基于鋼索傳動的位標(biāo)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

張曉帆　宋春雨　徐方舟

摘 要：針對有限結(jié)構(gòu)尺寸下設(shè)計大通光口徑位標(biāo)器的難點，提出了鋼索聯(lián)動的傳動形式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機直驅(qū)。此結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)軸位置布置鋼索輪傳遞動力，可有效減小徑向空間的占用，有利于大口徑光學(xué)設(shè)備的布局，提高位標(biāo)器的整體性能。

關(guān)鍵詞：鋼索；傳動；位標(biāo)器；大通光口徑

引言

導(dǎo)引頭是按照導(dǎo)引規(guī)律使導(dǎo)彈彈軸或速度向量相對于目標(biāo)瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定，并向?qū)棃?zhí)行機構(gòu)輸出控制信號的裝置，是自動尋的導(dǎo)彈的重要組成部分，并安裝于導(dǎo)彈頭部。按獲取目標(biāo)輻射或反射能量的不同可分為電視、雷達、毫米波、紅外、紅外成像、雙色紅外及激光等導(dǎo)引頭。導(dǎo)引頭通常由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制盤、探測器、動力隨動陀螺等組成。探測器可以是攝像管、光敏元件或紅外焦平面陣列器件等。工作時導(dǎo)引頭先在較大空間角范圍內(nèi)搜索目標(biāo)，一旦搜索到目標(biāo)立即進入鎖定狀態(tài)，表明導(dǎo)引頭已捕獲到目標(biāo)；此后導(dǎo)引頭將按導(dǎo)引規(guī)律自動跟蹤目標(biāo)，并不斷發(fā)出控制信號給導(dǎo)彈執(zhí)行機構(gòu)以改變導(dǎo)彈姿態(tài)，保證彈軸或速度向量相對于目標(biāo)瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定[1]。導(dǎo)引頭系統(tǒng)能夠搜索、跟蹤目標(biāo)，并將導(dǎo)彈準(zhǔn)確導(dǎo)引到目標(biāo)區(qū)以攻擊目標(biāo)，是導(dǎo)彈精確制導(dǎo)的主要保障之一[2，3]。

位標(biāo)器是導(dǎo)引頭系統(tǒng)的重要組成部分，相當(dāng)于人的眼睛，用來完成對目標(biāo)的自主跟蹤，并向?qū)棃?zhí)行機構(gòu)輸出控制信號，把導(dǎo)彈準(zhǔn)確導(dǎo)引到目標(biāo)區(qū)以攻擊目標(biāo)[4]。成像導(dǎo)引頭位標(biāo)器一般采用兩框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)框和外框二者組合聯(lián)動實現(xiàn)成像系統(tǒng)相對彈體的角度偏移，以便搜索和跟蹤目標(biāo)。位標(biāo)器是導(dǎo)引頭的核心組件，其設(shè)計制造水平?jīng)Q定了導(dǎo)引頭的探測能力、視線穩(wěn)定度和跟蹤精度[5]。由于位標(biāo)器的光學(xué)系統(tǒng)位于導(dǎo)彈的頭部，其特殊的安裝位置決定了位標(biāo)器光學(xué)系統(tǒng)需要具有極其緊湊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過口徑大小直接影響著導(dǎo)引頭的視場和成像的清晰度，因此在有限的結(jié)構(gòu)尺寸下實現(xiàn)高性能的光學(xué)系統(tǒng)成為位標(biāo)器的設(shè)計難點。

傳統(tǒng)位標(biāo)器中大都使用電機直驅(qū)式結(jié)構(gòu)方案，這種結(jié)構(gòu)形式中電機直接作用于轉(zhuǎn)軸處，優(yōu)點在于傳動環(huán)節(jié)少，系統(tǒng)響應(yīng)快，控制簡單；但是電機裝在框架上占用很大的徑向空間而且其質(zhì)量成為負載的一部分，增加了框架的轉(zhuǎn)動慣量，且導(dǎo)致框架質(zhì)心偏離彈軸，影響系統(tǒng)綜合性能。本文提出了基于鋼索傳動的位標(biāo)器結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)有限空間內(nèi)任務(wù)光學(xué)設(shè)備口徑的最大化。

