大型水平近場DUT,PPT

大型水平近場DUT支撐平臺

設計報告北京國鵬科技有限公司二○一三年十二月一、任務來源根據(jù)中國空間技術研究院西安分院對大型水平近場測試試驗的要求，大型水平近場在進行天線測試時需一套DUT支撐平臺，用于支撐和調整被測天線。要求能適應不同口徑的天線產(chǎn)品，支撐平臺的高度可調，到達所需狀態(tài)后平臺需保持穩(wěn)定。特需要大型水平近場DUT支撐平臺一臺。二、參考文件《大型水平近場DUT支撐平臺采購合同》《大型水平近場DUT支撐平臺技術協(xié)議》《大型水平近場DUT支撐平臺初步方案》《大型水平近場DUT支撐平臺初步方案評審紀要》三、主要功能和主要技術性能

（1）大型水平近場DUT支撐平臺外包絡尺寸2.5m≤平臺邊長（直徑）≤4m；（2）支撐平臺包括：平臺支撐車、高度調整工裝、升降搖擺臺；（3）支撐平臺總垂直負載≥1000kg，橫向諧波頻率不小于4Hz；（4）支撐車能在牽引下實現(xiàn)水平移動，包括直行和轉彎，并且具有位置自鎖功能；（5）高度調整工裝可調整高度范圍為5～15米，工裝安裝臺面直徑1.5m，工裝采用高剛度及輕質量設計；（6）升降臺與支撐車及系列工裝為統(tǒng)一接口，實現(xiàn)平臺在帶載狀態(tài)下1.5m-4.5m的升降控制并任意位置自鎖；（7）支撐平臺高度為15m時，偏心載荷≥300kg，偏心距離≥0.3m；平臺高度為10m，偏心載荷≥500kg，偏心距離≥0.5m；平臺高度為5m偏心載荷≥1000Kg，偏心距離≥1m；（8）平臺位置保持精度：0.05mm/24h（滿載、偏載臺面上任意一點）；（9）升降搖擺臺具有調節(jié)功能，Z軸方位調整范圍±5°，轉動精度優(yōu)于0.03°，Z向位移調整精度20mm；（10）支撐平臺水平重復度誤差≤1mm；（11）應連續(xù)無故障工作200小時以上，工作壽命≥15年。四、詳細設計方案4.1總體方案：

根據(jù)技術要求，我們提出的大型水平近場DUT支撐平臺主要由（從下往上）可移動支撐平臺、高強度工裝標準節(jié)（1~5節(jié)）、大螺旋剪叉機構升降機構以及單軸伺服轉臺組成，總體結構如右圖所示：系統(tǒng)框圖各部分詳細設計方案4.2可移動支撐平臺機構：可移動支撐平臺主要由矩形鋼管焊接成框架結構，并經(jīng)過熱處理消除焊接應力殘余，最后進行表面精加工和油漆涂裝。移動與固定：固定用可調地腳采用專業(yè)廠家生產(chǎn)的梯形螺紋地腳，其內部構造為梯形螺紋絲杠，可以實現(xiàn)可靠的自鎖。且單支承載能力2噸以上，平臺總承載能力在16噸以上；采用專業(yè)廠家生產(chǎn)的重載萬向腳輪，在鋼芯外包裹天然橡膠，移動時噪音小，保護地面，壽命長，且利于拖動轉向?？梢苿又纹脚_支持平臺車四角各安裝一樣可調地腳，另有四個可折疊支架，每個支架端頭各安裝一個可調地腳；設備移動到位后，展開折疊支架，基于水平儀調整各地腳支撐，保證設備平穩(wěn)固定。4.3工裝標準節(jié)方案

