三轴飞型转台设计【含CAD图纸】
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哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文)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IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的目的、背景和意义11.2 国内外测试转台的发展概况11.2.1 国外对测试转台的研究11.2.2 国内对测试转台的研究31.3 未来转台发展趋势51.4 本章小结5第2章 半实物仿真62.1 半实物仿真系统定义62.2 半实物仿真的先进性及其特点62.3 半实物仿真的基本组成和原理62.4 三轴飞型转台与半实物仿真72.5 本章小结8第3章 三轴转台的概述93.1 三轴转台工作原理的概述93.2 仿真转台驱动原件的选择和标准93.2.1 液压驱动的优缺点93.2.2 电机驱动的优缺点103.3 驱动型式的选择103.4 本章小结11第4章 驱动元件试验场地134.1 实验室地基134.2 储能器134.3 实验室整体建模144.4 本章小结15第5章 外框马达单通道实验方案165.1 试验环境165.2 马达受力计算165.3 负载盘设计165.3.1 设计条件165.3.2 偏载件175.3.3 负载盘175.3.4 负载总成185.4 底座195.5 外框驱动元件试验结构215.6 本章小结22第6章 中框马达与内框电机试验246.1 中框马达试验246.1.1 试验环境246.1.2 模拟负载246.1.3 底座256.1.4 安装弯板256.2 内框电机试验256.2.1 模拟负载256.2.2 电机的安装及固定256.3 中框马达和内框电机试验266.4本章小结27结论28致谢29参考文献30附录132附录236- 39 -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。这个领域的发展程度对国防、经济、政治乃至人民的生活都具有非常重要的意义。当今随着科技的不断发展,其在人民生活中也有着越来越重要的意义。同时人类对太空的探索越来越深入,对探索工具及飞行器的精密度、可控性的要求也更加严格,其中航天飞机的升空飞行、导弹的准确定位与自动跟踪均离不开惯性导航与制导技术。在现代军事工业、航天工业中,高精确制导的导弹、自动导航的飞行器,在战争中具有越来越重要的作用,因此世界各个国家都极其重视制导系统的研究开发。在研制的过程中,如何准确的获得飞行数据和规律就成为了研制高性能准备的关键。在早期的导弹、飞行器的研制过程中。为了获得这些飞行数据,使用的是外场地试验法,就是在武器本身上安装各种传感器,并在实际飞行中测量实验数据,在根据测得的数据进行分析并评价系统的性能,由于这种方法成本太高,不具备重复性,会造成财力、物力、人力的浪费,同时这样有限的试验所获得的规律不可能十分准确,也就不利于飞行器的研制和更新换代。另一种方法就是在转台上测试,仿真设备在地面测试和评价制导系统的各项性能指标。仿真转台是用于类似飞机、导弹等飞行器姿态仿真的运动模拟器,是整个制导系统运动仿真或转台系统控制与测试的核心设备之一,主要功能是用来模拟导弹在空中的三种角姿态(俯仰、偏航、横滚)运动,作用是将仿真机计算出来的飞行姿态的电信号转变为惯性负载和转台系统可以识别的机械转角信号,便于导弹或飞行器的研发和结构优化设计。1.2 国内外测试转台的发展概况1.2.1 国外对测试转台的研究转台的研究与发展,一直都是以美国为代表的。美国式最先进的制造转台的国家。第一台转台于1945年诞生于麻省理工学院,这种转台后来被命名为A型转台。这种转台使用滚珠轴承支撑,交流力矩电机直接驱动,位置分辨率为角分级,这就是美国转台发展的第一阶段。后来麻省理工在A型转台的基础上进行修改,用精密齿轮系代替直接驱动装置,研究出了B型和C型转台。从那时起美国的转台研究就无论是在数量、种类还是精度和自动化程度上都居于世界领先水平,代表了当今世界转台的发展水平和方向。转台的发展经历从单轴、低精度、单功能到多轴、高精度、多功能的各个阶段。1954年,D型转台研制成功,这标志着转台的发展已经达到一个新的水平。D型转台的轴的支撑采用成对的精密锥形滚珠轴承,用直流力矩电机直接驱动轴系,使动态性能得到改善。转台的角位置测量采用光电敏感系统。为了减少轴系的摩擦,降低干扰力矩,1959年开始,研究出了D型液压轴承转台,大大提高了测试精度。1968年,在D型液压轴承转台的基础上设计和制造了E型转台,这被认为是进入美国转台发展的第二阶段。E型转台采用径向和轴向有压力补偿的液压轴承,并在耳轴上采用空气轴承,由一个光学读出系统测量角度,转台的定位精度在3角秒之内。这一时期的美国转台主要采用空气轴承和交流力矩电机直接驱动,从而因摩擦力的减小而大大提高了转台的位置精度和速率精度与速率平稳性。并开始应用计算机参与系统控制,如菲克公司研制的3768型、3769型单轴转台及5769型双轴转台。