1 電機直驅(qū)式位標(biāo)器結(jié)構(gòu)原理

目前常用的成像位標(biāo)器穩(wěn)定平臺多采用俯仰和方位二自由度框架結(jié)構(gòu)，簡單緊湊，兩通道相互獨立、耦合少[6，7]。如圖1所示。位標(biāo)器的光學(xué)設(shè)備的通光口徑和動態(tài)響應(yīng)性能是導(dǎo)引頭兩個比較重要的指標(biāo)，其中通光口徑主要由光學(xué)設(shè)備徑向尺寸決定，位標(biāo)器動態(tài)響應(yīng)性能主要由電機扭矩、轉(zhuǎn)速和負載的轉(zhuǎn)動慣量等因素決定。

電機直驅(qū)式布局形式如圖2所示，電機直接作用于轉(zhuǎn)軸處，與光學(xué)設(shè)備布置在同一徑向平面內(nèi)[8]，使得光學(xué)性能和響應(yīng)性能成為一對矛盾。在保證光學(xué)設(shè)備口徑的情況下，對電機要求較高，需要體積小、重量輕且輸出扭矩大。為減小電纜帶來的干擾力矩，通常電機軸需做成中空，預(yù)留電纜通道，給電機設(shè)計帶來很多約束。

為留有外框架驅(qū)動電機安裝位置，外框架無法充分利用導(dǎo)引頭整流罩內(nèi)空間，內(nèi)框架和光學(xué)設(shè)備尺寸相應(yīng)的受到影響，內(nèi)框架驅(qū)動電機安裝在框架的一側(cè)，如圖2所示，通常另一側(cè)安裝編碼器用以反饋框架的位置和速度等信息，兩側(cè)安裝設(shè)備質(zhì)量特性不同，會導(dǎo)致內(nèi)外框架組合體質(zhì)心偏離軸線，從而影響動態(tài)響應(yīng)性能，需要進行配平。

2 鋼索傳動式位標(biāo)器結(jié)構(gòu)原理

電機提供動力的同時，本身重量成為負載而且占用空間，這是電機直驅(qū)布局存在的主要矛盾。解決這個矛盾的最直接的辦法是把電機和光學(xué)設(shè)備在軸向錯開布局，將動力傳遞到框架結(jié)構(gòu)上。

鋼索傳動布局形式，如圖3所示，與圖2對比可見，光學(xué)設(shè)備口徑可以在導(dǎo)引頭有限體積內(nèi)做到最大，并有充足空間可以增加電機體積和重量，提高電機輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，從而提高位標(biāo)器的動態(tài)響應(yīng)性能。

鋼索傳動方式具體如圖4所示，光學(xué)設(shè)備和內(nèi)框架固連，可相對外框架繞軸a轉(zhuǎn)動，外框架可繞軸b轉(zhuǎn)動。兩個電機分別帶動兩個纏繞鋼索的輪1和1，鋼索固定在兩輪的下端，鋼索向上經(jīng)過固定的軌道2和2（與外框架剛性連接）到達上方輪3和3處，兩條鋼索分別固定在輪3和3的上端，其中輪3和內(nèi)框剛性連接，輪3和內(nèi)框架可繞軸a相對轉(zhuǎn)動。

如圖4和圖5所示，當(dāng)輪1和1均等速順時針轉(zhuǎn)動，輪3兩端鋼索均等速收緊，輪3兩端鋼索同速松開，此時內(nèi)框架與外框架相對位置不動，兩者同時繞b軸相對位標(biāo)器逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)輪1順時針轉(zhuǎn)動輪1等速逆時針轉(zhuǎn)動時，輪3右側(cè)鋼索收緊左側(cè)鋼索等速放松，由于輪3與內(nèi)框架和光學(xué)設(shè)備固連，所以內(nèi)框架繞a軸順時針轉(zhuǎn)動，而外框架相對位標(biāo)器靜止。當(dāng)輪1和1不等速運動時，可以等效為輪1和1等速同向和等速逆向運動的疊加，就會產(chǎn)生兩軸的復(fù)合運動。

3 結(jié)束語

本文針對有限結(jié)構(gòu)尺寸下設(shè)計大通光口徑位標(biāo)器的難點，提出了鋼索傳動式兩框架結(jié)構(gòu)，其有效解決了電機和光學(xué)設(shè)備在徑向空間內(nèi)布局的沖突，可以實現(xiàn)在有限的空間里將光學(xué)口徑做到最大的同時，安裝大扭矩電機提高動態(tài)響應(yīng)性能，從而提升位標(biāo)器整體性。

參考文獻

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