天线支撑平台设计报告

1、大型水平近场DUT支撑平台设计报告 北京国鹏科技有限公司二一三年十二月目 录一、任务来源3二、参考文件3三、主要功能性能指标要求3四、详细设计方案4需求分析4总体方案54.1系统三维示意图54.2支撑平台车64.3工装标准截84.4大螺旋及剪叉94.5单轴伺服转台124.6控制系统124.6.1、控制系统概述124.6.2 SIMATIC S7的模块化控制器164.6.3 天线转台主要技术参数164.6.4施耐德伺服系统174.6.5 德国Waycon拉绳式传感器18五、可靠性安全性设计及分析195.1 主要部件工作寿命195.2 静载特性分析205.2.1 支撑平台高度为5m205.2.2

2、支撑平台高度为10m205.2.3支撑平台高度为15m21 5.2.4稳定性分析5.3动态频率分析225.4 地震影响分析235.5 电气控制系统安全性24六、技术性能符合表24七、进度安排26八、交付清单27九、结论28一、任务来源根据中国空间技术研究院西安分院对大型水平近场测试试验的要求，大型水平近场在进行天线测试时需一套DUT支撑平台，用于支撑和调整被测天线。要求能适应不同口径的天线产品，支撑平台的高度可调，到达所需状态后平台需保持稳定。特需要大型水平近场DUT支撑平台一台。二、参考文件大型水平近场DUT支撑平台采购合同大型水平近场DUT支撑平台技术协议大型水平近场DUT支撑平台初步方案

3、大型水平近场DUT支撑平台初步方案评审纪要三、主要功能性能指标要求（1）大型水平近场DUT支撑平台外包络尺寸2.5m平台边长（直径）4m；（2）支撑平台包括：平台支撑车、高度调整工装、升降摇摆台；（3）支撑平台总垂直负载1000kg，横向谐波频率不小于4Hz；（4）支撑车能在牵引下实现水平移动，包括直行和转弯，并且具有位置自锁功能；（5）高度调整工装可调整高度范围为515米，工装安装台面直径1.5m，工装采用高刚度及轻质量设计；（6）升降台与支撑车及系列工装为统一接口，实现平台在带载状态下1.5m-4.5m的升降控制并任意位置自锁；（7）支撑平台高度为15m时，偏心载荷300kg，偏心距离0.

4、3m；平台高度为10m，偏心载荷500kg，偏心距离0.5m；平台高度为5m偏心载荷1000Kg，偏心距离1m；（8）平台位置保持精度：0.05mm/24h（满载、偏载台面上任意一点）；（9）升降摇摆台具有调节功能，Z轴方位调整范围±5°，转动精度优于0.03°，Z向位移调整精度20mm；（10）支撑平台水平重复度误差1mm；（11）应连续无故障工作200小时以上，工作寿命15年。四、详细设计方案4.1系统方案产品特点分析综合技术需求，可知DUT支撑平台有以下一些特点：Ø 提升高度大，收缩高度低要求平台能实现3m行程的升降控制，同时自身高度不超过1.5m

5、，远小于升降行程；传统的电动缸或液压缸等传动方式限于收缩高度不能满足要求，通用的剪叉型升降机不能承受非均匀载荷，且变形量太大。因此需要考虑新型结构，满足提升高度和收缩高度，又具有良好的刚度。Ø 实验高度范围宽，载荷变动范围大实验高度最低仅1.5m，最高达15m，需要通过多个固定及可伸缩机构组合实现不同高度，需要安装配合的接口多，对每一级机构的接口加工要求高；载荷方面除固定的垂向载荷外，根据高度的不同存在不同大小的偏心载荷，偏心力矩变动范围高达90010000N·m，因此对各级机构特别是底座和升降机构的抗扭性能提出了很高的要求。Ø 精度要求高要求在任意高度，安装面2

