三轴转台台体结构设计

三轴转台结构介绍三轴转台是一种用于控制运动方向和角度的机械装置。

它通常由三个相互垂直的轴组成，分别是水平轴、垂直轴和旋转轴。

三轴转台主要用于航空航天、军事、船舶、机器人等领域的精密定位和追踪操作。

水平轴是三轴转台的基本轴之一，也是最基础的运动轴。

它使转台能够在水平方向上进行平移运动，常用于改变转台的位置。

垂直轴是另一个基本轴，它使转台能够在垂直方向上进行上下运动。

通过控制垂直轴的运动，可以改变转台的高度。

旋转轴是最重要的轴，它使转台能够在水平面内进行旋转运动。

通过控制旋转轴的运动，可以改变转台的方向和角度。

三轴转台的结构设计要考虑到稳定性、精度和可靠性。

为了保证转台的稳定性，常采用重型结构和防震装置来减少外界干扰对转台运动的影响。

为了保证转台的精度，需要采用高精度的轴承和驱动装置，以及精密的控制系统。

为了保证转台的可靠性，需要采用可靠的传感器和执行器，并进行合理的维护和检修。

在航空航天领域，三轴转台广泛应用于卫星地面测试和发射场测试。

在卫星地面测试中，可以使用三轴转台模拟卫星在轨道上的运动，以验证卫星的姿态控制系统和传感器的性能。

在发射场测试中，可以使用三轴转台模拟发射过程中的运动情况，以验证发射车辆和卫星的适应性和可靠性。

在军事领域，三轴转台主要应用于导弹、雷达和光电设备的定位和追踪。

通过控制转台的运动，可以实现对目标的精确定位和持续追踪，提高军事系统的作战效能和战场信息获取能力。

在船舶领域，三轴转台主要应用于船舶导航系统和海洋观测设备的定位和导航。

通过控制转台的运动，可以实现对船舶航向和船首方向的控制，提高航行安全性和导航精度。

同时，通过安装观测设备，可以对海洋环境进行实时监测和数据采集。

在机器人领域，三轴转台主要应用于机器人的运动控制和视觉定位。

通过控制转台的运动，可以实现机器人在三维空间的精确定位和运动控制，提高机器人的运动灵活性和操作精度。

同时，通过安装相机和传感器，可以实现机器人的视觉感知和环境识别，提高机器人的自主导航和任务执行能力。

硕士学位论文三轴转台控制系统设计CONTROL SYSTEM DESIGN OF THREE-AXIS TURNTABLE陈丽娟哈尔滨工业大学2010年6月国内图书分类号：TP273.2 学校代码：10213 国际图书分类号：681.5 密级：公开硕士学位论文三轴转台控制系统设计硕士研究生：陈丽娟导师：伞冶教授申 请 学 位：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：信息科学与工程学院答辩日期：2010年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index：TP273.2 School Number: 10213 U.D.C：681.5 Security: OpenDissertation for the Master Degree in EngineeringCONTROL SYSTEM DESIGN OFTHREE-AXIS TURNTABLECandidate: Chen LijuanSupervisor:Prof. San YeAcademic Degree Applied for:Master of Engineering Specialty: Control Science and Engineering Affiliation: School of Information Scienceand EngineeringDate of Defence:June, 2010Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘 要三轴转台是应用在半实物仿真系统中，模拟被测物体姿态变化的装置。

本文中，我们研究的主要内容为三轴转台。

本文以实际工程项目为背景，主要研究三轴转台的控制系统设计。

随着武器系统精度的不断提高，对其测试装置的要求也越来越高。

论文首先简要阐述了国内外三轴转台的研究现状，并简要总结了我国转台的发展方向、各类控制方法在该领域的应用情况以及转台控制系统存在的主要问题。

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。

ABSTRACTThree shafts radar simulation turntable is one type of the three shafts turntable . The three shafts radar simulation turntable in this design is mainly used to test a certain type of airborne radar. The simulation turntable has great influence on the reliability and credence of experimentation,so the precision accuracy of a certain type of airborne radar is based on simulation turntable.This paper discusses detailedly the design of mechanical structure of the three shafts radar simulation turntable . Then uses the principle to demonstrate it and do the necessary calculation . At the same time, introduce the principle and structure of measurement components and clutch and other components used in the turntable in brief . This design closely revolves around every targets in design assignment,and spreads out from inner frame to outer frame step by step. The chief content of this paper involves the demonstration of the general structure , the design of the detailed structure and the analysis of error of the turntable. Combining the designing character of the turntable ,this paper emphatically discusses the idea and the process in designing the turntable.Key words：；Three Axis simulation turntable；Airborne radar；Measuring element；Coupling；Inner ring；Central；Outer ring目录摘要 (1)第1章绪论 (5)1.1课题背景 (5)1.2.1 智能扫描机械台的发展状况 (5)1.2.2 国内智能扫描机械台的发展状况 (7)1.2.3 未来转台的发展趋势 (8)1.3 立题的目的和意义 (8)1.4 本文主要工作 (8)第2章智能扫描机械台总体设计 (9)2.2总体设计流程 (9)2.3转台类型的确定 (9)2.4转台运动功能设计 (10)2.4.1 工作原理 (10)2.4.2 运动功能方案 (10)2.5转台总体布局设计 (10)2.6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)3.1转台内环结构设计 (12)3.1.1 结构设计 (12)3.1.2 转矩计算 (13)3.1.3轴向固定方式的选择 (14)3.1.4轴的最小直径的确定 (15)3.1.5轴承的选择 (15)3.1.6轴承的固定与密封 (15)3.1.7内框轴与负载盘的联接方式 (16)3.1.8 主要零件刚度校核 (17)3.1.9 电机转矩的校核 (18)3.2转台中环结构设计 (19)3.2.1 结构设计 (19)3.2.2 转矩计算 (20)3.2.3 电机转矩校核 (21)3.3转台外环结构设计 (21)3.3.1 结构设计 (21)3.3.2 转矩计算 (21)3.3.3 电机转矩校核 (23)3.4机械转角限位装置设计 (23)第4章误差分析 (26)4.1回转精度分析 (26)4.1.1 滚动轴系回转精度 (26)4.1.2 俯仰轴系回转精度 (26)4.1.3 方位轴系回转精度 (27)4.2三轴相交度分析 (27)4.2.1 滚动轴与俯仰轴的相交度 (27)4.2.2 俯仰轴与方位轴的相交度 (28)第5章测量及其它元件简介 (29)5.1直流无刷电机 (29)5.2感应同步器 (30)5.3绝对式光电码盘 (30)5.4钢丝滚道轴承 (31)5.5胀紧式联轴器 (32)结论 (33)参考文献 (34)致谢 (33)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。

