一种舰载伺服稳定平台的结构设计

MAOYuhui,ZHANGJin文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园21）01原园076原园3StructuralDesignofaShipborneServo-stabilizedPlatform（ScienceandTechnologyonOpticalRadiationLaboratory,Beijing1008,China）Abstract:Thispaperdesignsashipborneservo-stabilizedplatform.Thestableplatformadoptsthestructuralformofthe

horizontaltwo-axisturntable,whichcanbeusedtoloadandcompletethepointingaccuracycalibrationfunction,separategiven，andthefiniteelementsimulationanalysisiscarriedout.Keywords:ship-based；stabilizedplatform；structuraldesign

shiprolleffectinship'smotionandmoorings，stabilizeloadpointingfunction.Thestructureofservo-stabilizedplatformis

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引言

本文设计一种舰载的伺服稳定平台结构，如图1所示。该平台可将负载加装于伺服平台并完成指向精度标校的功能，在船体航行和系泊状态下可隔离船摇影响、稳定负载指向功能[1]。该伺服平台采用地平式双轴转台的结构。考虑到负载偏心力矩及风载荷等特点，稳定平台的方位和俯仰轴系均采用大型蜗轮蜗杆副作为末级传动，进口高精度行星齿轮减速器作为初级传动，具有较高的结构刚度和可靠性，保证了负载指向、跟踪精度和总体结构

的回转稳定

俯仰回转机构电性。伺服系统动天监机线控主要由方位及控计方位回转机构其制算回转机构、俯驱器机动仰回转机构器限位开关及角编码器和伺服控制

图1伺服稳定平台组成框图单元组成。

1稳定平台总体结构设计稳定平台是负载的支撑结构，又是负载驱动系统的执行机构，故要求它具有良好的力学性能、较高的轴系及传动精度和运动稳定性[2]。

稳定平台为地平式双轴伺服系统座，由方位轴系、俯仰轴系、光电编码器、导电环（包括光纤滑环）、蜗轮蜗杆副、减速器、伺服电动机、陀螺仪和俯仰轴外挂平台等部分组成。它是负载的安装承载平台，主要完成系统的视轴指向和稳定隔离船摇等功能，方位轴限位机构包括软件限位和电限位，俯仰轴限位机构包括电限位、软件限位和缓冲阻尼机械限位机构，稳定平台双轴在工作角范围内安全转动。其三维视图如图2所示。2稳定平台方位轴系设计

其方位转动机构采用四点角接触的转盘轴承为主要承力结构，这种结构形式承载能力大、刚度好、精度高[3]。为

图2稳定平台三维视图保证光电编码器能

够可靠良好地工作，在光电编码器安装轴与底座安装有一对P4级精度的角接触球轴承，保证光电编码器安装处的变形量满足工作要求；陀螺安装在方位旋转部分；俯仰轴电器电路电缆通过滑环传输到底座。方位轴设计有基准平台，为系统提供方位、俯仰角度基准，平台平面度好，并通过加工和装调保证台面与安装基座的图3方位轴三维视图平行度要求；在轴

陀螺系的相对运动部

蜗杆副分设计了安装O转盘轴承轴承对码盘滑环形圈的密封结构，如图3、图4所示。惯导在设计中将

图4方位轴剖视图方位大蜗轮和轴

76圆园21年第1期网址：www.jxgcs.com电邮：*******************机械工程师MECHANICALENGINEER承座做成一体，使结构布置更加紧凑、合理，且轴向尺寸小。采用这种设计方式可以保证安装惯导的局部基准平台可以安装到方位底座内部，这样既提高了整个系统的一体化设计，又保证了惯导等的防护，如图5所示。荷，该风载荷为海况和航速的叠加值。4级海况载荷与航

表1材料属性速叠加后，风速为18.2m/s。

参数铝合金钢稳定平台主要件为铝

70210合金材料，俯仰轴、方位轴弹性模量/GPa屈服强度/MPa275335及轴承材料选用为钢各个抗拉强度/MPa430570材料属性如表1所示。泊松比0.300.33-3

/kg·m）27007850基于如实反映稳定平密度（态结构的几何形状、构造型式、材料特性、承载方式和边界条件等因素的原则，用Creo软件对模型进行处理，简化模型导入ANSYS软件，进

图5方位传动示意图行仿真分析的前处理和运

3稳定平台俯仰轴算。将稳定平台离散化为系设计一个有限元分析模型。分

俯仰轴采用U形析模型采用弹性模型，单架设计的方式（如图元类型是实体四面体单6、图7），轴由一对P4元或者六面体单元，稳定级角接触球轴承和一平态网格划分模型如图9个同等级圆柱滚子轴所示，单元数为209870承支撑，左侧轴端安个，节点数为391765个。图6俯仰轴三维视图装光电码盘，右侧支所有结构件之间接触类