六十年代以后,由于美国的陆海军和民用部门应用惯性系统越来越多,对陀螺精度要求也越来越高,因此转台的研究进入了一个飞速发展的时期。这一时期的转台大多采用气浮轴承,力矩电机直接驱动,直至发展为采用计算机控制,这一时期转台对漂移率(陀螺、加速度计等惯性原件及平台系统的性能指标)的测试精度已经达到0.001/h以上。1969年以后,美国的转台设计和制造进入了系列化阶段,技术进一步得到发展和完善,相应的转台也成为一种广泛使用的测试设备。从那时候至今,位于美国宾夕法尼亚洲的康特维斯-戈尔兹公司(Contraves-Georz Corporation 简称CGC)成为美国制造惯导测试设备和运动模拟系统的主要厂商,并一直代表美国乃至世界惯性设备,尤其是转台的发展水平。从20世纪70年代初开始,CGC着手研制并生产系列多轴陀螺测试转台,具体为:1972年为Draper实验室的第三代陀螺仪和HoneyWell公司的静电支撑陀螺仪,研制成功了53D型和53E型转台,1979年为西德航空航天研究试验院研制成功了53G型转台。此外,这个系列的转台还有53B型、53W型等型号,均是为了各种飞行器的惯性测试而研制的。53系列转台的主要特点是:台体形式均为多轴,其中53B型为四轴惯性制导测试系统,53D型、53E型、53G型、53W型为三轴转台,普遍采用气浮轴承,轴系回转精度和正交精度均达到角秒级;使用感应同步器作测试元件,测试精度和定位精度均达到1角秒。从1984年起,CGC公司提出了改进的三周测试转台(Improved Three-Axis Test Table,简称ITATT)的制造方案,在CGC的设计方案中,规定ITATT是台超精密三轴转台设备。能评定下一代惯导系统和惯性元件,能测试下一代的天体定位仪表,要求它的三轴综合指向误差小于0.1角秒,这些指标比当时的惯导测试仪器几乎提高了30倍:转速稳定度在速率为0.001/s200/s内,比当时的水提高了1020倍,综合技术指标提高一个数量级以上。ITATT三轴测试转台可用于舰船导航和空间传感器的测试,主要指记载光学附件和天体跟踪器、定位装置等的测试,还可用于战略系统测试。在方案中,不仅规定了这台高精度三轴转台的性能指标,而且还影响其设计与制造的主要方面,如对机械的结构、台体的材料、轴承型号、驱动装置、测角元件、控制系统、信号传输等进行广泛的研究,采用新技术等。ITATT的许多性能指标代表了当前惯导测试转台的技术发展水平。1989年5月,CGC公司签订了高级三轴测试转台的设计、制造及测试内框周的第一阶段任务合同,在过去的几年里,公司已经学习到许多有关高级三轴测试台“设计中提出的问题”,同时已能鉴别必须提出的若干高新风险区。其他转台研制和生产比较出名的还有美国Carco公司和德国的MBB公司等。英、法、德等国也进行转台的研制工作,但无论投入的人力和财力,还是所达到的水平都不如美国,俄罗斯的惯性技术水平也比较高,但由于其保密性强,对其具体情况不甚了解。1.2.2 国内对测试转台的研究我国一直把这一关键设备的研制工作放在航天工作的首位。国内自20世纪60年代中期起开始转台的研制工作,从已经研制成功和正在研制的各型转台来看,我国的转台研制工作尽管起步比较晚但是发展却很快,自60年代研制出第一台三轴液压仿真转台以来,转台的研制工作处于良好的发展状态中,其发展现状大致如下:1966年,707所为高精度单自由液浮积分陀螺仪而考试研制的DT-1型单轴低速伺服转台,1974年进行全面的精度测定,1975年该转台通过技术鉴定。转台由机械台体和电子控制箱两部分组成,测角系统采用感应同步器和旋转变压器组成,机械系统采用气浮轴承,驱动电机采用交流力矩电机直接驱动组成。1975年,由303所研制成功的SFT-1.1型伺服转台,首次利用光栅作为精密测角元件。可提供三种工作状态:伺服状态、速率状态、位置状态。主要是进行惯性器件的伺服实验,可测定漂移率为0.01/h的惯性系统和陀螺仪。1979年,由哈尔滨工业大学、441厂和原六机部6345所共同研制成功,我国第一台双轴伺服台TPCT-1型双轴气浮轴承台,又称为“7191”双轴空气轴承转台(“7191”双轴台)。1983年,由航天部一院13所研制的SSFT伺服转台是我国最大的双轴伺服台。它是为测量漂移率为0.01/h是双自由度陀螺、三自由度陀螺和加速度计等惯性元件及平台系统的性能设计的。从20世纪80年代初开始,我国对计算机控制转台和自动测试进行一系列的研究,并进行了转台计算机测试系统的研制工作。1985年,由哈工大研制的DPCT单轴计算机控制转台,是我国第一台计算机控制转台。计算机参与控制,提高了控制精度,提高了转台的灵活度和测试自动水平。此外,计算机对测试数据进行了实时处理,提高了测试效率和精度。这台转台的测角精度达到了1角秒,设计指标为测试漂移率为0.001/h的陀螺。1987年,哈工大与6354所共同研制成功的CCGT-1型陀螺测试转台,是我国第一台计算机控制的双轴测试转台,该转台对我国研制的漂移率为0.0006/h的静电陀螺进行了测试。1990年,中国航空精密机械研究院所研制成功了SGT-1三轴捷联惯导测试转台。这是我国第一台计算机控制的高精度三轴惯导测试台。该转台的主要性能指标是:三轴回转精度为2角秒,相邻两轴垂直度为1角秒,测角精度为三轴综合1角秒。