某光電綜合標(biāo)校轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

郭 軍，姚永慶

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所， 河南 鄭州 450047)

某光電綜合標(biāo)校轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

郭 軍，姚永慶

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所， 河南 鄭州 450047)

隨著多光譜共光路光電探測(cè)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，急需適用于多光譜、共光路光電探測(cè)系統(tǒng)的光軸平行性測(cè)量、標(biāo)校用的標(biāo)校設(shè)備，而標(biāo)校轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是標(biāo)校設(shè)備設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn), 它對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高的要求。文中介紹了某光電綜合標(biāo)校轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，從轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)型式確定、軸系精度分析、主要元器件的選擇等方面進(jìn)行了論述，并利用ANSYS軟件對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了模態(tài)分析。最終產(chǎn)品的良好使用效果表明該轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是成功的，對(duì)同類型轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

轉(zhuǎn)臺(tái)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；軸系精度；電機(jī)；模態(tài)分析

引 言

隨著光電系統(tǒng)綜合技術(shù)的不斷發(fā)展，多光譜、共光路探測(cè)系統(tǒng)已成為現(xiàn)階段發(fā)展的必然趨勢(shì)。多光譜、共光路光電系統(tǒng)的光軸平行性問(wèn)題成為衡量系統(tǒng)性能的一個(gè)重要內(nèi)容，它直接影響到系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤，因此對(duì)多光路探測(cè)器光軸平行性的測(cè)量至關(guān)重要[1]。設(shè)計(jì)人員針對(duì)特定光電系統(tǒng)的光軸平行性測(cè)量、標(biāo)校需要，研制出了專用的標(biāo)校設(shè)備，滿足了使用要求[2]。但適用于多光譜、共光路光電系統(tǒng)的光軸平行性測(cè)量、標(biāo)校用的標(biāo)校設(shè)備并不多見(jiàn)。為了與光電系統(tǒng)綜合技術(shù)的發(fā)展要求相適應(yīng)，迫切需要研制適用于多光譜、共光路光電系統(tǒng)的光軸平行性測(cè)量、標(biāo)校用的標(biāo)校設(shè)備。

光電綜合標(biāo)校系統(tǒng)用于完成測(cè)試場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境下試驗(yàn)設(shè)備與承載跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)間或各設(shè)備間的光電軸平行性檢驗(yàn)，為試驗(yàn)中相關(guān)設(shè)備的檢測(cè)提供輻射源。光電綜合標(biāo)校轉(zhuǎn)臺(tái)是光電綜合標(biāo)校系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是驅(qū)動(dòng)多種標(biāo)體精確指向特定目標(biāo)。它是光電綜合標(biāo)校系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高的要求。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)型式

光電綜合標(biāo)校轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要有兩方面：一是精度要求高，要求轉(zhuǎn)臺(tái)能準(zhǔn)確引導(dǎo)標(biāo)體指向特定目標(biāo)；二是標(biāo)體種類繁多，各標(biāo)體形狀、大小、重量、安裝要求各異, 給轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)型式的確定以及各標(biāo)體在轉(zhuǎn)臺(tái)上的安裝布局增加了難度。

綜合考慮各方面要求，轉(zhuǎn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)型式采用俯仰-方位型中的轉(zhuǎn)臺(tái)式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)型式是采用能夠同時(shí)承受軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩的大型滾動(dòng)軸承組成的轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)支撐標(biāo)體和方位轉(zhuǎn)動(dòng)部分，軸承中間有較大的空間來(lái)安裝電機(jī)、編碼器等機(jī)電器件。這種型式轉(zhuǎn)臺(tái)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，特別是高度方向尺寸小，承載能力大，剛度好，精度高。高度方向尺寸小，也就降低了轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重心，增加了結(jié)構(gòu)總體的穩(wěn)定性。

各種標(biāo)體在轉(zhuǎn)臺(tái)上的布局，也是轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容?？紤]到紅外有源標(biāo)體積及重量較大，將它布置在俯仰兩支臂中間。紅外有源標(biāo)兩端伸出俯仰軸，俯仰軸左右兩端引出安裝面，分別安裝電視有源標(biāo)、電視跟蹤儀、激光無(wú)源標(biāo)、激光有源標(biāo)和激光探測(cè)裝置。雷達(dá)無(wú)源標(biāo)布置在紅外有源標(biāo)上部，可 通過(guò)導(dǎo)軌快速定位聯(lián)接，滿足經(jīng)常拆裝要求。對(duì)各種標(biāo)體的合理布局使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及所受風(fēng)力矩較小，減小了平衡配重，從而減小了轉(zhuǎn)臺(tái)的體積和重量。圖1為總體結(jié)構(gòu)型式示意圖，圖2為轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 總體結(jié)構(gòu)型式示意圖

