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黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計(文獻翻譯) 第 4 頁
畢業(yè)設(shè)計
文獻翻譯
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設(shè)計制造及其自動化
學生姓名
羅睿楨
指導(dǎo)教師
王飛
2012年 03 月 10 日
雷達概述
雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設(shè)備。英文radar原是“無線電探測與定位”的英文縮寫，其基本任務(wù)是探測感興趣的目標，測定有關(guān)目標的距離、方問、速度等狀態(tài)參數(shù)。主要由天線、發(fā)射機、接收機（包括信號處理機）和顯示器等部分組成。那么，雷達具體是怎么工作的呢，下面來做簡單地介紹。
雷達是通過比較發(fā)射信號和目標產(chǎn)生的反射信號來獲取信息的。反射信號只能說明目標的存在，但僅僅知道這些是不夠的，有時候還必須了解更多關(guān)于目標的信息。所以就要求雷達不僅能夠提供目標的位置，還應(yīng)該反映出更對的關(guān)于目標的信息。如目標物體的樣式、方向、速度等。
測量距離或范圍也是雷達的一個重要功能。雷達主要是通過測定發(fā)射的信號和接收到的反射波的時間延遲來進行距離或是范圍的測量。到目前為止，還沒有其它的任何一種傳感器能夠像雷達一樣測定到遠距離目標的動態(tài)范圍。一些專用的特殊雷達能夠精確的測定千米以外的目標范圍，其精確度可達厘米。小到交通測速大到測量臨近星球的距離都可以用雷達來實現(xiàn)，雷達的應(yīng)用廣泛由此可見一斑。
幾乎所有雷達都帶有定向天線。定向天線不僅為微弱信號提供傳遞增益和必要的接收孔徑，而且它的窄波束寬度能夠確定目標的方位。一個典型的雷達波束寬度一般為1~2度。波束寬度還決定了角坐標分辨率，但后者具有更高的準確度。對一個典型的雷達來說，出現(xiàn)波束分裂是很正常的。一些雷達還能更精準的檢測角坐標的準確度，最好的追蹤雷達甚至可能達到0.1毫拉德的均平方根誤差。
由于多普勒效應(yīng)，雷達所發(fā)射的波束從一個移動的目標反射所產(chǎn)生的回波會產(chǎn)生電子頻移——多普勒效應(yīng)用于測定相對速度。相對速度還可以通過變動率的范圍來確定。追蹤雷達通常就是用這種方法來確定目標的相對速度，而不是多普勒頻移。但是，用來監(jiān)測和追蹤地球以外的目標，例如衛(wèi)星和飛船的雷達通常直接利用多普勒頻移來測量目標的相對速度，但是這一方法很少被用于飛行器的監(jiān)視雷達。在飛行器監(jiān)視雷達中，多普勒頻移被用于區(qū)分所需的運動目標和不需要的固定雜波回波，如活動目標指示雷達。
如果雷達可以從多個方位對目標進行觀測，就可以確定它的形狀?？臻g物體識別雷達就是能夠提取目標形狀信息的例子。另外一個例子就是能夠描繪地形的合成孔徑雷達。能夠確定目標形狀的雷達有時也稱成像雷達。
通過確定距離分辨力和角分辨力可以得到目標大小和形狀。好的距離分辨率通常比同等的角分辨率更容易獲得。在一些雷達應(yīng)用中，如果監(jiān)測分散式或是與雷達之間有相對運動的物體時，可以用多普勒頻率分辨率代替角分辨率。這是因為一小部分的分散目標有不同的相對速度，所以測得的分辨率是不可用的。這一原理被用于合成孔徑雷達地面測繪，逆SAR地面成像，空間物體識別，星體成像和根據(jù)入射角測量地表和海洋回波散射。
目標探測雷達是一種專用監(jiān)視雷達，通常與控射雷達緊密相連。這種雷達主要用于監(jiān)控一個相當有限的掃描區(qū)域并且為射控雷達或者武器本身提供打擊目標的指定數(shù)據(jù)。
目標探測雷達既可以單獨使用，又可以多功能雷達的模式使用。這兩種方法都有人使用，就目前來說更趨向于多功能雷達，即雷達同時執(zhí)行目標探測，武器引導(dǎo)和控制的功能（如愛國者相控陣雷達）。
測高雷達具是一種經(jīng)典的多功能雷達，目前仍被應(yīng)用于許多空中防御系統(tǒng)。這種雷達的功能是通過二維監(jiān)視雷達提供選中目標的高度基準。測高雷達一般工作在C頻和D頻波段，并且提供一定程度的與二維監(jiān)視雷達相一致的ECCM頻率分隔，通常工作在L波段和較低頻率。
典型的測高雷達(FPS-6) CAN可在四秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)至方位角內(nèi)的任一位置。然后雷達在高程點以每分鐘二十到三十赫茲的頻率擺動。方位波束寬度近似于三度，從而確立了二維監(jiān)控雷達的越區(qū)轉(zhuǎn)接精確度。使用兩個測高雷達的空中防御系統(tǒng)以平均每分鐘四十的頻率擺動。峰點是通過測量目標仰角和范圍，再根據(jù)三角形關(guān)系確定的。高度精確度是范圍的函數(shù)，并且是以目標區(qū)間范圍內(nèi)每公里一到兩米為標準的。
在當今的空中防御系統(tǒng)中，由于目標密度過于密集因此需使用三維監(jiān)視雷達?，F(xiàn)代的三維監(jiān)視雷達可在五到十秒內(nèi)提供在它監(jiān)視范圍內(nèi)的每一個目標的高度信息。三D雷達的使用同時也推動了平衡雷達頻率（通常在S波段）的使用。
應(yīng)用于Hawk地空導(dǎo)彈系統(tǒng)的連續(xù)波搜索雷達也是目標探測雷達的一種。這種雷達用于搜索探測視野（零到四度高程范圍）內(nèi)的低空飛行器和導(dǎo)彈，但是在帶有活動目標指示器的傳統(tǒng)脈沖雷達中通常被地面雜波屏蔽。
高效率發(fā)射機（X波段）用于使雷達多路徑的影響最小，這種多路徑會在低高度（ht<λR4ifa）產(chǎn)生破壞性干擾。窄頻帶多普勒濾波器儲庫從雜波中提取目標信息并且允許檢測射線的速率。頻率調(diào)制對具有足夠準確度的測量目標范圍的傳送波形有影響以便選擇指定的目標跟蹤雷達。
順時針方向行波的射頻應(yīng)用使得探測深嵌在地面雜亂回波中的目標成為可能。此外，這套系統(tǒng)也使得子過程雜波在100~200dB的范圍內(nèi)是可見的。發(fā)射器滲漏是可能引起雷達性能降低，可以使用獨立的接收和發(fā)射天線來減少滲漏。除此以外，空間碰撞技術(shù)，即把發(fā)射器載體的一個異相樣品增添至接收器也可用來消除輻射滲漏。
雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設(shè)備。是“無線電探測與定位”的英文縮寫，其基本任務(wù)是探測感興趣的目標，測定有關(guān)目標的距離、方問、速度等狀態(tài)參數(shù)。主要由天線、發(fā)射機、接收機（包括信號處理機）和顯示器等部分組成。
雷達工作時是通過發(fā)射機產(chǎn)生足夠的電磁能量，經(jīng)過收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)傳送給天線。天線將這些電磁能量輻射至大氣中，集中在某一個很窄的方向上形成波束，向前傳播。電磁波遇到波束內(nèi)的目標后，將沿著各個方向產(chǎn)生反射，其中的一部分電磁能量反射回雷達的方向，被雷達天線獲取。天線獲取的能量經(jīng)過收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到接收機，形成雷達的回波信號。由于在傳播過程中電磁波會隨著傳播距離而衰減，雷達回波信號非常微弱，幾乎被噪聲所淹沒。接收機放大微弱的回波信號，經(jīng)過信號處理機處理，提取出包含在回波中的信息，送到顯示器，顯示出目標的距離、方向、速度等。
目前這種雷達所面臨的挑戰(zhàn)主要是具有敏銳洞察力的高速低空飛行的飛行器以及大量的低空飛行巡航導(dǎo)彈，運用彈出式和超低空飛行策略的直升機，在雷達視野內(nèi)出現(xiàn)時間極短?？s短了雷達執(zhí)行功能的可用時間尺度，哪怕幾分之一秒都是重要的?？紤]到它不僅能夠探測目標，并且能在重電場和多目標環(huán)境中識別目標并產(chǎn)生一個軌道矢量，Hawk CWAR 面對這種威脅時掃描整個檢測范圍至少需要三秒的時間。
雷達天線是自由空間傳播和導(dǎo)行波（傳輸線）傳播之間的換能器。其功能是在雷達發(fā)射過程中將輻射的能量集中成一字形能量束照亮目標所在的方向，從而可以發(fā)現(xiàn)目標。接收回波時天線收集目標所反射的波束中所含的能量，并傳送到接收器。因此，雷達天線在雷達工作過程中擔任著發(fā)射和接收波束的任務(wù)。在這種工作模式下，其主要目的是精確地確定目標的角方向。因此，高度精確的指令（窄）波束寬度是非常有必要的，它能夠獲得精準的測角精度。雷達天線的性能指標不僅僅是表現(xiàn)在波束的寬度，也和發(fā)射增益和有效接收孔徑有關(guān)聯(lián)，后兩個參數(shù)彼此之間成正比關(guān)系，檢測范圍和測角精度也存在直接的關(guān)系。
上述雷達天線的是集發(fā)射和接收功能于一體的，這種天線廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代雷達系統(tǒng)。但也一些非民用的雷達使用的是兩個功能獨立的天線，也就是所謂的收發(fā)分屬的雷達，這種雷達擁有兩個相互獨立的發(fā)射和接收的天線。
雷達天線按照作用原理不同可分為兩大類，光學天線和相控陣天線。光學天線即是基于光學原理的天線，包括兩個分組：反射面天線和透鏡天線。到目前為止反射面天線仍然被廣泛用于雷達系統(tǒng)，而透鏡天線，雖然仍在一些通信和電子戰(zhàn)（EW）中使用，但已經(jīng)不再用于現(xiàn)代雷達系統(tǒng)；
Information Available from Radar
A radar obtains information about a target by comparing the received echo signal with the transmitted signal .The availability of an echo signal indicates the presence of a reflecting target ;but knowing a target is present is of litter use by itself. Something more must be known. Therefore, radar provides the location of the target as well as its presents. It can also provide information about the type of target. This is known as target classification.