6、4h内（满载偏载工况）变化量小于0.05mm，方位转台精度为0.03°。需要支撑平台各个机构都有良好的刚性。根据技术要求，我们提出的大型水平近场DUT支撑平台主要由（从下往上）可移动支撑平台、高强度工装标准节（1-5节）、大螺旋剪叉机构升降机构以及单轴伺服转台组成，总体结构如图1所示：伺服控制系统电气控制系统大型水平近场DUT支撑平台支撑平台车工装标准截大螺旋升降机构单轴伺服转台大螺旋升降机剪叉升降系统西门子PLC图1 支撑平台总体示意图4.2支撑平台车可移动支撑平台主要由矩形钢管焊接成框架结构，并经过热处理消除焊接应力残余，最后进行表面精加工和油漆涂装。地脚采用专业厂家生产的梯形丝

7、杠可调地脚，其内部构造为梯形螺纹丝杠，可以实现可靠的自锁。且单支承载能力2吨以上，平台总承载能力在16吨以上；采用专业厂家生产的重载万向脚轮，在钢芯外包裹天然橡胶，移动时噪音小，保护地面，寿命长，且利于拖动转向，挂钩采用M24吊环螺钉，可在平台四面安装，便于使用。具体施工方案如下：1）可移动支撑平台框架采用4根2000mm （规格90×60×5）的冷弯矩形方钢管为外框；2）中间也用2根3000mm（规格90×60×5）冷弯矩形方钢管做斜拉筋，起到支撑与加强强度作用。3）并在底部四个角焊接25mm厚三角铁做加强筋并起定位作用。最终台面尺寸为2000

8、5;2000mm。4）焊接完成后做热处理低温回火，温度为100150摄氏度。并采用振动人工时效去除应力；因支撑平台上表面与工装标准节连接，连接位置加焊厚度为25mm连接块，热处理及人工时效后加工连接块。5）支撑平台安装平面通过专业大型龙门加工中心进行表面精加工，控制平面度优于0.05mm。保证支撑平台上表面平面度和表面粗糙度，便于工装标准节的安装。6）在平台与工作标准节连接处加工两个定位销孔7）拖钩采用成品吊环螺钉，可承受3000kg拉力。8）安装脚轮与固定支脚由于平台整体高度大，相对周向尺寸小，存在整体倾覆的可能。所以选择以下支撑固定方案：支持平台车四角各安装一样可调地脚，另有四个可折叠支架

9、，每个支架端头各安装一个可调地脚；设备移动到位后，展开折叠支架，基于激光跟踪仪，调整各地脚支撑，保证设备平稳固定。使用优点：（1）将支撑车的升降机构与移动脚轮联接，完成定位后将脚轮升起，利用平台固定的钢架结构支撑，具有更高的强度和稳定性，在固定安装时可进行调平；（2）加大支架与支撑地面的接触面积，提高平台整体稳定性；以上步骤都需用激光跟踪仪与水平仪校准，达到技术要求。9）.最后进行表面磷化处理后油漆涂装，保证表面耐腐蚀性，提高使用寿命和安全性。图2 支撑平台车示意图4.3工装标准节工装标准节采用类似塔吊标准节的结构，其外形尺寸为2×2×3m，共有5节，调节范围为315m。主

10、要采用厚度为12mm的角钢焊接而成，焊后退火去应力，并在装配表面进行精加工。其结构如图3所示，在装配平面设置定位销，便于配合安装，侧面设置吊装结构，单节重量为0.5吨左右。标准节与其他部件之间采用高强度螺栓连接。图3 工装标准截示意图标准节具体施工方案如下：1） 框架用4根长3m（140×140×12）与8根长2m （75×75×10）的角钢焊接成12根长2.5m（75×75×10）的角钢做斜拉以加强强度；2） 焊接完成后做热处理低温回火，温度为100150摄氏度。并采用振动人工时效去除应力；3） 顶面与底面各焊接4个三角铁在4个角上

