伺服云台结构设计
唐昌银
（重庆华伟工业（集团）有限责任公司，重庆 400712）
摘 要： 根据伺服云台结构设计指标要求，本文从载荷分析、结构形式、驱动装置设计、精度与误差分析等角度进行分析和论述，采用合理可靠的设计方法和措施来满足规定战术技术指标要求，提出一套新颖独特的结构方案。
关键词： 结构设计 载荷分析 驱动装置
现代战争中，无线通信日益向快速机动、业务综合化方向发展，无线传输设备具有向高速率、高频率发展趋势，其天线方向性随之增强，难以人工对准。因此，伺服云台成为了解决窄波束高增益天线的快速、精确对准的一种有效手段。
伺服云台主要用于定向天线自动寻向、精确对准及实时跟踪，还可作为雷达、摄像和照明等扫描、目标捕捉和定向设备，广泛用于部队、公安、勘测、消防与导航等领域。
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伺服云台应具有较高可靠性、快速性和机动性，要求拆装快速，重量轻，操作简单，其结构设计直接影响到整套设备使用性能。目前，高增益天线多数具有较大物理尺寸和迎风面积，所以伺服云台应具有足够强度且运动快速、平稳。
云台结构要有足够刚度和强度，结构变形要小，否则会影响设备精度以及整个系统固有频率和动态性能。
1 机构组成
根据整个系统载荷分析、精度要求、控制要求、外形尺寸及重量要求等，对比整体结构形式与分体结构形式优缺点，最终选择分体结构形式；该形式外形尺寸小、重量轻、模块化强且满足承载强度要求，符合设计指标要求。
步进电机、谐波减速器固定在轴承座上，电机输出轴与谐波减速机输入孔相连，谐波减速机输出轴与轴承套联接。电机输出轴转动，经谐波减速器减速后带动轴承套旋转。因套筒组合与轴承套为固定连接，且固定在升降杆上，当电机旋转时，减速机外壳随轴承外圈做正反方向圆周旋转，实现方位轴圆周运动。
2 载荷分析
且风力较大，此时系统轴晃动较严重，所以采用制动器制动电机。
3 结构形式分析
伺服机械结构整体性能和经济性取决于其机械结构型式和各组成部件的设计、制造质量，如结构、质量、刚度分布、力的传递路线、构件截面几何特性、材料性能、工艺性能以及传动装置的运动精度与空回、各运动副间隙和摩擦力矩等，上述因素直接影响伺服机械结构整体静、动态性能。在设计过程中，应根据不同使用条件和功能要求，对伺服机械结构构造型式、运动范围、精度指标、质量和惯量等因素进行思考。
主要由俯仰机构、方位机构、运动控制模块、支架组合和套筒组合。俯仰机构、方位机构主要由步进电机、谐波减速器、电机壳体、轴承套组合、轴承座组合、端盖组合、胀紧套、制动器以及限位开关等组成。运动控制模块由盒体组合、控制模块和驱动模块组成，并固定在电机壳体上；套筒组合用于与升降杆接头连接固定，支架组合用于天线等上装设备安装固定。
4 整体结构形式
步进电机拥有控制简单、价格低、维护容易以及具有良好的跟随性等特点；速度可在相当宽范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩。由于驱动器在电机不转动时处于无电供给状态，电机不能电流自锁；若负载较重，
这种结构形式的主要优点是结构具有结构工艺性良好、内部空间大，承载力大、外观美观、整体感强、运动驱动及控制模块电路板尺寸大、便于设计等优点；缺点是外形尺寸大，重量较重，加工成本及材料成本较高，且俯仰轴的输出端同轴度误差大，安装较困难。
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5 分体结构形式
步进电机是纯粹的数字控制电机，它将电脉信号转变成角位移，即给一个脉冲信号；步时电机就转动一个角度，非常适合于单片机控制。
这种结构形式的主要优点是模块化、系列化设计、延续性好、工艺性好、加工装配简单，可分为一轴、两轴伺服云台，并可扩展为三轴伺服云台，以满足不同客户使用需求。根据内部驱动装置结构特点，外壳形状为圆柱形，大部份材料为管型材。该结构紧凑，外形尺寸小，重量轻，加工及材料成本低。缺点是外形美观度较差，结构刚性稍差，需要设计辅助工装，结构紧凑导致电路板设计空间小，设计成本较高。
伺服云台要求精度高、可靠性高和承载重量大。根据系统载荷分析，结合步进电机的性能指标，可选方位、俯仰减速装置的传动比i为100。
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6 驱动装置设计
驱动装置设计包括选择驱动元件和设计传动链。电机的选择和传动链的设计不仅仅影响伺服云台结构型式、尺寸、重量、安装维护性，更关键的是影响系统动态性能指标，如响应的快速性、工作平稳性、系统精度、谐振频率以及控制性能等。因此，正确选择电机和传动装置，在伺服云台结构设计中尤为重要。
7 电机选择
分体结构形式主要包括方位机构、俯仰机构、运动驱动及控制模块、支架组合。方位机构组合与运动驱动及控制模块可构成一轴伺服云台，通过螺钉连接俯仰机构组合可构成两轴伺服云台，支架组合固定在俯仰机构组合两端输出轴上；运动驱动及控制模块可控制方位机构组合和俯仰机构组合。
整体结构形式主要包括大外壳组合、小外壳组合、支架组合、方位转轴、运动驱动及控制模块；方位电机及减速机组合固定在大外壳组合下端，俯仰电机及减速机组合固定在大外壳组合和小外壳组合上；大、小外壳组合用螺钉固定连接，支架组合固定在俯仰转轴的两端输出轴上，运动驱动及控制模块固定在小外壳组合上。
通过对上装设备安装使用分析，对其重力矩及所受风荷进行受力分析，设计满足上装设备架设需求的伺服云台。运动性能及传动精度是云台重要指标之一。根据云台模型方案，对系统所受风载荷、转动惯量、重力矩以及摩擦力矩等主要载荷进行分析，以确定这些主要载荷对系统动态性能和机械结构的影响。
8 传动链设计
5.2.4 体育教师应提高自己的知识储备，在教学中注意同传统教学法相结合。竞赛教学法作为教学方法的一种，要求体育教师灵活运用竞赛的形式，扩大竞赛教学在体育课堂上的应用范围。要注意不能忽视传统传统教学法的运用，每一种教学方法都有其优势，体育教师应注意将传统教学法和竞赛教学法有机结合，这样才能在课堂上更好地提高学生的学习水平。
其中前3项属于自然因素指标，地貌形态指标以相对高度为主，并考虑绝对高度，同时兼顾流域的地貌特点，确定将流域分丘陵山地区、低丘陵平原区和平原区等3种地貌形态，它与降雨量共同反映区域内与旱灾形成关系最紧密的自然条件，受灾率则以实际统计资料为基础，揭示了区域农业干旱的客观情况；后4项属于社会因素指标，成灾率和耕地灌溉率主要用来反映地区的抗旱能力，其他两项则反映了地区的农业生产情况。最终流域干旱分区指标体系如图1所示。
伺服传动机构可分为以下几种：齿轮传动、同步带传动、涡轮、蜗杆传动以及谐波齿轮传动。根据常用减速器的性能特性对比，精度与误差分析是伺服云台设计的中心环节。系统方案确定、系统设计、伺服机械结构设计以及元器件的选择基本上围绕如何达到跟踪误差指标进行。影响伺服云台精度的因素很多，主要包括电路控制和机械结构两大方面。其机械误差：包括摩擦、齿隙、运动副间隙、方位轴和俯仰轴的晃动等。
谐波减速器传动误差包括胀紧套连接误差、轴承与机壳的安装误差、电机步距角误差以及减速器输出端连接误差等类型。其中，机械传动总误差=谐波减速器传动误差+胀紧套连接误差+轴承与机壳的安装误差+电机步距角误差+减速器输出端连接误差≤0.2°。
9 结语
本方案的伺服云台、样机通过实际使用得出，满足开发设计要求，证明设计思路是合理、可行的。
竖炉作业过程中，以“卡炉”危害最大，但完全可控。有时铜原料投料零乱，且竖炉各层火力未及时根据铜原料的变化而适当调整，会引起各区域熔化速度不同步，当铜原料直径>过渡区域直径时，会悬挂于径缩过渡区的耐火材料上，且炉内形成局部电解铜烧空，产生“卡炉”现象，会引起铜液温度突然升高，氧含量波动大，易导致铸造缺陷及危害设备，使熔化速度骤降，浇铸速度降低，炉龄减短，甚至停炉。应提高“卡炉”的预见性，保持平稳投料和合适配比回料，灵活采用各种燃烧操作法，适时调整各区域的火力、CO值等，即使“卡炉”结束后，也需适时调整各区域的火力、CO值。
本文从载荷分析、结构形式、驱动装置设计、精度与误差分析等角度进行分析和论述，为系列化伺服云台研发工作奠定了一定基础。
参考文献
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Structure Design of Servo Platform
TANG Changyin
(Chongqing Huawei Industry (Group) Co., Ltd., Chongqing 400712)
Abstract: According to the requirements of servo cloud platform structure design indicators, this paper analyzes and discusses from the aspects of load analysis, structure form,drive device design, accuracy and error analysis, and adopts reasonable and reliable design methods and measures to meet the requirements of tactical technical indicators. A set of novel and unique structural solutions.
Key words: structural design, load analysis, drive unit
标签：结构设计论文; 载荷分析论文; 驱动装置论文; 重庆华伟工业(集团)有限责任公司论文;