The time delay between the transmission of the radar signal and the radar signal and the receipt of an echo is a measure of the distance, or range, to the target. The range measurement is usually the most significant a radar makes. No other sensor has been able to compete with radar for determining the range to a distant target. Typical radar might be able to measure range to an accuracy of several hundred meters, but accuracies better than a fraction of a meter are practical. Radar ranges might be as short as that of the police traffic-speed- meter, or as long as the distances to the nearby planets.
Almost all radars utilize directive antennas. A directive antenna not only provides the transmitting gain and receiving aperture needed for detecting weak signals, but its narrow beam width allows the target’s direction to be determined. Typical radar might have a beam width of perhaps one or two degrees. The angular resolution is determined by the beam width, but the angular accuracy can be considerably better than the beam width. A ten to one beam splitting would not be unusual for typical radar. Some radar can measure angular accuracy considerable better than this. An rms error of 0.1 mrad is possible with the best tracking radars.
The echo from a moving target produces a frequency shift due to the Doppler Effect, which is a measure of the relative velocity. Relative velocity also can be determined from the rate of change to range. Tracking radars often measure relative velocity in this manner rather than use the Doppler shift. However, radars for the surveillance and tracking of extraterrestrial targets, such as satellites and spacecraft, might employ the Doppler shift to measure directly the relative velocity, but it is seldom used for this purpose in aircraft-surveillance radars. Instead, aircraft-surveillance radars use the Doppler frequency shift to separate the desired moving targets from the undesired fixed clutter echoes, as in MTI radars.
If the target can be viewed from many directions, its shape can be determined. Space object identification (SOI) radars are an example of those that extract target shape information. The synthetic aperture radar (SAR) which maps the terrain is another example .Radars that determines the shape of a target is sometimes called imaging radars.
To obtain the target size or shape requires resolution in range and in angle. Good range resolution is generally easier to achieve than comparable resolution in angle. In some radar applications it is possible to utilize resolution in the Doppler frequency shift as a substitute for resolution in angle, if there is relative motion between the distributed target and the radar. Resolution is possible since element of the distributed target has a different relative velocity. This principle has been used in synthetic aperture radars for ground mapping, inverse SAR for SOI and the imaging of planets, and in the scatterometter for measuring the ground or sea echo as a function of incidence angle.
Target Acquisition Radars
Target acquisition radars are a special form of surveillance radar, generally associated with weapon control radar. The function of this type of radar is to search a relatively limited surveillance volume and obtain target designation data for the weapon control radar, or in some cases for the weapon itself.
The target acquisition radar can either be independent radar or a mode of multifunction radar. There are proponents of either type, but the current trend is towards multifunction where the radar performs both target acquisition and w weapon guidance and control functions (e.g. the patriot phased array radar)
A classic form of this type of radar is the height-finding radars still in use in many currently operational air-defense systems. The function of these radars is to provide altitude data on selected targets by way of associate 2-D surveillance radars. Height-finding radars typically work at radar C-band or S-band frequencies and provide a degree of ECCM frequency diversity in conjunction with their associated 2-D surveillance radars, which typically work at L band and lower frequencies.
Typical height-finding radar (FPS-6) CAN slew in azimuth to any target within four seconds. It then nods in elevation at a rate of 20 to 30 nods per minute. The azimuth beam width is on the order of three degrees, which establishes the hand-off accuracy of the 2-D surveillance radar. An average of 40 heights per minute is typical for an air defense system employing two height-finding radars. The height is estimated by measuring the target’s elevation angle and range, and then solving the triangular relationship to determine height. The height accuracy is a function of range and is the order of 1 to 2m per km of target range.
In modern air defense system, the expected target density is such that 3-D surveillance radars are employed. Modern 3-D surveillance radar can supply target height information for every target within its surveillance volume within a typical five to ten second frame time. The use of a 3-D radar forces a compromise radar frequency (usually in S band) to be employed. The height-finding accuracy improves with increasing frequency, which dictates a minimum S-band frequency for a reasonable vertical aperture, while the 2-D surveillance requirement generally favors L-band frequency, which is compatible with solid-state transmitter operation, by using an extended vertical aperture.
Another example of a target acquisition radar is the continuous-wave acquisition radar (CWAR) used in the Hawk missile system. The function of this radar is to search the horizon (zero to four degree elevation coverage) to detect low-flying aircraft or missiles, which would normally be screened by ground clutter in a conventional pulse-type radar with MTI.
A high transmitter frequency (X band) is used to minimize the effect of radar multipath, which can cause a destructive interference at low altitudes (ht<λR4ifa
). A bank of narrowband Doppler filters extracts the target from the clutter and allows a determination of its radial velocity. A frequency modulation (FM) is imposed on the transmitted waveform to measure range to the target with sufficient accuracy to select targets for designation to the tracking radar.
The CW frequency operation provides the ability to detect targets that are heavily imbedded in ground clutter. Sub clutter visibilities in the 100-200 dB regions are feasible with this type of system. Transmitter leakage is a problem which may reduce performance. Separate receive and transmit antennas are used to reduce leakage, in addition to a nulling technique whereby an out-of-phase sample of the transmitter carrier is injected into the receiver to cancel the radiated leakage.
The current threat facing this type of radar consists of high-speed/low-level penetrating aircraft, large numbers of low-flying cruise missiles, and helicopters using pop-up and nap-of-earth tactics causing them to be in view for only a short time. This compresses the time scale available for the acquisition radar to perform its function to the point where even fractions of a second are important. The minimum three-second time period it takes the Hawk CWAR to search the surveillance volume is marginal for this kind of threat, considering that it must not only detect the target, but also identify it and generate a track vector possibly in the presence of a heavy ECM and multi-target environment.