11、以便与下平台和上面的标准节连接；4） 顶面焊接2个定位连接块；5） 底面的连接块，加装两个直径20mm的定位销；6） 安装平面通过专业大型龙门加工中心进行精加工，控制上下表面平面度优于0.05mm，侧面与上下平面垂直度优于0.1mm；定位销主要便于标准节与其他工件的安装定位，标准节安装时须结合高精度双轴水平仪调整标准节与其支撑平面（支撑平台或其他标准节）的安装螺钉，控制上平面倾斜角度小于0.05；7） 上表面加工螺纹孔，用于安装吊装螺钉（每个螺钉可承受拉力1500kg）；以上步骤都需用激光跟踪仪与水平仪校准，达到技术要求；8） 5个工装标准节均按照以上工艺步骤加工，统一完成后进行表面磷化处理后

12、油漆涂装，保证表面耐腐蚀性，提高使用寿命和安全性；4.4大螺旋及剪叉由于升降机构要求行程为3.5m，缩回后自身高度低（与移动支撑平台一起高度小于1.5m），传统电动缸等直线执行机构无法实现，而通用的剪叉高空作业平台定位精度太低，高空稳定性很差。因此采用第三方提供的大螺旋升降机，配合定制的高强度剪叉机构，既能实现大行程升降要求，又可以保证定位精度。升降机构完全缩回以后自身高度仅为0.5m，结构十分紧凑。升降机构采用交流伺服电机驱动，所选型号的大螺旋升降机传动机构为涡轮蜗杆，有一定的自锁能力，同时剪叉升降机构随动，能抵消大螺旋升降运动时产生的侧向力，大螺旋传动轴末端加装电磁制动器，能实现大螺旋升降

13、机在任意位置锁死。由于负载偏心载荷较大，本方案采用四台大螺旋升降机以提高升降机构的稳定性，其驱动方式如图5（b）所示，由两台伺服电机通过联轴器各控制两台螺旋升降机，配置两个拉绳式位移传感器，由控制器对升降高度进行闭环同步控制，实现精确的高度控制和两台伺服电机的升降同步，控制精度优于0.5mm。（a）大螺旋剪叉升降机构示意（b）四台大螺旋驱动机构示意图5 大螺旋剪叉升降机构大螺旋机构采用螺旋柔韧的弹性钢板嵌入垂直薄钢板并锁扣，从而形成高度可调的圆柱体，工作过程示意如下图。除了稳固性，精确性和很强的起重能力，大螺旋机构最大的特征就是其收缩高度非常小，6m行程的升降机构收缩高度仅600mm左右，远非

14、其他机构可比。大螺旋机构在国内外的制造行业有大量成功的案例，通过配置螺旋机构的数量加上剪叉等机械结构可实现不同载荷的需求，典型应用如图6所示。 图6 大螺旋升降机构及其应用大螺旋升降剪叉机构具体施工方案如下：1） 上下平面采用2000×2000×30的两块钢板，焊接槽钢边框，以增加钢板强度，焊后加工保证钢板上下俩面的平面度是否在0.05mm以内；下平面钢板与工装标准节或移动平台连接处加工两个销孔，将直径20mm销轴安装上便于以后装配；2） 单轴伺服转台在上平面的安装孔加工出来；3） 上平面钢板俩边加工吊环螺钉孔，用于安装吊环螺钉，用于吊装；4） 将4个大螺旋升降机构及配套的

15、伺服电机用螺钉固定到下平面钢板的上面； 将大螺旋降到最低，手动上升调整4个大螺旋的高度，确保水平在0.05mm以内。才可以进行下个步骤。5） 将剪叉机构的滑道用螺钉固定到下平面钢板的上面；6） 将4个大螺旋升降机构及配套的伺服电机用螺钉固定到上平面钢板的底面；7） 将剪叉机构的滑道用螺钉固定到上平面钢板的底面；8） 上平面钢板底面与大螺旋升降剪叉机构连接；9） 将剪叉安装到滑道上；10） 将组装好的各部件整体连接；11） 将安装好的大螺旋升降剪叉机构用激光跟踪仪及水平仪进行平面校准， 达到技术要求；大螺旋升降机选择型号为：PACO大螺旋升降机型号：ND6-11.5最大载荷：2450 kg行程：

16、11.5英尺（3.5m）涡轮蜗杆速比：8.17综合效率：66.8%举升速度：40mm/s由上述数据可以得出，此升降机构完全符合使用要求。4.5单轴伺服转台单轴伺服转台采用专业的一维天线测试转台，通过交流伺服电机驱动涡轮付控制转台的精确定位，方位控制精度优于0.02°，转台运行方式可以为单步、连续、归零、扫描等操作，转速在0.120º/s（方位）可调。方位转台高度小于400mm，采用下方上圆的结构，负载安装平面尺寸1500mm，下平面尺寸为2m×2m，最大程度将负载载荷平均分布到升降机构上，转台承重1500kg。外观如图7所示，设置吊装机构以及可调式天线安装机构，中

17、间为实验产品导线孔。图7 单轴伺服转台具体施工方案如下：将转台用螺钉固定到上平面钢板上。用激光跟踪仪及水平仪进行平面校准，达到技术要求；即可进行数据线连接测试（具体连接方式见后面的电气原理图）。4.6控制系统4.6.1、控制系统概述平台控制系统由运动控制系统和操作台组成，如下图所示。操作台上装有按钮、旋钮和指示灯，内部装有低压电器及驱动器等，主要用于给伺服驱动器供电和控制刹车。运动控制系统采用PLC为核心控制器，工作可靠，抗干扰性好。PLC接收运动指令，并通过运动控制卡控制伺服电动缸以及螺旋升降机构协同运动。图8 支撑平台控制框图电气控制原理：通过控制台可操作大螺旋的升降和转台的方位转换。大螺

18、旋升降机构是一个伺服电机控制俩个大螺旋升降机，配一个拉绳式位移传感器。拉绳式位移传感器的作用不仅仅是提供升降高度给控制台，且通过数据传送，发现平台出现左右不平衡时，控制部分会给通过PLC给伺服电机启动命令，伺服电机启动调整左右高度平衡，确保平台上的单轴伺服转台的平衡。电气控制部分原理图如下PLC、伺服电机以及传感器等核心控制期间全部采用欧系知名品牌产品，详细介绍如下：4.6.2 SIMATIC S7的模块化控制器SIMATIC S7的模块化控制器可随时通过可插拔I/O模块、功能和通讯模块灵活地进行扩展，为用户的需求提供量身定做的解决方案。根据用户的应用范围可以从性能，范围和接口选择等方向进行选

19、择。我公司的模块化PLC也表现为高可用性或故障安全的安全系统。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。图9 西门子S7系列PLC 4.6.3 天线转台主要技术参数结构形式方位转台尺寸负载安装平面直径1500mm底座安装平面为2m×2m矩形结构总高度小于400mm转台重量300kg左右机械传动结构涡轮付驱动方式交流伺服位置控制编码器方位位置控制精度0.02°（显示精度0.002°）转台运行方式可单步、连续、归零、扫描等操作通

20、讯方式RS-232，数据采集速率确保大于10组数据每秒前台控制器可显示方位实时角度，带微键盘操作控制适用场地室内或室外测试范围0°±10°（方位）转台转速0.120º/s（方位）可调转台承重方位承重1500kg 工作环境温度2050表1提供天线测试系统处理软件，该软件可以实现转台控制、频谱仪控制、数据采集，并可以进行天线的测试，试验数据处理等，该软件操作简单，功能完备，具有以下功能及特点：1)可以做测试天线的方位试验和增益测试试验2)图形可以极坐标和直角坐标显示，可以实时切换；3)方位的测试范围可以0360度，或者任意设置测试起始角度和终止角度；4)试验

