三维运动模拟平台总体设计

三维运动模拟平台总体设计

为实现对某型光电跟踪器的动态跟踪性能的测试，设计了一种可以实现方位、俯仰和垂直直线运动的模拟运动平台，角位置精度达到15″，线位置精度达到0.01mm。

标签：运动模拟；结构设计；机构设计

1 引言

动态角跟踪精度检测装置由被试系统、多波段点源目标发生器系统（以下简称“目标发生器”）、运动模拟平台及总控制系统四个部分组成，图1为动态角跟踪精度检测装置系统组成原理框图。其中的运动模拟平台可以完成方位、俯仰和垂直直线运动。

2 目标运动平台

目标运动平台包含圆弧导轨副（含驱动传动机构）、目标固定支撑台面（俯仰U型框）、俯仰/升降二维运动机构、平台三维（俯仰、升降及滑动）伺服驱动系统、平台运动控制系统等5部分组成，图2为运动平台组成框图。

导轨为目标平台的方位运动轨迹，围绕着圆弧导轨的圆心转动，形成方位视线角速度变化；目标固定支撑台面负载目标发生器在进行沿圆弧导轨水平运动的同时，通过俯仰和高低二维运动机构带动目标发生器进行自身的位置运动，形成复合俯仰方位视线角速度变化，进而模拟目标在空域范围内的位置信息，以便对被测系统进行测试及仿真。

2.1 运动平台功能

平台本身具备三个运动自由度，目标发生器安放于运动平台的俯仰框上，平台依据操作者规划的运动路径，带动目标模拟系统形成相对被测试系统的方位、俯仰两个自由运动并保证目标光轴实时指向被测系统成像面中心，模拟真实环境下目标的运动特性，以便被测系统进行跟踪，分述如下。

2.1.1 模拟目标的方位运动

整套设备在以GDX塔的转轴中心为圆心的圆弧导轨上运动，实现方位角度变化的模拟，由于被测系统及圆弧导轨都以GDX塔的转轴中心为圆心，可以实现旋转中心重合，所以可以保证目标在导轨上运动时，被测系统光轴可以始终跟随着目标发生器的光轴，且在某一视场可观测到多波段点源目标；

2.1.2 模拟目标的俯仰运动

升降机构为沿圆弧导轨运动的一套直线升降机构，带动目标发生器升降，与俯仰运动机构产生相应的俯仰视线角角度变化，以便测试时被被测系统对目标进行搜索或跟随。

2.1.3 光轴调整用垂直直线运动机构

在直线升降机构上，叠放一俯仰运动机构，目标发生器以定位机构固定在这一俯仰机构上。当产生如模拟目标的俯仰运动时，目标发生器被带动产生直线升降时，由于运动模式为平移，所以目标发生器光轴也出现上下平移，此时安放在GDX塔上的被测系统的光轴无论怎样调整都会与目标生成器光轴产生夹角，导致无法观测到目标图像。本处的俯仰运动机构的作用就是在目标生成器出现水平上下运动时，实时调整光轴角度，使目标生成器的光轴始终指向被测系统，这样被测系统通过GDX塔帶动可实现光轴对准，达到测试或仿真的目的。

2.2 结构设计

目标运动平台主的结构部分要由目标支撑固定机构、俯仰/升降联动机构、方位滑动台体、圆弧导轨机构、电机驱动元件、光电编码器及气浮光学平台组成，以实现目标发生器的固定、俯仰/升降及方位运动，图3为目标运动平台系统组成三维设计效果图。目标支撑固定机构（图中俯仰框）用于目标系统的安装及定位；俯仰/升降自由度设计成联动机构以保证滑动台体沿圆弧导轨机构进行方位运动时始终指向被试系统光轴。

2.2.1 方位旋转设计

圆弧导轨方位维由高精密重载圆弧导轨、涡轮蜗杆传动机构、伺服电机驱动机构、定位轴及轴承机构、承载台面等五个部分组成。结构设计的关键是高精密重载圆弧导轨的定制和驱动与传动机构的设计，本方案的圆弧导轨机构为外购定制THK弧形内径1.8m的导轨副系统，采用4段各1/4圆拼接而成，内外环均为16个滑块支撑平台上面部分。

方位旋转维台面考虑试验台整体功能，由四块1/4圆形台面拼接而成，分别为升降台台面、人行通道台面（升降台台面对面的1/4台面）、布线台面及备用基准台面，拼接时采用高分辨率激光设备定位，从而实现各块各自功能，以满足设计指标要求。

方位驱动单元采用日本安川1.5kW伺服电机驱动，传动单元为直径950mm 的大型精密涡轮匹配蜗杆实现。

2.2.2 直线升降设计

直线升降维由导向支撑导轨机构、螺杆传动机构、刚性支架、辅助支撑、俯仰支撑台面及驱动单元等六部分组成，如图4所示。

直线升降机构行程长、精度高、驱动困难是设计及元件选型的三大难点，设计时考虑整体刚性，将外围框架设计为长方形加固铝合金支架及底角辅助支撑方式，采用航天级高强度铝合金型材经刮研工艺以保证导向导轨机构的定位精度；内部采用每侧2根共计4根THK高精度直线导轨副，其自身精度为每1m内位置误差0.02mm；通过松下1kW伺服电机及减速器带动THK高精度大型滚珠螺杆执行升降维移动；大型滚珠螺杆自身精度为每1m内位置精度误差0.02mm。

2.2.3 俯仰旋转设计

3 结束语

为了进行优化设计，本运动模拟单元通过三维实体建模，获得了大量的用于计算和优化的信息，这些信息用来进行优化设计计算，对结构的优化、电机的优选及反馈原件的布置都起到了很大的作用，通过实体加工检测，很好的完成了设计指标。

参考文献

[1]孙恒，傅则绍.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]薛开.基于多轴运动控制器的两轴转台控制系统[J].哈尔滨工程大学学报，2006（8）：570～573.

作者简介：纪小辉（1970-），男，陕西人，西安工业大学光电学院，副教授，主要从事教学和科研工作，研究方向为光电仪器设计。