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.2 軸系精度設(shè)計(jì)

俯仰軸與方位軸的不垂直誤差主要是由俯仰軸左、右軸承中心與方位旋轉(zhuǎn)平面不等高、俯仰軸承的跳動(dòng)等因素造成的。在設(shè)計(jì)中通過(guò)適當(dāng)提高零件加工精度、選用較高精度軸承等方法來(lái)減小此項(xiàng)誤差。方位軸的不垂直誤差主要是由水平調(diào)整誤差、方位滾動(dòng)軸承的跳動(dòng)誤差等因素造成的。在設(shè)計(jì)中通過(guò)選用較高精度的水平測(cè)量器件、提高結(jié)構(gòu)剛度、提高調(diào)整裝置的靈敏度、選用較高精度的軸承等方法來(lái)減小此項(xiàng)誤差。光電軸與俯仰軸的不垂直誤差主要是由各標(biāo)體安裝面和各標(biāo)體的光電軸線不平行造成的。在設(shè)計(jì)中通過(guò)適當(dāng)提高零件的加工精度、在調(diào)整環(huán)節(jié)仔細(xì)調(diào)節(jié)等措施來(lái)減小此項(xiàng)誤差[4]。

1.3 方位座設(shè)計(jì)

1.3.1 方位座結(jié)構(gòu)

如圖3所示，方位座主要由方位座體、方位大軸承、方位軸、方位電機(jī)、編碼器、密封圈、限位及鎖定裝置等組成。

圖3 方位座結(jié)構(gòu)圖

方位座體為回轉(zhuǎn)型箱式結(jié)構(gòu)，采用灰鑄鐵整體鑄造，它是方位軸承等部件的安裝基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。這種整體結(jié)構(gòu)型式的座體強(qiáng)度及剛度好，承載能力大。方位軸承采用單個(gè)四點(diǎn)接觸球軸承，這種軸承的滾動(dòng)體與軸承內(nèi)圈滾道和外圈滾道各有兩點(diǎn)接觸，它能同時(shí)承受軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩，可使軸向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊。同時(shí)，軸承中間有較大的空間來(lái)安裝方位軸、電機(jī)等機(jī)電器件。方位軸采用空心軸的形式，中間可穿線纜，且在同樣的重量下，空心軸的剛度比實(shí)心軸好。方位軸采用45號(hào)鋼加工，調(diào)質(zhì)處理后硬度為HB230～260。方位電機(jī)采用力矩電機(jī)，它直接驅(qū)動(dòng)方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式具有運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、振動(dòng)小、機(jī)械噪聲小、傳動(dòng)精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。方位座體上安裝有編碼器、電氣限位元件、機(jī)械限位裝置以及運(yùn)輸鎖定裝置，以保證方位轉(zhuǎn)動(dòng)角度滿足使用要求，并確保設(shè)備運(yùn)輸安全。

1.3.2 電機(jī)選取

電機(jī)必須能夠提供負(fù)載所需要的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。方位電機(jī)需要克服的力矩主要有風(fēng)力矩、摩擦力矩、慣性力矩等。電機(jī)需要傳遞的轉(zhuǎn)矩M1應(yīng)大于這3個(gè)分量的代數(shù)和，并保證有足夠的安全系數(shù)。

(1)風(fēng)力矩

風(fēng)載荷作用于方位轉(zhuǎn)動(dòng)部分各部件的風(fēng)力FA為

FA=CAqA

(1)

若各部件所受風(fēng)力中心距離方位軸的距離為D，則風(fēng)載荷作用于各部件的風(fēng)力矩MA為

MA=FAD

(2)

作用于方位轉(zhuǎn)動(dòng)部分的總風(fēng)力矩為作用于各部件風(fēng)力矩的代數(shù)和。

(2)摩擦力矩

方位軸旋轉(zhuǎn)時(shí)存在的摩擦力矩主要有軸承帶來(lái)的摩擦力矩和動(dòng)密封帶來(lái)的摩擦力矩。軸承帶來(lái)的摩擦力矩MZ[5]為