21、结束后，可以做归一化处理，试验数据及结果可以保存，并打印输出；5)可以通过计算机对转台进行位置控制及数据采集4.6.4施耐德伺服系统施耐德伺服系统：施耐德电气一体化驱动产品采用创新的紧凑型模块化设计，实现伺服驱动器与电机一体化，具备简洁易用、灵活紧凑、高效节能、功能丰富等特性。一体化驱动产品不仅适用于对安装空间、接线方式和性能等有特殊需求的场合，而且可以替代大多数驱动和电机分立式的应用，该产品由施耐德电气德国运动控制研发中心研发和设计，并全部在德国生产。图10 施耐德伺服系统产品4.6.5 德国Waycon拉绳式传感器螺旋升降台的高度采用德国Waycon的SX120-4000-10V-KR拉绳

22、式传感器，可以实现长达4m的长行程测量，同时柔性的拉绳在升降平台降至低位时可以收缩在传感器的绕线轮上。Waycon Positionsmesstechnik是世界知名的传感器制造商，Waycon传感器应用于各行业领域，Waycon客户群体从中小企业到著名的工业集团及知名汽车制造厂商。其拉绳式传感器结构如图所示。图11 德国Waycon拉绳式传感器五、可靠性安全性设计及分析5.1 主要部件工作寿命1）支撑平台主要部件寿命如下：Ø 大螺旋升降机构：满载工况寿命为200km，按照每年使用300天，每天累计三个往复行程（18m）计算，理论寿命为30年以上；Ø 钢架结构：做好防腐处理

23、和日常维护的情况下，可达30年以上；Ø 回转轴承：额定载荷以内低频工作，20年以上；Ø 伺服电机及驱动器：综合寿命在10年以上；Ø PLC等电气元件（易损件除外）：10年以上；综合以上信息，DUT支撑平台综合寿命机构部分20年以上，电气部分10年以上（易损件除外）。2）连续无故障工作时间（MTBF）由于支撑平台可动部件主要为大螺旋剪叉升降机构和单轴伺服转台，而这两部分在完成定位、开始实验以后均可关闭电源，依靠自身机械机构进行自锁，仅须运转PLC控制系统。因此其连续无故障工作时间理论上取决于电气控制元件部分的可靠性，各元件平均无故障工作时间（MTBF）差异较大，但综

24、合考虑，应在500小时以上。5.2 静载特性分析静载分析中，不影响静载特性的零件不作处理。底座、工装、升降台及转台等，材料为铸造碳钢，弹性模量为200GPa，外部载荷设为10000N，考虑重力影响。在不同的支撑平台高度下，针对偏心负载对转台位置的影响情况进行仿真。仿真结果如下：5.2.1 支撑平台高度为5m不需要安装工装标准节，将升降机构伸出长度设置为3.5m，根据负载工况设置仿真参数，固定移动支撑平台的底部，施加重力以及外部载荷（1000kg）。对有无偏心载荷两种工况分别仿真，可得到两种情况下实验安装平面形变分别为0.41mm和0.5mm。可知静载工况下剪叉机构有一定的变形量。但由于这部分载

25、荷在实验过程中始终存在，因此不会影响到实验产品的姿态。在施加1000kg，偏心距离为1m的偏心载荷（设置10000Nm的等效力矩）以后，变形量增大0.09mm，略大于技术要求中0.05mm的变形要求，但由后续仿真可知，可以通过加装工装标准节，减小升降高度的方法提高升降台刚度，降低大偏心载荷工况下的变形量。 （a）无偏心载荷 （b）有偏心载荷图12 实验高度5m工况静载仿真5.2.2 支撑平台高度为10m安装两个工装标准节，将升降机构伸出长度设置为2.5m，其他仿真参数设置基本与5m工况相同，对不同的静载载荷进行仿真，最大偏心载荷500kg，偏心距离为0.5m（设置2500Nm的等效力矩）。从仿

