位標器是導彈導引頭的關鍵部分,和導彈的打擊精度緊密相關,使其保持高精度就顯得非常重要。位標器的測試與標定精度是由位標器測試轉臺的精度決定的,提高測試轉臺的精度是提高位標器標定精度的最有效途徑。因此,研究一種適用于某型號位標器的測試標定轉臺就具有重要的實際意義和價值。本文采用理論分析計算與樣機實驗相結合的方法,主要圍繞基于超聲波電機的二軸精密無磁轉臺關鍵技術、總體方案設計、直線駐波超聲電機驅動性能的分析計算、二軸精密轉臺的指向精度分析計算、伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制精度以及最后的實驗驗證等方面開展了研究工作。首先,根據二軸精密無磁電動轉臺的設計指標要求,如負載大小、精度性能要求、無磁性能等要求,對驅動方式、導軌類型、位置檢測系統(tǒng)進行了設計選型,提出了基于超聲波電機的運動平臺總體方案。根據二軸轉臺的負載大小和運動參數(shù)要求,進行了方位軸和俯仰軸超聲波電機使用數(shù)量的計算。然后進行了二軸精密無磁轉臺的控制系統(tǒng)設計,給出了轉臺控制過程。其次,研究了轉臺電機的驅動性能和轉臺的啟停特性。根據超聲波電機的工作原理,建立摩擦耦合界面的數(shù)學模型,計算超聲波電機驅動足的穩(wěn)態(tài)輸出力和轉子最大角速度,分析了摩擦材料類型、預緊力大小、轉子角速度等對超聲波電機最大輸出力的影響,最終得出選擇氧化鋁為摩擦材料、預緊力為45N時,超聲波電機的輸出力最大,單個驅動足最大輸出力為3.2N。通過分析得出,轉臺的最大運轉角速度和預緊力大小成反比,但是增大預緊力可以減小轉臺的啟動時間。最后通過仿真分析驗證了預緊力大小和超聲波電機輸出力、轉子最大角速度的關系,并驗證了超聲波電機驅動形式具有很強的非線性。再次,圍繞二軸轉臺的機械本體和控制系統(tǒng)兩方面,分析了其指向精度和控制精度。通過對機械本體建立誤差模型,分析各個誤差源對指向誤差的影響,找出指向誤差最敏感的誤差源,然后在加工裝配過程中避免并進行誤差補償。然后分析了控制系統(tǒng)精度,通過PID參數(shù)整定實驗分析,二軸精密轉臺能夠實現(xiàn)0.001′的定位精度,并且具有很小的響應時間和很高的重復定位精度。最后,結合前面章節(jié)的分析,對樣機進行了一系列實驗驗證。驗證了二軸無磁轉臺的無磁性能,符合位標器的標定環(huán)境要求;驗證了預緊力大小與超聲波電機輸出力和轉子速度的關系,證實了超聲波電機驅動具有很強的非線性問題;實驗結果表明,基于超聲波電機的運動平臺具有很高的位置精度和重復定位精度。
【學位單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TJ765.331
【部分圖文】：

第1章緒論1第1章緒論1.1課題背景及研究意義本課題旨在研制用于測試、標定某型號導彈位標器的測試轉臺，位標器的標定精度直接決定了導彈跟蹤目標的能力。提高測試轉臺的精度，是獲得較高測試和標定精度的最有效途徑[1]。轉臺按照功能一般分為慣導測試臺和仿真轉臺，用于飛行器制導產品的標定、性能測試和半實物仿真。慣導測試臺用于慣導元器件或導航系統(tǒng)的測試和標定，主要提供精確的空間坐標定位、精密的角速率以及角加速度測試基準[2]。仿真轉臺主要用于慣導系統(tǒng)在空中姿態(tài)的模擬和跟蹤目標運動的模擬，測試單個載體的姿態(tài)角變化，或者多個載體間的相對運動、對接過程以及其他參數(shù)[3]。轉臺根據運動自由度數(shù)分為二軸、三軸、五軸轉臺等，各類型常規(guī)轉臺分別如圖1.1(a)~(d)所示。(a)二軸手動標定轉臺(b)二軸電動轉臺(c)三軸仿真轉臺(d)五軸飛行轉臺圖1.1不同形式的仿真轉臺

哈爾濱工程大學碩士學位論文2隨著超聲波電機技術的不斷發(fā)展成熟，應用基于超聲波電機的精密運動裝置實現(xiàn)標定成為可能[4]。超聲波電機沒有傳統(tǒng)電機的繞組和磁路，利用壓電材料的逆效應或者電致伸縮效應，通過給壓電材料施加一個高頻高壓信號，使壓電材料發(fā)生超聲頻段的微觀機械振動，然后將壓電材料的振動通過共振進行放大，電機驅動足一般做橢圓軌跡的運動，最后經摩擦耦合實現(xiàn)動子的直線運動或者旋轉運動[5,6]�；诔暡姍C的運動平臺一般適用于小負載場合，如圖1.2所示，運動平臺采用了以色列Nanomotion超聲波電機，配合光柵編碼器實現(xiàn)了納米級位置精度和重復定位精度，并且具有很高的動態(tài)性能。(a)一維直線運動平臺(b)旋轉氣浮平臺圖1.2超聲波電機轉臺本課題來源于橫向課題項目“位標器綜合測試系統(tǒng)的研制”。二軸精密無磁轉臺用于測試位標器的調制曲線、陀螺漂移、φ角零位、視場角、抗干擾特性等靜態(tài)參數(shù)，是對位標器固有參數(shù)特性的測量標定。待標定位標器重量為0.7kg，要求二軸轉臺具有較高的定位精度，要求方位軸和俯仰軸的定位精度為0.01′；在某型號位標器的標定過程中，需要與黑體光線準確對接，確保轉臺的指向精度尤為重要；位標器的測試、標定過程不能受到外加磁場的干擾，需要對電磁型電機進行磁屏蔽處理[7]。目前針對小負載、高精度定位性、無外加磁場干擾特點的測試轉臺還不多見，結合課題“位標器綜合測試系統(tǒng)的研制”，研制一種針對某型號位標器的專用測試轉臺具有實際價值和重要意義。1.2課題國內外研究現(xiàn)狀國內外轉臺正向著高精度、快速響應、優(yōu)異定位性能方向發(fā)展，為慣性導航部件的標定和測試提供了很高的標定精度和精確的性能檢測[8]。根據轉臺的功能用途，將轉臺分為測試用轉臺、跟蹤用轉臺和隨動轉臺，每?

哈爾濱工程大學碩士學位論文4域的最前沿，ITATT轉臺的三軸綜合誤差低于0.1″，速率平穩(wěn)性很高，這得益于轉臺使用了先進的有源磁懸浮技術，使得轉臺的回轉精度小至0.03″[11]。圖1.4AC2247型二軸運動仿真轉臺2005年，瑞士Acutronic公司成功研制AC2247型二軸運動仿真轉臺，如圖1.4所示，此轉臺為速率轉臺，用于測量幾類中等大小的慣性測量單元(IMU’s)或同時測量微電子機械系統(tǒng)(MEMS)傳感器[12]。兩個自由度均由無刷電機直接驅動，可靠性非常好。此型轉臺具有出色的瞬時速率穩(wěn)定性和精確、穩(wěn)定的定位性能，定位精度5″。2013年，Acutronic公司研制成功HD7756型5軸飛行仿真轉臺，5軸轉臺由精確的三軸導彈飛行模擬器和雙軸的目標模擬器組成，這一類的轉臺是為了測試高動態(tài)的導彈性能[13]。導彈飛行模擬器內軸具有連續(xù)的角自由度，由大扭矩無刷交流電機驅動，中軸和外軸由液壓執(zhí)行機構驅動，轉動在一圈之內；最外部的大框架為雙軸目標模擬器的俯仰軸，內部半環(huán)形的為方位軸，HD7756型轉臺如圖1.5所示。圖1.5HD7756五軸飛行仿真轉臺HD7756型5軸飛行仿真轉臺具體參數(shù)如表1.1所示，此系列的轉臺集中顯示了Acutronic公司在轉臺領域內的雄厚實力，也是我國轉臺事業(yè)應該向其學習的地方。
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本文編號：2835092