大型水平近場(chǎng)DUT,PPT

大型水平近場(chǎng)DUT支撐平臺(tái)

設(shè)計(jì)報(bào)告北京國(guó)鵬科技有限公司二○一三年十二月一、任務(wù)來(lái)源根據(jù)中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院對(duì)大型水平近場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)的要求，大型水平近場(chǎng)在進(jìn)行天線測(cè)試時(shí)需一套DUT支撐平臺(tái)，用于支撐和調(diào)整被測(cè)天線。要求能適應(yīng)不同口徑的天線產(chǎn)品，支撐平臺(tái)的高度可調(diào)，到達(dá)所需狀態(tài)后平臺(tái)需保持穩(wěn)定。特需要大型水平近場(chǎng)DUT支撐平臺(tái)一臺(tái)。二、參考文件《大型水平近場(chǎng)DUT支撐平臺(tái)采購(gòu)合同》《大型水平近場(chǎng)DUT支撐平臺(tái)技術(shù)協(xié)議》《大型水平近場(chǎng)DUT支撐平臺(tái)初步方案》《大型水平近場(chǎng)DUT支撐平臺(tái)初步方案評(píng)審紀(jì)要》三、主要功能和主要技術(shù)性能

（1）大型水平近場(chǎng)DUT支撐平臺(tái)外包絡(luò)尺寸2.5m≤平臺(tái)邊長(zhǎng)（直徑）≤4m；（2）支撐平臺(tái)包括：平臺(tái)支撐車、高度調(diào)整工裝、升降搖擺臺(tái)；（3）支撐平臺(tái)總垂直負(fù)載≥1000kg，橫向諧波頻率不小于4Hz；（4）支撐車能在牽引下實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，包括直行和轉(zhuǎn)彎，并且具有位置自鎖功能；（5）高度調(diào)整工裝可調(diào)整高度范圍為5～15米，工裝安裝臺(tái)面直徑1.5m，工裝采用高剛度及輕質(zhì)量設(shè)計(jì)；（6）升降臺(tái)與支撐車及系列工裝為統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在帶載狀態(tài)下1.5m-4.5m的升降控制并任意位置自鎖；（7）支撐平臺(tái)高度為15m時(shí)，偏心載荷≥300kg，偏心距離≥0.3m；平臺(tái)高度為10m，偏心載荷≥500kg，偏心距離≥0.5m；平臺(tái)高度為5m偏心載荷≥1000Kg，偏心距離≥1m；（8）平臺(tái)位置保持精度：0.05mm/24h（滿載、偏載臺(tái)面上任意一點(diǎn)）；（9）升降搖擺臺(tái)具有調(diào)節(jié)功能，Z軸方位調(diào)整范圍±5°，轉(zhuǎn)動(dòng)精度優(yōu)于0.03°，Z向位移調(diào)整精度20mm；（10）支撐平臺(tái)水平重復(fù)度誤差≤1mm；（11）應(yīng)連續(xù)無(wú)故障工作200小時(shí)以上，工作壽命≥15年。四、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案4.1總體方案：

根據(jù)技術(shù)要求，我們提出的大型水平近場(chǎng)DUT支撐平臺(tái)主要由（從下往上）可移動(dòng)支撐平臺(tái)、高強(qiáng)度工裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)（1~5節(jié)）、大螺旋剪叉機(jī)構(gòu)升降機(jī)構(gòu)以及單軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)組成，總體結(jié)構(gòu)如右圖所示：系統(tǒng)框圖各部分詳細(xì)設(shè)計(jì)方案4.2可移動(dòng)支撐平臺(tái)機(jī)構(gòu)：可移動(dòng)支撐平臺(tái)主要由矩形鋼管焊接成框架結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)熱處理消除焊接應(yīng)力殘余，最后進(jìn)行表面精加工和油漆涂裝。移動(dòng)與固定：固定用可調(diào)地腳采用專業(yè)廠家生產(chǎn)的梯形螺紋地腳，其內(nèi)部構(gòu)造為梯形螺紋絲杠，可以實(shí)現(xiàn)可靠的自鎖。且單支承載能力2噸以上，平臺(tái)總承載能力在16噸以上；采用專業(yè)廠家生產(chǎn)的重載萬(wàn)向腳輪，在鋼芯外包裹天然橡膠，移動(dòng)時(shí)噪音小，保護(hù)地面，壽命長(zhǎng)，且利于拖動(dòng)轉(zhuǎn)向?？梢苿?dòng)支撐平臺(tái)支持平臺(tái)車四角各安裝一樣可調(diào)地腳，另有四個(gè)可折疊支架，每個(gè)支架端頭各安裝一個(gè)可調(diào)地腳；設(shè)備移動(dòng)到位后，展開(kāi)折疊支架，基于水平儀調(diào)整各地腳支撐，保證設(shè)備平穩(wěn)固定。4.3工裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)方案

工裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)采用類似塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的結(jié)構(gòu)，其外形尺寸為2×2×3m，共有5節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為3~15m。主要采用厚度為12mm的角鋼焊接而成，并在裝配表面進(jìn)行精加工。其結(jié)構(gòu)如下，在裝配平面設(shè)置定位銷，便于配合安裝，上下加工吊環(huán)螺釘孔用于吊裝，單節(jié)重量為0.5噸左右。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與其他部件之間采用高強(qiáng)度螺栓連接。工裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)4.4大螺旋升降機(jī)構(gòu)由于升降機(jī)構(gòu)要求行程超過(guò)3m，縮回后自身高度低（與移動(dòng)支撐平臺(tái)一起高度小于1.5m），傳統(tǒng)絲杠、液壓缸等直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而通用的剪叉高空作業(yè)平臺(tái)定位精度太低，高空穩(wěn)定性很差。因此采用第三方提供的大螺旋升降機(jī)，升降行程為3.5m配合定制的高強(qiáng)度剪叉機(jī)構(gòu)，既能實(shí)現(xiàn)大行程升降要求，又可以保證定位精度。升降機(jī)構(gòu)完全縮回以后自身高度僅為0.5m，結(jié)構(gòu)十分緊湊。升降機(jī)構(gòu)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，選用的ND6型大螺旋自帶渦輪蝸桿，能實(shí)現(xiàn)良好的自鎖，大螺旋傳動(dòng)軸另一端配置電磁制動(dòng)器，在完成定位后可以鎖死機(jī)構(gòu)。由于負(fù)載偏心載荷較大，本方案采用四臺(tái)大螺旋升降機(jī)以提高升降機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，其驅(qū)動(dòng)方式是，由兩臺(tái)伺服電機(jī)通過(guò)直角齒輪箱和聯(lián)軸器各控制兩臺(tái)螺旋升降機(jī)，配置兩個(gè)拉繩式位移傳感器，由控制器對(duì)升降高度進(jìn)行閉環(huán)同步控制，實(shí)現(xiàn)精確的高度控制和兩臺(tái)伺服電機(jī)的升降同步，控制精度優(yōu)于0.5mm。ND6-11.5大螺旋升降機(jī)及其應(yīng)用大螺旋升降機(jī)構(gòu)數(shù)模PACO大螺旋升降機(jī)型號(hào)：ND6-11.5最大載荷：2450kg行程：11.5英尺（3.5m）渦輪蝸桿速比：8.17綜合效率：66.8%舉升速度：40mm/s4.5單軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)單軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)采用專業(yè)的一維天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪付控制轉(zhuǎn)臺(tái)的精確定位，方位控制精度優(yōu)于0.02°，轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行方式可以為單步、連續(xù)、歸零、掃描等操作，轉(zhuǎn)速在0.1～20o/s（方位）可調(diào)。方位轉(zhuǎn)臺(tái)高度小于400mm，采用下方上圓的結(jié)構(gòu)，負(fù)載安裝平面尺寸1500mm，下平面尺寸為2m×2m，最大程度將負(fù)載載荷平均分布到升降機(jī)構(gòu)上，轉(zhuǎn)臺(tái)承重1500kg，最大偏心距1.5m。單軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖4.6電氣控制原理控制系統(tǒng)概述平臺(tái)控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和操作臺(tái)組成，如下圖所示。操作臺(tái)上裝有按鈕、旋鈕和指示燈，內(nèi)部裝有低壓電器及驅(qū)動(dòng)器等，主要用于給伺服驅(qū)動(dòng)器供電和控制剎車。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用PLC為核心控制器，工作可靠，抗干擾性好。PLC接收運(yùn)動(dòng)指令，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制伺服電機(jī)以及螺旋升降機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。控制原理圖PLC接線圖電源部分原理圖擴(kuò)展模塊原理圖主要電氣元件選型西門子PLCSIMATICS7的模塊化控制器可隨時(shí)通過(guò)可插拔I/O模塊、功能和通訊模塊靈活地進(jìn)行擴(kuò)展，為用戶的需求提供量身定做的解決方案。根據(jù)用戶的應(yīng)用范圍可以從性能，范圍和接口選擇等方向進(jìn)行選擇。我公司的模塊化PLC也表現(xiàn)為高可用性或故障安全的安全系統(tǒng)。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。西門子S7系列PLC天線轉(zhuǎn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)結(jié)構(gòu)形式方位轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸負(fù)載安裝平面直徑1500mm底座安裝平面為2m×2m矩形結(jié)構(gòu)總高度小于400mm，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)渦輪付驅(qū)動(dòng)方式交流伺服位置控制編碼器方位位置控制精度0.02°（顯示精度0.002°）轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行方式可單步、連續(xù)、歸零、掃描等操作通訊方式RS-232，數(shù)據(jù)采集速率確保大于10組數(shù)據(jù)每秒前臺(tái)控制器可顯示方位實(shí)時(shí)角度，帶微鍵盤操作控制適用場(chǎng)地室內(nèi)或室外測(cè)試范圍0°～±10°（方位）轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速0.1～20o/s（方位）可調(diào)轉(zhuǎn)臺(tái)承重方位承重1500kg工作環(huán)境溫度－20℃～50℃施耐德伺服系統(tǒng)施耐德伺服系統(tǒng)：施耐德電氣一體化驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品采用創(chuàng)新的緊湊型模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)一體化，具備簡(jiǎn)潔易用、靈活緊湊、高效節(jié)能、功能豐富等特性。一體化驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品不僅適用于對(duì)安裝空間、接線方式和性能等有特殊需求的場(chǎng)合，而且可以替代大多數(shù)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)分立式的應(yīng)用，該產(chǎn)品由施耐德電氣德國(guó)運(yùn)動(dòng)控制研發(fā)中心研發(fā)和設(shè)計(jì)，并全部在德國(guó)生產(chǎn)。德國(guó)Waycon拉繩式傳感器螺旋升降臺(tái)的高度采用德國(guó)Waycon的SX120-4000-10V-KR拉繩式傳感器，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)4m的長(zhǎng)行程測(cè)量，同時(shí)柔性的拉繩在升降平臺(tái)降至低位時(shí)可以收縮在傳感器的繞線輪上。WayconPositionsmesstechnik是世界知名的傳感器制造商，Waycon傳感器應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域，Waycon客戶群體從中小企業(yè)到著名的工業(yè)集團(tuán)及知名汽車制造廠商。其拉繩式傳感器結(jié)構(gòu)如圖所示。五、可靠性安全性設(shè)計(jì)及分析5.1主要部件工作壽命1）支撐平臺(tái)主要部件壽命如下：大螺旋升降機(jī)構(gòu)：滿載工況壽命為200km，按照每年使用300天，每天累計(jì)三個(gè)往復(fù)行程（18m）計(jì)算，理論壽命為30年以上；鋼架結(jié)構(gòu)：做好防腐處理和日常維護(hù)的情況下，可達(dá)30年以上；回轉(zhuǎn)軸承：額定載荷以內(nèi)低頻工作，20年以上；伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器：綜合壽命在10年以上；PLC等電氣元件（易損件除外）：10年以上；綜合以上信息，DUT支撐平臺(tái)綜合壽命機(jī)構(gòu)部分20年以上，電氣部分10年以上（易損件除外）。2）連續(xù)無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）由于支撐平臺(tái)可動(dòng)部件主要為大螺旋剪叉升降機(jī)構(gòu)和單軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，而這兩部分在完成定位、開(kāi)始實(shí)驗(yàn)以后均可關(guān)閉電源，依靠自身機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行自鎖，僅須運(yùn)轉(zhuǎn)PLC控制系統(tǒng)。因此其連續(xù)無(wú)故障工作時(shí)間理論上取決于電氣控制元件部分的可靠性，各元件平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）差異較大，但綜合考慮，應(yīng)在500小時(shí)以上。5.2靜載特性分析靜載分析中，不影響靜載特性的零件不作處理。底座、工裝、升降臺(tái)及轉(zhuǎn)臺(tái)等，材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為200GPa，外部載荷設(shè)為10000N，考慮重力影響。在不同的支撐平臺(tái)高度下，針對(duì)偏心負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)位置的影響情況進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如下：5.2.1、支撐平臺(tái)高度為5m不需要安裝工裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，將升降機(jī)構(gòu)伸出長(zhǎng)度設(shè)置為3.5m，根據(jù)負(fù)載工況設(shè)置仿真參數(shù)，固定移動(dòng)支撐平臺(tái)的底部，施加重力以及外部載荷（1000kg）。對(duì)有無(wú)偏心載荷兩種工況分別仿真，可得到兩種情況下實(shí)驗(yàn)安裝平面形變分別為0.41mm和0.5mm。可知靜載工況下剪叉機(jī)構(gòu)有一定的變形量。但由于這部分載荷在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終存在，因此不會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的姿態(tài)。在施加1000kg，偏心距離為1m的偏心載荷（設(shè)置10000Nm的等效力矩）以后，變形量增大0.09mm，略大于技術(shù)要求中0.05mm的變形要求，但由后續(xù)仿真可知，可以通過(guò)加裝工裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，減小升降高度的方法提高升降臺(tái)剛度，降低大偏心載荷工況下的變形量。無(wú)偏心載荷有偏心載荷5.2.2、支撐平臺(tái)高度為10m安裝兩個(gè)工裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，將升降機(jī)構(gòu)伸出長(zhǎng)度設(shè)置為2.5m，其他仿真參數(shù)設(shè)置基本與5m工況相同，對(duì)不同的靜載載荷進(jìn)行仿真，最大偏心載荷500kg，偏心距離為0.5m（設(shè)置2500Nm的等效力矩）。從仿真結(jié)果可知最大變形量分別為0.58和0.7mm。對(duì)比5m工況結(jié)果可知，增加工裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)以后變形增加量較小，僅為0.2mm左右，可知工裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)具有較好的剛度。無(wú)偏心載荷有偏心載荷5.2.3支撐平臺(tái)高度為15m安裝4個(gè)工裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，將升降機(jī)構(gòu)伸出長(zhǎng)度設(shè)置為1.5m，對(duì)不同的靜載載荷進(jìn)行仿真，最大偏心載荷300kg，偏心距離為0.3m（設(shè)置900Nm的等效力矩）。從仿真結(jié)果可知最大變形量分別為0.74和0.78mm。對(duì)比10m工況結(jié)果可知，增加工裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)以后變形增加量進(jìn)一步減小，僅為0.1mm左右；同時(shí)由于升降臺(tái)伸縮高度下降，使得偏心工況和無(wú)偏心工況整體變形量差值縮小為0.04mm。無(wú)偏心載荷有偏心載荷5.2.4穩(wěn)定性分析支持平臺(tái)車與工裝標(biāo)準(zhǔn)截為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼焊接，有較強(qiáng)剛度。大螺旋升降系統(tǒng)，定位穩(wěn)定性設(shè)計(jì)主要有以下三方面：1）大螺旋傳動(dòng)為蝸輪蝸桿傳動(dòng)，有較好的自鎖性；2）在大螺旋傳動(dòng)軸端加裝電磁抱緊裝置，可以在任意位置實(shí)現(xiàn)自鎖；3）大螺旋升降電機(jī)為制動(dòng)電機(jī)，運(yùn)動(dòng)停止后可抱閘鎖緊。大螺旋升降時(shí)配合剪叉機(jī)構(gòu)，大螺旋升降機(jī)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，剪叉機(jī)構(gòu)隨動(dòng)，用于平衡螺旋升降時(shí)產(chǎn)生的徑向力。單軸伺服轉(zhuǎn)臺(tái)為結(jié)構(gòu)上采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，有較好的自鎖性，配合伺服電機(jī)，可在任意角度鎖死。5.3、動(dòng)態(tài)頻率分析動(dòng)態(tài)頻率分析主要針對(duì)15m高度的工況進(jìn)行，設(shè)置與靜態(tài)分析相同的載荷，通過(guò)有限元仿真軟件求解后，得出動(dòng)態(tài)振型如圖、所示，可知振型為左右方向的搖擺，一階振動(dòng)頻率為3.84Hz，橫向諧波頻率小于4Hz。5.4、地震影響分析

按照防震烈度7級(jí)，加速度值0.15g對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。依據(jù)下圖所示的“地震影響系數(shù)曲線”和下表所示的“水平地震影響系數(shù)最大值”，采用沖擊譜分析方法進(jìn)行分析，等效替代計(jì)算耗時(shí)的時(shí)間歷程法。地震影響系數(shù)曲線仿真結(jié)果如下圖所示，可以看出支撐平臺(tái)位移變形量較大，頂端變形達(dá)到2.2mm左右；結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力為9.8MPa，而碳鋼材料屈服強(qiáng)度一般都在200MPa以上，可以認(rèn)為在7級(jí)地震下支撐平臺(tái)不會(huì)發(fā)生機(jī)械機(jī)構(gòu)的屈服變形。

應(yīng)力分布圖形變分布圖5.5電氣系統(tǒng)安全性升降電機(jī)及回轉(zhuǎn)臺(tái)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速控制由PLC的數(shù)字量輸出點(diǎn)通過(guò)接觸器實(shí)現(xiàn)，軟件切換，硬件互鎖，并由熱繼電器進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)各部件及電氣控制柜安全有效接地。六、技術(shù)性能符合表

名稱技術(shù)要求技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求外包絡(luò)尺寸2m≤平臺(tái)邊長(zhǎng)（直徑）≤4m支撐平臺(tái)車邊長(zhǎng)2.5m其余部件邊長(zhǎng)2m滿足要求支持平臺(tái)自重≤3t2.8t滿足要求支持平臺(tái)垂直負(fù)荷≥1000kg1000kg滿足要求支持平臺(tái)車水平靈活移動(dòng)，可自鎖水平靈活移動(dòng)，可自鎖滿足要求高度調(diào)整工裝可調(diào)范圍5~15m5~15m滿足要求高度調(diào)整工裝自重≤1噸489kg