SGT-1三轴转台为我国研制捷联惯导系统提供了迫切需要的高精度惯导测试设备。其电控系统采用了与美国CGC公司研制的MPACS30H相类似的模块化系统。1996年,6354所成功研制出测角系统采用开环鉴幅型高速动态测角模块方案、控制系统采用数字-模拟混合控制模块方案的三轴模拟转台。目前我国转台综合性能指标精度最高的哈尔滨工业大学惯导中心研制的三轴测试转台,其性能指标达到美国CGC公司八十年代研制的53系列水平。通过对国外转台研究的了解并与中国转台发展的对比,不难看出在转台的开发研究领域,中国和世界先进水平还是有很大差距的,像对于转台相关技术缺乏深入研究,转台可靠性差,没有批量生产能力,同时在一些领域存在空白等,这都需要我们不断努力,迎头赶上。1.3 未来转台发展趋势不断应用新技术来提高转台的测试精度,增强转台稳定性及环境适应性是转台以后发展主要的方面。其中包括:1)进一步提高技术指标;2)实现测试自动化,与计算机控制之间的联系会更加紧密;3)对测试的可靠性、稳定性有更高要求,要求其越加接近实际环境所碰到的问题;4)加强各种环境下的测试,控制环境对测试精度的影响,如温度、湿度、压力、地基等的影响。同时,由于转台的应用越来越广泛并趋于商品化使得在保证转台精度的情况下要不断考虑成本的下降,则要求应用各种新材料和新工艺,这也是转台发展的趋势。1.4 本章小结通过查询转台的相关技术资料,对比国外与国内转台的发展过程,让我对转台的发展有了进一步的了解,转台作为半实物仿真中重要的设备组成部分,其性能的好坏极大的影响着仿真的准确性与可靠性,同时也更加体会到转台未来的发展前景,它对国家的经济、国防军事工业都有着不可缺少的影响。对于三轴转台来说,驱动元件又是其重要组成部分,它保证着转台的正常工作和性能要求,本次论文课题就时对转台驱动元件性能的测试,试验其是否满足转台对性能的要求。第2章 半实物仿真2.1 半实物仿真系统定义半实物仿真,又称为硬件在回路中的仿真(Hardware in the Loop Simulation),是指在仿真实验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真。实时性是进行半实物仿真的必要前提。半实物仿真同其它类型的仿真方法相比具有经济地实现更高真实度的可能性。从系统的观点来看,半实物仿真允许在系统中接入部分实物,意味着可以把部分实物放在系统中进行考察,从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验,因此半实物仿真是提高系统设计的可靠性和研制质量的必要手段。2.2 半实物仿真的先进性及其特点半实物仿真技术自20世纪60年代问世直到目前美国研制航天飞机,始终盛行不衰。美国大多数国防项目承包商都有一个或多个半实物仿真实验室,这些实验室代表了当前世界先进水平。其先进性体现在:1) 有高速高精度的仿真机;2) 有先进完备的环境模拟设备。国内半实物仿真技术在导弹制导、火箭控制、卫星姿态控制等应用研究方面也达到了较高水平。半实物仿真的特点是:1) 在回路中接入实物,必须实时运行,即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同;2) 需要解决控制器与仿真计算机之间的接口问题;3) 半实物仿真的实验结果比数学仿真更接近实际。2.3 半实物仿真的基本组成和原理半实物仿真系统属于实时仿真系统。它是一种硬件在环实时技术,把实物利用计算机接口嵌入到软件环境中去,并要求系统的软件和硬件都要实时运行,从而模拟整个系统的运行状态。而实时系统由以下几部分组成:1)仿真计算机仿真计算机是实时仿真系统的核心部分,它运行实体对象和仿真环境的数学模型和程序。一般来说,采用层次化、模块化的建模法,将模块化程序划分为不同的速率块,在仿真计算机中按速率块实时调度运行。对于复杂的大型仿真系统,可用多台计算机联网实时运行。2)物理效应设备物理效应设备的作用是模拟复现真实世界的物理环境,形成仿真环境或称为虚拟环境。物理效应设备实现的技术途径多种多样,方案之一是采用伺服控制回路,通过伺服控制回路控制形成相应的物理量,方案之二是在已储存好的数据库中搜索相应的数据,转化为相应的物理量。3)接口设备仿真计算机输出的驱动信号经接口变换后驱动相应的物理效应设备。接口设备同时将操作人员或实物系统的控制输入信号馈入仿真计算机。在仿真计算机中通过对动力学系统和环境的数学模型解算,获得系统和环境的各种参数。对半实物仿真系统,这些参数通过物理效应设备生成传感器所需要的测量环境,从而构成完整的闭环仿真系统。物理效应设备是实现仿真系统所需要的中间环节,它的动态特性、静态特性和时间延迟都将对仿真系统的置信度和精度产生影响,应该有严格的相应技术指标要求。半实物仿真系统原理框图如图2-1 半实物仿真系统原理图所示。图2-1 半实物仿真系统原理框图2.4 三轴飞型转台与半实物仿真三轴飞行仿真转台是进行飞行器半实物仿真实验的重要设备之一,其作用就是在地面上模拟飞行器在空中的动态特性和各种姿态。而随着计算机技术、通信技术与传感技术为主导的信息技术的发展,仿真技术作为高科技、定量化的辅助研究手段,在科研、军事等领域研究中发挥着越来越重要的地位。半实物仿真作为仿真技术的重要代表之一,其经济效益和军事效益日益凸显,特别在武器系统研究、军事装备训练等重要方面有着举足轻重的作用。同时其也广泛的应用于航天、电工、化工、通信,特别是军事等领域方面的工程设计研究,成为现代高技术的代表之一。2.5 本章小结通过对半实物仿真的不断了解和学习,我明白了半实物仿真对当今世界各项科研事业所起到的重要影响,提对产品的不断提高和更新有着重要作用,有了它的帮助可以大大减少产品更新时间,利于占领市场,同时也可以节省很大部分研究成本,减少人力、物、力财力的浪费,而三轴转台作为半实物仿真中重要的组成部分,起到了不可替代的作用。通过对转台的研究学习,我更加深刻的了解到我本次课题的意义,它对国防军事的研发有着极为重要的作用。第3章 三轴转台的概述3.1 三轴转台工作原理的概述三轴转台主要是根据计算机的指令,实时跟随指令信号,控制转台的滚动、俯仰、航向轴系运动,模拟姿态角位移的变化,与仿真计算机和射频系统形成闭合回路。机械系统由三个框架和机座组成,主要为负载提供安装基准和滚动、俯仰、航向三轴系回转运动。电气系统主要完成转台的起停、转台监控及远程控制等功能,主要由控制台、电控柜等组成,工作时,电气系统为三轴转台的三个框架的驱动原件提供动力保障,使转台能够驱动负载做各种运动,完成所需要的运动,控制系统根据仿真机的控制指令,经调解后,输出控制信号给相应框架的驱动元。应用软件实现转台和计算机的实时通讯,记录转台三个框架的角位置数据,并对实验的各轴角位置数据进行处理,绘制运动曲线监控各轴的运动参数,实时进行安全性评估进行各轴控制率运算,控制转台正确运动。3.2 仿真转台驱动原件的选择和标准飞行仿真转台的驱动原件有两大类:一类是所有框架都是由液压马达驱动,称为液压仿真转台,如图3-1液压驱动转台所示;另一类是所有框架都是由电动机驱动,称作电动仿真转台,如图3-2电机驱动转台所示。还有的转台内框由电动机驱动,中、外框由液压马达驱动,称为复合驱动式仿真转台。本次论文所针对的三轴转台就是复合驱动式仿真转台。3.2.1 液压驱动的优缺点优点:1)传动装置重量轻、结构紧凑、惯性小。如相同功率的液压马达的体积为电机的12%13%;2)可在大范围内实现无极调速,借助阀或变量泵、变量马达,可以实现无极调速,调速范围可达1:2000,并可在液压装置运行的过程中进行。3)传递运动均匀平稳,负载变化时速度较平稳;4)液压装置易于实现过载保护借助于溢流阀等装置,同时液压装置能实现自动润滑因此使用寿命长;5)由于液压传动是油管连接,所以借助油管的连接可以方面灵活的布置传动机构。借助于各种控制阀,能很容易的实现复杂的自动工作循环,而且可以实现远程控制。缺点:液压系统比较容易暴露,低速性能不佳,结构比较复杂,需要配备油源等。3.2.2 电机驱动的优缺点优点:1)电动机可实现连续回转,而液压马达则不能;2)液压马达需要油源而电动机则不需要。缺点:功率转换方式的效率低、体积大、大功率器件价格高又容易损坏、调制干扰严重等。所以这次论文所针对的三轴转台,其外框、中框驱动原件采用了液压马达作为驱动元件,而内框驱动原件采用了电机作为驱动元件。3.3 驱动型式的选择驱型形式可以分为直接驱动和间接驱动。直接驱动是将电动机或液压马达的输出轴直接和转台框架轴固连,其优点是有利于提高系统的动态性能和精度,主要缺点是其低速性能主要取决于驱动原件本身的低速性能。间接驱动是将电动机或液压马达的输出轴经过齿轮减速之后在于框架固连,其优点是;1)可以提高系统的超低速性能;2)可以利用小的力矩电动机驱动大的负载力矩。但其缺点是由于齿轮啮合间隙以及齿面磨损后的精度的丧失等问题影响系统的精度与稳定性,所以当前国内外大多数采用的都是直接驱动型式。电机驱动常见的电动机是力矩电动机和直流伺服电动机。力矩电动机允许转速低,可直接与框架连接形成直接驱动。但当驱动力矩增大时,其允许的最高转速也降低,所以当框架最大转速较高时不宜选用力矩电动机,而采用直流伺服电动机经齿轮驱动的方案。但直流伺服电动机的轴向尺寸较大,不宜用于转台的内框、中框轴的驱动。近年来,已经研究出一种直流无刷电动机,它具有力矩电动机的调速也行而且调速范围也很大,可用于直接驱动,是一种很有发展前途和研发前景的驱动元件,对转台的研发设计也必将产生根本的影响。图3-1 电机驱动转台AC3337图3-2 液压驱动转台HD77363.4 本章小结通过对三轴转台的不断深入学习,让我对三轴转台的工作原理有了大体的了解,对比液压马达和电动机最为驱动元件的各项优缺点,我也深刻的理解了本次课题中所涉及的转台对驱动元件的考量,每种驱动元件都有着自己不同的优点和不足,所以我们要结合自身的性能要求,来综合考量,只有满足性能要求的驱动原件才能使转台在各种环境下都能正常工作,而在转台运作过程中,对各项参数都有着很精确的要求,这就要求我们要仔仔细细地考虑各部分工作配合情况,只有最适合的配合才能达到完美的工作状况,所以转台的各部分的选择都很重要,不能有半点马虎大意。第4章 驱动元件试验场地4.1 实验室地基驱动元件试验要在实验室进行,而基座的固定要使用到现有实验室地基的T型槽,经过和老师们的商量分析,决定使用实验室中一块长方形的地基来完成驱动元件的试验,该地基如图4-1 长型地基所示。图4-1 长型地4.2 储能器储能器的作用是:1)短期内大量供油;2)系统保压;3)应急能源;4)缓和冲击压力;5)吸收脉动压力。在外框马达和中框马达试验时需要油源来提供压力油,由于本次试验所需压力油流量较大,而实验室并没有满足要求的储能器,所以需要将现有的两个储能器连接到一起,来保证试验时所需要的足够压力及流量。如图4-2 储能器所示。图4-2 储能器4.3 实验室整体建模在本次驱动元件试验中,试验场地为实验室A区,所以在做试验之前需要对实验室现有状况有所了解,则需对实验室进行建模,了解各个关键部分尺寸大小和所在位置关系,以来划分试验时各个不同的工作区域,并进行必要的清场处理,而且实验室的环境状况还关系到后面对试验时管路的设计及布线的要求都有着重要的影响。如图4-3 实验室整体模型。图4-3 实验室整体模型4.4 本章小结在本次试验的最开始阶段,首先是对试验的具体进程有了一定的了解,明白了本次试验要完成所需要的各种各样的条件,第一方面就是试验场地的要求,像是试验时马达基座的连接摆放问题,试验时外框马达、中框马达所需要的油源流量及压力要求,而本次试验是在实验室进行的,就需要对实验室有总体的了解,包括其中现有各物件的形状尺寸、所占相对位置关系等,要保证试验时实验室中现有物件不与本次试验发生干涉,不然为保证试验的顺利进行就需要进行清场处理。在这次对实验室建模过程中,我不仅对Inventor的使用有了更深层的了解,也进一步训练了我的实际动手能力,实验室中各物件尺寸、相对位置关系都需要我动手去测量,特别是对T型槽的建模过程中,因为我要在其上面安装基座,所以就对T型槽的各种尺寸有着很严格的要求,通过这次的学习,我深深的明白了理论设计要想获得成功一定不能离开实际的考量。第5章 外框马达单通道实验方案三轴飞行转台由外框、中框和内框组成,其中外框的驱动原件选择的是液压马达,为保证三轴飞型转台的各项要求,现需对马达进行测试。5.1 试验环境1)外框轴系质量2374kg;2)外框轴系转动惯量981kgm2;3)偏载质量545kg,偏载质心距三轴交点距离570mm。5.2 马达受力计算单个马达承重1187kg、负载转动惯量490.5kgm2、偏载质量272.5kg、偏载质心距离三轴交点距离570mm。压轴力 F=PS=84500000.265(0.625+0.345)/2=1086666N (5-1);压轴力弯矩(两轴承跨距678mm) T1=0.678/2F=368379N (5-2);负载重力弯矩(轴端距前端轴承313mm) T2=0.31311879.8=3641N (5-3);偏载力弯矩偏载力F2=ma=272.58000/57.30.57=21685.6N (5-4);偏载力矩T2=Fl=6787.6Nm (5-5);5.3 负载盘设计5.3.1 设计条件负载盘设计考虑通用性和扩展性。设计的负载盘除了满足本次轴颈280mm负载模拟外还要满足轴颈300mm时的要求。1)45钢抗拉强度按600MPa设计。按轴颈300mm胀套外径375mm,传递力矩100000Nm计算套筒厚度30mm,这里取套筒外径为455mm;2)负载盘满足转动惯量490.5 kgm2;3)负载盘质量1187kg10%;4)偏载质心距离三轴交点距离570mm附近;5)一面加入部分加强筋提高负载盘刚度(考虑实现难度,本条去掉)。5.3.2 偏载件1)质量157.62kg;2)中心外侧偏移三轴交点590mm,内侧偏移三轴交点651mm;3)对轴转动惯量127.60kgm2则偏载件的设计如图5-1 偏载件的结构设计所示。图5-1 偏载件的结构设计5.3.3 负载盘采用轮毂与盘片连接形式,质量759.48kg,对轴转动惯量260.53kgm2,尺寸:盘面外径1700mm、厚40mm,如图5-2 外框负载盘所示。图5-2 外框负载盘环形负载质量159.52kg,转动惯量102.37kgm2;尺寸:内径1498mm、外径1700mm、厚40mm,如图5-3 外框负载盘配重所示。图5-3 外框负载盘配重5.3.4 负载总成负载盘、环形负载、轮毂、偏载件通过螺钉固定在一起,如图5-4 外框负载盘总成所示。图5-4 外框负载盘总成5.4 底座采用在两个现有基座改造后上加一安装板连接方式来实现外框驱动试验。安装板如图5-5 外框马达试验安装板结构图所示,座在两个改造后的小基座上。两个小基座固定在实验室现有地基上,改造后的两个基座如图5-6 改造后两个基座所示,需要加工425的固定孔,并在底座侧面铣长580mm宽100mm深3mm的两个长条固定弯板面,并在其上钻4M20的螺纹孔,用来固定弯板,固定弯板如图5-7 外框马达单通道试验固定弯板结构图所示。图5-5 外框马达试验安装板结构图 图5-6 改造后两个基座图5-7 外框马达单通道试验固定弯板结构图5.5 外框驱动元件试验结构试验是通过把外框马达固定在安装板上,而安装板固定在两个底座上,底座是通过T型块、地角螺柱、垫铁、压板来实现固定的。马达轴与外框负载盘之间通过胀套连接并固定,且外框马达试验需要油源,则需要结合实验室现有管路设计管路的走向及管道的固定,如图5-8 外框马达单通道试验安装结构图所示。图5-8 外框马达单通道试验安装结构图5.6 本章小结通过具体的计算给出了外框负载的结构设计,刚开始设计的外框负载是通过焊接,来使各零件组合到一起的,但后来在跟老师的商讨后,觉得还是通过螺钉来连接固定,其负载件要满足质量、质心、转性惯量的要求,特别是偏载件的要求,而在考虑实验时外框马达的固定时,根据实验室现有基座的情况进行的选择,实验室现有基座有长条型和两个方型的基座,长条型基座因与马达上阀块发生干涉而不用,两个方型基座也得经过改造,特别是上面有一些以前留下的钻孔,需要考虑避开,防止发生干涉现象,影响固定效果,负载与外框马达轴用胀套来连接固定。根据实验室T型槽情况,设计用T型块、递交螺柱、垫铁压板来把基座固定在实验室地面上,根据现有T型块情况选择地脚螺柱为M22,实验时外框马达需要油源来提供压力油,根据阀块上压力油口和回油口等综合考虑。决定使用最外侧两个口,而中间两个口需要设计挡板堵死,这样就能比较方便的接管,根据实验室现有软管情况,设计油路需要硬管和软管配合使用,且硬管需要用管夹来固定。第6章 中框马达与内框电机试验6.1 中框马达试验6.1.1 试验环境1.)中框轴系质量545kg,每个马达272.5kg;2.)外框轴系转动惯量260kgm2,每个马达130 kgm2;3.)偏载质心距三轴交点距离570mm。6.1.2 模拟负载质量:285.824kg;质心距转轴距离:570.283mm;绕轴线转动惯量J=37.246+285.8240.570282=130.20 kgm2。 (6-1);为测量马达各个性能指标,对中框负载件设计如图6-1 中框负载见所示。图6-1 中框马达单通道负载结构图6.1.3 底座使用现有的底座,但须经过改造(需在底座上加工4M16螺纹孔),并在底座上加一改造后的弯板,为配合弯板后加工孔的位置需要在基座上再加工出四个螺纹孔,如图5-6 改造后的两基座所示。6.1.4 安装弯板使用原有弯板改造,并进行改造(底板加工四个沉头孔)并加工原有马达安装孔,如图6-2 中框马达单通道试验弯板结构图所示。图6-2 中框马达单通道试验弯板结构图6.2 内框电机试验6.2.1 模拟负载三种模拟负载分别为:a) 70kg,1.4 kgm2;b) 50kg,1.0 kgm2;c) 25kg,0.5 kgm2。6.2.2 电机的安装及固定内框电机安装在改造后的底座圆形孔中,通过16M12内六角螺钉固定,并进行立式和卧式两种方式的测试,在立式试验时需要设计限位支架如图6-3 内框定块限位支架所示,底座通过T型块、地角螺柱、垫铁、压板固定在实验室基座上。 图6-3 内框定块限位支架6.3 中框马达和内框电机试验在做三轴飞行转台驱动元件试验时,中框马达试验是通过把中框马达安装在改造后的弯板马达安装孔内,并用12M16内六角螺钉进行固定,把弯板固定在改造后的底座上,中框负载件与中框马达轴通过胀套连接固定,底座通过T型块、地角螺柱、垫铁、压板固定在实验室基座上,所需压力油管和回油管通过管夹固定在基座上。内框电机实验需要做立式与卧式两种情况,电机安装在基座孔中,基座经过改造满足电机安装要求,基座通过T型块、地脚螺柱、垫铁、压板固定在实验室地面上,而且内框电机在立式实验时需要进行定块的撞击试验,所以需要设计定块限位支架来吧定块支起来,支架应该满足刚度等要求并不能与电机发生干涉现象。并且中框马达试验与内框电机试验除了单个要测试性能外,还需要测试中框马达和内框电机协同配合能力,所以就需要在摆放中框马达、内框电机时负载件运动不能发生干涉现象。如图6-4 中框马达和内框电机试验结构图所示。图6-4 中框马达和内框电机试验结构图6.4本章小结在设计中框马达单通道实验的时候,考虑实验室现有情况,借助基座、弯板的改造来实现中框马达的固定,弯板的改造只需要在原有马达安装孔的基础上进行扩孔,已达到马达的安装要求,并在基座现有孔的基础上加工四个螺纹孔来固定弯板,而基座和实验室地面的固定也是通过T型块、地脚螺柱、垫铁、压板来实现基座的固定,中框负载件是一个整体的件经过加工来实现工作要求的,其与马达轴间是通过胀套来实现连接固定的。同时中框马达实验也需要油源的供油,硬管连接油口并通过管夹固定在基座上,然后通过软管与分油块连接在一起。结 论在本次试验中我所负责的主要工作有对试验场地的整体建模,包括试验场地中的现有各物件的形状尺寸、相对位置关系等,并设计外框马达试验结构,包括两个基座的改造、台架钢板、负载件和试验所需的各种附件,设计试验时马达与油源间管路的连接与固定。设计中框马达试验结构,包括基座、弯板的改造、负载件的设计、马达与油源间管路的连接形式等。内框电机试验时,基座的改造及做定块撞击试验时限位支架的设计。我所做的工作是保证本次驱动元件试验能顺利进行下去的保证,是试验的基本组成部分。在试验场地做试验时,需要保证试验时不与场地内其他物件发生干涉现象,马达试验需要提供油源,而马达与油源间需要通过管路来连接,管路不能发生震动,就需要进行必要的固定,这都是本次试验所要考虑的。在这次试验中,存在着一些不足之处,像对基座没有完全按照实际物件来建模,就造成后期改造过程中出现偏差,有些设计脱离了实际,只能满足理论要求而没有考虑实际加工难度,就造成了一些设计产品并没有满足本次试验要求。致 谢在本论文即将完成之时,谨向所有给予我关心、帮助和支持的老师、同学们致以我最真挚的谢意,感谢你们在这段时间对我的关心和照顾,让我受益匪浅。