚动体数量、接触角大小、预紧力大小与施加方法、配合间隙和负载悬伸量均要仔细设计与严格控制;游动端的设计, 应尽量缩短其与固定端的距离, 并选用对轴系支撑刚度有贡献的轴承配置。

3.3 优化设计结果

优化的主要内容包括转台主支撑结构刚度的重新分配、轴系及主支撑零件材料的优化选择、轴系配置的重新选取、装配中预紧力与配合间隙的控制。

3.3.1 负载质量属性的优化

在保证俯仰轴系转动范围和主望远镜口径要求的前提下, 尽量减低U形架高度, 以减小负载悬伸量;在保证U形架相对高的刚度的前提下, 对其进行详细的轻量化和刚度分配设计。

对终端主光学负载进行极轻量化设计, 根据初期设计结果, 主光学系统 (口径200 mm, 主次镜间距300 mm) 一阶固有频率为200 Hz左右, 存在较大的刚度余量, 所以在保证光学要求的前提下, 对其进行进一步的轻量化设计, 最终设计重量2.2 kg, 一阶固有频率160 Hz。如下图所示:

由于方位轴系是提高系统支撑刚度的决定性因素, 所以在设计中尽量轻量化俯仰轴系。俯仰轴系轻量化设计从以下方面入手:空心轴内部加强筋设计、降低直流力矩电机和测角旋变的重量、固定端支撑选用极轻71810AC薄壁角接触球轴承, 游动端选用61809薄壁深沟球轴承、轴及轴承座材料均使用TC4钛合金 (热处理强化) 。设计模型参见图7。

设计结果:方位轴系顶端负载 (光学负载和俯仰轴系) 重量由15 kg降低到12 kg;在保证俯仰轴系-30°~70°的转动范围基础上, 方位轴负载悬伸量降至250 mm。

3.3.2 材料优选

由于航天材料选用范围、可靠性和整机重量的限制, 在载荷的阻尼设计上受到很多限制。故选用了铸造铝基复合材料作为二维转台主支撑结构 (U形架、光学主体框架、轴系基座) 的加工基材。这种材料具有很高的比刚度, 而且材料阻尼系数也较一般铝合金高。经过试验比对, 此种材料可以在一定程度上提高整机刚度、改善终端响应。

3.3.3 方位轴系支撑优化设计

二维转台的方位轴系承载二维转台的自重和平台输入的动载荷, 其支撑刚度直接决定二维转台的谐振频率。经过3.1、3.2节的详细分析, 可对方位轴系设计进行以下优化。

方位主轴空心轴、内部加强筋、高比刚度设计, 轴系基座采用铝基碳化硅高比刚度材料, 轴和轴承座选用9Cr18调制后加工。

方位轴系固定端选用71820角接触球轴承, 这种薄壁轴承相对于其内径而言, 该轴承所包含滚珠的数量最多, 相对于外径尺寸, 它能使用最大的轴径。这两种特性对于系统刚度特别重要, 随着滚动体数量的增加轴承的刚度在提高, 随着轴径的增大轴的刚度也在增加。

根据第一阶段力学试验结果, 二维转台前两阶共振振型是分别沿方位轴径向两个正交方向的弯曲振动。由此可见, 方位轴系在径向需要更大的支撑刚度。所以, 角接触轴承的接触角由25°改为15°, 以增加固定端径向支撑刚度。

71820C背对背安装作为方位轴系固定端, 通过修磨隔圈实现轴承的定位预紧。研究表明[7—10]定位预紧方式和较大的预紧力均可以有效地提高以轴承为支撑点的悬臂梁固有频率。故也对此进行了不同预紧力下, 转台固有频率测试。试验结果表明方位轴系固定端轴承预紧力每提高10 kg (10~20~30kg) , 转台 (模拟负载) 一阶固有频率随之提高8~10 Hz。