一种可全方位移动的三轴转台结构设计摘要：本文介绍了一种适用于一些小型飞行器模拟测试的实验平台，按要求对其结构进行了设计，并制作了实验的样机。

该实验平台实现可以三个旋转自由度和地面的全方位移动，并且该平台不需要驱动元件，结构简便实用。

关键词：三轴转台;全方位移动;结构设计引言三维转台作为航空、航天研究中的关键地面设备是导航制导设备的关键，所以转台的技术研究一直受到发达国家航空航天领域的高度重视。

三轴转台是用于飞机，导弹，飞船等其他飞行器及地面半实物仿真的关键设备，它可在实验室环境内实时地模拟复现飞行器在空中的动力学特性和飞行器在空间进行中滚转、俯仰、偏航等的运动姿态，转台技术广泛应用于航空、航海、国防建设领域中。

目前，各国研究制作的转台都是带有驱动机构的大型控制转台，这些测试转台无论是机械结构还是测量控制系统都极其复杂，转台的制作使用成本昂贵，操作复杂;而且，这些平台大多是不可自由移动的。

这对于一些需要在地面自由移动的小型简易的实验飞行器和其他一些需要低成本半实物仿真的设备，显然是不适合。

而针对这种在地面自由移动，低成本，使用、操作方便的飞行器设备实验仿真测试平台。

本文提出一种新的可全方位移动的三轴转台设计。

1.结构设计1.1整体结构方案设计按照设计要求，本设计具体地说是一种可全方位移动的三轴转台，包括彼此转动连接的转动部分及移动平台，转动部分包括转杆、中环及外环，移动平台包括底座、支杆及万向轮，外环转动安装在底座上，底座上沿周向均布有多个支杆，每个支杆均连接有万向轮，通过万向轮实现水平方向前后、左右两个平移自由度;中环转动安装在外环内，转杆作为被测对象的载体转动安装在中环内，通过转杆相对于中环转动、中环相对于外环转动及外环相对底座转动实现三个旋转自由度，如图1所示。