工裝標準節(jié)采用類似塔吊標準節(jié)的結構，其外形尺寸為2×2×3m，共有5節(jié)，調節(jié)范圍為3~15m。主要采用厚度為12mm的角鋼焊接而成，并在裝配表面進行精加工。其結構如下，在裝配平面設置定位銷，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。標準節(jié)與其他部件之間采用高強度螺栓連接。工裝標準節(jié)4.4大螺旋升降機構由于升降機構要求行程超過3m，縮回后自身高度低（與移動支撐平臺一起高度小于1.5m），傳統(tǒng)絲杠、液壓缸等直線執(zhí)行機構無法實現(xiàn)，而通用的剪叉高空作業(yè)平臺定位精度太低，高空穩(wěn)定性很差。因此采用第三方提供的大螺旋升降機，升降行程為3.5m配合定制的高強度剪叉機構，既能實現(xiàn)大行程升降要求，又可以保證定位精度。升降機構完全縮回以后自身高度僅為0.5m，結構十分緊湊。升降機構采用交流伺服電機驅動，選用的ND6型大螺旋自帶渦輪蝸桿，能實現(xiàn)良好的自鎖，大螺旋傳動軸另一端配置電磁制動器，在完成定位后可以鎖死機構。由于負載偏心載荷較大，本方案采用四臺大螺旋升降機以提高升降機構的穩(wěn)定性，其驅動方式是，由兩臺伺服電機通過直角齒輪箱和聯(lián)軸器各控制兩臺螺旋升降機，配置兩個拉繩式位移傳感器，由控制器對升降高度進行閉環(huán)同步控制，實現(xiàn)精確的高度控制和兩臺伺服電機的升降同步，控制精度優(yōu)于0.5mm。ND6-11.5大螺旋升降機及其應用大螺旋升降機構數(shù)模PACO大螺旋升降機型號：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單軸伺服轉臺單軸伺服轉臺采用專業(yè)的一維天線測試轉臺，通過交流伺服電機驅動渦輪付控制轉臺的精確定位，方位控制精度優(yōu)于0.02°，轉臺運行方式可以為單步、連續(xù)、歸零、掃描等操作，轉速在0.1～20o/s（方位）可調。方位轉臺高度小于400mm，采用下方上圓的結構，負載安裝平面尺寸1500mm，下平面尺寸為2m×2m，最大程度將負載載荷平均分布到升降機構上，轉臺承重1500kg，最大偏心距1.5m。單軸伺服轉臺結構示意圖4.6電氣控制原理控制系統(tǒng)概述平臺控制系統(tǒng)由運動控制系統(tǒng)和操作臺組成，如下圖所示。操作臺上裝有按鈕、旋鈕和指示燈，內部裝有低壓電器及驅動器等，主要用于給伺服驅動器供電和控制剎車。運動控制系統(tǒng)采用PLC為核心控制器，工作可靠，抗干擾性好。PLC接收運動指令，并通過運動控制卡控制伺服電機以及螺旋升降機構協(xié)同運動。控制原理圖PLC接線圖電源部分原理圖擴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通過可插拔I/O模塊、功能和通訊模塊靈活地進行擴展，為用戶的需求提供量身定做的解決方案。根據(jù)用戶的應用范圍可以從性能，范圍和接口選擇等方向進行選擇。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單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。西門子S7系列PLC天線轉臺主要技術參數(shù)結構形式方位轉臺尺寸負載安裝平面直徑1500mm底座安裝平面為2m×2m矩形結構總高度小于400mm，機械傳動結構渦輪付驅動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°）轉臺運行方式可單步、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)每秒前臺控制器可顯示方位實時角度，帶微鍵盤操作控制適用場地室內或室外測試范圍0°～±10°（方位）轉臺轉速0.1～20o/s（方位）可調轉臺承重方位承重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動產(chǎn)品采用創(chuàng)新的緊湊型模塊化設計，實現(xiàn)伺服驅動器與電機一體化，具備簡潔易用、靈活緊湊、高效節(jié)能、功能豐富等特性。一體化驅動產(chǎn)品不僅適用于對安裝空間、接線方式和性能等有特殊需求的場合，而且可以替代大多數(shù)驅動和電機分立式的應用，該產(chǎn)品由施耐德電氣德國運動控制研發(fā)中心研發(fā)和設計，并全部在德國生產(chǎn)。德國Waycon拉繩式傳感器螺旋升降臺的高度采用德國Waycon的SX120-4000-10V-KR拉繩式傳感器，可以實現(xiàn)長達4m的長行程測量，同時柔性的拉繩在升降平臺降至低位時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傳感器應用于各行業(yè)領域，Waycon客戶群體從中小企業(yè)到著名的工業(yè)集團及知名汽車制造廠商。其拉繩式傳感器結構如圖所示。