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摘 要：本文介绍了一种用于雷达天线标定测量的高精度二轴测试转台。详细介绍二轴测试转台系统组成和原理，并对其各轴系进行了传动链功率校核及精度分析，最后通过有限元仿真软件校核在工作工况下转台机体的刚度和强度。结果表明，二轴测试转台各项参数均满足设计指标要求。
关键词：二轴测试转台;测角精度;定位精度;轴系设计
1 引言
高精度测试转台在雷达天线标定中起到关键作用，其承载能力、测角精度和定位精度对雷达天线标定测试试验的可靠性和置信度尤为重要。其中，高精度二维测试转台通过俯仰和方位两向姿态的可控调节，在实验室环境下模拟雷达天线在实际工作时的各项位姿及其对应的微波场特性，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。高精度测试转台的研究，对我国国防建设有重要意义。[1-3]
本文所述高精度二轴测试转台可承载并实现负载的方位转动和俯仰转动，可接收伺服控制系统的控制指令，实现相应的方位和俯仰任意位置定位或随动运动，并可长时间锁定在该位置和保证负载在空间的稳定指向，以供标校实验要求。
2 技术指标
二轴测试转台是被测雷达天线的承载设备，其主要由方位和俯仰两轴组成，均具备定位锁定及掉电自锁功能。其中方位轴转动行程为：实现±60°和±15°内扇扫，带机械限位并可切换;俯仰轴转动行程为：±7°。其他指标要求如表1所示。
3 系统结构设计及功率校核
3.1系统组成
二轴测试转台主要由下方位转台和上俯仰转轴两部分组成。其中，下方位转台采取方位涡轮回转支承传动链驱动，主要由方位底座、精密减速机及伺服电机、涡轮回转支承、测角编码器、限位开关、机械限位和方位转盘等组成;上俯仰轴采取精密梯形丝杆驱动，主要由梯形推杆组件、精密减速机及伺服电机、俯仰工作台、限位开关、编码器等组成。如图1所示。
3.2下方位转台
下方位转台使用滚珠式回转支撑承载和精密涡轮蜗杆传动结构，编码器同轴安装在回转支承中间，与方位底座相连，转轴通过联轴器与上方位转盘相连，可保证0回差的测角精度。方位转台伺服电机驱动行星减速机和涡轮减速机转动。涡轮减速机可方位自锁，伺服电机带闸，可有效保证方位转盘掉电自锁。上转盘底部装有撞块，受方位底座侧边安装的限位块限制，转盘可在-62°～62°的范围内转动。此外-15°～15°处也装有限位块，为可拆卸设计，用于改变转台的机械限位范围。如图2所示。
3.3上俯仰轴
上俯仰轴系使用梯形丝杆组件和减速电机驱动，推动上工作台面绕转轴在±7.5°的工作范围内俯仰运动。俯仰限位由丝杠两端的止挡和螺母实现，丝杆所在的俯仰减速箱上对应设置有尼龙限位撞块，用于俯仰极限限位。
俯仰驱动推杆为精密梯形丝杆，可实现掉电机械自锁功能。在负载的作用下，实现机械上运动的0回差。工作台一侧转轴处同轴设置有测角编码器，实时反馈工作台的仰角值;另一侧转轴处装有接近开关，用于限制俯仰运动范围。如图3所示。
4 功率校核
4.1下方位转台
下方位转台由伺服电机驱动行星减速机和涡轮回转支撑运动，其摩擦力矩MF为：
式中，d为回转支撑滚道回转直径;μ为回转支撑径向摩擦系数，此处取0.05;Mp為回转支撑承受的偏载力矩;mh为回转支撑自身摩擦力矩，低温系数取2。
根据选型，回转支撑滚道直径450mm，摩擦力矩为100N·m，滚道承受的负载约为1200Kg，偏载100mm。计算可得，摩擦力矩MF为365N·m。
下方位转台的转速为1rpm，回转支撑的减速比为102，行星减速机的减速比为10，传动效率按0.4×0.8计。计算可得电机功率及转矩需求为：
因此，选择松下MINAS A6系列0.4kW伺服电机，额定转矩1.27NM即满足要求。
4.2上俯仰轴
俯仰轴推杆力臂约为922mm，正向负载约为1200kg，力臂为4373mm，可得所需推力为：