综合考虑轴系摩擦力矩对控制精度和电机力矩裕度的影响, 并参考SKF精密轴承样本选定300 N测量轴承凸出量, 修磨轴承内、外隔圈。配对轴承外圈通过12个M3钛合金螺钉由轴承端盖过盈10μm压紧, 内圈螺母施加轴向预紧力, 并进行双螺母防松。轴系配合间隙也是决定轴系支撑刚度的关键所在, 在该项设计中, 轴承内圈与主轴过盈量3~5μm, 轴承外圈与轴承座过盈量1~3μm。由于过盈量的精确控制, 需要轴与轴承座的尺寸、形状、位置精度均有很高的要求。

在前期方位轴系游动端设计中所使用的深沟球轴承, 由于其本身所具有10μm的径向游隙以及轴承外圈与轴承座轴向游动所需配合间隙要求, 在径向支撑刚度的贡献非常有限。现使用带锥孔的圆柱滚子轴承作为游动端支撑轴承, 能够实现轴承内部的轴向位移的同时, 并能使内圈和外圈均为过盈配合, 从而实现了游动端的高径向辅助支撑的目的。

方位轴系设计结果如图8所示。

3.4 优化后力学环境试验

对优化后的二维转台进行再次试验, 试验内容包括:三轴向正弦扫频试验 (模态测试) 、鉴定级正弦和随机振动试验 (抗力学环境试验) 。试验结果如下图所示 (列举平台发射方向X扫频、正弦、随机振动响应曲线) 。

4 结论

试验结果如下表所示:

根据三轴向正弦扫频试验结果, 二维转台经过合理的优化设计, 一阶固有频率和发射方向共振频率得到大幅度提高, 满足设计指标要求, 避免了载荷与卫星平台的振动耦合。

由U形架顶端和光学负载上布置的加速度传感器测得的加速度幅值响应曲线, 二维转台共振特征明显, 随激励增大, 共振频率基本没有发生改变, 系统非线性特征得到根本上的改善。但共振时, 光电负载放大倍数较大, 特别在宽带随机振动中, Z向次镜处响应均方根加速度高达65g·r/s。因此, 在进一步的优化设计中, 应该考虑在次镜处的减震设计[11]或者对试验曲线进行下凹处理[12]。

摘要：为了使某星载二维光电转台满足飞行平台对载荷动力学性能的要求, 首先, 对二维转台及其光学负载试验件进行力学摸底试验, 找到初期结构抗力学环境性能的缺陷和不足。其次, 通过对振动控制理论和轴系支撑刚度理论的分析、总结, 指出了二维转台抗力学设计的关键, 并为优化设计指明了方法和途径。最后, 对二维转台支撑轴系和负载特性进行了详细地优化设计, 并对改进后的新结构再次进行全面的力学环境试验。试验结果表明:二维转台的一阶固有频率得到大幅度提高, 由之前的60 Hz提高到了90 Hz;沿平台发射方向的共振频率也由70 Hz提高到110 Hz, 完全使载荷与平台的振动解耦;并且系统振动响应的非线性也得到了有效的改善。所以, 优化设计后二维转台系统的动力学特性从根本上得到了改善, 并能够通过航天鉴定级力学环境试验的考核。

关键词：二维转台,力学环境,优化设计,轴系支撑,刚度,预紧力,配合间隙,非线性

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转台结构设计 篇9

伺服平台设计涉及机械、传感器、计算机、电力电子以及机电系统综合设计等技术, 以系统精密化、自动化、智能化为导向, 是一种典型的机电一体化产品, 在侦察、跟踪、瞄准、火控等军事装备以及天文、气象、试验设备等民用装备中有着广泛的应用。 在伺服平台应用技术的研究方面, 相关机械电子技术发展迅速, 现阶段的高精度、 高可靠性的伺服平台已经较为成熟, 在军民用等方面获得广泛的应用。 各种应用对伺服平台精确性、机动性、环境适应性提出了更高要求, 同时这些要求也是当前形势下各种先进技术发展的必然趋势。 鉴于伺服转台随动系统对跟踪目标的实时性和可靠性需求, 提出一种基于Linux的伺服转台随动系统的设计与实现方案。