图1 转台三维模型1.2转动部分结构设计转台的转动部分包括中间转杆、中环及外环，具体情况可以参照图1。

中环和外环采用的正八边形的形状。

2020年第41卷第3期中北大学学报(自然科学版)V o l.41 N o.32020 (总第191期)J O U R N A LO FN O R T HU N I V E R S I T YO FC H I N A(N A T U R A LS C I E N C EE D I T I O N)(S u m N o.191)文章编号:1673-3193(2020)03-0214-06宽频带多功能小型三轴转台结构设计李登1,李孟委1,2,张鹏1,2(1.中北大学仪器与电子学院,山西太原030051;2.中北大学南通智能光机电研究院,江苏南通226000)摘要:三轴转台是用于惯性元件测试㊁半实物仿真的复杂光机电设备,它的性能指标直接影响到空间飞行器和运载体的控制和导航精度.本文设计了一台宽频带多功能小型三轴转台,用于对M E M S惯组进行标定,同时可以仿真车载㊁弹载㊁机载等环境,另外还具有离心机和稳定平台等多种功能.首先,结合标定测试㊁环境模拟㊁离心机等多种功能要求,对三轴转台进行结构设计,建立了实体模型,将模型适当处理后导入A n s y s进行动静态特性分析;然后针对转台带宽指标,对转台伺服系统进行了建模分析.分析结果表明,所设计的转台符合各项性能指标要求.关键词:宽频带;三轴转台;机械结构设计;有限元分析中图分类号: T H11文献标识码:A d o i:10.3969/j.i s s n.1673-3193.2020.03.005W i d e-B a n dM u l t i-F u n c t i o n a l S m a l l S t r u c t u r eD e s i g no f t h eT h r e e-A x i sT u r n t a b l eL I D e n g1,L IM e n g-w e i1,2,Z H A N GP e n g1,2(1.S c h o o l o f I n s t r u m e n t a n dE l e c t r o n i c s,N o r t hU n i v e r s i t y o f C h i n a,T a i y u a n030051,C h i n a;2.N a n t o n g I n s t i t u t e o f I n t e l l i g e n t O p t o-M e c h a t r o n i c s o fN o r t hU n i v e r s i t y o f C h i n a,N a n t o n g226000,C h i n a)A b s t r a c t:T r i-a x i s t u r n t a b l e i s a c o m p l e xo p t i c a l-m e c h a n i c a l d e v i c e u s e d f o r i n e r t i a l e l e m e n t t e s t i n g a n d s e m i-p h y s i c a l s i m u l a t i o n.I t s p e r f o r m a n c e i n d i c a t o r s d i r e c t l y a f f e c t t h e c o n t r o l a n d n a v i g a t i o n a c c u r a c y o f s p a c e v e h i c l e s a n d c a r r i e r s.As m a l l t h r e e-a x i s t u r n t a b l ew i t hw i d e-b a n d a n dm u l t i-f u n c t i o nw a s d e s i g n e d t o c a l i b r a t e t h eM i c r o-E l e c t r o-M e c h a n i c a l S y s t e m(M E M S)i n e r t i a l u n i t.I t c o u l d a l s o s i m u l a t e t h e e n v i-r o n m e n t o f v e h i c l e,m i s s i l e a n d a i r b o r n e.I t a l s o h a d f u n c t i o n s s u c h a s c e n t r i f u g e a n d s t a b i l i z a t i o n p l a t-f o r m.F i r s t l y,t h e t h r e e-a x i s t u r n t a b l ew a s d e s i g n e dw i t h t h e f u n c t i o n s o f c a l i b r a t i o n t e s t,e n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n,c e n t r i f u g e a n ds oo n,s o l i dm o d e lw a s e s t a b l i s h e d,a n d t h em o d e lw a s p r o p e r l yp r o c e s s e da n d i m p o r t e d i n t oA n s y s f o r d y n a m i c a n d s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s.T h e n,a c c o r d i n g t o t h e t u r n t ab l eb a n d w i d t h i n d e x,t h e t u r n t a b l e s e r v o s y s t e mw a sm o d e l e d a n d a n a l y z e d.T h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o wt h a t t h e d e s i g n p l a t f o r m m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f v a r i o u s p e r f o r m a nc e i nd i c a t o r s.K e y w o r d s:w i d e b a n d;t h r e e-a x i s t u r n t a b l e;m e c h a n i c a l s t r u c t u r e d e s i g n;f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s0引言三轴转台是用于测试惯性元件及实现半实物地面仿真实验的重要非标设备,在航空航天㊁光电追踪㊁稳瞄稳像等领域有着广泛的应用[1],具有重大的实用价值和经济价值.三轴转台的精度对半实物仿真和惯性元件测试的可靠性具有直接影响,继而影响飞行器和运载体的精度和稳定性.