稳定跟踪平台结构设计

钱海涛，郑传荣

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

稳定跟踪平台结构设计

钱海涛，郑传荣

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

针对某直升机稳定跟踪平台的实际要求和使用环境，通过对常用传动形式特点的对比分析，确定了合理的传动方案。采用集成化设计技术，设计出的稳定跟踪平台具有结构紧凑、重量轻、抗振动性能好的特点。文中详细介绍了稳定跟踪平台的设计过程，包括具体的结构组成、汇流环的选择与优化设计、传动链设计与计算、控制精度的分析等。设计的稳定跟踪平台在装机使用过程中性能优异可靠，完全满足系统的使用要求。设计过程中所贯穿的集成化设计思想可为类似产品的设计提供参考。

稳定跟踪平台；汇流环；传动链；精度；集成化

引 言

天线稳定跟踪系统是“动中通”系统的主要组成部分，由稳定跟踪平台、控制器、驱动器、电源及相应的伺服控制软件组成。其主要功能为接收IMU、GPS天线等输出的运动平台姿态位置信息，通过伺服控制程序计算出运动平台当前姿态与位置相对于目标卫星的方位与俯仰角度，并驱动天线指向卫星目标，使天线辐射波束有效覆盖卫星目标，并采用信号强度比较的方式，在运动过程中实现目标的精确连续跟踪。其中的稳定跟踪平台是一种具有隔离载体姿态变化及驱动与控制天线指向2种功能的精密机电传动机构，由多自由度主体承力机构、驱动电机、角度测量反馈元件及传动链元件组成。

本系统装载于某型直升机上，由于直升机平台的特性要求载荷具有结构紧凑、重量轻、抗振动性能好的特点，因此稳定跟踪平台在设计时除了要满足系统性能要求外，还要尽量进行集成化设计，以使设备更加轻小型化。本文主要就两轴稳定跟踪平台研制中的一些设计体会与成果进行介绍。

1 驱动形式分析与选择

稳定跟踪平台中常用的驱动形式主要有采用“伺服电机-减速机-齿轮副”传动链的间接驱动式(简称间驱式)和采用“直流力矩电机”的直接驱动式(简称直驱式)2种，二者的特点如下：

1)在负载相同的条件下，间驱式的重量与体积均优于直驱式，因而直驱式更适合小负载的场合。

2)在控制精度上，间驱式单轴精度一般不小于0.1°，而直驱式可在0.1°以内，前者低于后者。

3)在反应速度与传动效率上，间驱式具有较长的传动链，而直驱式直接驱动负载转动，因而前者要低于后者。

4)在结构设计的难度上，对间驱式的要求较低。间驱式电机、编码器(或旋转变压器)均独立安装，轴上只需安装旋转关节及汇流环。而直驱式则要同轴串联式安装力矩电机、测速机、旋转变压器(或编码器)、电磁制动器、旋转关节、汇流环等。

5)在加工与装配精度上，直驱式的力矩电机、电磁制动器、测速机、旋转变压器等的定子与转子之间的间隙控制要求严格，对加工与装配精度的要求也比间驱式高。

6)在后期维护上，间驱式各元件均可独立更换，不牵涉其它器件，而直驱式在维护更换时，可能要将轴上的所有元件全部拆卸。

在该项目中，对设备的重量、体积有严格要求，而对控制精度与反应速度的要求不是很高，根据上述分析结果，该平台的传动链形式选择间接驱动式。

2 结构设计

根据系统指标要求，稳定跟踪平台为方位俯仰型两维结构，由方位转台与俯仰转台组成，且方位轴与俯仰轴垂直相交。传动链形式采用“直流伺服电机-精密减速机-调隙式末级齿轮副”方案。

2.1 方位转台结构设计[1]