1 总体设计

1.1 系统组成

伺服转台随动系统由伺服控制计算机、伺服驱动器和电机、位置反馈器件、控制软件组成, 其主要任务是接收火控设备发送的位置和速度前馈指令, 控制转台的方位及高低运动到预定的位置上, 同时伺服转台将其架位信息以及各种状态信息反馈给控制设备。 其高低轴和方位轴的控制结构相同, 都是由电流环、速度环和位置环组成的单输入单输出位置随动系统。 以高低轴为例, 其系统组成如图1 所示, θ0为目标空间角, θL为负载轴空间角, θ0-θL为跟踪位置误差, ω0为电机转速, ωL为负载轴转速。

1.2 主要功能

伺服转台随动系统作为承载设备的随动驱动平台, 接收控制设备的各种控制命令, 在规定的时间内运载承载设备完成动作, 并及时反馈各种状态信息。其主要功能为:

(1) 接收控制设备控制信息, 并以此信息为准驱动伺服转台平台进行精确运转。

(2) 为控制设备实时提供位置反馈信息。

(3) 包含一个方位伺服系统和两个独立的高低伺服系统, 方位、高低系统可独立运行, 分别配置机械和电气限位装置。

(4) 具有故障检测能力, 在出现故障的情况下可向火控设备发送故障信息, 接收控制设备发送的急停命令。

(5) 支持外接测试设备, 可供设备自检时独立运行操作, 也可用于系统工作时的运行状态监测。

2 硬件平台的设计

伺服转台随动系统硬件组成如图2 所示, 主要包括配电模块、伺服控制装置、伺服驱动装置、位置反馈装置和安全防护装置。

3 软件程序的设计

采用基于Linux的国产操作系统Jariworks, 该操作系统具有较高的实时响应能力和较强的多任务处理能力, 提供的进程以及进程间通信的方案比较完善, 开发资源丰富并且具有较低的成本。 需要的模块功能, 可以在配置内核时选择, 从而减少冗余, 提高系统的快速性和可靠性。

伺服转台随动系统控制软件由嵌入式实时操作系统、驱动程序和应用程序组成, 如图3 所示。

4 伺服控制算法的设计

伺服转台随动系统惯量大, 要求速度快, 控制精度高, 单纯用PID算法不能达到系统要求的性能指标, 为了获得更好的控制效果, 设计一种参数自调节的伺服转台随动平台控制方法。 该方法针对伺服转台这种非线性变负载的随动系统, 将神经网络和模糊控制相结合, 利用神经网络的多层网络结构形式来实现模糊控制。 首先确定模糊神经网络控制器的结构;然后通过遗传算法优化隶属度函数的中心值和宽度, 并借助模糊逻辑控制确定遗传算法中的交叉概率和变异概率, 使得控制器参数能够适应控制模型的变化以满足性能指标的要求; 最后运用BP算法优化模糊神经网络的连接权系数, 实时调整控制器的参数。 控制算法原理如图4 所示。

伺服转台随动系统通信周期为20ms, 经过差补运算每2ms做一次调节, 每个2ms的运动过程可以看作一个等速运动的过程。 控制算法流程如图5 所示。

5 实验分析

在伺服转台随动系统的运动实验中, 各轴独立完成定点、等速和正弦三种运动。 以武器轴为例, 经过实验可得PID的参数为:Kp=250, Ki=10, Kd=0.1。 精度要求静态误差为0.03°, 动态误差为0.08°, 均方根误差为0.15°。 位置曲线:实线为差补理论位置, 虚线为实际位置。 所有x轴单位都是2ms, y轴单位为脉冲数 (一个脉冲=0.00549°) 。 实验结果:

(1) 定点运动, 位置和误差曲线如图6 所示, 从0°运动到80°, 最大速度为40°/s。

(2) 等速运动, 位置和误差曲线如图7 所示, 从0°运动到40°, 速度为20°/s。

(3) 正弦运动, 位置和误差曲线如图8 所示, 从0运动到40°, 周期为5s。

通过位置和误差曲线可以看出, 在实验环境下, 伺服转台随动系统的高低轴在定点、等速和正弦三种运动控制下, 理论和实际运动位置误差都在要求精度范围之内, 充分验证了基于Linux的伺服转台随动系统的设计方案的可行性。

6 结语

实验结果表明, 伺服转台随动系统的控制精度达到了指标要求, 具有很好的跟踪性能和稳定精度, 抗外界干扰能力强, 其设计思想可应用于各种结构形式以及功率的伺服平台设计。

摘要：针对伺服转台随动系统的高实时性和高可靠性的需求, 提出一种基于Linux的伺服转台随动系统的设计实现方案。实验结果表明, 设计的随动系统响应速度快, 跟踪性能好, 抗外界干扰能力强, 满足精度指标要求。

关键词：伺服转台,Linux,实时性,参数自调节

参考文献

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转台结构设计 篇10

关键词：高精度转台系统,摩擦力矩,补偿,Lyapunov函数,拉萨尔一般不变性原理

1 引言

高精度转台系统在低速运行时,由于摩擦力矩,电机波动力矩,以及编码器测量误差等原因,使得转台在低速时跟踪精度显著下降,造成很大的跟踪误差。在各种性能指标中,低速性能是转台整体性能优劣的重要标志之一。所以转台在低速运行时如何保证其低速平稳性和低速跟踪精度,成为研究的热点。研究表明,影响转台低速性能的主要因素之一是摩擦力矩,摩擦力矩的大小主要与轴系结构、润滑情况、负载大小以及速度精度等因素有关。至今,已提出的摩擦力模型已有很多:库仑摩擦模型、库仑摩擦+粘滞摩擦模型、静摩擦+库仑摩擦+粘滞摩擦模型、Stribeck摩擦模型、Dahl模型、Bristle模型、Bliman and Sorine模型、Lu Gre模型等[1,2]。相应的,许多文献中也提出了不同的摩擦力补偿方法,如非线性PID[3],神经网络补偿,自适应补偿[4,5],模糊补偿[6]等。根据实际转台系统特点,采用Stribeck摩擦力模型进行研究。

2 带有摩擦力矩的转台系统

高精度转台系统需要极高的跟踪精度,而转台低速时精度是系统跟踪精度的根本保证。转台由直流力矩电机与负载直接耦合驱动,转台在低速运行时,摩擦力矩的存在不容忽视。

图1是简化的带有摩擦力矩作用的直流力矩电机耦合驱动转台系统传递函数框图。其中Ra为电机电枢电阻;Te=L/Ra为电枢回路电磁时间常数,L为电机电感;Km为力矩系数,Ke为反电势系数;J为电机轴等效转动惯量;为摩擦力矩;UPWM为电机控制输入,一般由IPM(智能功率模块)产生,其传递函数可简化为一个比例环节KPWM。分析中采用的摩擦力矩模型为Stribeck模型,数学表达式为

式中:Mc为库仑摩擦力矩,Mm为静摩擦力矩,kv为粘性摩擦系数,为转台转速,通常情况下α一般取值为1。

分析图1,可以得到如下微分方程:

忽略电机电感,将式(2)代入式(3)中整理得:

另外需要说明的是,在实际的转台系统中,位置θ,速度,以及加速度都是有界的。所以摩擦力矩也是有界的。

3 控制器设计

定义跟踪误差e1∈ℜ,过滤跟踪误差e2,r∈ℜ,θd为实际轨迹,系数λ1,λ2∈ℜ+:

则综合以上各式,可以得到:

如果使得r(t)→0,则ρ(t)可以达到辨识摩擦力矩的目的,反之亦然[7]。

其中系数ks,β∈ℜ。对式(12)两边取导:

由摩擦力矩的表达式可知ζdN,ζ1dN均为正实数。

定义:,所以:

4稳定性分析

为方便分析,定义一系列函数t P)(∈ℜ,t L)(∈ℜ,y)(t∈ℜ4,z)(t∈ℜ3如下:

为了分析方便,将 N(t),Nd(t)改动为

参考式(6),式(7),式(8),式(19)可以得到如下不等式:

另外,对式(21)两边同时进行积分:

5 仿真试验

为了对以上的理论推导有一个形象的证明,在实际系统中进行了仿真,其中J=13 000 kg⋅m2,Km=190N⋅m/A,Ke=200 V/rpm,Ra=1.6Ω,L=0.04 H,KPWM=1,摩擦力矩为Mc=25 N⋅m,Mm=30 N⋅m,kv=0.01。输入期望轨迹为θd(t)=0.27×sin(0.31t),设计控制器参数为λ1=30,λ2=60,ks=1 200,β=3。仿真结果如图2,图3。

6 结论

高精度转台系统的低速稳定性一直是困扰控制领域研究人员的重要课题,而非线性摩擦力的辨识和补偿也一直是控制领域的热门话题,针对不同的摩擦力模型,提出了各种补偿算法。本文针对Stribeck摩擦模型提出了一种补偿控制器,并采用Lyapunov函数和拉萨尔一般不变性原理证明其有效性,最后在具体的控制对象上加以验证,结果表明,可以对摩擦力矩进行有效补偿。另外,该方法具有一定的通用性,可以广泛的用于非线性因素的补偿,提高系统跟踪精度。另外该控制算法的进一步改进工作也在继续进行中。

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转台结构设计 篇11

天线伺服转台 (下简称:转台) 是雷达系统中的一个重要组成部分。无论是地面、车载、机载、舰载、甚至弹载等平台的机械扫描式雷达探测系统中, 高精度伺服转台的设计都是整个系统可靠、有效工作的一个重要保证, 其主要任务是:驱动天线以要求的转速在设定的角度范围实现对关注空域的连续扫描和目标搜索, 并对锁定目标进行精确定位或跟踪[1]。雷达天线转台属于一个典型的机电一体化系统, 其基本组成如图1所示。

本文集中于伺服控制器的硬件和软件设计。设计了一套基于MCU+EPLD的雷达天线转台伺服控制系统, 以高速单片机作为主控制器, 以可编程逻辑器件EPLD通过硬件编程的方式构建各种外围接口电路[2,3], 系统设计思路明晰、电路组成简洁、集成度高、软件编程灵活, 功能可扩展性好, 具有较高的性价比和推广意义。

1 设计要求

根据系统的总体功能与技战术指标, 要求转台: (1) 带负载 (天线) , 转速在0~30 r/min±10%范围内连续可调; (2) 转速不稳定性≤2%; (3) 定时上报转台角位置, 角度最小量化单位≤0.05°; (4) 接收上位机指令, 实现定位或随动控制, 位置控制精度≤0.2°。

输入输出接口: (1) 与上位机之间以RS422串口通讯, 接收上位机下发的控制指令; (2) 以差分串行方式定时上报转台实时角位置和转速等; (3) 具有手动控制功能, 方便系统调试与检修。

2 硬件电路设计

本文选择以MCU+EPLD为核心组成伺服控制器硬件电路, 并设计了基于AD2S99和AD2S80的旋变励磁与RDC (旋变数字变换器) 解码电路[4,5]。系统硬件电路原理框图如图2所示, 在设计中贯彻“通用化、模块化”的原则, 按照硬件电路功能划分为五个模块: (1) MCU及其接口电路; (2) EPLD及外部输入输出接口电路; (3) 旋变励磁及RDC解码电路; (4) 差分输出驱动电路; (5) 显控终端接口电路等。

2.1 MCU主控电路

以MCU为主控器件, 主要完成各种运动控制算法、与上位机进行串口通讯, 以及与EPLD之间的并行总线通讯, 包括:电机运动控制量、转台当前角位置、角速度、工作状态与故障报警, 以及外部以中断形式输入的手动控制、故障急停等信号。

选择Silicon LAB公司C8051F340单片机, 它是一款完全集成的混合信号片上系统型芯片, 采用高性能的静态80C51设计, 可在系统 (ISP) 编程。具有丰富的软硬件资源: (1) 自带64 k B的FLASH和4 k B的片内RAM; (2) 有40个I/O口, 各I/O功能可通过内部数字交叉开关进行灵活配置; (3) 内部48 MHz的系统频率, 指令速度可达48MIPS; (4) 具有SPI、I2C和2个UART接口; (5) 内部具有4个定时器, 可实现电机的PWM控制及软件定时; (6) 芯片采用48引脚TQF封装, 体积小、功耗低、抗干扰性强, 可很好满足系统的设计要求。

2.2 EPLD接口电路

利用EPLD能够通过硬件编程实现电路逻辑功能与时序定义的特点, 来设计外部数字接口电路, 可提高系统的设计灵活性, 简化系统硬件组成。本设计中由EPLD构建: (1) 16位并行数据总线接口, 与MCU进行数据通讯, 并读取旋变RDC的并行输出数据; (2) PWM信号输出接口; (3) 系统状态与自检信号输入接口; (4) 外部急停、调试等输入信号接口。

选择ALTERA公司的低功耗EPF10K50RI240型芯片, 它内含多达116 000个门电路单元, 等效2 880个可编程逻辑单元 (LE) , 20480B的用户RAM存储器, 最大用户可用I/0数为189, 完全可满足转台伺服系统设计的资源要求, 另外, 该型EPLD采用单电源5VDC供电, 与MCU之间电平完全匹配。

2.3 旋变接口电路

旋变是一种结构类似于电机的旋转测角器件, 它是应用电磁感应原理来进行角位置检测的。通过在定子端加入一定频率的正弦励磁信号, 当转子转动时, 可在转子端感应输出频率相同, 而幅值随转角做正余弦变化的两相正交模拟量, 通过RDC转换, 即可把该模拟量变换为对应的角度数据[5]。由于其环境 (振动、湿热、高低温等) 适应性强, 被广泛应用于各种军、民用工程的伺服系统中作为测角器件。本文选择上海赢双电机厂的YSXX系列无刷旋变, 其应用接口电路包括:励磁电路和解码RDC电路。

励磁电路:根据所选旋变的电气参数要求, 定子端输入峰值电压2 V、频率2 k Hz的正弦信号;解码电路:对转子端输出的正弦模拟量进行AD转换, 得到16位并行二进制编码角度数据。励磁和解码电路如图3所示。

3 软件设计

天线转台主要有位置控制和速度控制两种工作模式, 采用模块化编程方法, 系统程序分为以下几个功能模块:

(1) 串口通讯程序:接收上位机下达的各种控制指令, 上传转台的角位置、转速、工作状态, 及故障自检信息等;

(2) 旋变RDC接口程序:在EPLD中完成, 接受RDC输出的16位转台实时角度编码数据, 以总线方式提供给MCU, 作为控制环路的反馈输入;

(3) 速度环路控制子程序:实现转台转速的连续可调;

(4) 位置控制子程序:根据目标角位置, 实现转台的精确定位或随动控制;

(5) 系统故障自检程序:检测系统各组件的工作状态。

4 结束语

本文设计, 已成功应用于我厂某雷达天线转台伺服系统中, 系统工作可靠、性能稳定、各项功能指标满足系统总体设计要求。文中基于MCU+EPLD的硬件架构设计、旋变励磁解码接口电路设计, 以及软件的模块化设计方法, 也可作为一种通用的设计参考, 在其他各种伺服系统工程设计中推广应用。

参考文献

[1]尹文禄, 柴舜连, 毛鈞杰.天线转台控制系统[J].电子测量技术, 2005 (3) :82-84.

[2]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航天工业大学出版社, 2002.

[3]周立功, 夏宇闻, 等.单片机与CPLD综合应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.

[4]李声晋, 周奇勋.一种旋转变压器-RDC测角系统的数字标定及补偿方法[J].微特电机, 2007 (6) :26-29.