经纬仪操作手训练模拟器结构设计
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２０１６年第 ３期
工业仪表与 自动化装置
·３５ ·
经 纬 仪 操 作 手 训 练 模 拟 器 结 构 设 计
马彦成
（中车长春轨道客车股份有 限公 司 国家轨道客车工程研 究中心工程实验 室，长春 １３００６２） 摘要 ：光 电 经纬仪有 很 高的测 量精 度 ，操 作 者如 果 不 能稳 定 熟练 地操 作 ，它就 无 法 完成测 量任
二维 跟踪 转 台结 构如 图 １所 示 。采用 十字跟 踪 架结 构 ，是现在 应用 最多 、较成 熟 的跟踪结构 。转 台 下底 座支 撑 Ｕ 型 架 ，方 位 电机 、俯 仰 电机 通 过 过 渡
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工业仪表与 自动化装置
件分 别安 装在 转 台下底 座 和 Ｕ型架 上 ，镜 筒 台 通过 两 个半 轴 与 ｕ型 架连 接 ，镜 筒 台 内装 有 摄像 机 。转 台主要 由方 位轴 系 和俯仰 轴 系构成 ，两轴 系正 交 ，均 采 用 蜗轮 蜗杆传 动 和步进 电机 驱动 方 式 。
收稿 日期 ：２０１５—０８一ｌ１ 作者简介：马彦成 ，（１９８０），吉林扶余 人 ，中车长春 轨道客 车股 份有限公司 国家轨道客车工程研究中心工程实验 室高级工程师 。
在 投 影仪 上模 拟 运 动 目标 ，操 作 者根 据 观察 投 影 仪上 图像 的变化 利用操 作 手柄手 动控制 跟踪 台的 方 位和俯 仰二 维运 动 ，实 现连 续 、稳 定 的图像跟 踪 。
可 行 性 。
． 一 ห้องสมุดไป่ตู้
关键 词 ：经 纬仪 ；跟 踪 ；模 拟 器 ；轴 系精 度
中图分类 号 ：ＴＧ８３ 文献标 志码 ：Ａ 文 章编 号 ：１０００—０６８２（２０１６）０３—００３５—０２
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｉｍ ｕｌａｔｏｒ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ；ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；ｓｈａｆｔｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ
０ 引 言
１ 功能原理
目前 空 间 位置 检 测 装 置 已广 泛应 用 于 飞 机 、导 弹等研 究 领 域 。常 用 的空 间位 置 检 测 装 置 为 经 纬 仪 ，它 利用 经纬 仪操 作 手 的机 动 灵 活性 ，及 时 、稳 定 地控制 以快速检 测 目标 得 出实 验 参 数 ，因此 操 作 手 的跟踪 过 程 在试 验 中至 关 重 要 ¨ 。在 试 验 过 程 中 一 般都 选 用手 动方 式 ，因此 用传 统 的方 法 训 练 操 作 手成本 高 、仿真 度低 ，受 气候 、气 象条 件 限制 并 浪 费 太多人 力 Ｊ。现 代 自动 经 纬仪 操 作 手 的结 构 极 其 复杂 ，造价 昂贵 ，该 文设计 制造 的单 杆经 纬仪操 作 手 训练模拟器已合理运用于军事试验基地 ，大幅度降 低 了成 本 ，其成 果具 有重要 意 义 。
ｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｏｒ，ａｎｄ ｕｓｅｓ ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ３ Ｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ
ａｎｄ ｍ ｏｄｅ１． Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｆｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ
ＭＡ Ｙａｎｃｈｅｎｇ （Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｏｒｐ．，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ａｎｄ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００６２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｈｏｔｏ— ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｍｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｉｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｄｏｅｓｎ’ｔ ０ｐ—
２ 结构设计
该训 练模 拟 器 主要 由摄 像 机 、二维 跟 踪转 台和 操作 台三部分 组成 。 ２．１ 操 作 台
操作 手柄 采用 万 向节 结构 ，利用 高精度 电位计 ， 通 过 内部 滑 动变 阻器来 改变 电压控 制机械转 台的升 速 、降速 、换 向 ，手 动操作 手柄 控制 台体 的二 维运 动 。 ２．２ 二 维跟踪 转 台
务 。文章 根据 用 户提 出的 需求 ，设 计 了经 纬仪操 作 手训 练模 拟 器。先 确 定 了模 拟 器 总体 的结 构 形 式和 工作 原理 ，并利 用三维设 计软 件 ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ对其进 行 了结构 设 计与 建模 。其 中机械 结构设 计 ，
主要 是轴 系的设计及 轴 系精度 的定量 分析 。通过 计 算轴 系误 差 ，从 而验证 了结 构设 计 的合 理 性 和
２０１６年第 ３期
负载 框架 轴 承 驱 动轴
驱动 端轴 承縻
ｂ 俯 仰 轴 系 Ｂ
体
图 ３ 俯 仰 轴 系
ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｆｔｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈａｆｔｉｎｇ ｅｒｒｏｒ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ ｉｔ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ
ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．
ｅｒａｔｅ ｉｔ ｓｔａｂｌｙ ｏｒ ｓｋｉｌｌｆｕｌｌｙ，ｉｔ ｃａｎ’ｔ ａｃｃｏｍ ｐｌｉｓｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔａｓｋ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｍ ａｎｄ ｏｆ
ｕｓｅｒｓ，ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｆｉｒｓｔｌｙ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎｅｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋ－