方位部分采用立轴式转台形式，主要由外壳、中心轴、轴承、电机、传动齿轮副以及汇流环、旋转变压器、射频铰链等组成。

外壳与中心轴通过一对向心球轴承构成方位转台的主体结构。轴承位于中心轴上下两端，较大的轴承间距可有效提高机构的稳定性，同时轴承间距可作为汇流环的安装空间。

转台与汇流环进行了集成化设计。中心轴及轴承组由转台与汇流环共用，汇流环的内环直接安装在中心轴上，在外壳与中心轴之间安装电刷、电刷支架等汇流环的其他部件。相对于传统的独立汇流环设计减少了一个主轴及一对轴承,结构更加紧凑。

分体式旋转变压器的定子与转子分别同轴安装在中心轴与壳体上，射频铰链安装在中心轴内部，高度上与汇流环重合，可有效降低方位转台的高度。

电机安装在转台外壳上，经末级齿轮副减速后驱动中心轴做方位360°连续旋转。齿轮传动副设计为中心矩可调式，通过机械调节可有效减小齿轮侧隙，提高传动精度。

此种形式结构紧凑，空间利用率高，同时抗振动性能好。方位转台的结构组成如图1所示。

图1 方位转台结构示意图

为满足机载环境要求，汇流环采用结构紧凑、重量轻、可靠性高的柱式金属丝滑环结构形式。金属丝采用金基合金材料，该材料具有良好的导电性、弹性及耐磨性，可有效降低载机振动对电接触性能的影响，同时工作中磨损小，粉末少，寿命长，无需定期维护[2]。

在汇流环设计中改进了常用的金属丝电刷悬臂安装形式，结构上对金属丝电刷进行了多个自由度的约束，以增强其抗振能力，提高了振动环境下的电接触可靠性；采用了单通道多根刷丝并联的多触点设计，增加了接触面积，减小了接触电阻，同时减小了接触电阻的波动范围，有利于信号的连续稳定传输[2]。

在功率通道设计中，为防滑环打火、被烧毁，通道功率容量设计值达到负载功率的1.5倍以上。

2.2 俯仰转台结构设计[1]

俯仰转台安装在方位转台的中心轴上，在方位电机的驱动下作360°连续转动，主要由天线单元、U型框架、电机、旋转变压器及传动齿轮副组成。

天线单元通过一组轴承对安装在U型框架上，俯仰轴与天线阵面一体化设计，天线重心尽量向俯仰轴靠近，以减小偏心现象。

电机安装在U型框架的右侧支耳上，通过末级齿轮副减速后驱动天线单元在0°～90°作俯仰转动。同时设计机械限位，以防止异常情况下天线俯仰角度超出转动范围。

同方位一样，齿轮副也采用中心距可调式设计，可有效减小齿轮侧隙，提高传动精度。

分体式旋转变压器同轴安装在框架左侧的天线俯仰轴与支耳上，实时检测并反馈天线的俯仰角度。

天线单元将4个发射组件、1个接收组件及1个功分器集成设计在天线的背面，使天线单元对外的射频连接减少为必需的上下行两路信号。与天线单元的发射、接收组件有射频连接关系的上变频器、下变频器安装在俯仰框架上，随俯仰转台同步作方位转动，缩短了射频传输链路，降低了射频损耗。由于天线在俯仰向不需要作360°连续旋转，故用柔性射频电缆代替射频铰链来传输射频信号。

俯仰电机驱动器也集成在U型框架上，可减少汇流环的通道数量。

稳定跟踪平台的结构组成如图2所示。

图2 稳定跟踪平台结构示意图

3 传动链设计与校核[3]