Radar Subsystems
The basic role of the radar antenna is to provide a transducer between the free-space propagation and the guided-wave propagation of electromagnetic waves. The specific function of the antenna during transmission is to concentrate the radiated energy into a shaped directive beam which illuminates the targets in a desired direction. During reception the antenna collects the energy contained in the reflected target echo signals and delivers it to the receiver. Thus the radar antenna is used to fulfill reciprocal but related roles during its transmit and receive modes. In both of these modes or roles, its primary purpose is to accurately determine the angular direction of the target. For this purpose, a highly directive (narrow) beam width is needed, not only to achieve angular accuracy but also to resolve targets close to one another. This important feature of a radar antenna is expressed quantitatively in terms not only of the beam width but also of transmit gain and effective receiving aperture. These latter two parameters are proportional to one another and are directly related to the detection range and angular accuracy.
The above functional description of radar antennas implies that a signal antenna is used for both transmitting and receiving. Although this holds true for most radar systems, there are exceptions: some monocratic radars use separate antennas for the two functions; and, of course, biostatic radars must, by definition, have separate transmit and receive antennas.
Radar antennas can be classified into two broad categories, optical antennas and array antennas. The optical category, as the name implies, comprises antennas based on optical principles and includes two subgroups, namely, reflector antennas and lens antennas. Reflector antennas are still widely used for radar, whereas lens antennas, although still used in some communication and electronic warfare (EW) application, are no longer used in modern radar systems.
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計
摘 要
三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺是三軸轉(zhuǎn)臺的一種，本次設(shè)計的三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺主要用于某型機載雷達的測試。轉(zhuǎn)臺性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真和測試試驗的可靠性，是保證某型機載雷達的精度和性能的基礎(chǔ)。本文針對三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了詳細的討論，并進行了理論論證及必要的計算，同時對本轉(zhuǎn)臺中使用到的測量元件及聯(lián)軸器等其他原件的結(jié)構(gòu)及原理作了簡單的介紹，設(shè)計中采用鑄鋁合金作為臺體的材料，實現(xiàn)了低轉(zhuǎn)速、高精度的要求，并且減輕了整體的重量，使機構(gòu)在滿足：轉(zhuǎn)角范圍、速度范圍、最大角加速度等設(shè)計參數(shù)要求的前提下，使結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量優(yōu)化。本設(shè)計緊緊圍繞著設(shè)計任務(wù)書中的各項指標，從內(nèi)環(huán)開始至外環(huán)一步一步地展開設(shè)計。本文主要內(nèi)容包括轉(zhuǎn)臺的總體結(jié)構(gòu)論證、轉(zhuǎn)臺的詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)臺的誤差分析等。結(jié)合轉(zhuǎn)臺設(shè)計的特點，本文重點討論了轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想及設(shè)計過程。
關(guān)鍵詞：三軸仿真轉(zhuǎn)臺；機載雷達；測量元件；聯(lián)軸器：內(nèi)環(huán)：中環(huán)：外環(huán)。
Ⅰ
ABSTRACT
Three 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
三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
第1章 緒 論
1.1 課題背景
遠古時代，人類的祖先面對著充滿神秘色彩的天空，編織出許多美麗、動人的神話、傳說故事。這些故事經(jīng)過無數(shù)代人的流傳，便真有了冒險者，不惜生命代價嘗試原始的飛行探險。
1903年12月17日，萊特兄弟第一架動力飛機的試飛成功，使人類飛行的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。但是人類并沒有為此而滿足，他們將眼光瞄準了更遙遠的宇宙空間。1926年3月16日，美國人戈達德制成了世界首枚液體火箭。1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星首次進入太空。1969年7月20日，阿波羅11號飛船登月成功。1981年4月12日，世界上第一架航天飛機哥倫比亞號發(fā)射。從此人類進入了宇宙探險時代。最早，飛行器上天之前要用許多實物進行實驗研究，這樣不僅造成許多財力、物力、和人力的浪費，而且有限的實驗所獲得的規(guī)律也不是十分的準確，其中存在很大的偶然性。隨著人類航天活動的越來越頻繁，對設(shè)備的可靠性及經(jīng)濟性的要求也越來越高。尤其是近幾年來幾次重大的航天飛行事故促使人們對以往的實驗手段進行了深刻的反省，開始了仿真測試設(shè)備的研究，仿真轉(zhuǎn)臺就是在這樣的背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。二十世紀七十年代后，計算機尤其是數(shù)字計算機的發(fā)展為仿真技術(shù)提供了更高的技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在仿真轉(zhuǎn)臺已應(yīng)用到航空、航天設(shè)備的研制和測試的各個環(huán)節(jié)。
1.2 仿真轉(zhuǎn)臺的國內(nèi)外發(fā)展狀況
1.2.1 國外仿真轉(zhuǎn)臺的發(fā)展狀況