首先,感谢我的导师董彦良老师,他对工作的严谨要求、广博的专业识和工作作风是我学习的榜样。无论在毕业设计还是生活中遇到什么样的问题他都会耐心地给我讲解和指导,让我对自己的专业知识有了一次总体的了解和学习,所以,在这里我向董彦良老师致以我最真挚的谢意。另外,吴盛林教授在我做毕业设计的过程中,给予了精心的指导,吴盛林老师对我的每次指导都是随我不断的的鞭策和前进的动力,每次遇到问题我都会首先找到吴老师,而每次老师都会对我耐心的指导让我学习到了很多知识。再次,感谢张彪老师的精心教悔,设计上的热心指导,一丝不苟的作风加深了我对本次课题研究的深入理解。还有,感谢李晨光老师在设计过程中的耐心指导和帮助,使我明白了对待科学的严谨的重要性,还有对于专业知识的规范标准化的重要性,而且也让我第一次从生产的角度进行研究及考虑问题。此外感谢所有老师在这段期间给予我的无私帮助,学生在这里向各位老师表以最高的敬意和由衷的感谢。参考文献1 冯辛安.机械制造装备及设计.机械工业出版社.1998;2 王连明.陈铁鸣.机械设计.哈尔滨工业大学出版社.1998;3 李昌夫.惯性测试转台控制系统设计.哈尔滨工程大学硕士论文.2001:1-5;4 张锦江、王常虹等,三轴仿真转台的总体设计与关键技术研究.系统仿真学报.1999.Vol.11.No.6:446-449;5 美国惯导测试技术的现状及趋势.中国惯导技术学会.1987:5-46;6 刘春芳.三轴仿真转台低速性能及其控制策略的研究.哈尔滨工业大学博士论文.2003:1-5;7 哈尔滨工业大学,六机部五四所.双轴陀螺漂移测试台精度测试技术总结.1979:1-20;8 孟凡伟.三轴飞行仿真转台伺服控制系统设计与研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2001:25-23;9 谢涛.飞行仿真转台对结构动力学分析及其优化设计研究.哈尔滨工业大学博士论文。2003:30-40;10 张蕊华.三轴仿真转台电液位置伺服系统的分析和研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2003:24-28;11 李昌夫、王伟雄.转台控制系统的一种设计方案.中国惯性技术学报.1998.6(2):59-61;12 李军伟.仿真转台电液伺服系统及其中框同步控制技术的研究.哈尔滨工业大学博士论文.2003.6;13 吕瑞峰.转台静态精度测试方法研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.2003:40-50;14 任顺青、陈希军三周转台垂直度误差测试与分离技术.计量技术.2002.(5);15 王连明,简明机械设计手册【M】.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006;16 李尚义,三轴飞型转台总体设计与关键技术研究.1995(02);17 刘金香,CGC伺服设计的一些考虑.美国惯性测试设备测试技术的现状趋势 1987;18 News from prospace.Number45.january 2000;19 A.Louis Design study for a high accuracy three-Axis test table AIAAGUIDANCE and Control Conference.New York,1985:50-55;20 Louis a DeMore Design Study for a High-accuracy three-Axis Test Table J.AIAA Guidance and Control conference 1985,10(1),104-114;21 ACUTRONIC Inc.Defence OL.http:/www.acutronic.com.2011;22 ACUTRONICInc.3-Axis Montion Simulator SerisAc3337OL.http:www. acutronic.com.2011.附录1转台广泛应用十航空、航天、兵器、航海等领域,有各种不同的类型和用途。本文所研究的二轴转台与可见光目标模拟器一起构成可见光目标模拟检测系统,用以完成导引头装前测试。可见光目标模拟器模拟产生电视导引头在测试和试验过程中所需的各种目标,由二轴转台带动目标模拟器形成满足导引头要求的图像视场及目标运动特性,作为导引头测试的模拟目标。可见,二轴转台控制系统设计的优劣对能否成功地完成导引头的性能测试和检验有重要的影响。1.1 转台控制算法概述本文所研究的二轴转台,包括方位轴和俯仰轴,每一轴的控制通常采用双闭环控制结构,即由内到外依次是速度环和位置环。速度环的作用是提高系统的刚度来抑制系统的非线性及外部扰动,控制系统的精度由位置环来保证。从控制律的类型来看,速度环通常采用pi控制,采用模拟方式实现。种类繁多的控制算法多数在位置环实现。其是转台控制系统的核心,是影响转台控制系统性能的关键因素。 从模拟控制系统开始,到数模混合控制系统及计算机控制系统的长期发展过程中,形成了许多行之有效的控制方法。从它们的发展过程和应用特点出发,大体可分为二类:传统控制策略,现代控制策略和智能控制策略人工神经网络是人工智能的一个主要分支。它是一些科学家从模仿人脑神经细胞的组成、结构及工作机理出发,提出的一套思想方法。其目的在于研究一种新的理论,实现一种新的系统使之能够完成人脑的功能12,13。尽管在理论和应用方面还存在很多不足之处,但它的出现却给遇到挑战的自动控制带来了新的生机和曙光。1.2 模糊控制的发展从1965年美国著名控制论学者L. A. Zadeh发表开创性论文,首次提出一种完全不同十传统数学与控制理论的模糊集合理论以来,模糊集和模糊逻辑理论迅速发展,形成了一门完善的数学理论。1974年E. H. Mamdani首次将模糊控制理论应用十蒸气机及锅炉的控制,取得了优十常规调节器的控制品质,从此,模糊控制诞生了。模糊控制理论和技术变成智能控制领域最活跃的学科之一,受到广泛地重视和发展,并取得了有目共睹的成就。随着现代工业的发展,控制对象的非线性和不确定性增强,使得现代控制的数学建模困难,控制效果不佳,甚至无能为力,使传统的控制理论面临严峻的考验,模糊控制理论的崛起为这些问题的解决开辟了新的途径,尤其在现代伺服系统中。在现代伺服系统中,被控对象通常具有非线性、时变以及种类繁多的干扰,使得常规控制方法无法获得满意的控制效果。模糊控制是传统控制发展的高级阶段,模糊控制具有不依赖十系统模型、学习过程短、良好的实时性,并具有自适应能力和自学习强的特点。从学术角度来看,采用模糊控制方法实现对伺服系统的精确控制,具有一定的学术价值;从工程角度来看,将模糊控制方法应用到伺服系统中,为伺服系统控制器的设计提供了一种新的思路和方法,为研制高性能的、多功能的伺服系统开辟了一条道路,预示着模糊算法在伺服系统中必定有着广阔的应用前景。转台是一个复杂的机电系统,本身存在着许多不利十控制系统设计的因素,并不是通过简单的线性模型就可以完整、准确的描述。作为转台控制系统的设训一者,一方面要对转台控制系统中的种种不利影响有着清醒的认识,在控制系统设计中尽量削弱其对控制器的影响;另一方面要考虑研究和采用更为先进的控制方案。在这种情况下,模糊控制理论在转台上的应用进行研究和实验就有其实际的工程意义和切实的理论背景。1.3 驱动元件的确定目前,转台的驱动方式基本上都采用直接驱动方式,驱动组件主要由两大类:即电动机或液压马达驱动。转台则可以根据其所采用的驱动组件分为二类:一类是所有框架均由电动机驱动,称为电动转台;另一类是所有框架均由液压马达驱动,称为液压转台;还有一类是各框架分别采用不同的驱动组件,例如,内框架由电动机驱动,中、外框架利用液压马达驱动,称为复合驱动转。由于液压马达存在驱动转角范围小,配套设备复杂,维护困难,危险性大等缺点,因此,在指标允许的情况下转台大多采用电动机直接驱动。与液压马达相比,电动机具有可连续回转、安装方便、使用及维护简单等优势。针对现有的直流力矩电机存在的最高转速小、力矩波动大、电刷引起的火花干扰、摩擦力矩及电刷维护等诸多问题,交流永磁同步电机逐渐被使用到转台驱动中。电动机驱动是转台驱动组件的发展趋势。为了满足整个伺服系统工作性能指标的要求,必须对系统的相关部件进行精心的选择,使由它们所组成的整个系统能够合理地运行。系统中比较重要的部件包括有伺服电机,减速器和位置检测组件,下面具体对相应的部件进行选择。1.4 电机的选择转台执行电机的选择除要满足功率要求外,还要考虑以下要求: (1)灵活方便的位置控制,定位准确精度高; (2)可靠性好; (3)方便计算机控制; (4)响应快,换向性能好; (5)能长时间连续工作不需要维护。常用的伺服电机有二类:直流伺服电机,交流伺服电机,步进电机。1.5 转台控制系统设计转台控制系统设计为包括速度环和位置环的双环控制结构设计,双环控制系统的一般原则:首先,在对系统性能指标进行分析时,根据系统的性能指标和外环对内环的设计要求,从外环到内环逐步确定各环的性能指标要求;然后,在进行系统各环控制器设计时,从内环开始,根据系统对每一环的性能要求和环路固有特性,设计各个环路的控制器。设计过程为,从内环开始,一环一环地逐步向外扩展,在对任一环进行设计时,为简化设计,其内环可以适当简化为较为简单的形式。在这里,首先设计速度环,然后设计位置环,在设计位置环时,为了简化位置环的设计,将速度环闭环传递函数简化为惯性环节;最后根据位置反馈设计结果设计位置环控制器。根据系统带宽要求,俯仰轴控制系统位置环带宽要求为不大。根据系统数字仿真研究的结果和以往工程设计经验,在台体谐振频率足够高、电机驱动能力充分的情况下,位置加控制装置校正后的系统的跟踪带宽与无控制器校正时的系统的带宽的一半相当,也就是说,若无控制器的位置系统的频带宽度,那么加入控制器后,系统的跟踪带宽可以达到。按照上述进行考虑,将俯仰轴位置环的最大带宽设计大约为63rad/s(6.28 rad/s )。一般情况下闭环系统带宽约为系统开环截止频率的1.5倍,由此可选择位置环开环截止频率最大为42rad/s。为减少速度回路对位置回路的影响,将速度环的开环截止频率确定为位置环反馈系统开环截止频率的3倍,因此选择速度环开环截止频率最大为126rad/s。1.6 Pm控制经典Pm控制
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