收稿日期:2020-01-19作者简介:李登(1994-),男,硕士生,主要从事三轴转台设计㊁误差参数等方面的研究.通信作者:李孟委(1975-),男,教授,博士,主要从事惯导装备标定㊁惯性平台设计等方面的教学和研究工作.目前市场上成熟的三轴测试转台㊁三轴离心机等体积庞大㊁价格昂贵,标定流程冗杂,难以满足日益增长的M E M S惯组测试需求.因此,需要设计一台宽频带多功能小型三轴转台,用于对M E M S 惯组进行测试标定,同时具有仿真转台功能㊁稳定平台功能㊁离心机功能.本文对三轴转台进行结构设计和驱动电机选型,并对转台结构进行静动态分析,对控制系统进行带宽分析,从而确定转台结构是否合理,是否满足静动态特性要求. 1三轴转台总体结构1.1三轴转台技术指标根据设计要求,转台的指标如下:台体尺寸(长ˑ宽ˑ高)为360m mˑ350m mˑ450m m;承载能力为3k g;被测件最大尺寸为80m mˑ80m mˑ80m m;系统谐振频率>150H z;转角范围为360ʎ;最大角加速度为40r a d/s2;转台重量为10k g;动态指标为三轴的工作范围nˑ360ʎ.1.2三轴转台总体结构转台总体结构如图1所示,为立式结构,外中内框分别为U-O-O型,外框轴线垂直于地面,中框轴线与地面平行,内框轴线与中框㊁外框轴线相互垂直.被测件安装在内框上,中框和外框上均有相应的轴承安装孔,外框轴承支承中框连轴体,中框轴承支承内框连轴体,底部采用两个圆锥滚子轴承固定外框轴,三个框架的驱动均使用直流力矩电机驱动,框架轴上安装有光电编码器转子,内框中框驱动轴的相应耳朵部位安装有光电编码器定子,外框编码器定子安装在底座阶梯孔上.图1转台总体结构图F i g.1 O v e r a l l s t r u c t u r e o f t h e t u r n t a b l e采用光电编码器作为反馈元件,用以反馈角度信息,完成框架的运动控制.采用导电滑环进行电气传输,在外㊁中框有滑环安装孔位,中框外框均留有空腔用来走线,底部用滑环将内㊁中㊁外框驱动电机㊁光电编码器及被测件线连接至底座连接器.选用铝合金6061其加工切削性能和抗腐蚀性良好㊁韧性高㊁不易变形,所以转台整体结构采用铝合金6061,在保证转台性能的同时减轻了重量,从而能够减小转动惯量,加快系统的响应速度[2]. 2机械结构设计及电机选型2.1转台框架结构图转台框架结构如图2所示.转台框架由内框㊁中框㊁外框组成.内框连轴体由内框㊁内框驱动轴和导电滑环完成机械装配及电气传输.图2转台框架结构图F i g.2 T u r n t a b l e f r a m e s t r u c t u r a l d i a g r a m装配时先将内框电机驱动套安装在中框上,力矩电机定子和内框电机驱动套采用过盈配合,定子与内框驱动轴也采用过盈配合,内框驱动轴上安装有隔垫用于在轴向固定中框轴承,在中框的对面安装滑环及滑环固定套,并在其中加铅块进行配重.内框驱动轴右端上有销孔,在内框安装定位销,使内框驱动轴与内框实现定位,在左端轴肩上安装光电编码器转子,编码器定子安装在中框耳朵上,转子定子间保持0.6m m间距,通过定位尺寸来实现.中框连轴体由中框㊁中框驱动轴㊁中框隔垫及导电滑环实现.中框与内框连轴体类似,不同的是中框驱动电机套对面安装有512(总第191期)宽频带多功能小型三轴转台结构设计(李登等)中框隔垫,支撑中框并且连接导电滑环完成电气传输.2.2底座结构设计底座装配图如图3所示.底座不仅承载内中外三个框架,同时也需要给外框及离心盘提供转矩驱动,因而对这部分进行着重考虑.针对外框的驱动和电气连接,设计轴套嵌合在导电滑环上,同时实现机械传动和电气传输.底座采用圆柱形,内部加工阶梯孔用于安装上下圆锥滚子轴承㊁轴承压盖,并在台阶相应位置处打孔用于走线.上端轴承定位靠轴承压盖实现,下端圆锥滚子轴承定位依靠力矩电机㊁编码器㊁轴套㊁滑环及相应的零部件结构,同时在基座台阶上打出通孔用于力矩电机和编码器的走线.在底座近地位置铣出平面并加工出通孔,螺纹孔安装电连接器,连接导电滑环定子端走线.底部有紧涨环固定线束,防止导电滑环定子端随转子端滑动.底座整体装配方式为自下而上,具有较好的工艺性和维修性.图3底座装配图F i g.3B a s e a s s e m b l y2.3负载力矩计算及驱动电机的选择电机选型需要对负载力矩大小进行计算[3],其计算公式为T=Iα,(1)式中:T为力矩;I为电机上总的转动惯量(负载和框架两部分组成);α为电动机角加速度.峰值力矩计算方法为T p=(I m+I L)α,(2)式中:I m为负载折算到电机轴的转动惯量;I L为自身转动惯量;α为电机最大角加速度.内框的转动惯量由两部分产生成,一部分是内框自身的重量,另一部分则是内框上安装的被测件的重量[4].内框的设计形状为圆形,转动轴为直径所在直线,依据相关的理论力学原理公式,得到J=m r24,(3)式中:J为转动轴的转动惯量;m为内框的质量; r为内框半径.计算得到内框转动时的转动惯量J1J1=0.25ˑ0.0624=0.0002k g㊃m2.(4)这里,被测件重量按照指标要求取3k g,由于实际安装工况比较复杂,计算时认为载荷均匀分布在内框上,则被测件相对于内框电机轴的转动惯量为J2=3ˑ0.0624=0.0027k g㊃m2.(5)计算得到三轴转台内框转动惯量为I1=J1+J2=0.0029k g㊃m2.(6)考虑实际情况存在摩擦力矩的作用,因此选取一定的放大系数,系数选为1.5,最终得到内框的转动惯量为I内=1.5ˑI1=0.00435k g㊃m2.(7)同样得到中框和外框的转动惯量为I中=1.5M中r2中/4=1.5ˑ(3+0.25+0.314)ˑ0.07152/4=0.00683k g㊃m2,(8)I外=1.5M外r2外/4=1.5ˑ(3+0.25+0.314+0.463)ˑ0.0952/4=0.0136k g㊃m2.(9)最大角加速度α要求为4r a d/s2,可以求得三个框架的驱动力矩分别为T内=40ˑ0.00435=0.174N㊃m,(10)T中=40ˑ0.00683=0.027N㊃m,(11)T外=40ˑ0.0136=0.0544N㊃m.(12)查阅资料得,直流力矩电机相比交流力矩电机力矩波动小,能直接与负载耦合,使用方便,操作简便.根据直流力矩电机转矩转速特性曲线进行直流力矩电机选取,可有效提高系统的耦合刚度和机械共振频率,保证定位精度和系统的工作稳定性[5].因此,采用直流力矩电机对三轴转台进行力矩输出.通过调研,选择科尔摩根力矩电机T B M-6013-A即可达到框架的力矩输出要求. 3转台结构有限元分析三轴转台结构十分复杂,如果全部进行建模,612中北大学学报(自然科学版)2020年第3期一则增加计算机计算量,二则其中的约束关系十分复杂,因此需要对其结构进行简化[6].简化时要遵循的准则就是:保留关键部件,对不影响分析结果的结构进行适当简化,保留主要力学特性.可以从以下方面进行考虑:1)将螺纹孔㊁倒角等忽略,在分析时倒角不但占据运算空间,而且如果划分网格不够细致的话,容易出错.因此对这些部位进行忽略,提高计算速度;2)将一些零件如轴承,元器件如光电编码器等在不影响分析准确性的条件下进行简化处理[7],仅在其模型上施加实际载荷.图4简化前后模型对比F i g.4C o m p a r i s o n o f s i m p l i f i e dm o d e l b e f o r e a n d a f t e r3.1三轴转台静态结构分析模型经过简化后导入A n s y s中进行静态分析,转台网格化后如图5所示.图5网格化后实体模型F i g.5 M e s h e d s o l i dm o d e l网格化后有限元的节点总数为204278,单元总数为103737.将A n s y s网格尺寸定义为参数变量,利用A n s y s w o r k b e n c h的优化分析模块进行分析来确定敏感度.通过检查,网格的平均质量为0.78,网格质量较好.在W o r k b e n c h中导入装配体后,实体之间会自动创建接触对,框架轴系支承在轴承上,电机带动轴作旋转运动.静态分析时,底座施加约束固定,除自身旋转方向外对轴承施加其他方向约束,在电机上施加绕自身轴旋转的约束[8].根据转台指标在内框上施加30N的力,经计算得到图6转台节点位移变形图和图7等效应力云图.图6转台节点位移变形图F i g.6 D i s p l a c e m e n t d e f o r m a t i o n d i a g r a mo f t u r n t a b l e j o i n ts图7转台等效应力云图F i g.7E q u i v a l e n t s t r e s s n e p h o g r a mo f t u r n t a b l e由图6和图7可以看出:在3k g载荷下,位移变形为0.009m m,相比内环半径的60m m, 0.009ː60=1.5ˑ104为四个数量级,可以忽略,符合刚度要求;转台框架最大应力为σm a x=3.6ˑ106P a,最大应力出现在内框驱动轴,6061铝合金的许用应力σb=5.5ˑ107P a,安全系数取2,σm a x<σb/2=2.75ˑ107P a,因而转台结构满足承载指标.3.2三轴转台模态分析模态分析可以计算结构的振型和固有频率[9].转台的共振发生在低中频段,因此研究动态特性只需提取前六阶模态即可满足要求.利用分块L a n c z o s算法求解转台的振型及频率.通过对转台总体进行模态分析及提取,得到前六阶模态固有频率和振型如图8所示.712(总第191期)宽频带多功能小型三轴转台结构设计(李登等)(a)一阶振型图(b)二阶振型图(c)三阶振型图(d)四阶振型图(e)五阶振型图(f)六阶振型图图8转台六阶模态振型图F i g.8 T h e s i x t h o r d e rm o d a l v i b r a t i o nm o d e o f t h e t u r n t a b l e整理得到转台的固有频率及振型特点,如表1所示.表1转台的固有频率及振型特点T a b.1 N a t u r a l f r e q u e n c y a n d v i b r a t i o nm o d e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t u r n t a b l e阶次123456固有频率/H z359.99388.77789.411001.01102.11132.9危险区域外框耳朵上沿中外框耳朵上沿外框耳朵上半部分离心盘边沿离心盘边沿外框驱动轴耳朵从表1可以看出,转台的前六阶固有频率范围为359.99~1132.9H z,系统的外部激励工作频率在200H z以内,转台的最低阶固有频率为359.99H z,比外部激励频率大得多[10].所以,转台结构不会发生共振,具有宽频带特性.4伺服系统频带分析对于三轴转台来说,要求整个伺服系统具有超低速㊁高精度和高频响,高频响是反映转台动态性能的重要评定依据之一.由于存在机械谐振㊁时间滞后等因素,三轴转台系统中存在不确定性,并且这种不确定性是限制系统带宽的决定性因素之一[11].针对三轴转台,通过研究框架系统的谐振频率来考虑系统不确定性的影响.通过对转台三个框架系统进行模态分析,确定各转台框架的一阶谐振频率.内框㊁中框㊁外框在实际约束下的振型如图8所示.其中内框的一阶谐振频率最小为890.84H z,大约是外部激振频率150H z的812中北大学学报(自然科学版)2020年第3期5倍,因此伺服系统不会引起机械谐振.一阶谐振频率如表2所示.(a)转台内框振型图(b)转台中框振型图(c)转台外框振型图图9转台各框架振型图F i g.9 T u r n t a b l e f r a m e v i b r a t i o nm o d e d i a g r a m表2转台各框架一阶谐振频率表T a b.2F i r s t-o r d e r r e s o n a n t f r e q u e n c y t a b l eo f e a c h f r a m e o f t u r n t a b l e框架名称一阶谐振频率/H z危险区域内框890.84内框中心处中框957.51中框靠近驱动轴的腔体外壁边沿外框1734.5外框腔体外壁边沿5结论1)对转台机械结构进行合理设计,包括内框连轴体㊁中框连轴体及底座,完成电机及关键元器件选型,实现三轴转台㊁离心机㊁仿真转台功能.2)在静载荷作用下,转台内框的变形为0.009m m,承载能力达到指标要求.转台的前六阶固有频率范围为359.99~1132.9H z.指标要求系统带宽为150H z,因此静动态指标均满足要求.另外,模态分析发现转台耳朵部分和中框外框腔体边沿处为易发生变形的危险区域,因此转台耳朵部分需要增加壁厚,中外框腔体可以增加壁厚或者适当增加圆角和加强筋.3)通过实际运行验证,转台结构设计合理,符合各项指标要求,能满足M E M S惯组测试需求,并具有宽频带㊁多功能㊁小型化的特点.参考文献:[1]何楚瑶.高频角振动转台控制系统研究[D].太原:中北大学,2014.[2]李杰.精密光电跟踪转台框架的静动态特性分析[J].光电工程,2010,37(1):61-64.L i J i e.S t a t i c a n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s o f f r a m eo f p r e c i s i o no p t o-e l e c t r o n i c t r a c k i n g t u r n t a b l ef r a m e[J].O p t o-e l e c t r o n i c E ng i n e e r i n g,2010,37(1):61-64.(i nC h i n e s e)[3]李强.三轴仿真转台设计及动力学研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007.[4]马国伟.舰载高精度三维伺服平台的研制[D].西安:西安工业大学,2015.[5]雷巍.小型两轴光电转台控制系统设计与实现[D].成都:电子科技大学,2015.[6]李秋红.三轴转台有限元结构分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007.[7]潘健.三轴转台结构静动态特性分析与动力学仿真[D].上海:上海交通大学,2009.[8]潘健,习俊通.基于有限元的三轴测试转台静动态特性研究[J].机械设计与制造,2009(9):4-6.P a n J i 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专题握腐车载高精度搜跟一体三轴转台结构设计与分析□黄晓英口梁文宏口王洪喜西安工业大学机电工程学院西安710024摘要：为解决无人机等低空飞行设备在公共场所中的安全隐患问题，采用双方位加俯仰的结构形式，设计了一种便携式车载高精度小目标搜跟一体三轴转台。