美國是世界上最早研制和使用轉(zhuǎn)臺的國家，它的第一臺轉(zhuǎn)臺于1945年誕生于麻省理工學院。從那時起直到現(xiàn)在，美國的轉(zhuǎn)臺研制和使用，無論在數(shù)量、種類，還是在精度和自動化程度上都居于世界領(lǐng)先水平，代表了當今世界轉(zhuǎn)臺的發(fā)展水平和方向。此外，英、法、德、俄等國也投入了大量的人力、財力進行仿真轉(zhuǎn)臺的研究。但是以美國最為典型，下面主要以美國的轉(zhuǎn)臺研究和發(fā)展為例進行介紹?；仡櫭绹D(zhuǎn)臺的發(fā)展過程，大體可以分為以下幾個階段：
第一階段的主要標志：用機械軸承支撐臺軸，軸的驅(qū)動采用交流力矩電機。
1945年，美國麻省理工學院儀表實驗室研制成功世界上第一臺轉(zhuǎn)臺，開始了轉(zhuǎn)臺發(fā)展的第一個階段。此轉(zhuǎn)臺后來命名為A型臺，臺軸的支撐采用一般的滾珠軸承，軸的驅(qū)動直接用交流力矩電機完成。在A型臺的基礎(chǔ)上，于1950和1953年又相繼研制出了B型臺和C型臺。
第二階段的主要標志：采用液體靜壓軸承支撐臺體，用支流力矩電機驅(qū)動軸系。
1956年，美國開始研制液體靜壓軸承轉(zhuǎn)臺，并研制出了D型液體軸承臺，他的摩擦力矩僅為C型轉(zhuǎn)臺的1/8，有利于提高精度。
從五十年代開始，除了麻省理工學院，美國還有一些公司也開始研制轉(zhuǎn)臺。如Carco公司于1967年生產(chǎn)了T-025、026和081型轉(zhuǎn)臺。Fecker公司于1964年和1965年先后生產(chǎn)了352型、452型轉(zhuǎn)臺。
1968年，E型臺的研制成功被認為是美國轉(zhuǎn)臺發(fā)展的第二個階段。E型臺的主要材料是非磁性材料356號鋁，采用軸向和徑向帶有壓力補償?shù)囊后w軸承，并在耳軸上采用了空氣軸承。
第三階段的主要標志：采用計算機控制和測試自動化技術(shù)。
從1968年到1969年Fecher公司生產(chǎn)了3768、3769型單軸轉(zhuǎn)臺及5768、5569型雙軸轉(zhuǎn)臺，這期間一個引人注目的發(fā)展是這幾類轉(zhuǎn)臺均采用數(shù)字計算機進行控制，其中5569型轉(zhuǎn)臺還可用數(shù)字計算機進行自動測試，可工作在伺服、同步速率、輔助速率、數(shù)字位置、自動轉(zhuǎn)位及紙帶定位等狀態(tài)。
1969年之后，美國的轉(zhuǎn)臺設(shè)計和制造進入了系列化階段，技術(shù)得到發(fā)展和完善，相應(yīng)地轉(zhuǎn)臺也成為一種廣泛使用的測試設(shè)備。從那時起至今，位于賓西法尼亞洲匹茲堡的CGC公司成為美國制造慣性導(dǎo)航測試設(shè)備和運動模擬系統(tǒng)的主要廠商，并一直代表著美國乃至世界慣性設(shè)備，尤其是轉(zhuǎn)臺的發(fā)展水平。
CGC公司于六十年代末至七十年代初研制了51系列轉(zhuǎn)臺，包括51A型、51C型、51D型、和51G型等。這一系列轉(zhuǎn)臺的主要特點是：臺體形式為雙軸臺，采用氣浮軸承。從七十年代初開始，CGC著手研制53系列多軸轉(zhuǎn)臺。先后研制成功了53B、53D、53E、53G、53W等型轉(zhuǎn)臺。53系列轉(zhuǎn)臺的主要特點是：臺體形式均為多軸臺，普遍采用氣浮軸承，軸系回轉(zhuǎn)精度和正交精度均達到角秒級；使用感應(yīng)同步器作測角元件。CGC生產(chǎn)的51系列雙軸臺和53系列多軸臺在控制上均采用了MPACS30H系列模塊化精密角度控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的應(yīng)用是轉(zhuǎn)臺技術(shù)的重大發(fā)展。從此，轉(zhuǎn)臺進入了計算機控制和測試自動化階段。
1984年，CGC公司提出了改進的三軸臺（Improved Three Axis Test Table,簡稱ITATT）的制造方案。在CGC的設(shè)計制造方案中，規(guī)定ITTATT是一臺超精密三軸設(shè)備。ITATT三軸測試轉(zhuǎn)臺可用于艦船導(dǎo)航和空間傳感器的測試，還可用于戰(zhàn)略系統(tǒng)的測試。
ITATT轉(zhuǎn)臺在制造方案中采用了新材料和許多新技術(shù)。
在臺體材料與機械結(jié)構(gòu)方面，采用了石墨復(fù)合材料——碳纖維增強塑料級球形結(jié)構(gòu)改善了轉(zhuǎn)臺的對稱性及偏轉(zhuǎn)特性。
在軸承方面采用有緣磁懸浮軸承。
在電機方面使用多相感應(yīng)式電機。用滾環(huán)代替滑環(huán)，降低了摩擦力矩，提高了高速平穩(wěn)性和控制精度，同時提高了可靠性。
在測角系統(tǒng)中，將感應(yīng)同步器和絕對光學編碼器結(jié)合使用。
在控制方面，采用了數(shù)字狀態(tài)反饋技術(shù)為誤差補償創(chuàng)造了條件。
采用了這些新技術(shù)之后，高精度三軸轉(zhuǎn)臺ITATT的技術(shù)指標比以前的轉(zhuǎn)臺提高一個數(shù)量級以上。表1.1是幾種型號的三軸轉(zhuǎn)臺與ITATT的技術(shù)指標：
表1.1 幾種型號的三T的技術(shù)指標比較軸轉(zhuǎn)臺與ITAT
型
號
三根軸的擺動
軸的正交度
軸的定位精度
最大
指向
誤差
速率不平穩(wěn)性
內(nèi)
框
軸
中
框
軸
外
框
軸
內(nèi)框
軸/中
框軸
中框
軸/外
框軸
內(nèi)
框
軸
中
框
軸
外
框
軸
0.25
0.35
0.35
2.1
0.9
0.46
0.74
1.3
5.8
150
0.5
0.41
0.65
1.5
1.9
0.25
0.6
0.52
5.5
50
0.15
0.46
0.7
1.4
0.95
0.77
0.75
0.77
4.3
50
0.45
0.5
0.6
0.12
0.01
0.64
0.58
0.98
2.3
200
0.33
0.25
0.47
0.4
0.4
0.84
0.64
0.98
2.7
30
ITATT
0.03
0.02
0.01
0.02
0.02
0.03
0.0.
0.03
0.11
2
1.2.2 國內(nèi)仿真轉(zhuǎn)臺的發(fā)展狀況
國內(nèi)自六十年代中期開始轉(zhuǎn)臺的研制工作，其發(fā)展狀況大致如下：
1966年，707所開始研制DT-1型單軸低速轉(zhuǎn)臺，1974年進行全面的精度測定，1975年通過鑒定。該臺由機械臺體和電子控制箱兩部分組成，采用氣浮軸承，交流力矩電機直接驅(qū)動，用感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器組成測角系統(tǒng)。
1975年，303所研制成功了SFT-1.1型伺服臺，首次應(yīng)用光柵為精密測角元件。該伺服臺與美國Fecker公司生產(chǎn)的200型轉(zhuǎn)臺一樣，可提供三種工作狀態(tài)。
1979年，哈爾濱工業(yè)大學和原六機部6354所及441廠合作研制出我國第一臺雙軸伺服轉(zhuǎn)臺——TPCP-1型雙軸氣浮軸承臺，又稱7191雙軸臺。
1982年，6354所研制成了7191-Ⅱ型雙軸臺，該臺是在7191轉(zhuǎn)臺的基礎(chǔ)上研制的，提高了可靠性。
1983年，航天部一院13所研制了SSFT型雙軸伺服臺，該轉(zhuǎn)臺是我國最大的雙軸伺服臺。
1984年，哈工大與6354所共同承擔了計算機控制雙軸轉(zhuǎn)臺，即CCGT雙軸轉(zhuǎn)臺的研制任務(wù)，1988年研制成功。該臺是我國第一臺計算機控制的雙軸臺。
1985年，由哈工大研制的DPCT型單軸計算機控制轉(zhuǎn)臺是我國第一臺計算機控制的轉(zhuǎn)臺。
1990年，中國航空精密機械研究所研制成功了SGT-1型三軸捷聯(lián)慣導(dǎo)測試轉(zhuǎn)臺。這是我國第一臺計算機控制的高精度三軸慣導(dǎo)測試臺。
在轉(zhuǎn)臺的開發(fā)和制造領(lǐng)域，中國和世界先進水平相比還有許多差距，例如，對于轉(zhuǎn)臺相關(guān)的技術(shù)缺乏深入系統(tǒng)的研究，導(dǎo)致了生產(chǎn)的轉(zhuǎn)臺可靠性差，也沒有批量生產(chǎn)的能力；在一些領(lǐng)域存在空白等。
1.2.3 未來轉(zhuǎn)臺的發(fā)展趨勢
不斷應(yīng)用新技術(shù)來提高轉(zhuǎn)臺的測試精度，增強轉(zhuǎn)臺的穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性是[3]未來轉(zhuǎn)臺發(fā)展的主要趨勢。具體為：
1. 進一步提高技術(shù)指標；
2. 實現(xiàn)測試自動化；
3. 加強各種環(huán)境下的測試，控制環(huán)境對測試精度的影響，如溫度、壓力、地基等的影響。
4. 對測試的可靠性、穩(wěn)定性提出進一步的要求。
同時，由于轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用越來越廣泛并逐漸向商品化發(fā)展，使得轉(zhuǎn)臺的研制在保證精度的前提下不斷的應(yīng)用新材料和新工藝以降低成本，這也成為未來轉(zhuǎn)臺發(fā)展的一大趨勢。
