大型水平近场DUT,PPT

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》《大型水平近场DUT支撑平台初步方案评审纪要》三、主要功能和主要技术性能

（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5～15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≥0.3m；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总体方案：

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，总体结构如右图所示：系统框图各部分详细设计方案4.2可移动支撑平台机构：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。移动与固定：固定用可调地脚采用专业厂家生产的梯形螺纹地脚，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。可移动支撑平台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，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，基于水平仪调整各地脚支撑，保证设备平稳固定。4.3工装标准节方案

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3~15m。主要采用厚度为12mm的角钢焊接而成，并在装配表面进行精加工。其结构如下，在装配平面设置定位销，便于配合安装，上下加工吊环螺钉孔用于吊装，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。工装标准节4.4大螺旋升降机构由于升降机构要求行程超过3m，缩回后自身高度低（与移动支撑平台一起高度小于1.5m），传统丝杠、液压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，升降行程为3.5m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，选用的ND6型大螺旋自带涡轮蜗杆，能实现良好的自锁，大螺旋传动轴另一端配置电磁制动器，在完成定位后可以锁死机构。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，其驱动方式是，由两台伺服电机通过直角齿轮箱和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。ND6-11.5大螺旋升降机及其应用大螺旋升降机构数模PACO大螺旋升降机型号：ND6-11.5最大载荷：2450kg行程：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/s4.5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0.1～20º/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，最大偏心距1.5m。单轴伺服转台结构示意图4.6电气控制原理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机以及螺旋升降机构协同运动。控制原理图PLC接线图电源部分原理图扩展模块原理图主要电气元件选型西门子PLCSIMATICS7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、环境保护设备等等。西门子S7系列PLC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，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0.1～20º/s（方位）可调转台承重方位承重1500kg工作环境温度－20℃～50℃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。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。WayconPositionsmesstechnik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。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：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；钢架结构：做好防腐处理和日常维护的情况下，可达30年以上；回转轴承：额定载荷以内低频工作，20年以上；伺服电机及驱动器：综合寿命在10年以上；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，材料为优质碳素结构钢，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。无偏心载荷有偏心载荷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。无偏心载荷有偏心载荷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变形量差值缩小为0.04mm。无偏心载荷有偏心载荷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、所示，可知振型为左右方向的摇摆，一阶振动频率为3.84Hz，横向谐波频率小于4Hz。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。依据下图所示的“地震影响系数曲线”和下表所示的“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。地震影响系数曲线仿真结果如下图所示，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。

应力分布图形变分布图5.5电气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5~15m5~15m满足要求高度调整工装自重≤1吨489kg