在保证精度指标的基础上，建立这一车载高精度搜跟一体三轴转台的三维实体模型，运用有限元数值方法对三维实体模型进行静力学分析，确认结构强度和刚度均满足设计要求。

对这一车载高精度搜跟一体三轴转台进行模态分析，得到前6阶模态的固有频率和振型，并进行随机振动响应分析。

分析结果表明，这一车载高精度搜跟一体三轴转台的结构设计合理，满足使用要求。

关键词：搜索跟踪转台结构设计分析中图分类号：TH122文献标志码：A文章编号：1000-4998(2021)03-0009-05Abstract:In order to solve the potential safety hazards of low~altitude flying equipment such as unmanned aerial vehicle in public places,a portable vehicle-mounted high-precision small target search/track integrated three-axis turntable was designed with a dual-o rientation plus pitching structural configuration.On the basis of ensuring the accuracy indicator,a three-dimensional solid model of this vehicle-mounted high-precision search/t rack integrated three-axis turntable was established,and the three-d imensional solid model was statically analyzed using finite element numerical method to confirm that the structural strength and rigidity meet the design requirements.The modal analysis was performed on this vehicle-mounted high-precision search/track integrated three-axis turntable,and the natural frequencies and vibration modes of the first6 order modes ware obtained,and random vibration response analysis was performed.The analysis results show that the structural design of this vehicle-mounted high-precision search/track integrated three-axis turntableis reasonable and meets the operating requirements.Keywords:Search Track Turntable Structure Design Analyses1设计背景随着航空航天技术、微电子技术、信息技术等的发展，无人机在航拍、救援、侦察等领域发挥着越来越重要的作用。

三轴测试转台结构设计与分析作者：王晨晨来源：《科学导报·学术》2020年第33期摘要：本文介绍了一种用于天线测试的三轴重载高精度转台，转台各轴均采用双电机驱动的方式实现齿轮消隙，实现较高的定位精度。

文章详细介绍了转台的技术指标及结构组成，并对传动链功率设计进行了计算校核。

使用Hyperworks/optistuct软件有限元建模，对搬运器进行各工况下变形和强度的力学分析。

分析结果表明，整机安全裕度符合设计指标要求。

关键词：三轴测试转台;定位精度;双电机消隙;驱动回差;引言高精度的重载测试转台作为关键设備，在雷达天线内场、外场标定中起着不可替代的作用，其承载能力、测角精度和定位精度直接关系到测试实验的可靠性和置信度。

其中，精密三轴天线测试转台可在实验环境下模拟重型天线实际工作时的各种姿态，复现其不同姿态下的微波场特性，从而对其微波器件的功能和性能反复仿真、测试和标定，是天线近场测量的重要设备之一[1-3]。

随着雷达天线阵面尺寸重量的大型化和高精度化，对测量标定转台设备的性能和精度要求也在不断提高。

因此，高精度重载多轴测试转台的研究和制造，对航空航天及国防建设有重要意义[4]。

本文所述三轴转台主要为位置和随动功能转台，承载较大，为侧重静态稳态性能的角度指示型测试转台。

其可承载较大负载并实现三轴大范围转动，并可在大负载下保持在空间的稳定指向;可接收上位机的控制指令，实现相应的上方位、俯仰和下方位任意位置定位或随动运动，引导被测天线精确指向目标，并可长时间锁定在该位置，以满足标校测试要求。

1.技术指标及结构系统组成三轴测试转台由上、下方位轴和俯仰轴组成，各轴均具有定位锁定及掉电位置锁定功能。

其中上、下方位轴配置导电滑环，可360︒连续旋转，其它基本技术指标如下：三轴转台主要由上方位转台、俯仰轴系和下方位转台三大部分组成。

上方位转台由上台面、上回转支承、精密减速机、驱动齿轮、汇流环、双级旋变和上底座等组成;俯仰框架主要由主齿轮、中心主轴、轴承组、二级减速齿轮、限位开关、双级旋变、俯仰框架和限位挡块组成;下方位转台由下台面、下回转支承、精密减速机、驱动齿轮、汇流环、双级旋变和下底座等组成。