(3)

式中：f為摩擦系數(shù)；F1為軸承所受之外載荷；d1為軸承內(nèi)徑。

動(dòng)密封帶來(lái)的摩擦力矩M2的計(jì)算公式[5]為

(4)

式中：d2為軸徑；F2為軸圓周方向上單位長(zhǎng)度的摩擦力，估算時(shí)近似取40 N/m。

方位軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力矩MM為上述2項(xiàng)摩擦力矩的代數(shù)和。

(3)慣性力矩

作用于方位軸上的慣性力矩Mg為

Mg=Jε

(5)

式中：J為繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ε為方位軸最大角加速度。

經(jīng)計(jì)算，作用于方位軸總的力矩M3為

(6)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮電氣控制等要求，選用J320LYX06型力矩電機(jī)，其主要參數(shù)為連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：70N·m；峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：118N·m；電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.15kg·m2；外形尺寸：Ф320mm×Φ225mm× 90mm。

1.4 俯仰座設(shè)計(jì)

1.4.1 俯仰座結(jié)構(gòu)

如圖4所示，俯仰座主要由俯仰座體、軸承、俯仰軸、俯仰電機(jī)、編碼器、密封圈、限位及鎖定裝置等組成。

圖4 俯仰座結(jié)構(gòu)圖

俯仰座體為空腔型箱式結(jié)構(gòu)，包括左右支臂和下箱體。它是軸承等部件的安裝基礎(chǔ)，內(nèi)部空腔走線纜。俯仰軸承共1對(duì)，采用深溝球軸承，其旋轉(zhuǎn)精度高，價(jià)格較低，利于采購(gòu)和降低生產(chǎn)成本。俯仰軸分為左半軸和右半軸，分別裝在紅外有源標(biāo)的左右側(cè)，與紅外有源標(biāo)形成一個(gè)整體。俯仰電機(jī)同樣采用力矩電機(jī)，裝在俯仰座右支臂內(nèi)，直接驅(qū)動(dòng)俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)。編碼器安裝在左支臂內(nèi)。俯仰座體上安裝有水平測(cè)量器件、電氣限位元件、機(jī)械限位裝置以及運(yùn)輸鎖定裝置，以保證俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)角度滿足使用要求，并確保設(shè)備運(yùn)輸安全。

1.4.2 電機(jī)選取

俯仰電機(jī)需要克服的力矩主要有風(fēng)力矩、摩擦力矩、慣性力矩和不平衡力矩等。它比方位部分多一項(xiàng)不平衡力矩。電機(jī)需要傳遞的轉(zhuǎn)矩M4應(yīng)大于這4個(gè)分量的代數(shù)和，并保證有足夠的安全系數(shù)。其中，風(fēng)力矩、摩擦力矩、慣性力矩的計(jì)算方法同方位部分類似。

作用于俯仰軸上的不平衡力矩Mb為

Mb=Gd3

(7)

式中：G為繞俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量；d3為重心偏離俯仰軸的距離。

可通過(guò)各標(biāo)體在俯仰軸上的合理布局及采用適當(dāng)配重等措施，減小不平衡力矩?cái)?shù)值。經(jīng)計(jì)算，作用于俯仰軸總的力矩M5為

(8)

由于作用于俯仰軸、方位軸的負(fù)載力矩?cái)?shù)據(jù)接近，俯仰電機(jī)與方位電機(jī)選用同種型號(hào)，這樣做的好處是便于器件的選用及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 模態(tài)分析

2.1 分析概述

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，用于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定結(jié)構(gòu)對(duì)各種動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況，所以在準(zhǔn)備進(jìn)行其他動(dòng)力分析之前首先要進(jìn)行模態(tài)分析。在轉(zhuǎn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)階段,對(duì)其進(jìn)行有限元技術(shù)的模態(tài)分析,從而獲得較準(zhǔn)確的模態(tài)參數(shù),是對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析的基礎(chǔ),也是從結(jié)構(gòu)上保證某些電性能的基礎(chǔ)。