图9稳定平台网格划分柱中装有陀螺。驱动型为绑定接触。部分为蜗轮蜗杆副，稳定平台外轴轴两侧伸出轴头安装有承部载荷包括重力承对外挂平台，用于安装载荷，负载迎风陀码螺检测伺服俯仰部件设盘面施加8级风压。蜗计的检测平台。在俯固定底座8个螺杆副仰轴转动部分设计有钉孔的位移，进图7方位轴剖视图安装O形圈的结构形行静力学仿真分式。俯仰回转机构基析，从分析结果于一件扇形蜗轮，如可以看出整个稳图8所示。定平台的强度和4稳定平台有限元刚度可以满足使分析用要求：4级海使用ANSYS对稳况，航速为20kn图10稳定平台应力分布图定平态进行有限元分时，稳定平台最析，ANSYS软件是融大应力为8.9图8俯仰传动示意图结构、流体、电场、磁MPa，如图10所场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界示；最大变形为上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，稳定平台的顶部技术成熟、应用广泛，同时也得到普遍认可，其已经被广（如图11），变形泛应用于航空、航天、汽车、船舶、电子、核能等领域，在中量为0.21mm。国几乎覆盖了航空航天领域所有的科研院所、设计部门、5结语生产厂家及各高等院校，并得到了全面应用。ANSYS拥有本文设计了良好的用户界面，使用方便，功能强大，具有高度的集成一种舰载稳定平能力和良好的适用性，以及强大的几何造型功能、计算效台的结构，给出[4]

率高等特点。了该平台的地平针对稳定平台的结构，分析校核稳定平台结构在不式双轴转台的结同海况下的变形、静强度。根据设计指标要求，稳定平台构形式，并对平图11稳定平台变形分布图在4级海况下正常工作。载船航速最大为20kn，换算为风台的方位轴系和速度为(20伊1852)/3600=10.3m/s，负载正迎风施加风载俯仰轴系的布局和组成进行了详细描述；最后根据稳定

（下转第80页）

网址：www.jxgcs.com电邮：*******************圆园21年第1期77机械工程师MECHANICALENGINEER计值为输入）0.027mm。3

基于实际值进行计算3.1

A面的形面误差计算

由于驻（）+啄（）·L的测量是在合格证书中体现在一yxxx起的。直线度的实际值0.015/500。500mm之内的测得误差为0.015，而200mm的误差可能是0.0095（按照平方根原理）。因此，合成侧铣的误差为（0.0092+0.0102）。同理，刀具侧铣（Y轴移动）加工的误差是Ex=驻（）+啄yxy（y）·L+驻（。由于驻（）+啄（）·L的测量是在合格证书中xs）xyyy体现在一起的，即立柱移动在水平面的直线度。因此合成侧铣的误差为（0.0092+0.0102）。3.3

误差的垂直度影响

1000。1000mm之内的测得误差为0.02mm，而按照RSS原理（平方根原理）200mm的误差评估值是0.008mm。3.4

综合分析结果

对于A面的角度偏差（200mm长度）为0.015=（0.009+0.010+0.008）。同理，C面的角度偏差（200mm

2

2

21/2

1/2

1/2

度中，需要改进的误差项为：X轴移动时Y轴方向的直线度误差驻（），X轴移动时X轴方向的角度误差啄（），Y轴yxxx方向的径向跳动误差驻（，Y轴移动时X轴方向的直线度ys）误差驻（），Y轴方向的角度误差驻（），X轴方向的径向跳xyyy动误差啄（。xs）

参考机床的几何精度项与机床设计标准中的对应关系，即对应于机床设计表中的立柱移动在垂直平面内的直线度、主轴箱垂直移动在横向平面内的直线度，主轴箱垂直移动对立柱移动的垂直度等项。通过上述分析，可以发现需要改进这些误差来提升垂直度加工精度值。4结语

根据分析结果，可以确定需要改进的误差项，对相应的零部件精度进行改进提升，为实际生产中的问题提供了解决思路。有效解决了机床制造企业在机床改进过程中依赖经验或反复试验导致的周期长、工作量大等问题，同时还可以作为指导机床精度设计，提供精度设计的理论依据，针对机床用户对机床提出的适用于用户典型件加工的精度要求，指导机床用户对已有的机床的进行精度参数分析，为指导机床使用和机床的购置提供依据。

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主轴箱垂直移动对立柱移动的垂直度的实际值0.02/

长度）为0.013=（0.0092+0.0102）。两个面A-C之间的垂直度误差的估计值为0.020=（0.0152+0.0132）。

1/2

1/2

综合上述分析结果，驻（）为X轴移动时Y轴方向的直yx

线度误差与啄（）为X轴移动时X轴方向的角度误差合成xx产生的局部误差，驻（为Y轴方向的径向跳动误差产生ys）的局部误差，驻（）为Y轴移动时X轴方向的直线度误差与xy驻（）为Y轴方向的角度误差合成产生的局部误差，啄（yyxs）为X轴方向的径向跳动误差产生的局部误差，在200mm长度上形成两个面A-C的垂直度对应的机床误差（以测量值为输入）0.02mm。3.5

确定需要改进的误差项

因此，根据上述分析结果，在两个面A-C之间的垂直（上接第75页）

料硫化亚铁自燃事故的发生风险。

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平台的实际使用条件对其进行了有限元分析，验证了整

个平台的结构强度和刚度，保证了平台结构设计的合理性和可靠性。

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