26、真结果可知最大变形量分别为0.58和0.7mm。对比5m工况结果可知，增加工装标准节以后变形增加量较小，仅为0.2mm左右，可知工装标准节具有较好的刚度。 （a）无偏心载荷 （b）有偏心载荷图13 实验高度10m工况静载仿真5.2.3支撑平台高度为15m安装4个工装标准节，将升降机构伸出长度设置为1.5m，对不同的静载载荷进行仿真，最大偏心载荷300kg，偏心距离为0.3m（设置900Nm的等效力矩）。从仿真结果可知最大变形量分别为0.74和0.78mm。对比10m工况结果可知，增加工装标准节以后变形增加量进一步减小，仅为0.1mm左右；同时由于升降台伸缩高度下降，使得偏心工况和无偏心工况整体

27、变形量差值缩小为0.04mm。 （a）无偏心载荷 （b）有偏心载荷图14 实验高度15m工况静载仿真5.2.4稳定性分析支持平台车与工装标准截为优质碳素结构钢焊接，有较强刚度。大螺旋升降系统，定位稳定性设计主要有以下三方面：1）大螺旋传动为蜗轮蜗杆传动，有较好的自锁性；2）在大螺旋传动轴端加装电磁抱紧装置，可以在任意位置实现自锁；3）大螺旋升降电机为制动电机，运动停止后可抱闸锁紧。大螺旋升降时配合剪叉机构，大螺旋升降机主动运动，剪叉机构随动，用于平衡螺旋升降时产生的径向力。单轴伺服转台为结构上采用蜗轮蜗杆传动，有较好的自锁性，配合伺服电机，可在任意角度锁死。5.3动态频率分析动态频率分析主要针

28、对15m高度的工况进行，设置与静态分析相同的载荷，通过有限元仿真软件求解后，得出动态振型如图11所示，可知振型为左右方向的摇摆，一阶振动频率为3.84Hz，横向谐波频率接近4Hz。图15 实验高度15m动态频率分析5.4 地震影响分析按照防震烈度7级，加速度值0.15g对结构稳定性进行分析。依据图15所示的“地震影响系数曲线”和表1所示的“水平地震影响系数最大值”，采用冲击谱分析方法进行分析，等效替代计算耗时的时间历程法。图16地震影响系数曲线表2 水平地震影响系数最大值仿真结果如图17所示，可以看出支撑平台位移变形量较大，顶端变形达到2.2mm左右；结构所受应力为9.8MPa，而碳钢材料屈服

29、强度一般都在200MPa以上，可以认为在7级地震下支撑平台不会发生机械机构的屈服变形。 （a）应力分布图 （b）形变分布图图17 地震影响分析结果5.5 电气控制系统安全性升降电机及回转台的正反转和转速控制由PLC的数字量输出点通过接触器实现，软件切换，硬件互锁，并由热继电器进行过热保护 各部件及电气控制柜安全有效接地。六、技术性能符合表名称技术要求技术指标是否满足要求外包络尺寸2m平台边长（直径）4m支撑平台车边长2.5m其余部件边长2m满足要求支持平台自重3t2.8t满足要求支持平台垂直负荷1000kg1000kg满足要求支持平台车水平灵活移动，可自锁水平灵活移动，可自锁满足要求高度调整工装可调范围515m515m满足要求高度调整工装自重1吨489kg满足要求升降台调整范围1.5m升降行程4.5m1.0m升降行程4.5m满足要求15米时偏心载荷及偏心距偏心载荷300kg，偏心距离0.3m偏心载荷300kg，偏心距离0.3m满足要求10米时偏心载荷及偏心距偏心载荷500kg，偏心距离0.5m偏心载荷500kg，偏心距离0.5m满足要求5米时偏心载荷及偏心距偏心载荷1000Kg，偏心距离1m偏心载荷1000Kg，偏心距离0.5m满足要求平台位置保持精度0.05mm/24h0.03mm/24h满足要求Z轴方位调整范围