2.2 建模

盡管ANSYS的建模技術(shù)日益強(qiáng)大，但是和專業(yè)的三維建模軟件Pro/E相比，其效率還是相差很多，而且?guī)缀跛械膸缀文Ｐ投际窃赑ro/E中繪制的，因此，直接把Pro/E中的幾何模型導(dǎo)入ANSYS中將大大提高建模效率。把Pro/E中的幾何模型導(dǎo)入ANSYS中需要對(duì)幾何模型做一些簡(jiǎn)化和修改，主要是去掉對(duì)模型分析結(jié)果影響不大的細(xì)節(jié)，例如螺釘、墊片等小零件以及螺紋孔、倒角等特征。

2.3 加載和求解

由于導(dǎo)入的模型是裝配體，因此相互接觸的零件之間要定義接觸類型，如果沒(méi)有特殊要求，可以接受ANSYS默認(rèn)定義的接觸類型。對(duì)每個(gè)零件分配預(yù)先定義好的材料，該模型的主要材料有鋁合金、鑄鐵、合金鋼等。

模態(tài)分析中唯一的加載條件就是零位移約束。在此根據(jù)設(shè)備的實(shí)際使用狀況，把轉(zhuǎn)臺(tái)下底面作為固定約束。模態(tài)分析提取了前六階的固有頻率和振型，分析結(jié)果如表1和圖5所示。

表1 前六階固有頻率

圖5 前六階模態(tài)振型圖

從分析結(jié)果可以看出，模型一階固有頻率為24.48Hz，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3 產(chǎn)品實(shí)物

按照以上思路進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)良好的機(jī)械加工及仔細(xì)裝調(diào)，最終生產(chǎn)出的產(chǎn)品實(shí)物如圖6所示。產(chǎn)品總重量為520kg(轉(zhuǎn)臺(tái)自重340kg), 外形尺寸為寬2.3m，深0.7m，高2m(轉(zhuǎn)臺(tái)自高1.2m)。經(jīng)過(guò)檢測(cè)及實(shí)際使用，產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，取得了良好的使用效果。

圖6 產(chǎn)品實(shí)物

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)光電綜合標(biāo)校系統(tǒng)的檢測(cè)及在測(cè)試場(chǎng)對(duì)多個(gè)光電裝備的成功標(biāo)校應(yīng)用表明，光電綜合標(biāo)校轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是成功的，也說(shuō)明將多種不同類型標(biāo)體裝載于同一轉(zhuǎn)臺(tái)是可行的。這對(duì)同類型轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。與專用標(biāo)校轉(zhuǎn)臺(tái)相比，該標(biāo)校轉(zhuǎn)臺(tái)使用范圍廣，經(jīng)濟(jì)性好，非常適合在光電裝備測(cè)試場(chǎng)使用。對(duì)于這種安裝多種不同類型標(biāo)體的綜合標(biāo)校轉(zhuǎn)臺(tái)，很有必要在多種標(biāo)體與轉(zhuǎn)臺(tái)的一體化設(shè)計(jì)、各標(biāo)體間電磁兼容性設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行更深入的研究。

[1] 李世賢，鄭樂(lè)年. 光學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，1990.

[2] 鄧安. 雷達(dá)電視監(jiān)控CCD攝像系統(tǒng)與天線座系統(tǒng)光電標(biāo)校合成[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)，2003，32(2)：49-52.

[3] 吳鳳高. 天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[4] 張潤(rùn)逵，戚仁欣，張樹雄,等. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝(上冊(cè))[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[5] 王生洪，龔振邦，王世萍. 電子設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

郭 軍(1971-)，男，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

Structure Design of a Photoelectric Comprehensive Calibration Rotating Pedestal

GUO Jun，YAO Yong-qing

(The27thResearchInstituteofCETC，Zhengzhou450047,China)

With the rapid development of photoelectric detection system with multispectral light path, the calibration equipment used for optical axis parallelism measurement and calibration of multispectral light path photoelectric detection system is required. The structure design of the calibration rotating pedestal is the key and difficult point for calibration equipment design and it puts forward higher requirements for the structure design of rotating pedestal. In this paper the structure design process of a photoelectric comprehensive calibration rotating pedestal is discussed from the rotating pedestal structure type recognition, shafting precision analysis and major component selection etc. And model analysis of the rotating pedestal is carried out using ANSYS software. Good application of the final product shows that the structure design of the rotating pedestal is successful and it can be used as a reference for the structure design of similar rotating pedestal.

rotating pedestal；structure design；shafting precision；motor；mode analysis

2013-07-04

TP271+.2

A

1008-5300(2013)05-0021-04