根据选型，精密梯形丝杆直径40mm，导程6mm，可计算所需驱动力矩为[4]：
其中螺旋导程角γ：
式中，P到丝杆导程6mm，d为丝杆直径40mm。
当量摩擦角β：
式中，f为梯形丝杆副摩擦系数，取0.15;为螺纹半角，取30°。
代入公式得：驱动力矩T为25N·m。
所选齿轮箱减速比为1.2，俯仰减速机速比为35，传动效率按0.8×0.8计。计算可得电机输出转矩需求为
因此，选择松下MINAS A6系列0.4kW伺服电机，额定转矩1.27NM即可满足要求。
5 精度分析
5.1下方位转台精度
回转支承在转动过程中，由于加工装配的不完善性，存在一定的轴向和径向跳动。其中轴承的轴向跳动不会影响侧角精度;而径向跳动会使转台的回转中心发生偏移，使安装在轴上的编码器造成一定的计量偏差。为了减小径向跳动误差，回转支承高精度定制，偏心和径向跳动约为0.05mm，可计算测角误差为：
此外，编码器自身和计算存在误差，约0.005°;采用几何计量的方法来标校转台的角度误差，此处标校误差约为0.002°。
方位轴在精确定位时，其定位精度受方位测角精度、驱动分辨率和末级齿隙误差影响。方位测角精度计算约0.014°;方位传动链减速比为1020，伺服电机编码器为20位，因此整套驱动分辨率很高，取0.001°;高精度涡轮蜗杆副的齿隙误差约为0.05°。
经计算，方位轴系可满足测角精度±0.05°，定位精度±0.1°的要求。
5.2俯仰轴精度 由于俯仰轴采用推杆单边顶升，梯形丝杆始终处于压紧自锁状态，整个传动链内的齿轮回差在偏载作用下已完全消除，因此该转台不存在齿隙等驱动回差，测量精度和定位精度均主要取决于编码器测角精度。
同理分析可得，俯仰轴系采用滑动自润滑轴套，转动精度更高，有较小的轴向和径向跳动。其中轴套径向跳动会使转台的回转中心发生偏移，使安装在轴上的编码器造成一定的计量偏差。轴套的径向跳动约为0.005mm，轉轴直径为30mm，故可计算得测角误差：
编码器自身和计算存在误差，约0.005°;采用几何计量的方法来标校转台的角度误差，此处标校误差约为0.002°。
俯仰轴系在精确定位时，其定位精度主要受俯仰测角精度、驱动分辨率影响。测角精度计算约0.02°;整个方位传动链减速比折算为45000，因此整套驱动分辨率很高，定位精度主要受测角精度影响。经计算，俯仰轴系可满足测角精度±0.05°，定位精度±0.08°的要求。
6 仿真分析
通过力学仿真分析，进一步考察二轴测试转台在工作载荷下机体刚度和强度能否满足设计要求。根据转台结构特点，使用Altair Hyperworks 建立有限元分析模型。如图4所示，在分析当中略去了非承力件，负载以质量单元进行代替。主承力筋板采用壳单元及实体单元模拟，销轴等用梁单元和刚性单元模拟。
如图5所示，在考虑转台自重及1000kg垂直负载工况的边界条件下，转台主体最大变形约为0.45mm，位于工作台的边角处;应力值最大约为63MPa，分布在方位转盘靠近梯形推杆侧支臂处。母材采用Q355，屈服强度为355MPa，因此主体结构不会屈服，并有5.6倍安全系数，符合设计要求。
7 结论
本文介绍了一种用于雷达天线标定测量的高精度二轴测试转台，详细介绍了转台的系统组成和工作原理，并对方位和俯仰轴系进行了传动链功率校核及精度分析，最后对转台机体在工作载荷下的应力和应变进行有限元仿真分析。结果表明，二轴测试转台各项参数均满足设计指标要求。该型高精度二轴测试转台指向定位精度高、整机结构紧凑、承载大，目前已广泛使用在雷达天线的标定测量。
参考文献：
[1] 黄建国. 精密三轴测试转台控制系统设计与实现[C]. 南京：南京电子技术研究所，2011.
[2] 张国志，齐晓娜. 一种自动天线测试转台的设计[J]. 河北省科学院学报，2011，28（2）：45-48.
[3] 张军，刘衍，赵迎超. 天线与转台之间的坐标关系[J]. 火控雷达技术，2007，36：30-32.
[4] 庞振基，黄其圣. 精密机械设计[M]. 北京：机械工业出版社，2000：230-247
（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031;2.安徽博微联控科技有限公司，安徽 合肥 230031）
关键词：二轴测试转台;测角精度;定位精度;轴系设计
1 引言
高精度测试转台在雷达天线标定中起到关键作用，其承载能力、测角精度和定位精度对雷达天线标定测试试验的可靠性和置信度尤为重要。其中，高精度二维测试转台通过俯仰和方位两向姿态的可控调节，在实验室环境下模拟雷达天线在实际工作时的各项位姿及其对应的微波场特性，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。高精度测试转台的研究，对我国国防建设有重要意义。[1-3]
本文所述高精度二轴测试转台可承载并实现负载的方位转动和俯仰转动，可接收伺服控制系统的控制指令，实现相应的方位和俯仰任意位置定位或随动运动，并可长时间锁定在该位置和保证负载在空间的稳定指向，以供标校实验要求。
2 技术指标
二轴测试转台是被测雷达天线的承载设备，其主要由方位和俯仰两轴组成，均具备定位锁定及掉电自锁功能。其中方位轴转动行程为：实现±60°和±15°内扇扫，带机械限位并可切换;俯仰轴转动行程为：±7°。其他指标要求如表1所示。
3 系统结构设计及功率校核
3.1系统组成
二轴测试转台主要由下方位转台和上俯仰转轴两部分组成。其中，下方位转台采取方位涡轮回转支承传动链驱动，主要由方位底座、精密减速机及伺服电机、涡轮回转支承、测角编码器、限位开关、机械限位和方位转盘等组成;上俯仰轴采取精密梯形丝杆驱动，主要由梯形推杆组件、精密减速机及伺服电机、俯仰工作台、限位开关、编码器等组成。如图1所示。
3.2下方位转台
下方位转台使用滚珠式回转支撑承载和精密涡轮蜗杆传动结构，编码器同轴安装在回转支承中间，与方位底座相连，转轴通过联轴器与上方位转盘相连，可保证0回差的测角精度。方位转台伺服电机驱动行星减速机和涡轮减速机转动。涡轮减速机可方位自锁，伺服电机带闸，可有效保证方位转盘掉电自锁。上转盘底部装有撞块，受方位底座侧边安装的限位块限制，转盘可在-62°～62°的范围内转动。此外-15°～15°处也装有限位块，为可拆卸设计，用于改变转台的机械限位范围。如图2所示。
3.3上俯仰轴
上俯仰轴系使用梯形丝杆组件和减速电机驱动，推动上工作台面绕转轴在±7.5°的工作范围内俯仰运动。俯仰限位由丝杠两端的止挡和螺母实现，丝杆所在的俯仰减速箱上对应设置有尼龙限位撞块，用于俯仰极限限位。
俯仰驱动推杆为精密梯形丝杆，可实现掉电机械自锁功能。在负载的作用下，实现机械上运动的0回差。工作台一侧转轴处同轴设置有测角编码器，实时反馈工作台的仰角值;另一侧转轴处装有接近开关，用于限制俯仰运动范围。如图3所示。
4 功率校核
4.1下方位转台
下方位转台由伺服电机驱动行星减速机和涡轮回转支撑运动，其摩擦力矩MF为：
式中，d为回转支撑滚道回转直径;μ为回转支撑径向摩擦系数，此处取0.05;Mp為回转支撑承受的偏载力矩;mh为回转支撑自身摩擦力矩，低温系数取2。
根据选型，回转支撑滚道直径450mm，摩擦力矩为100N·m，滚道承受的负载约为1200Kg，偏载100mm。计算可得，摩擦力矩MF为365N·m。
下方位转台的转速为1rpm，回转支撑的减速比为102，行星减速机的减速比为10，传动效率按0.4×0.8计。计算可得电机功率及转矩需求为：
因此，选择松下MINAS A6系列0.4kW伺服电机，额定转矩1.27NM即满足要求。
4.2上俯仰轴
俯仰轴推杆力臂约为922mm，正向负载约为1200kg，力臂为4373mm，可得所需推力为：
根据选型，精密梯形丝杆直径40mm，导程6mm，可计算所需驱动力矩为[4]：
其中螺旋导程角γ：
式中，P到丝杆导程6mm，d为丝杆直径40mm。
当量摩擦角β：
式中，f为梯形丝杆副摩擦系数，取0.15;为螺纹半角，取30°。
代入公式得：驱动力矩T为25N·m。
所选齿轮箱减速比为1.2，俯仰减速机速比为35，传动效率按0.8×0.8计。计算可得电机输出转矩需求为
因此，选择松下MINAS A6系列0.4kW伺服电机，额定转矩1.27NM即可满足要求。
5 精度分析
5.1下方位转台精度
回转支承在转动过程中，由于加工装配的不完善性，存在一定的轴向和径向跳动。其中轴承的轴向跳动不会影响侧角精度;而径向跳动会使转台的回转中心发生偏移，使安装在轴上的编码器造成一定的计量偏差。为了减小径向跳动误差，回转支承高精度定制，偏心和径向跳动约为0.05mm，可计算测角误差为：
此外，编码器自身和计算存在误差，约0.005°;采用几何计量的方法来标校转台的角度误差，此处标校误差约为0.002°。
方位轴在精确定位时，其定位精度受方位测角精度、驱动分辨率和末级齿隙误差影响。方位测角精度计算约0.014°;方位传动链减速比为1020，伺服电机编码器为20位，因此整套驱动分辨率很高，取0.001°;高精度涡轮蜗杆副的齿隙误差约为0.05°。
经计算，方位轴系可满足测角精度±0.05°，定位精度±0.1°的要求。
5.2俯仰轴精度 由于俯仰轴采用推杆单边顶升，梯形丝杆始终处于压紧自锁状态，整个传动链内的齿轮回差在偏载作用下已完全消除，因此该转台不存在齿隙等驱动回差，测量精度和定位精度均主要取决于编码器测角精度。
同理分析可得，俯仰轴系采用滑动自润滑轴套，转动精度更高，有较小的轴向和径向跳动。其中轴套径向跳动会使转台的回转中心发生偏移，使安装在轴上的编码器造成一定的计量偏差。轴套的径向跳动约为0.005mm，轉轴直径为30mm，故可计算得测角误差：
编码器自身和计算存在误差，约0.005°;采用几何计量的方法来标校转台的角度误差，此处标校误差约为0.002°。
俯仰轴系在精确定位时，其定位精度主要受俯仰测角精度、驱动分辨率影响。测角精度计算约0.02°;整个方位传动链减速比折算为45000，因此整套驱动分辨率很高，定位精度主要受测角精度影响。经计算，俯仰轴系可满足测角精度±0.05°，定位精度±0.08°的要求。
6 仿真分析
通过力学仿真分析，进一步考察二轴测试转台在工作载荷下机体刚度和强度能否满足设计要求。根据转台结构特点，使用Altair Hyperworks 建立有限元分析模型。如图4所示，在分析当中略去了非承力件，负载以质量单元进行代替。主承力筋板采用壳单元及实体单元模拟，销轴等用梁单元和刚性单元模拟。
如图5所示，在考虑转台自重及1000kg垂直负载工况的边界条件下，转台主体最大变形约为0.45mm，位于工作台的边角处;应力值最大约为63MPa，分布在方位转盘靠近梯形推杆侧支臂处。母材采用Q355，屈服强度为355MPa，因此主体结构不会屈服，并有5.6倍安全系数，符合设计要求。
7 结论
本文介绍了一种用于雷达天线标定测量的高精度二轴测试转台，详细介绍了转台的系统组成和工作原理，并对方位和俯仰轴系进行了传动链功率校核及精度分析，最后对转台机体在工作载荷下的应力和应变进行有限元仿真分析。结果表明，二轴测试转台各项参数均满足设计指标要求。该型高精度二轴测试转台指向定位精度高、整机结构紧凑、承载大，目前已广泛使用在雷达天线的标定测量。
参考文献：
[1] 黄建国. 精密三轴测试转台控制系统设计与实现[C]. 南京：南京电子技术研究所，2011.
[2] 张国志，齐晓娜. 一种自动天线测试转台的设计[J]. 河北省科学院学报，2011，28（2）：45-48.
[3] 张军，刘衍，赵迎超. 天线与转台之间的坐标关系[J]. 火控雷达技术，2007，36：30-32.
[4] 庞振基，黄其圣. 精密机械设计[M]. 北京：机械工业出版社，2000：230-247
（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031;2.安徽博微联控科技有限公司，安徽 合肥 230031）