精密三轴测试转台控制系统设计与实现

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。

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。

三轴飞行仿真转台控制系统设计路平;刘凯;王龙【摘要】为实现转台的高精度控制,设计了转台数字控制系统.该控制系统以MSP430单片机为控制核心,采用模块化的设计理念和开放式的结构形式,设计了转台控制系统的硬件电路,并对其功能和原理进行了论述.以VC+ +6.0为开发环境,设计了控制系统的上位机软件结构;以IAR EW 5.0为开发环境设计了控制系统的下位机软件结构.为验证控制系统的性能,进行了控制实验,结果表明:系统控制效果良好,达到了预期效果.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2016(035)009【总页数】5页(P110-113,117)【关键词】三轴转台;控制系统;硬件电路;软件设计【作者】路平;刘凯;王龙【作者单位】军械工程学院无人机工程系,河北石家庄050003;军械工程学院无人机工程系,河北石家庄050003;军械工程学院无人机工程系,河北石家庄050003【正文语种】中文【中图分类】TP273三轴飞行仿真转台是一种在航空、航天等领域中进行模拟、仿真、测试等相关实验的半实物仿真设备，可以通过对三个框架实施不同的运动，模拟飞行器在空中的各种飞行动作和姿态变化，军事和民用价值日益突出。

转台的内、中、外三个框架分别模拟飞行器的滚转、俯仰、偏航运动[1]。

超低速、宽调速、高频响、高精度是仿真转台最重要的技术指标，设计合理的控制系统是实现转台技术指标的关键，关系到仿真结果的优劣[2]。

转台控制系统作为转台系统的核心部件，主要用于控制转台转动，实现转台的飞行仿真功能。

本文设计了一种基于MSP430单片机的转台数字控制系统，从硬件设计、软件设计和系统调试与转台控制实验三个方面对搭建的转台数字控制系统进行了较为详尽的阐述。

通过数字控制器实现对转台的闭环控制，控制策略采用软件程序实现，具有结构简单、控制精度高、抗干扰能力强、可靠性高等特点，控制效果良好。

转台控制系统的设计思路是采用人机交互界面的形式，实现转台指令的收发以及转台的检测；通过下位机即转台的数字控制器实现对转台的高精度控制。

三坐标测量机原理及应用摘要三坐标测量机是近40年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。

它广泛地应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业领域中。

它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测。

如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、形体等空间型面的测量。

此外，还可以用于划线、定中心孔、光刻集成电路等，并可对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。

由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密仪器，故有“测量中心”之称。

三坐标测量机在模具行业中的应用相当广泛，它是一种设计开发、检测、统计分析的现代化的智能工具，更是模具产品无与伦比的质量技术保障的有效工具。

当今主要使用的三坐标测量机有桥式测量机、龙门式测量机、水平臂式测量机和便携式测量机。

测量方式大致可分为接触式与非接触式两种。

关键词三坐标测量机传感器三维光栅尺目录第一章三坐标测量机简介第一节三坐标测量机的意义 (3)第二节三坐标测量机的研究现状 (4)第二章三坐标测量机的组成与结构第一节三坐标测量机的组成 (5)第二节三坐标测量机的结构。

(6)第三章三坐标测量机的分类及测量方法第一节三坐标测量机的分类 (8)第二节三坐标测量机的测量方法 (9)第四章三坐标测量机的应用及发展第一节三坐标测量机的应用 (10)第二节三坐标测量机的发展 (13)结束语 (15)参考文献 (16)第一章三坐标测量机简介三坐标测量机指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量仪或三次元。

三坐标测量机作为现代大型精密测量仪器已有40多年的历史，20世纪60年代以来，随着机床、机械，汽车、航空航天和电子工业的兴起，各种复杂零件的研制急需先进的检测仪器对其检测；同时，随着产品更新节奏的加快，对产品检测速度的要求也越来越高，三坐标测量机正是集合了这两个优点，得以在测量领域得到广泛的应用。

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IAbstractAviation 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 elementII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)III5.3 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)IV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。

转台计算机伺服控制系统设计飞行仿真转台为高精度的复杂控制系统, 是地面半实物仿真的关键设备, 用以模拟飞行器在空中的各种动作和姿态, 包括偏航、滚转和俯仰, 实际上是一种电信号到机械运动的转换设备。

把高精度传感器如陀螺仪、导引头等安装于转台之上, 将飞行器在空中的各种姿态的电信号转化为转台的三轴机械转动, 以使陀螺仪、导引头等敏感飞机的姿态角运动。

”高频响、超低速、宽调速、高精度”成为仿真转台的主要性能指标和发展方向。

其中, ”高频响”反映转台跟踪高频信号的能力强; ”超低速”反映系统的低速平稳性好; ”宽调速”可提供很宽的调速范围; ”高精度”指系统跟踪指令信号的准确程度高。

1 转台系统介绍图1是国产某型号三轴转台, 除外框为音叉式结构外, 内、中框均为闭合式结构, 三框可连续旋转, 驱动均采用电动机。

被测陀螺安装于内框上, 其输入输出电信号经过导电环从外框底座引出。

三框的物理定义是: 内框代表滚转、中框代表俯仰、外框代表偏航, 三框同时动作便能够模拟陀螺仪在三维空间的真实动作和姿态。

图1 三轴模拟转台及其示意图系统的驱动部分为: 外框采用一个直流力矩电动机; 中框采用两个电气并联同轴连接的直流力矩电动机; 内框采用一个直流力矩电动机。

这些电动机由各自的脉冲调宽放大器( PWM) 提供可控直流电源。

三框各有一个测速发电机和一个感应同步器, 用以实时检测框架的旋转角速度和角位置。

不同用途的测试转台的对性能指标的要求也不同。

一般转台的主要技术指标包含: 静态精度( 达到千分之几度) 、角速度范围( 从千分之几度/秒到几百度/秒) 、频率响应要求较宽, 并具有一定的负载能力要求, 且三个框架都具有最大速率的限制。

2 三轴测试转台的总体控制结构转台三个框架的控制是相互独立的, 因此转台的控制系统能够采用如图2所示的原理方案。

该系统为上下位机结构的计算机控制系统。

以一台工控机作上位机, 实现对伺服系统的监控、检测和管理。