如上所述，该平台选择由“伺服电机-减速机-末级齿轮副”构成的间驱式传动链。下面对传动链的驱动力矩、减速机速比、末级齿轮副速比及齿轮模数等内容进行设计计算与校核。

3.1 方位传动链设计

方位转台的主要技术指标为：

1)方位角速度v≥60°/s(10 r/min)；

2)方位角加速度β≥80°/s2(1.4 rad/s2)。

方位驱动力矩主要由惯性力矩与汇流环产生的摩擦力矩组成，具体计算如下：

方位载荷转动惯量J≈4 kg·m2

故惯性力矩T1=Jβ=4 × 1.4=5.6 N·m

摩擦力矩T2≈3 N·m

机载传动系统的驱动力矩安全系数一般为2～3。该项目中按3考虑，则总的驱动力矩为T=3(T1+T2)=25.8 N·m。

根据上述计算选择的电机及减速机的主要技术参数为

电机：额定功率50 W，额定力矩48 mN·m，额定转速10 400 r/min；

减速机：速比235，额定力矩15 N·m，效率85%。

根据驱动力矩及齿轮副相关设计计算，得到齿轮副主要参数为：模数m=1; 主动齿轮齿数Z1=48; 从动齿轮齿数Z2=200;齿轮副速比i=4.17。则方位轴输出的额定力矩T=0.048×235×0.85×4.17×0.97≈38.8 N·m(0.97为齿轮副传动效率)；方位轴输出的额定转速v=10 400 ÷ 235 ÷ 4.17=10.6 r/min。

从计算结果可以看出，方位轴输出的力矩及转速均满足指标要求，设计结果是合理可行的。

3.2 俯仰传动链设计

俯仰转台的主要技术指标为：

1)俯仰角速度v≥60°/s(10 r/min)；

现阶段而言，许多的高职院校，误将校园文化建设理解成物质文化建设，这是十分片面的。误以为将校园内的设置完善，丰富学生的课余生活，这就是校园文化建设，但是实际上来说，这只是一种娱乐文化，这将会导致娱乐消遣之风在整个校园盛行。高校要进行文化建设，但是却没有一个明确的目标，整个局限在对于学生的管理和思想政治教育的基础层面上，没有达到整体办学、培养高素质人才的高层次目标。

2)俯仰角加速度β≥80°/s2(1.4 rad/s2)。

俯仰驱动力矩主要由惯性力矩、偏心力矩及柔性电缆导致的干扰力矩组成，具体计算如下：

俯仰载荷转动惯量J≈1.5 kg·m2

故惯性力矩T1=Jβ=1.5 × 1.4=2.1 N·m

又有偏心力矩T2≈1.5 N·m

干扰力矩T3≈0.5 N·m

考虑3倍的安全系数，则总的驱动力矩为

T=3(T1+T2+T3)=12.3 N·m

根据上述计算选择电机及减速机的主要技术参数为

减速机：速比100，额定力矩6 N·m，效率85%。

根据驱动力矩及齿轮副相关设计计算，得到的齿轮副主要参数为：模数m=1；主动齿轮齿数Z1=20；从动齿轮齿数Z2=120；齿轮副速比i=6。则俯仰轴输出的额定力矩T=0.033 × 100 × 0.85 × 6 × 0.97 ≈ 16.3 N·m(0.97为齿轮副传动效率)；俯仰轴输出的额定转速v=7 240 ÷ 100 ÷ 6=12 r/min。

从计算结果可以看出，俯仰轴输出的力矩及转速均已满足指标要求，设计结果是合理可行的。

4 跟踪精度分析[1,4]

稳定跟踪平台的跟踪精度由方位轴跟踪精度与俯仰轴跟踪精度联合组成。其中方位轴跟踪精度与系统的各种误差有关,其误差种类及其最大值具体为

旋转变压器测量误差：± 0.1°

载体姿态测量误差：± 0.1°

程序计算与带宽误差：± 0.05°

加工与装配误差：± 0.1°

航姿系统安装误差：± 0.1°

其中航姿系统安装误差可通过标校措施测定其大小和方向，为已定系统误差，可以在处理程序中进行修正。其他误差均已确定存在,但其方向具有不确定性,故上述误差应定义为未定系统误差。根据误差合成理论，按方和根法对上述误差进行合成计算。故方位跟踪精度为