1.3 立題的目的和意義
本轉(zhuǎn)臺主要用于測試機載雷達跟蹤目標的靈敏性,模擬雷達在跟蹤動態(tài)目標時的現(xiàn)場實際運動情況。它在機載雷達的研制和實驗室測試方面具有不可替代的作用。
1.4 本文主要工作
本論文主要將完成對三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺的總體設(shè)計,對三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計：對內(nèi)中外三環(huán)的轉(zhuǎn)矩的計算與三軸各軸電機的轉(zhuǎn)矩校核，根據(jù)本次設(shè)計的相關(guān)技術(shù)要求對本轉(zhuǎn)臺的誤差分析。
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第2章三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計
2.1 轉(zhuǎn)臺技術(shù)要求
轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計是轉(zhuǎn)臺設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對轉(zhuǎn)臺所能達到的技術(shù)性能和經(jīng)濟性起著決定性的作用。本次設(shè)計所要達到的技術(shù)要求如下：
1．負載尺寸：
2．負載重量：150kg
3．轉(zhuǎn)角范圍：內(nèi)環(huán)±90°，中、外環(huán)±45°
4．最大角速度：內(nèi)環(huán)300°/s、中環(huán)180°/s、外環(huán)160°/s
5．最小角速度：內(nèi)環(huán)0.003°/s、中環(huán)0.003°/s、外環(huán)0.003°/s
6．最大角加速度：內(nèi)環(huán)500°/s2、中環(huán)180°/s2、外環(huán)180°/s2
7．三軸轉(zhuǎn)角精度：0.003°
8．三軸相交度：0.5mm
9．視場角：±45°
10．雙十頻響指標：內(nèi)環(huán)4Hz，中、外環(huán)3Hz
2.2 總體設(shè)計流程
根據(jù)機械設(shè)計總體設(shè)計的一般規(guī)律及三軸仿真轉(zhuǎn)臺的特點，三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計流程如圖2.1：
圖2.1 轉(zhuǎn)臺總體設(shè)計流程圖
2.3 轉(zhuǎn)臺類型的確定
三軸仿真轉(zhuǎn)臺根據(jù)其方位軸系和滾動軸系所在位置的不同，分為立式和臥式兩種類型。立式轉(zhuǎn)臺外環(huán)是方位軸系，內(nèi)環(huán)是滾動軸系；臥式轉(zhuǎn)臺與立式轉(zhuǎn)臺相反，外環(huán)是滾動軸系，內(nèi)環(huán)是方位軸系。根據(jù)本次轉(zhuǎn)臺設(shè)計的技術(shù)指標，內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角范圍為±90°，而中、外環(huán)轉(zhuǎn)角范圍為±45°，所以內(nèi)環(huán)應(yīng)為滾動軸系。因此我們選用立式轉(zhuǎn)臺。
根據(jù)驅(qū)動裝置的不同，轉(zhuǎn)臺又可分為液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)臺、電動轉(zhuǎn)臺和電液混合驅(qū)動轉(zhuǎn)臺。液壓驅(qū)動自身存在線性度差、轉(zhuǎn)角小、低速性能差、維護復(fù)雜等許多缺點。而本設(shè)計要求的轉(zhuǎn)速范圍為：內(nèi)環(huán)0.003°/s～300°/s、中環(huán)0.003°/s～180°/s、外環(huán)0.003°/s～160°/s。顯然，低速性能要求較高，液壓驅(qū)動不能滿足要求，所以我們選擇電力驅(qū)動。
綜上，我們選用立式電動轉(zhuǎn)臺。
2.4 轉(zhuǎn)臺運動功能設(shè)計
2.4.1 工作原理
三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺的三個軸都由電機直接驅(qū)動，通過改變電機電流來改變各軸的轉(zhuǎn)速，通過一個峰值電流來實現(xiàn)電機的最大加速度。各電機的啟停及通過各電機的電流由接收到的外部信號控制，從而使轉(zhuǎn)臺上的負載能夠跟蹤信號的運動。
2.4.2 運動功能方案
轉(zhuǎn)臺運動功能圖如圖2.2所示，內(nèi)環(huán)、中環(huán)和外環(huán)均由電機驅(qū)動，外環(huán)實現(xiàn)方位運動、中環(huán)實現(xiàn)俯仰運動、內(nèi)環(huán)實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運動。
圖2.2 轉(zhuǎn)臺運動功能圖
2.5 轉(zhuǎn)臺總體布局設(shè)計
根據(jù)技術(shù)指標，考慮到負載尺寸較大，為了盡可能降低轉(zhuǎn)臺慣量，提高轉(zhuǎn)臺的響應(yīng)速度，我們將內(nèi)環(huán)軸設(shè)計為中空，負載直接安裝在內(nèi)環(huán)軸的中空部位。在盡可能減小轉(zhuǎn)臺中環(huán)慣量的同時，為了保證中環(huán)剛度，我們將中環(huán)框架設(shè)計為與內(nèi)環(huán)（滾動軸）同心的圓筒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度高、工藝性好等優(yōu)點，且能實現(xiàn)盡量小的轉(zhuǎn)動慣量。由于本轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)較大，同時為了保證中環(huán)框架的正確安裝，我們將外環(huán)框架設(shè)計為分體式薄壁箱結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)可以在達到最小質(zhì)量的情況下實現(xiàn)最大的結(jié)構(gòu)剛度。綜上所述，本轉(zhuǎn)臺的總體結(jié)構(gòu)我們采用立式O-O-U結(jié)構(gòu)形式。其總體布局如圖2.3所示
圖2.3 三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺總體布局圖
2.6 轉(zhuǎn)臺主要參數(shù)設(shè)計
本轉(zhuǎn)臺負載安裝于內(nèi)環(huán)軸孔中，負載尺寸為，所以內(nèi)環(huán)軸徑由負載尺寸決定也為。內(nèi)環(huán)軸壁厚尺寸，考慮其剛度，結(jié)合經(jīng)驗暫定為23mm，由于轉(zhuǎn)臺設(shè)計的特殊性，其它結(jié)構(gòu)尺寸均與前一步結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果直接相關(guān)，所以暫無法確定。
2.7 本章小結(jié)
在本章設(shè)計中，根據(jù)此次設(shè)計的技術(shù)要求，完成了本設(shè)計的總體設(shè)計流程，確定了轉(zhuǎn)臺的類型為O-O-U型；根據(jù)轉(zhuǎn)臺的運動原理，設(shè)計出它的運動功能方案，三軸均為直接驅(qū)動；根據(jù)技術(shù)指標，考慮轉(zhuǎn)臺的負載尺寸，確定負載過渡盤厚度為23mm，設(shè)計轉(zhuǎn)臺的總體布局為立式。
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第3章 三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計
詳細設(shè)計主要完成轉(zhuǎn)臺的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括轉(zhuǎn)臺內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計、中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計、外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及軸承、聯(lián)軸器、電機和測量元件的選擇。轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計流程如圖3.1所示
圖3.1 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計流程圖
3.1 轉(zhuǎn)臺內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計
內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計是轉(zhuǎn)臺設(shè)計的第一步，因此也是設(shè)計的關(guān)鍵一步。內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計所要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是：全中空軸系設(shè)計及負載的安裝界面設(shè)計。
3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
內(nèi)環(huán)軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3.2所示，軸系轉(zhuǎn)子為內(nèi)環(huán)軸（內(nèi)環(huán)框架），負載安裝在內(nèi)環(huán)軸的后端，由于負載尺寸較大，在內(nèi)環(huán)軸的后端增加一負載過渡盤，輔助支撐負載，內(nèi)環(huán)波導(dǎo)座位于負載過渡盤的頂端。內(nèi)環(huán)軸系的支撐采用鋼絲滾道軸承，由于內(nèi)環(huán)軸的軸向尺寸較大，為了保證軸的剛度，我們除了在軸的前端用一鋼絲滾道軸承作為主支撐外，在軸的后端再增加一鋼絲滾道軸承作為輔助支撐。內(nèi)環(huán)驅(qū)動電機安裝在軸系前端，電機轉(zhuǎn)子用螺釘與內(nèi)環(huán)軸相聯(lián)，這種布置一方面可以擴大視場角，另一反面可以最大限度的起到靜力矩平衡的作用。內(nèi)環(huán)測角元件為感應(yīng)同步器。
內(nèi)環(huán)定子與中環(huán)框架作成一體。這樣既可以使結(jié)構(gòu)緊湊，又可以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)剛度和精度。
圖3.2 內(nèi)環(huán)軸系結(jié)構(gòu)圖
本轉(zhuǎn)臺各軸系均為局部轉(zhuǎn)角，系統(tǒng)超限保護均為三級保護，其順序為軟件保護、光電開關(guān)保護和機械限位，其中機械限位均有橡膠緩沖裝置。
3.1.2 轉(zhuǎn)矩計算
理論力學定義[3]剛體的轉(zhuǎn)動慣量是剛體轉(zhuǎn)動時慣性的度量，它等于剛體內(nèi)各質(zhì)點的質(zhì)量與質(zhì)點到軸的垂直距離平方的距離之和，即
（3.1）
由式3.1可見，轉(zhuǎn)動慣量的大小不僅與質(zhì)量大小有關(guān)，而且與質(zhì)量的分布情況有關(guān)。因此對于結(jié)構(gòu)不規(guī)則的復(fù)雜零件，用式3.1計算轉(zhuǎn)動慣量就顯得非常復(fù)雜。由理論力學知識我們可以得出轉(zhuǎn)動慣量的又一計算公式
（3.2）
式中——慣性半徑（或回轉(zhuǎn)半徑）。
由式3.2可見，只要我們知道零件的回轉(zhuǎn)半徑和質(zhì)量就可以方便地計算出零件的轉(zhuǎn)動慣量。在機械制圖軟件AutoCAD的“工具”菜單中有一“查詢——面域/質(zhì)量特性”命令，此命令可以直接生成三維零件的質(zhì)量及回轉(zhuǎn)半徑。利用此命令我們就可以很方便地計算出零件的轉(zhuǎn)動慣量。本次設(shè)計所有關(guān)于轉(zhuǎn)動慣量的計算都是使用此方法來完成的。
零件轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系見式3.1
（3.3）
式中——零件角加速度。
表3.1 繞內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動零件數(shù)據(jù)
名稱
質(zhì)量（kg）
轉(zhuǎn)動慣量（kgm）
負載
150
38.690
負載過渡盤
77.352
15.704
滾動波導(dǎo)座
6.175
0.123
滾動軸
65.791
18.068
輔助軸承內(nèi)環(huán)
40.676
11.312
感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子
10.204
3.352
合計
350.198
87.249
內(nèi)環(huán)軸系各零件質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量計算結(jié)果如表3.1所示
轉(zhuǎn)矩：Nm
3.1.3 軸向固定方式的選擇
1. 選擇驅(qū)動系統(tǒng)的軸向固定方式時,要考慮作用在軸上的軸向力是怎樣通過軸承傳遞到箱體或支座上去的,零部件軸向固定是否可靠,不能靠過渡配合來承受軸向力。
2. 當軸向力很小時,可采用擋圈、彈性擋圈、緊定螺釘、銷等實現(xiàn)軸向固定。當軸向力較大時,應(yīng)采用軸肩、軸環(huán)、套筒、圓螺母、軸端壓板、圓錐面等進行軸向固定。
3. 為了防止軸承內(nèi)座圈與軸發(fā)生相對軸向位移,內(nèi)座圈與軸通常需要在兩個方向上進行軸向固定。
4. 對于工作溫度不高、兩個支承之間的距離較小的軸來說,可以采用兩端固定,使每一個支承都能限制軸的單向移動,兩個支承合在一起就能限制軸的雙向移動。對于工作溫度較高、兩個支承之間的距離較大的軸來說,應(yīng)采用一端固定一端游動的方法,使一個支承限制軸的雙向移動,另一個支承游動。
5. 對于能承受雙向軸向載荷的軸承組合結(jié)構(gòu),安裝時可以對軸承進行預(yù)緊,消除間隙,并使?jié)L動體與內(nèi)外座圈之間產(chǎn)生預(yù)變形,這樣可以提高軸承的剛度和旋轉(zhuǎn)精度,減小軸在工作時的振動。對于用來承受雙向軸向載荷的單個軸承,其間隙不能在安裝時通過預(yù)緊來消除。
6.為了簡化結(jié)構(gòu)、減小軸向尺寸、減輕重量,大、中型雷達的方位轉(zhuǎn)臺可以采用帶內(nèi)齒輪或外齒輪的特大型軸承,該軸承能承受徑向力、雙向軸向載荷和傾覆力矩,其內(nèi)、外座圈與轉(zhuǎn)臺有關(guān)部分通常采用螺栓進行軸向固定。
3.1.4 軸的最小直徑的確定
軸的最小直徑的設(shè)計，由公式：
（3.4）
其中：d——為軸的最小直徑；
A——為由材料與受載情況決定的系數(shù)；
P——為軸傳遞的功率（kW）；
n——為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。
由表3.2，A的值取80，帶入式3.4，d=988
表3.2 軸常用幾種材料的A值
軸的材料
Q235、20
Q275、35
45
ZL101A
A
160~135
135~118
118~106
85~72
3.1.5軸承的選擇
軸承分為滾動軸承和滑動軸承，它們都可以用于支撐軸及軸上零件，以保持軸的旋轉(zhuǎn)精度，并減少轉(zhuǎn)軸與支撐之間的摩擦和磨損?；瑒虞S承的摩擦損失較大，使用、潤滑、維護也比較復(fù)雜；滾動軸承摩擦因數(shù)較低，啟動力矩小、軸向尺寸小，特別是已經(jīng)標準化，使得設(shè)計、使用、潤滑、維護都很方便。
滾動軸承的分類也很多，包括調(diào)心球軸承、調(diào)心滾子軸承、推力球軸承、圓錐滾子軸承、深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承等等。
由于內(nèi)框軸在旋轉(zhuǎn)時需同時承受軸向力與徑向力，所以選擇的軸承形式必須滿足這兩點要求，滿足需求的軸承有：推力調(diào)心滾子軸承、角接觸球軸承、圓錐滾子軸承。
推力調(diào)心滾子軸承的軸向載荷有限制，不可選。在同樣外形尺寸下，角接觸球軸承，由于內(nèi)框需同時承受軸向和徑向載荷，所以選擇安裝角接觸球軸承。、
3.1.6 軸承的固定與密封
軸承端蓋既對軸承起到固定支撐作用，也對軸承起到密封作用。本次設(shè)計中軸承尺寸如表3.3所示
表3.3 端蓋尺寸
號
尺寸關(guān)系
符號
尺寸關(guān)系
符號
尺寸關(guān)系
D（軸承外徑）
130
D0
D+2.5=145
D5
D0+2.5=175
（螺釘直徑）
12
D2
D0+2.5=170
e
1.2=14
n（螺釘數(shù)）
8（個）
D4
0.9D=117
d0
12
軸承密封是為了阻止?jié)櫥瑒┩庑沽魇廴经h(huán)境，并防止灰塵、水、腐蝕性氣體等侵入軸承。一般可分兩大類：
1. 接觸式密封
1) 氈圈密封：軸承端蓋上開出梯形槽，將按標準制成環(huán)形的細毛氈放置于槽中，以與軸密合接觸。
2) 唇形密封圈密封：密封圈由皮革或耐油橡膠等材料制成，具有唇形結(jié)構(gòu)，將其裝如軸承蓋中，靠材料的彈力和環(huán)行螺旋彈簧的扣緊作用與軸緊密接觸。
2. 非接觸式密封
1) 間隙式密封：在軸表面與軸承端蓋通孔壁之間形成有一定軸向?qū)挾鹊沫h(huán)行間隙，依靠間隙流體阻力效應(yīng)密封.