工业仪表与 自动化装置
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经 纬 仪 操 作 手 训 练 模 拟 器 结 构 设 计
马彦成
（中车长春轨道客车股份有 限公 司 国家轨道客车工程研 究中心工程实验 室，长春 １３００６２） 摘要 ：光 电 经纬仪有 很 高的测 量精 度 ，操 作 者如 果 不 能稳 定 熟练 地操 作 ，它就 无 法 完成测 量任
二维 跟踪 转 台结 构如 图 １所 示 。采用 十字跟 踪 架结 构 ，是现在 应用 最多 、较成 熟 的跟踪结构 。转 台 下底 座支 撑 Ｕ 型 架 ，方 位 电机 、俯 仰 电机 通 过 过 渡
· ３６·
工业仪表与 自动化装置
件分 别安 装在 转 台下底 座 和 Ｕ型架 上 ，镜 筒 台 通过 两 个半 轴 与 ｕ型 架连 接 ，镜 筒 台 内装 有 摄像 机 。转 台主要 由方 位轴 系 和俯仰 轴 系构成 ，两轴 系正 交 ，均 采 用 蜗轮 蜗杆传 动 和步进 电机 驱动 方 式 。
收稿 日期 ：２０１５—０８一ｌ１ 作者简介：马彦成 ，（１９８０），吉林扶余 人 ，中车长春 轨道客 车股 份有限公司 国家轨道客车工程研究中心工程实验 室高级工程师 。
在 投 影仪 上模 拟 运 动 目标 ，操 作 者根 据 观察 投 影 仪上 图像 的变化 利用操 作 手柄手 动控制 跟踪 台的 方 位和俯 仰二 维运 动 ，实 现连 续 、稳 定 的图像跟 踪 。
可 行 性 。
． 一 ห้องสมุดไป่ตู้
关键 词 ：经 纬仪 ；跟 踪 ；模 拟 器 ；轴 系精 度
中图分类 号 ：ＴＧ８３ 文献标 志码 ：Ａ 文 章编 号 ：１０００—０６８２（２０１６）０３—００３５—０２
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｉｍ ｕｌａｔｏｒ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ；ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；ｓｈａｆｔｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ
０ 引 言
１ 功能原理
目前 空 间 位置 检 测 装 置 已广 泛应 用 于 飞 机 、导 弹等研 究 领 域 。常 用 的空 间位 置 检 测 装 置 为 经 纬 仪 ，它 利用 经纬 仪操 作 手 的机 动 灵 活性 ，及 时 、稳 定 地控制 以快速检 测 目标 得 出实 验 参 数 ，因此 操 作 手 的跟踪 过 程 在试 验 中至 关 重 要 ¨ 。在 试 验 过 程 中 一 般都 选 用手 动方 式 ，因此 用传 统 的方 法 训 练 操 作 手成本 高 、仿真 度低 ，受 气候 、气 象条 件 限制 并 浪 费 太多人 力 Ｊ。现 代 自动 经 纬仪 操 作 手 的结 构 极 其 复杂 ，造价 昂贵 ，该 文设计 制造 的单 杆经 纬仪操 作 手 训练模拟器已合理运用于军事试验基地 ，大幅度降 低 了成 本 ，其成 果具 有重要 意 义 。
ｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｏｒ，ａｎｄ ｕｓｅｓ ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ３ Ｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ
ａｎｄ ｍ ｏｄｅ１． Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｆｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ
ＭＡ Ｙａｎｃｈｅｎｇ （Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｏｒｐ．，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ａｎｄ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００６２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｈｏｔｏ— ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｍｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｉｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｄｏｅｓｎ’ｔ ０ｐ—
２ 结构设计
该训 练模 拟 器 主要 由摄 像 机 、二维 跟 踪转 台和 操作 台三部分 组成 。 ２．１ 操 作 台
操作 手柄 采用 万 向节 结构 ，利用 高精度 电位计 ， 通 过 内部 滑 动变 阻器来 改变 电压控 制机械转 台的升 速 、降速 、换 向 ，手 动操作 手柄 控制 台体 的二 维运 动 。 ２．２ 二 维跟踪 转 台
务 。文章 根据 用 户提 出的 需求 ，设 计 了经 纬仪操 作 手训 练模 拟 器。先 确 定 了模 拟 器 总体 的结 构 形 式和 工作 原理 ，并利 用三维设 计软 件 ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ对其进 行 了结构 设 计与 建模 。其 中机械 结构设 计 ，
主要 是轴 系的设计及 轴 系精度 的定量 分析 。通过 计 算轴 系误 差 ，从 而验证 了结 构设 计 的合 理 性 和
２０１６年第 ３期
负载 框架 轴 承 驱 动轴
驱动 端轴 承縻
ｂ 俯 仰 轴 系 Ｂ
体
图 ３ 俯 仰 轴 系
ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｆｔｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈａｆｔｉｎｇ ｅｒｒｏｒ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ ｉｔ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ
ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．
ｅｒａｔｅ ｉｔ ｓｔａｂｌｙ ｏｒ ｓｋｉｌｌｆｕｌｌｙ，ｉｔ ｃａｎ’ｔ ａｃｃｏｍ ｐｌｉｓｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔａｓｋ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｍ ａｎｄ ｏｆ
ｕｓｅｒｓ，ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｄｏｌｉｔｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｆｉｒｓｔｌｙ ｄｅｔｅｒｍ ｉｎｅｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋ－