TM65m天线悬挂式俯仰驱动结构健康监测

第34卷 第3期

2016年8月

天文学进展

PROGRESSINASTRONOMY

Vol.34,No.3

Aug.,2016

doi:10.3969/.1000-8349.2016.03.07

TM65m天线悬挂式俯仰驱动结构

健康监测

付丽，张一凡，耿旭光，张亚林，虞林峰，赵均红，

1,2,344414

孙庆余，蒋甬斌，孙云霞，凌权宝，范庆元，刘庆会

411111

(1.中国科学院上海天文台，上海200030；2.中国科学院行星科学重点实验室，南京210008；3.中国

科学院射电天文重点实验室，南京210008；4.中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄050081)

摘要：介绍了天线悬挂式俯仰驱动的结构形式、特点及受力情况。建立了结构健康监测系统，包

括结构测量系统、电流监测系统、温度监测系统和声音识别系统，并对俯仰驱动结构进行了全面

的健康分析，由测量的齿轮的径跳和端跳、电机的电流、轴承的温度及识别的声音等参数，参照

评估标准，认为结构目前处于健康状态。

关键词：天线；俯仰驱动系统；健康监测；安全评估

文献标识码：A中图分类号：P111;TU317

1引言

天马望远镜(TM65m)坐落在上海松江佘山天文基地，可工作于L、S、C、X、Ku、K、Ka

和Q等8个频段，最高跟踪指向精度3。TM65m主要由天馈、机械结构和伺服监控三大

󰀁󰀁

分系统组成。俯仰旋转驱动结构是机械结构分系统的重要组成部分，其主要功能为实现俯仰

大齿轮沿着既定轨道进行旋转。俯仰旋转驱动结构主要包括俯仰大齿轮和与之啮合的小齿轮

(含驱动箱体)。小齿轮根据其连接方式可分为固定式和悬挂式，前者固定在天线平台上，俯

仰大齿轮旋转过程中可能发生的径、侧向偏摆和扭转，会产生偏差和齿轮接触率过大等问题；

后者悬挂于俯仰大齿轮上，具有实时适应和协调俯仰驱动箱体摆动的优点，同时设置双电机

消隙，保证了结构的稳定性和高指向精度。

目前，悬挂式俯仰驱动结构已广泛应用在国外天线上，如美国20世纪60年代的深空网

收稿日期：2015-11-12；修回日期：2016-05-12

资助项目：上海市科学技术委员会科研计划项目(08DZ1160100)；中国科学院知识创新工程重大项目(KJCX-YW-18)；

国家自然科学基金(Y347201001)；天文专项基金(高精度测量和控制)

通讯作者：付丽，fuli@

[2]

[1]

3期付丽，等：TM65m天线悬挂式俯仰驱动结构健康监测351

64m天线、美国GBT(GreenBankTelescope)100m天线和意大利SRT(SardiniaRadio

Telescope)64m天线；国内北京密云50m天线和TM65m天线也采用了悬挂式俯仰驱动

结构。俯仰旋转驱动结构运行状况是影响天线指向精度的主要环节之一，如果其自适应调整

功能出现问题，不仅会降低指向精度，同时俯仰结构也将会出现损伤甚至破坏。在20世纪

80年代，美国深空网的天线曾出现过奇怪的齿轮磨损问题

。因此，对俯仰旋转驱动结构各

个环节进行实时健康监测是保证其正常运行的必要手段，具有非常重要的意义。目前，国内

很少有大型天线结构健康监测的报道，哈尔滨工业大学的金晓飞和王化杰等研究设计了

FAST(Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope)反射面结构健康监测系统，

大部分功能已在30m缩尺模型结构实验中成功应用，但其是针对反射面的结构及受力特点

建立的健康监测系统，与本文的俯仰驱动结构的监测系统区别较大。

本文以TM65m天线为研究对象，首先介绍悬挂式俯仰驱动的结构形式及双电机消隙；

然后阐述各结构健康监测系统的组成原理；最后基于建立的系统对结构进行安全评估。建立

较全面的俯仰驱动结构健康监测系统，为在建和拟建的大型天线提供参考。

[4][5]

[3]

2悬挂式俯仰驱动结构

TM65m天线俯仰驱动结构及其安装位置如图1所示，俯仰驱动结构通过4个挂轮悬挂

于俯仰大齿轮齿板上，啮合齿隙由机械加工及安装调整保证，驱动箱通过连接梁和关节轴承

连接在天线座架二层平台上。当天线俯仰转动时，水平和垂直关节轴承可实时适应和协调因

俯仰大齿轮安装和制造误差引起的俯仰驱动箱体的摆动。

图1俯仰驱动结构安装位置及三维图

[6]

在20世纪70年代，JPL的Menninger针对26m天线进行了在驱动器上施加力矩

偏置进行消隙的研究。目前，此技术已很成熟，在射电望远镜和齿轮传动光学望远镜

VST

、SST上已广泛应用。TM65m天线俯仰结构采用4个电机驱动，两个电机为一组，

在驱动器上施加力矩偏置进行消隙，然后通过多电机控制器对各消隙组合进行控制，抑制差

速振荡，使其速度均衡。在天线更换和跟踪观测目标时，双电机消隙的特点为：在望远镜快

动更换观测目标时两只电机同向驱动提供大力矩，但不能消除齿轮间隙，精度低；在跟踪观

测时两只电机反向驱动，一只主驱动一只提供反向力矩，力矩较小，能够消除齿轮间隙，得

到高的跟踪精度。

[7][8]

352天文学进展34卷

3结构健康监测系统

天线的俯仰驱动结构长期处于持续往复运动状态，可能产生电机、齿轮和轴承损坏等现

象，远程控制室与天线相距较远，需建立结构健康监测系统，实时对结构性能进行监测和评

估，以便及时提出相应维护措施。TM65m天线俯仰驱动结构健康监测系统包括结构测量系

统、电流监测系统、温度监测系统和声音识别系统。

3.1结构测量系统

结构测量系统由游标卡尺、千分表、计算机和数据采集软件(Mahr)等组成。每隔半年，

利用游标卡尺结合铅丝测量齿隙，千分表、计算机及软件测量齿轮的径跳和端跳、连接梁的

左右和上下偏摆角度。如果偏摆角度在±2内，齿隙在0.6∼1.2mm范围内，认为满足要求。

◦

利用千分表、数据采集软件和计算机进行3组测量：(1)齿轮的径跳和端跳。首先清洗齿

轮齿条内圆弧面和侧面的油泥及其他附着物，然后将千分表安装在磁性卡座上，卡座通过支

架固定在天线二层平台上，最后将2个千分表探头同时垂直压在齿条两侧的内圆弧面上(挂

轮接触面)，重置使表读数置零；俯仰以0.3

◦◦◦

/s的速度由低到高仰角旋转(5∼88)，再由高到

低仰角旋转，数据采集软件每秒记录一个数据，根据读数绘制齿轮的径跳曲线。(2)类似地，

将2个千分表探头同时垂直压在齿条两侧的端面上，测量齿轮的端跳。(3)将2个千分表的

探头分别垂直压在连接梁支耳下表面和侧面，转动天线俯仰，读取2个千分表数值，得到连

接梁的上下和左右位移，测量千分表的测试探头到转轴的距离，计算连接梁的偏摆角度。

采用压铅丝法测量驱动齿轮轴齿轮和俯仰大齿轮轮齿啮合齿隙，测量时将17号长度约

50cm的软铅丝粘在齿轮上，然后以0.3/s的速度旋转俯仰齿轮，经挤压后的软铅丝变扁，

◦

用游标尺测量一个齿的两侧铅丝厚度值，相加为齿轮的啮合间隙值。

3.2电流监测系统

电流监测系统是由伺服监控分系统中的天线驱动控制单元实时记录天文观测时不同方

位俯仰变化对应的电流，当俯仰单电机电流超过68A或电流突变超过20A，需及时进行检

查和维护。

天线驱动控制单元(DCU)由多电机控制器、直流驱动器、直流伺服电机(含测速机和失

电制动器)和人机界面等组成。俯仰驱动器均采用力矩偏置的方式以消除传动链的齿隙。多

电机控制器选用可编程控制器，通过CAN总线实现对多台直流驱动器的集中监控，数字化

总线可以很好地控制多路驱动器协调工作，还可以大大提升驱动系统的可靠性和调速性能。

同时多电机控制器与控保单元联合完成驱动系统的安全保护功能。天线驱动控制单元具有可

独立操作的人机界面，可以本地控制天线以速度模式运动，并实时显示各电机电流。天线俯

仰驱动单元工作原理框图如图2所示。

除了通过人机界面直接监测电流外，提出了基于电机电流的接触应力间接测量技术，通

过实时记录天线不同俯仰角下的电机电流反算驱动力矩，进而计算切向力和轮齿接触应力，

判断是否小于许用接触应力，评估结构的安全性。

3期付丽，等：TM65m天线悬挂式俯仰驱动结构健康监测353

图2俯仰驱动单元工作原理框图

基于行星减速器的相关参数，结合记录的电机电流计算驱动力矩，表述为：

M=0.85·I·I·i·i,(1)

AE12

式中，I为电机电流常数，I为电机驱动电流，i为末级减速比，i为减速器速比。

AE12

由驱动力矩可计算大齿轮所受的切向力，具体为：

󰀃󰀁

FM

C

F==/cosφ,(2)

T

cosφR

式中，F为切向力，F为圆周力，R为分度圆半径，φ为压力角。

TC

最终，得接触应力为：

󰀂

σ=0.798,(3)

wE(1+1/ρ)

d(1−γ)sin2φ

2

式中，w=F

T

/l，l为齿轮宽，E为弹性模量，γ为泊松比，d为分度圆直径，ρ为大小齿轮

分度圆直径比。

3.3温度监测系统

在俯仰驱动结构上共安装6个温度传感

器，其中4个传感器用于长期实时记录轴承温

度，2个传感器的测量值作为参考温度。传感

器的选取需充分考虑精度和对系统复杂程度的

影响等因素，安装的位置应该既有相同照射和

风速条件，又能准确反映测量目标的真实温度，

具体位置如图3所示，传感器通过垫片压在结

构上，并使用胶封闭隔绝空气。当轴承温度与

参考温度温差超过2

◦

C时，需现场检查，并结

合其它3个监测系统判断轴承是否损坏。

图3温度传感器安装位置示意图

温度监测系统由温度传感器、主节点控制器、电源、工控机和电缆等组成。图4为监测系

统原理框图，该系统采用分级分布式网络架构，传感器共用1个主节点控制器，每个主节点

354天文学进展34卷

控制器通过拨码开关设置一个地址，每个控制器最多管理19个监测点(不够19可空缺)，每

个监测点在主节点有固定的地址编址。主节点控制器以单片机为控制核心，对监测点采用轮

询的方式，逐点查询每点的温度，传输方式是1820专用I

2

C总线接口。主节点控制器的采集

与上报按固定周期轮询，上报信息处理计算机，采用CAN总线接口。电源主要功能是为主节

点控制器和温度传感器提供直流电能，电源输入220V，输出+5V直流电。每个电源可以为

5个节点控制器和它所带的温度传感器提供5V直流电能。温度传感器的核心是DS18B20

数字式温度传感器，其与外部的接口为单总线方式，即数据的输入、输出及同步均由同一根

线完成，非常便于组建传感器网络。其温度测量范围为−55

◦◦◦◦

C∼125C，在−10C∼80C范

围内精度为±0.5

◦

C，输出的温度值可编程为9∼12位，单5V供电。

图4温度监测系统原理框图

3.4声音识别系统

TM65m天线结构上共安装了10个拾音器(见图5)，分别位于馈源舱、副面、压缩机房、

方位、俯仰电机等需要重点监听的部位。其中用于监听俯仰驱动结构的2个拾音器被分别安

装在2个减速机罩子下面(见图6)。拾音器通过三芯屏蔽线与馈源舱和远程房的两个网络录

音盒连接，然后再连接到内网交换机，由此，位于观测室的计算机便可以通过内网访问任意

位置的拾音器，并通过音响实时地播放采集的声音，同时10路音频也被记录存储在计算机

中，可以进行回放。

4TM65m天线俯仰驱动结构健康监测

建立的4套监测系统已成功应用在TM65m天线的俯仰驱动结构上，下面详细介绍每个

系统的结构安全评估结果。

3期付丽，等：TM65m天线悬挂式俯仰驱动结构健康监测355

图5声音识别系统原理框图

图6拾音器位置和型号

4.1结构测量系统

俯仰大齿轮直径28m，模数25mm，由轮幅和齿条组成，齿条工作范围约110，全齿分

◦

为22段，通过顶、拉螺栓将其与轮幅连接。图7为天线由低俯仰旋转到高俯仰角时测量的齿

轮径跳和端跳。径跳曲线的每一小段的突变为22段齿的拼接误差所致，1/4周期的sin曲线

变化反映了偏心误差。端跳曲线的小段突变亦为拼接误差，图示的端跳曲线反映了大齿轮在

旋转过程中发生了微小的摆动，摆到最大位置后回摆，最终摆回到初始位置。径跳和端跳的

测量结果显示水平和垂直关节轴承起到了微调的作用，并没有发生卡死现象。同时表明悬挂

式结构实时适应和协调了因俯仰大齿轮安装和制造误差引起的俯仰驱动箱体的摆动，大小齿

轮及大齿轮和箱体间并没有发生冲击和碰撞，结构运行正常。

利用千分表测量连接梁上下和左右位移，结合测试探头到转轴的距离，计算得连接梁左

右偏摆角为0.783，上下偏摆角为1.642，均满足±2的技术要求。

◦◦◦

另外，采用压铅丝法测量了俯仰角15、30、60和80时齿轮的齿隙，测量结果显示最

◦◦◦◦

小齿隙为0.9mm，最大齿隙为1.2mm。由测量结果可知，大小齿轮不会发生干涉问题，当

齿隙为1.2mm时，引起的指向误差为0.3。

󰀁󰀁

356天文学进展34卷

图7齿轮径跳和端跳

4.2电流监测系统

2015年4月10日14:00—15:30，东北风、微风，温度10∼17C，天线方位155

◦◦

，俯仰以

0.05/s的速度由5

◦◦◦◦◦

旋转到88，然后再由88旋转到5。获得不同俯仰角下电机总电流，如

图8所示。由图8可知：俯仰由低仰角旋转到高仰角驱动电机的总电流小于由高仰角旋转到

低仰角的电流，符合天线俯仰头轻脚重的设计原则；且电流突变小于20A。人机界面显示的

4个电机的电流均小于68A。取最大总电流76A，由公式(1)—(3)计算接触应力为55MPa，

小于许用接触应力。因此，由电机电流突变、单电机最大电流及轮齿接触应力的数据判断，

大齿轮处于安全状态。

图8不同俯仰角下电机总电流

4.3温度监测系统

对2015年7月4日16:40—17:30一次扫描(俯仰的运动轨迹为由88旋转到12

◦◦

)的数

据进行分析。扫描过程中，观测室里显示器上实时显示各测点的温度。同时，该数据被记录

在存储器中，分析记录的4个轴承的温度随时间和俯仰角而变化，关系如图9所示。轴承温

度与参考温度接近，温差小于2

◦

C。由此可作为轴承正常工作的一个判据。

4.4声音识别系统

在观测过程中，观测室的音响实时播放俯仰驱动结构旋转过程中发出的声音，同时计算

机也对音频信息进行记录存储，目前观测过程中没有发现异响。

3期付丽，等：TM65m天线悬挂式俯仰驱动结构健康监测357

图9不同时刻、不同俯仰角下轴承温度

5结论

TM65m天线拥有较完整的大齿轮及俯仰驱动结构的健康监测系统。大小齿轮间的齿隙

为0.9∼1.2mm，不存在干涉，最大齿隙引起的指向误差为0.3。俯仰大齿轮存在制造误差

󰀁󰀁

(拼接误差)和安装误差(偏心误差)，悬挂式俯仰驱动结构中的水平和垂直关节轴承能够实时

适应和协调因俯仰大齿轮安装和制造误差引起的俯仰驱动箱体的摆动，且测量的连接梁的上

下和左右偏摆角分别为1.642和0.783，满足技术要求。俯仰由低仰角旋转到高仰角时的总

◦◦

电流为14∼37A，由高仰角旋转到低仰角时的总电流为−76∼−61A，符合天线俯仰头轻脚

重的设计原则。脉动风引起的电机电流突变小于20A。电机总电流最大值对应的轮齿接触

应力为55MPa，小于许用接触应力。温度和声音的监测结果也表明结构安全。因此，我们认

为大齿轮及俯仰驱动结构目前工作正常，处于安全状态，能够保证结构的稳定性和高指向精

度。未来进一步的工作是安装激光传感器实时监测俯仰大齿轮的径跳和端跳及连接梁的左右

和上下偏摆；另外，建立预警系统，实时预报4个系统的监测结果，超出预警值时发出预警

信号。

致谢

感谢中国科学上海天文台射电科学与技术研究室的观测工程师对本工作的支持，同时感

谢中国科学院南京天文光学技术研究所的顾伯忠研究员和李国平研究员提出的宝贵意见。

参考文献：

[1]SHENZQ.ATITC,2015:2

[2]McGHD.TDAProgressReport42-80,1984:146

[3]McGHD.TDAProgressReport42-81,1985:117

[4]范峰,金晓飞,王化杰,等.哈尔滨工业大学学报,2009,41(12):1

[5]王化杰.硕士论文.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008:2

358天文学进展34卷

[6]MenningerF.DeepSpaceNetworkProgressReport,1971,3:245

[7]ManciniD.SPIE-LargeGround-badTelescopes,2003:389

[8]RobertHH,FelixCMB,AswinPLJ,etal.SPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,

2006:627315

TheHealthMonitoringSystemofElevationDrive

SuspensionoftheTM65mAntenna

FULi,ZHANGYi-fan,GENGXu-guang,ZHANGYa-lin,

1,2,3444

SUNYun-xia,LINGQuan-bao,LIUQing-huiFANQing-yuan,

1111

2.(1.ShanghaiAstronomicalObrvatory,ChineAcademyofSciences,Shanghai200030,China;

YULin-feng,ZHAOJun-hong,SUNQing-yu,JIANGYong-bin,

1441

KeyLaboratoryofPlanetarySciences,ChineAcademyofSciences,Nanjing210008,China;3.Key

LaboratoryofRadioAstronomyScienceandTechnology,ChineAcademyofSciences,Nanjing210008,

China;4.The54thRearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Shijiazhuang

050081,China)

Abstract:Thestructuralform,characteristicsandforcedconditionsofantenna’ssuspended

elevationdriveareintroduced.Thestructurehealthmonitoringsystemswhichinclude

structuremeasuringsystem,currentmonitoringsystem,temperaturemonitoringsystem

andvoicerecognationsystemwereestablished.Thehealthanalysiswasperformedbadon

thesystems.Thegapsbetweenthebullgearandpinionwereobtainedbythestructure

measuringsystem,whichisfrom0.9to1.2mm.Accordingly,thepointingerroris0.3

arc-condinducedbythelargestgap.Theup-downandleft-rightpivotanglesare1.642

and0.783degreerespectively.Theyallsatisfythetechnicalrequirements.Additionally,the

resultsofcurrentmonitoringsystemshowthecurrentofmotorislessthan68Aandthejump

ofcurrentislessthan20Awhentheelevationrotatedfrom5to88degree.Simultaneously,

themonitoringresultsoftemperatureandvoicealsoshowthestructureissafety.Asaresult,

wethinkthebullgearandelevationdrivestructureworknormallyatprent.Thefurther

workisthatthelarnsorswillbeinstalledtoconstantlymonitorthevariationofbull

gearandconnectedbeam.Moreover,thewarmingsystemwillbeestablishedtoforecastthe

monitoringresultswhentheyexceedthewarminglimit.Theestablishedhealthmonitoring

systemofelevationdrivestructureoffersreferencesforthepropodlarge-scaleantenna.

Keywords:antenna;elevationdrivesystem;healthmonitoring;safeasssment