五、可靠性安全性設計及分析5.1主要部件工作壽命1）支撐平臺主要部件壽命如下：大螺旋升降機構：滿載工況壽命為200km，按照每年使用300天，每天累計三個往復行程（18m）計算，理論壽命為30年以上；鋼架結構：做好防腐處理和日常維護的情況下，可達30年以上；回轉軸承：額定載荷以內低頻工作，20年以上；伺服電機及驅動器：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支撐平臺綜合壽命機構部分20年以上，電氣部分10年以上（易損件除外）。2）連續(xù)無故障工作時間（MTBF）由于支撐平臺可動部件主要為大螺旋剪叉升降機構和單軸伺服轉臺，而這兩部分在完成定位、開始實驗以后均可關閉電源，依靠自身機械機構進行自鎖，僅須運轉PLC控制系統(tǒng)。因此其連續(xù)無故障工作時間理論上取決于電氣控制元件部分的可靠性，各元件平均無故障工作時間（MTBF）差異較大，但綜合考慮，應在500小時以上。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、升降臺及轉臺等，材料為優(yōu)質碳素結構鋼，彈性模量為200GPa，外部載荷設為10000N，考慮重力影響。在不同的支撐平臺高度下，針對偏心負載對轉臺位置的影響情況進行仿真。仿真結果如下：5.2.1、支撐平臺高度為5m不需要安裝工裝標準節(jié)，將升降機構伸出長度設置為3.5m，根據(jù)負載工況設置仿真參數(shù)，固定移動支撐平臺的底部，施加重力以及外部載荷（1000kg）。對有無偏心載荷兩種工況分別仿真，可得到兩種情況下實驗安裝平面形變分別為0.41mm和0.5mm?？芍o載工況下剪叉機構有一定的變形量。但由于這部分載荷在實驗過程中始終存在，因此不會影響到實驗產(chǎn)品的姿態(tài)。在施加1000kg，偏心距離為1m的偏心載荷（設置10000Nm的等效力矩）以后，變形量增大0.09mm，略大于技術要求中0.05mm的變形要求，但由后續(xù)仿真可知，可以通過加裝工裝標準節(jié)，減小升降高度的方法提高升降臺剛度，降低大偏心載荷工況下的變形量。無偏心載荷有偏心載荷5.2.2、支撐平臺高度為10m安裝兩個工裝標準節(jié)，將升降機構伸出長度設置為2.5m，其他仿真參數(shù)設置基本與5m工況相同，對不同的靜載載荷進行仿真，最大偏心載荷500kg，偏心距離為0.5m（設置2500Nm的等效力矩）。從仿真結果可知最大變形量分別為0.58和0.7mm。對比5m工況結果可知，增加工裝標準節(jié)以后變形增加量較小，僅為0.2mm左右，可知工裝標準節(jié)具有較好的剛度。無偏心載荷有偏心載荷5.2.3支撐平臺高度為15m安裝4個工裝標準節(jié)，將升降機構伸出長度設置為1.5m，對不同的靜載載荷進行仿真，最大偏心載荷300kg，偏心距離為0.3m（設置900Nm的等效力矩）。從仿真結果可知最大變形量分別為0.74和0.78mm。對比10m工況結果可知，增加工裝標準節(jié)以后變形增加量進一步減小，僅為0.1mm左右；同時由于升降臺伸縮高度下降，使得偏心工況和無偏心工況整體變形量差值縮小為0.04mm。無偏心載荷有偏心載荷5.2.4穩(wěn)定性分析支持平臺車與工裝標準截為優(yōu)質碳素結構鋼焊接，有較強剛度。大螺旋升降系統(tǒng)，定位穩(wěn)定性設計主要有以下三方面：1）大螺旋傳動為蝸輪蝸桿傳動，有較好的自鎖性；2）在大螺旋傳動軸端加裝電磁抱緊裝置，可以在任意位置實現(xiàn)自鎖；3）大螺旋升降電機為制動電機，運動停止后可抱閘鎖緊。大螺旋升降時配合剪叉機構，大螺旋升降機主動運動，剪叉機構隨動，用于平衡螺旋升降時產(chǎn)生的徑向力。單軸伺服轉臺為結構上采用蝸輪蝸桿傳動，有較好的自鎖性，配合伺服電機，可在任意角度鎖死。5.3、動態(tài)頻率分析動態(tài)頻率分析主要針對15m高度的工況進行，設置與靜態(tài)分析相同的載荷，通過有限元仿真軟件求解后，得出動態(tài)振型如圖、所示，可知振型為左右方向的搖擺，一階振動頻率為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，加速度值0.15g對結構穩(wěn)定性進行分析。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行分析，等效替代計算耗時的時間歷程法。地震影響系數(shù)曲線仿真結果如下圖所示，可以看出支撐平臺位移變形量較大，頂端變形達到2.2mm左右；結構所受應力為9.8MPa，而碳鋼材料屈服強度一般都在200MPa以上，可以認為在7級地震下支撐平臺不會發(fā)生機械機構的屈服變形。

應力分布圖形變分布圖5.5電氣系統(tǒng)安全性升降電機及回轉臺的正反轉和轉速控制由PLC的數(shù)字量輸出點通過接觸器實現(xiàn)，軟件切換，硬件互鎖，并由熱繼電器進行過熱保護各部件及電氣控制柜安全有效接地。六、技術性能符合表

名稱技術要求技術指標是否滿足要求外包絡尺寸2m≤平臺邊長（直徑）≤4m支撐平臺車邊長2.5m其余部件邊長2m滿足要求支持平臺自重≤3t2.8t滿足要求支持平臺垂直負荷≥1000kg1000kg滿足要求支持平臺車水平靈活移動，可自鎖水平靈活移動，可自鎖滿足要求高度調整工裝可調范圍5~15m5~15m滿足要求高度調整工裝自重≤1噸489kg