2) 迷宮式密封：在旋轉(zhuǎn)件與固定件之間構(gòu)成曲折的間隙來實現(xiàn)密封。
由于內(nèi)框無特殊要求，所以采用普通密封方式即可滿足設(shè)計要求。本次設(shè)計采用氈圈油封，型號：氈圈FZ/T92010-91
3.1.7 內(nèi)框軸與負載盤的聯(lián)接方式
內(nèi)框軸軸端與負載盤的聯(lián)接可采用的方式有多種：如過盈配合、鍵連接、成型連接、彈性環(huán)聯(lián)接、脹緊套連接等等，均可實現(xiàn)。
過盈配合連接是利用兩個相配零件的裝配過盈量實現(xiàn)的一種連接。零件的配合表面多為圓柱面。組成過盈聯(lián)接后，由于組合處的彈性變形和裝配過盈量，在包容件和被包容件的配合面間將產(chǎn)生很大的正壓力。當連接承受外載荷時，配合表面考此正壓力所產(chǎn)生的摩擦力或摩擦力矩來傳遞載荷。但拆開過盈配合聯(lián)接需要很大的外力，往往會損壞連接零件的配合表面，甚至整個零件。
鍵聯(lián)接包括平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接、切向鍵聯(lián)接。平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、對中性好、拆裝方便等優(yōu)點，但這種聯(lián)接不能承受軸向力，起不到軸向固定作用。半圓鍵聯(lián)接只用于靜聯(lián)接，主要用于載荷較小的聯(lián)接及錐形軸端與輪轂的連接。楔鍵聯(lián)接用于靜聯(lián)接，主要用于定心精度要求不高、載荷平穩(wěn)和低速的場合。切向鍵聯(lián)接承載能力大，適于傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，常用于傳遞直徑大于100mm的重型機械軸上，且對中精度要求不高的場合。
成型聯(lián)接是利用非圓剖面的軸裝在相應(yīng)零件轂孔中而形成的，具有拆裝方便、對中性好、應(yīng)力集中小、傳遞轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，但加工比較復(fù)雜，應(yīng)用尚不廣泛。
彈性環(huán)聯(lián)接定心性好，拆裝方便、承載能力高，并有密封作用。
在彈性環(huán)基礎(chǔ)上演變出的脹緊套連接不但繼承了以上優(yōu)點，而且結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，并由成批型號產(chǎn)品可供選擇，不必單獨設(shè)計，所以本次設(shè)計中，中框軸與負載盤的聯(lián)接采用脹緊套聯(lián)接方式。
規(guī)格：最大轉(zhuǎn)矩M=17N·m,質(zhì)量0.41kg,型號：Z5
脹緊套轉(zhuǎn)動慣量：
kg/m2
脹緊套結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.3所示
單位：mm
圖3.3 Z5型脹緊套
3.1.8 主要零件剛度校核
根據(jù)精密測試設(shè)備的精度要求，其支撐件的結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計，都遠遠滿足強度條件，因此這里只對剛度進行校核。又因為本轉(zhuǎn)臺內(nèi)環(huán)框架即為內(nèi)環(huán)軸，所以只對內(nèi)環(huán)軸的剛度進行校核。
滾動軸為空心階梯軸，其扭轉(zhuǎn)角計算公式見式3.4
（3.5）
式中——切變模量；
——階梯軸上第段所傳遞的扭矩；
——階梯軸上第段的長度；
——階梯軸上第段的外徑；
——階梯軸上第段的內(nèi)徑。
為了盡可能減小轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量，在保證強度和剛度的情況下，本轉(zhuǎn)臺各軸的材料均采用鋁合金材料（），其物理性能見表3.4
表3.4 物理性能
熔點
608
密度(kg/m)
彈性模量MPa)
74.20
切變模量MPa)
27.30
泊松比
0.36
將數(shù)據(jù)代入式（3.4）
m)
查機械設(shè)計手冊，關(guān)于許用扭轉(zhuǎn)角的參考數(shù)據(jù)如下：
精密機械的軸 m
一般傳動軸 m
精度要求不高的軸 m
顯然，滾動軸的扭轉(zhuǎn)角m，內(nèi)環(huán)軸的扭轉(zhuǎn)剛度滿足要求。由于負載安裝與內(nèi)環(huán)軸的內(nèi)孔中，所以內(nèi)環(huán)軸的彎曲剛度必定滿足要求。
3.1.9 電機轉(zhuǎn)矩的校核
在轉(zhuǎn)臺設(shè)計中，電動轉(zhuǎn)臺通常都采用直流力矩電機驅(qū)動。但是直流力矩電機作為直流電機由于有換向器和電刷，所以存在許多缺點。例如，峰值轉(zhuǎn)矩小、存在接觸導(dǎo)電、有點火化和無線電干擾、電機的可靠性和維護性相對較差等。為了克服這些缺點，我們在考察了[6]國內(nèi)外電機發(fā)展的最新進展，并考慮本次設(shè)計的經(jīng)濟性后，我們決定選用直流無刷電機。由于本次設(shè)計的轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)較大，對電機結(jié)構(gòu)的要求也比較特殊，所以設(shè)計中我們需要的電機都是根據(jù)我們的需要定購。對于內(nèi)環(huán)電機，根據(jù)我們力矩計算結(jié)果再乘以1.3倍的安全系數(shù)，電機的轉(zhuǎn)矩為Nm。按照電機結(jié)構(gòu)尺寸，由式（3.2）、（3.3）計算其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為： Nm。內(nèi)環(huán)電機所需轉(zhuǎn)矩為：Nm。顯然 Nm，所以，所選電機轉(zhuǎn)矩滿足要求。
3.2 轉(zhuǎn)臺中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計
中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計所要解決的關(guān)鍵問題是，中環(huán)軸系的結(jié)構(gòu)布局、軸承的選擇及布置和與外環(huán)支撐件的配合等。
3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
中環(huán)軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3.4所示，中環(huán)框架尺寸較大，為了減小重量和轉(zhuǎn)動慣量將其設(shè)計為全中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部加筋板來保證剛度。中環(huán)軸與中環(huán)電機轉(zhuǎn)子軸做成一體，中環(huán)框架向外伸出兩個耳軸，在耳軸孔中安裝軸套和聯(lián)軸器用以與中環(huán)軸相聯(lián)，聯(lián)軸器采Z5型脹緊聯(lián)結(jié)套。軸系采用兩對角接觸球軸承，對稱兩端電機驅(qū)動，外環(huán)框架的上分體箱即為中環(huán)電機的電機座，這種布置可使結(jié)構(gòu)更加緊湊，盡可能的減小了安裝誤差。由于內(nèi)環(huán)的重量分布于中環(huán)軸的一側(cè)，為了平衡內(nèi)環(huán)重量，在中環(huán)軸的另一側(cè)加一組配重塊。測角元件采用光電絕對式碼盤，該軸系摩擦力矩小、結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整。
（a）
（b）
圖3.4 中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
圖3.5中環(huán)框架剖面圖
由于中環(huán)框架結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜，為了更清楚的表達其結(jié)構(gòu)形狀，圖3.5是中環(huán)框架的三維模型圖。
3.2.2 轉(zhuǎn)矩計算
表3.5 繞中環(huán)轉(zhuǎn)動零件數(shù)據(jù)
名稱
質(zhì)量kg)
轉(zhuǎn)動慣量kgm)
滾動軸系
377.163
117.079
中環(huán)框架
227.633
46.774
配重
222.972
39.492
碼盤
1.500
0.002
軸套
46.001
0.761
俯仰機械限位盤
36.960
3.237
俯仰波導(dǎo)座
0.613
0.002
俯仰聯(lián)軸器
24.704
0.271
合計
937.546
207.618
與內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩計算方法相同，先由三維圖形通過計算機計算出零件的質(zhì)量和回轉(zhuǎn)半徑，由式3.2和式3.3分別計算出零件的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩。繞中環(huán)軸轉(zhuǎn)動的各零件的轉(zhuǎn)動慣量計算結(jié)果如表3.5所示。
轉(zhuǎn)矩：Nm
由于電機轉(zhuǎn)子軸即為俯仰軸，所以此處不需對俯仰軸扭轉(zhuǎn)角進行校核。
3.2.3 電機轉(zhuǎn)矩校核
對繞中環(huán)轉(zhuǎn)動零件的轉(zhuǎn)矩乘以1.3倍的安全系數(shù)作為我們所選的電機轉(zhuǎn)矩，即電機轉(zhuǎn)矩為847.926Nm。由三維圖形、式3.2和式3.3計算出電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩Nm。中環(huán)電機所需轉(zhuǎn)矩為：
Nm
顯然，Nm，所，以所選電機轉(zhuǎn)矩滿足要求。
3.3 轉(zhuǎn)臺外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計
外環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計所要解決的關(guān)鍵問題是，分體式外框架及其薄壁箱式框架結(jié)構(gòu)、軸承及聯(lián)軸器的選擇等。
3.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
外環(huán)軸系的結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。外環(huán)軸系的主支撐采用鋼絲滾道軸承，它可以同時承受雙向的軸向力和徑向力；外環(huán)框架為分體的中空箱式結(jié)構(gòu)，重量輕，便于安裝調(diào)試。將外框架分為框架和兩個中環(huán)基座的分體結(jié)構(gòu)，目的是為了保證一體的中框架正確安裝，分體結(jié)構(gòu)需要保證的關(guān)鍵問題是要保證框架和兩個中環(huán)基座的準確安裝和中環(huán)軸承座孔與框架的聯(lián)軸器孔的垂直度和相交度，為此，要求加工中將外框架和兩個中環(huán)基座安裝成一體后精加工，以達到設(shè)計要求，同時要求兩個中環(huán)基座與框架保證一定的配合精度將外框架設(shè)計成薄壁箱式框架結(jié)構(gòu)可以使框架在達到最低重量的前提下實現(xiàn)最大的結(jié)構(gòu)剛度，大型薄壁箱式框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在零件的鑄造技術(shù)，包括木模制造。為此，我們將加強框架鑄造環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，以滿足指標要求。外框架上分體箱模型圖如圖3.7所示。外環(huán)電機由一對軸承支撐自成一體，安裝方便，外環(huán)軸與外框架采用漲緊式聯(lián)軸器聯(lián)接，外環(huán)測角元件為光電碼盤。
3.3.2 轉(zhuǎn)矩計算
由三維圖形通過計算機計算出零件的質(zhì)量和回轉(zhuǎn)半徑，由式3.2和式3.3分別計算出零件的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩。
轉(zhuǎn)矩：Nm
與俯仰軸系相同方位電機轉(zhuǎn)子軸即為方位軸，所以此處也不需對方位軸扭轉(zhuǎn)角進
圖3.6 外環(huán)軸系結(jié)構(gòu)圖
圖3.7外框架上分體箱三維視圖
行校核。
繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動的各零件的轉(zhuǎn)動慣量計算結(jié)果如表3.6所示
表3.6繞外環(huán)轉(zhuǎn)動零件數(shù)據(jù)
名稱
質(zhì)量kg)
轉(zhuǎn)動慣量kgm)
滾動軸系
377.163
117.079
俯仰軸系
801.763
2485.618
外環(huán)框架
600.907
435.613
方位滾道軸承外環(huán)
32.389
11.573
方位軸
26.712
0.348
方位聯(lián)軸器
23.657
0.445
方位碼盤
1.500
0.008
方位零位銷座
7.687
2.709
合計
2060.906
3078.443
3.3.3 電機轉(zhuǎn)矩校核
對繞外環(huán)轉(zhuǎn)動零件的轉(zhuǎn)矩乘以1.3倍的安全系數(shù)作為我們所選的電機轉(zhuǎn)矩，即電機轉(zhuǎn)矩為11169.959Nm。由三維圖形、式3.2和式3.3計算出電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩Nm。中環(huán)電機所需轉(zhuǎn)矩為：
Nm
顯然，Nm，所，以所選電機轉(zhuǎn)矩滿足要求。
3.4 機械轉(zhuǎn)角限位裝置設(shè)計
前面已說過，轉(zhuǎn)臺各軸系均為局部轉(zhuǎn)角，系統(tǒng)超限保護均為三級保護，其順序為軟件保護、光電開關(guān)保護和機械限位，其中，軟件保護不是本設(shè)計的內(nèi)容，光電開關(guān)機保護中的光電管為購買的標準件，也不是本設(shè)計的內(nèi)容，本設(shè)計只對機械限位裝置的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。
如圖3.8和圖3.9所示為內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角限位裝置結(jié)構(gòu)和外環(huán)轉(zhuǎn)角限位裝置結(jié)構(gòu)
由圖3.8和圖3.9可以看出，內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角機械限位與外環(huán)轉(zhuǎn)角機械限位裝置結(jié)構(gòu)相似，都是由兩個固定的限位座和一個運動的限位塊組成。為了緩沖和減小噪聲，在固定的限位座上安裝橡膠緩沖裝置。由于外環(huán)轉(zhuǎn)動慣量較大，所以除在限位座上安裝橡膠緩沖裝置外，還安裝有緩沖液壓缸，進一步改善緩沖的效果。
圖3.8 內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)角機械限位裝置
圖3.9 外環(huán)轉(zhuǎn)角機械限位裝置
中環(huán)機械限位裝置與內(nèi)、外環(huán)機械限位裝置結(jié)構(gòu)不同，其結(jié)構(gòu)如圖3.10所示
圖3.10 外環(huán)轉(zhuǎn)角機械限位裝置
由圖3.10可以看出，外環(huán)機械限位裝置由機械限位盤、俯仰機械插銷、俯仰機械插銷導(dǎo)套和限位緩沖橡膠等組成，俯仰機械限位盤隨俯仰軸系一起運動，運動范圍由俯仰機械插銷導(dǎo)套和限位緩沖橡膠等控制在。當轉(zhuǎn)臺在不工作的時候，用機械插銷固定俯仰軸系，使其不會左右運動。
3.5 本章小結(jié)
本章設(shè)計內(nèi)容為此次設(shè)計的主要內(nèi)容，詳細設(shè)計了三軸雷達仿真轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)，其包括了內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)均采用電機直接驅(qū)動，由于該驅(qū)動需要較低轉(zhuǎn)速和較大轉(zhuǎn)矩，此電機為定做，所以這里就沒有標出電機型號。另外中軸和外環(huán)軸上的軸承亦是定做，故沒有查出相應(yīng)型號。此章設(shè)計完成了三軸主要零件的剛度校核和三軸電機轉(zhuǎn)矩的校核，選用了電機并對機械轉(zhuǎn)角限位裝置完成了設(shè)計。根據(jù)次章設(shè)計基本完成了各主要部分的結(jié)構(gòu)尺寸。
第4章 誤差分析
誤差分析的主要內(nèi)容是根據(jù)本次設(shè)計的相關(guān)技術(shù)要求，分析各軸的回轉(zhuǎn)精度以及三軸的相交度。
4.1 回轉(zhuǎn)精度分析
回轉(zhuǎn)精度是影響轉(zhuǎn)臺技術(shù)指標的主要誤差之一，本節(jié)將對各軸的回轉(zhuǎn)精度作以簡要分析，
4.1.1 滾動軸系回轉(zhuǎn)精度
由于滾動軸系的支承，我們采用鋼絲滾道軸承。此種軸承滾動體數(shù)目多，排列緊密，具有很強的誤差均化能力。其中，在載荷的分配方面，主支撐承擔主要的軸向和徑向負荷。因此，這里著重考慮主要支承軸承引起的滾動軸的回轉(zhuǎn)誤差。
(1) 滾動軸承的有效直徑mm，滾道基體的端跳動設(shè)計為mm，則由此造成的滾動軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(2) 由于鋼絲直徑不均勻造成鋼絲滾道端跳動為mm，則由此造成的滾動軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(3) 鋼球的直徑誤差為mm，則由此造成的滾動軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
滾動軸總的回轉(zhuǎn)誤差為：
設(shè)計要求三軸的轉(zhuǎn)角精度均為，即，顯然，所以滾動軸系回轉(zhuǎn)精度滿足設(shè)計要求。
4.1.2 俯仰軸系回轉(zhuǎn)精度
對于轉(zhuǎn)臺俯仰軸系的支撐，我們采用的是兩對角接觸球軸承。取兩對軸承的平均跨距作為回轉(zhuǎn)精度計算的軸承跨距。
(1) 中環(huán)軸軸承的最大徑向跳動mm，軸承跨距mm，由此造成的中環(huán)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(2) 軸承座孔不同軸度及最大徑向跳動為mm，軸承跨距mm，則由此造成的中環(huán)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(3) 框架兩端軸頭的最大不同軸度mm，軸承跨距mm，則由此造成的中環(huán)軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
中環(huán)軸總的回轉(zhuǎn)誤差為：
由于，所以俯仰軸系回轉(zhuǎn)精度滿足設(shè)計要求。
4.1.3 方位軸系回轉(zhuǎn)精度
方位軸系的支承，我們也采用鋼絲滾道軸承。
(1) 軸承的有效直徑mm，滾道基體的端跳動設(shè)計為mm，則由此造成的方位軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(2) 由于鋼絲直徑不均勻造成鋼絲滾道端跳動為mm，則由此造成的方位軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
(3) 鋼球的直徑誤差為mm，則由此造成的方位軸的最大回轉(zhuǎn)誤差為：
方位軸系軸總的回轉(zhuǎn)誤差為：
由于，所以俯仰軸系回轉(zhuǎn)精度滿足設(shè)計要求。
4.2 三軸相交度分析
4.2.1 滾動軸與俯仰軸的相交度
滾動軸與俯仰軸的[7]相交度誤差主要是由滾動軸的徑向誤差和俯仰軸的徑向誤差造成的。滾動軸的徑向誤差既與材料和加工有關(guān)又與裝配有關(guān)，由4.1節(jié)的分析可知由材料和加工造成的徑向誤差為：
mm
裝配誤差： mm
俯仰軸系的 mm
相交度誤差：0.026+0.15+0.045＝0.221mm
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