俯仰轴跟踪精度与方位轴情况相同，故俯仰轴跟踪精度为

eB≈±0.18°

根据方位轴和俯仰轴的几何关系，将单轴精度按矢量合成得出平台总的跟踪精度为

可以看出，平台的跟踪精度满足±0.3°的跟踪精度指标要求。

5 性能测试与试验

稳定跟踪平台经过了一系列的规定试验程序，即速度与加速度测试；静态指向精度测试；动态跟踪精度测试；各项环境例行试验。全部试验程序顺利通过，表明该平台完全满足系统指标要求。

6 结束语

稳定跟踪平台为适应机载环境的苛刻要求，在研制中贯穿了集成化设计思想，有效简化了结构，减轻了重量，减小了体积，最终达到了装机条件。

装机后，系统经过了试飞验证，并多次执行了正式飞行任务。在试飞及执行飞行任务过程中，系统跟踪稳定、连续，性能优异、可靠，完全满足系统的使用要求。

[1] 吴凤高.天线座结构设计[M].西安：西北电讯工程学院出版社,1986.

[2] 汤锋，姜毅. 某直升机载雷达汇流环的设计[J].电子机械工程，2010, 26(6)：30-32.

[3] 王生洪, 龚振邦，王世萍.电子设备机械设计[M]. 西安：西安电子科技大学出版社,1994.

[4] 费业泰. 误差理论与数据处理[M].北京：机械工业出版社，2000.

钱海涛(1979-),男，高级工程师，主要从事雷达结构总体及机电传动技术的研制工作。

郑传荣(1976-),男，高级工程师，主要从事汇流环技术研制工作。

·简讯·

澳大利亚科学家成功生产出微型激光

据澳大利亚ABC报道，澳大利亚国立大学的研究人员利用直径只有十亿分之几米的纳米线成功生产出微型激光，相关论文刊登在《自然-光子学》杂志上。这项研究成果是在朝着制造未来电脑芯片的道路上迈出的关键一步。由于这种微型激光的问世，未来的电脑电路将在三维尺度下制造，采用光线而不是电来运转。制造使用光线的电脑电路拥有很多优势：光线的传输速度远远超过电子，也就是说，可以制造速度更快的电脑以及尺寸更小且能效更高的芯片。如果利用纳米线和光线，就可以在三维尺度下制造电路，利用光线的相互连接在层与层之间传输信息，进而打造更紧凑、速度更快的处理器。

研究人员指出，这种微型激光还可以用于制造超灵敏光学传感器和近场光学显微镜。他们取得的主要突破是找到了一种使用砷化镓制造微型线路的方式。这种线路可以在室温环境下工作。在研究过程中，他们将微小的金颗粒沉淀在一个表面上，而后在含有镓和砷的气体的情况下将金颗粒加热到750 ℃，镓和砷发生反应，形成可以引导光线的固态晶体线。相对于空气来说，砷化镓拥有极高的折射率，能够引导光线穿过，纳米线的末端起到镜子的作用。但使用这种纳米线制造电脑芯片仍需几年的研发才可成为现实。

摘编自http://www.jd37.com/news/20141/128523.html

Structure Design of a Stabilization Tracking Platform

QIAN Hai-tao，ZHENG Chuan-rong

(The38thResearchInstituteofCETC，Hefei230088,China)

Based on the practical requirement and service environment of the stabilization tracking platform for a type of helicopter, a rational scheme is determined by means of characteristic analysis of several familiar transmission types. The stabilization tracking platform, designed with the integration design technology, has excellences of compact structure, small weight and good resistance to vibration. The design process of the stabilization tracking platform is discussed in detail, including structural composition, selection and optimization design of the slip ring, design and calculation transmission chain and control precision analysis. The stabilization tracking platform shows its excellent and reliable performance during operation. And it fully meets the operation requirements of the system. The integration design idea throughout the design process can provide a reference for the design of similar products.

stabilization tracking platform; slip ring; transmission chain; accuracy; integration

2013-10-16

TN820.8

A

1008-5300(2014)01-0019-04