摘要航空、航天工业发展水平是一个国家科技、经济和国防实力的重要标志。

而转台则作为航空、航天等领域中进行半实物仿真和测试的关键设备，也就在其研制过程中起到了极其重要的作用。

采用飞行模拟转台进行仿真不仅加快了武器与飞行控制系统的研制过程，也是研制费用大大降低，同时它是保证航空、航天型号产品和武器系统精度及性能的基础。

因此，转台的研究与制造对航空、航天工业和国防建设的发展具有重要作用。

本次毕业设计主要工作有对现有三轴飞行转台进行调研和分析，明确三轴转台的工作原理和结构组成部分，同时对实验室现有状况进行考察并对其建模，给出其中现有各物件尺寸及相对位置，还有设计外框马达单通道试验结构、中框马达单通道试验结构和内框电机试验结构、撰写论文。

关键字转台;仿真;驱动元件AbstractAviation and aerospace industry development level is an important symbol of national science and technology, economy and national defense strength. While the turntable as aviation, aerospace and other fields ofhardware-in-the-loop simulation and test of key equipment, also in the process of its development has played a very important role.The flight simulation turntable simulation not only speed up the process of development of weapon and flight control system, also is development cost is greatly reduced, at the same time it is to ensure that aviation and aerospace model product and the basis of weapon system accuracy and performance. Therefore, the study of the turntable and manufacturing for the development of aviation, aerospace industry and national defense construction plays an important role.The graduation design main job is to the existing research and analysis for three axis turntable flight, clear the working principle and structure of the three-axis turntable part of inspection for the laboratory existing conditions and its modeling, given the current size of various objects and the relative position, and the design frame motor single channel of frame structure, the test motor single channel test structure and frame motor test structure, writing essays.Keywords turntable;simulation;driving element目录摘要 (I)Abstract ........................................................................................................................ I I 第1章绪论.. (1)1.1 课题研究的目的、背景和意义 (1)1.2 国内外测试转台的发展概况 (1)1.2.1 国外对测试转台的研究 (1)1.2.2 国内对测试转台的研究 (3)1.3 未来转台发展趋势 (5)1.4 本章小结 (5)第2章半实物仿真 (6)2.1 半实物仿真系统定义 (6)2.2 半实物仿真的先进性及其特点 (6)2.3 半实物仿真的基本组成和原理 (6)2.4 三轴飞型转台与半实物仿真 (7)2.5 本章小结 (8)第3章三轴转台的概述 (9)3.1 三轴转台工作原理的概述 (9)3.2 仿真转台驱动原件的选择和标准 (9)3.2.1 液压驱动的优缺点 (9)3.2.2 电机驱动的优缺点 (10)3.3 驱动型式的选择 (10)3.4 本章小结 (11)第4章驱动元件试验场地 (13)4.1 实验室地基 (13)4.2 储能器 (13)4.3 实验室整体建模 (14)4.4 本章小结 (15)第5章外框马达单通道实验方案 (16)5.1 试验环境 (16)5.2 马达受力计算 (16)5.3 负载盘设计 (16)5.3.1 设计条件 (16)5.3.2 偏载件 (17)5.3.3 负载盘 (17)5.3.4 负载总成 (18)5.4 底座 (19)5.5 外框驱动元件试验结构 (21)5.6 本章小结 (22)第6章中框马达与内框电机试验 (24)6.1 中框马达试验 (24)6.1.1 试验环境 (24)6.1.2 模拟负载 (24)6.1.3 底座 (25)6.1.4 安装弯板 (25)6.2 内框电机试验 (25)6.2.1 模拟负载 (25)6.2.2 电机的安装及固定 (25)6.3 中框马达和内框电机试验 (26)6.4本章小结 (27)结论 (28)致谢 (29)参考文献 (30)附录1 (32)附录2 (36)第1章绪论1.1课题研究的目的、背景和意义航天、航空以及航海事业的发展水平反映了一个国家的综合国力，体现了一个国家的经济发展水平、科技发展水平以及军事实力的综合体现。

摘要本设计是大型客车三自由度综合试验台。

三自由度综合试验台设计的意义在于，利用该设备可以在实验室环境中模拟和再现大客车在实际路况运行时路面激励作用下的姿态角的变化，以此来研究车辆结构特征对稳定性的影响；通过大客车的高台侧翻跌落试验，用来进行跌落车辆的变形研究以及乘员保护等方面的试验。

在分析平台机械特性和运动特性的基础上，确定了试验台的最终搭建方案。

同时对综合试验台进行了必要的机构学方面的验证和运动位置的分析。

在此基础上，对综合试验台进行了机械台体部分的设计。

并对综合试验台的液压系统进行了设计。

结合台架的功能要求和机械部分的设计，本设计对液压系统的元件及辅件进行了计算和选型，并给出了液压系统性能的验算。

通过分析本方案可行，亮点是振动油缸与侧翻油缸分体，可以提高试验的效率。

关键词：大型客车；三自由度；综合试验台；位置分析；结构设计；台架试验；AbstractThe design of large passenger Comprehensive Test three degrees of freedom. Three Degrees of Freedom Test Bed Design is about the use of the device can be simulated in a lab environment and reproduce the buses running in the actual road surface excitation of the attitude angle change, in order to study the stability of vehicle structure on impact; by bus to the high-profile roll drop test, the vehicle used for drop deformation and occupant protection test areas. In the analysis of mechanical properties and motion characteristics platform based on a test bed to determine the final structure plan. At the same time comprehensive test bed for the necessary aspects of validation of mechanism and motion analysis of the location. On this basis, the integrated test bed was part of the design of Mechanical Bed. Integrated Test and hydraulic system design. Combined with the functional requirements bench and mechanical part of the design, the design of the hydraulic system components and accessories were calculated and selection, and gives the performance of checking the hydraulic system. By analyzing the feasibility of this scheme, bright spot is the vibration of tanks and tank split roll, can increase test efficiency.Key words:large bus;3-DOF;Synthetic test-bed;Position analysis;Structural design;Bench test目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 国内外三自由度平台的研究现状及意义 (1)1.1.1 国外三自由度平台的研究现状 (1)1.1.2 国内三自由度平台的研究现状 (3)1.1.3 国内外三自由度平台的发展趋势 (5)1.2 试验台整体研发思想 (5)1.2.1 试验台的设计思想 (6)1.2.2 对试验台设计的总体要求 (6)1.3设计的主要内容 (7)第2章综合试验台布置方案的设计 (8)2.1 试验台的结构方案设计 (8)2.1.1 综合试验台的初选方案 (8)2.1.2 可选方案的分析及比较 (10)2.1.3 设计方案的确定 (11)2.2 综合试验台结构模型及自由度 (13)2.2.1 试验台的结构简化模型 (13)2.2.2 自由度的计算 (14)第3章综合试验台机械台体的设计 (16)3.1 综合试验台上平台结构及力学分析 (16)3.1.1 上平台的结构及受力分析 (16)3.1.2 上平台的静强度分析计算 (21)3.2 综合试验台中间台架设计 (27)3.3 综合试验台的底座设计 (27)第4章试验台液压系统的设计 (31)4.1 设计液压系统方案 (31)4.2 液压泵的确定 (32)4.3 电机的选择 (33)4.4 组成元件设计 (33)4.4.1 阀的选择 (33)4.4.2 蓄能器的选择 (35)4.4.3 过滤器的选择 (36)4.4.4 冷却器的选择 (36)4.4.5 压力表、压力表开关的选择 (38)4.5 液压缸设计 (39)4.5.1 运动速度 (39)4.5.2 钢筒内径D (40)4.5.3 活塞杆直径的d的确定 (41)4.5.4 液压缸行程计算 (41)4.5.5 计算液压缸的工作面积和最大流量 (42)4.6 液压系统性能验算 (42)4.6.1 液压系统压力损失的验算 (43)4.6.2 液压系统总效率计算 (44)4.6.3 液压系统发热温升的计算 (44)结论 (46)致谢 (47)参考文献 (48)CONTENTS Abstract...................................................................................................................... I IChapter 1 Introduction (1)1.1 Three degrees of freedom platform for domestic and international statusand significance (1)1.1.1 Foreign Research three degrees of freedom platform (1)1.1.2 Three degrees of freedom platform for the domestic situation (3)1.1.3 Domestic and international platform for the development trend ofthe three degrees of freedom (5)1.2 Thinking of the overall research and development test bed (5)1.2.1 Test-bed design (6)1.2.2 On the general requirements of test rig design (6)1.3 Thesis main content (7)Chapter 2 Comprehensive Test Design Layout (8)2.1 Test Structure Design (8)2.1.1 Test-bed primary program (8)2.1.2 Analysis and comparison of options (10)2.1.3 Determination of design (11)2.2 Test Bed and the degree of freedom model (13)2.2.1 Test simplified model of the structure (13)2.2.2 Calculation of degrees of freedom (14)Chapter 3 the Comprehensive Test Stand Design Mechanical Bed (16)3.1 integrated test bed platform and mechanical analysis (16)3.1.1 Structural and Stress Analysis on the platform (16)3.1.2 Analysis on the platform of the static strength calculation (21)3.2 Integrated Test bench design center (27)3.3 Design of a Test Bed base (27)Chapter 4 Design of Hydraulic System Test Stand (31)4.1 The design of hydraulic systems (31)4.2 Determination of hydraulic pump (32)4.3 Motor selection (33)4.4 Composition of component design (33)4.4.1 Valve Selection (33)4.4.2 Accumulator selection (35)4.4.3 The choice of filter (36)4.4.4 Cooler Choice (36)4.4.5 Pressure gauge, pressure gauge switch option (38)4.5 Hydraulic Cylinder Design (39)4.5.1 Velocity (39)4.5.2 Steel tube diameter D (40)4.5.3 Determination of the piston rod diameter d (41)4.5.4 Calculation of hydraulic cylinder stroke (41)4.5.5 The hydraulic cylinder of working area and the maximum flow . 424.6 Hydraulic system performance calculation method (42)4.6.1 Checking hydraulic system pressure loss (43)4.6.2 Calculation of the total efficiency of hydraulic systems (44)4.6.3 Temperature of hydraulic system, calculation of heat (44)Conclusions (46)Acknowledgements (47)References (48)第1章绪论进入二十一世纪，随着我国高速公路基础设施建设的不断加快，公路里程的不断增加，我国开始步入了一个高速物流和快速客运的时代。