基于導(dǎo)引頭測試的紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

任桃桃，邱亞峰，常金彪，吳文斌

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基于導(dǎo)引頭測試的紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

任桃桃1，邱亞峰1，常金彪2，吳文斌1

（1. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 航天晨光股份有限公司，江蘇 南京 211100）

為了測試紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭捕獲、跟蹤目標(biāo)的能力，設(shè)計(jì)了一套紅外熱源兩軸轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，對不同結(jié)構(gòu)的框架進(jìn)行了對比和選擇，利用pro/E軟件對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的俯仰機(jī)構(gòu)和方位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)進(jìn)行了動平衡分析計(jì)算，通過ANSYS Workbench軟件對方位支承架進(jìn)行了靜力學(xué)分析、保證強(qiáng)度要求，對紅外熱源轉(zhuǎn)臺整體進(jìn)行模態(tài)分析，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定不產(chǎn)生共振，通過兩種試驗(yàn)以及誤差分析驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)滿足參數(shù)要求。

導(dǎo)引頭測試；紅外熱源；兩軸轉(zhuǎn)臺；有限元分析；誤差分析

0 引言

紅外制導(dǎo)因精度高、隱蔽性好、抗干擾性能強(qiáng)，在空空導(dǎo)彈中應(yīng)用十分廣泛。利用目標(biāo)自身的紅外輻射能量引導(dǎo)導(dǎo)彈自動跟蹤，能否有效地?fù)糁心繕?biāo)，關(guān)鍵在于導(dǎo)引頭捕獲目標(biāo)信號的能力，因此導(dǎo)彈在制造完成投入使用前對導(dǎo)引頭的性能進(jìn)行綜合測試。本文根據(jù)紅外制導(dǎo)系統(tǒng)原理，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)建立了一臺紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，為導(dǎo)引頭測試提供模擬目標(biāo)源空中飛行的穩(wěn)定平臺，主要包括紅外目標(biāo)模擬系統(tǒng)和兩軸轉(zhuǎn)臺兩大部分。轉(zhuǎn)臺搭載紅外光學(xué)系統(tǒng)箱運(yùn)動，以滿足導(dǎo)引頭測試要求[1-2]，根據(jù)技術(shù)要求對紅外熱源兩軸轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中通過有限元分析保證了轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)方案

1.1 測試轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

①轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)負(fù)載大于15kg；②紅外目標(biāo)模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)動半徑不小于1m；③水平方向轉(zhuǎn)動范圍－30°～＋30°；④俯仰方向轉(zhuǎn)動范圍－30°～＋30°；⑤最大角速度為30°/s；⑥最小角速度為0.01°/s；⑦最大角加速度為100°/s2；⑧角速度精度為0.1%；⑨位置精度為±15′；⑩重復(fù)位置精度為±10′。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)指標(biāo)要求，制定了紅外熱源轉(zhuǎn)臺測試系統(tǒng)的方案，其工作原理如圖1所示，系統(tǒng)主要由紅外光學(xué)系統(tǒng)箱、兩軸轉(zhuǎn)臺、黑體輻射源控制器、工控機(jī)以及伺服電機(jī)控制器等組成。

圖1 紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)工作原理圖

紅外光學(xué)系統(tǒng)是為系統(tǒng)模擬目標(biāo)紅外輻射源的，兩軸轉(zhuǎn)臺功能是為紅外目標(biāo)源模擬系統(tǒng)提供運(yùn)動平臺，常用的兩軸轉(zhuǎn)臺框架結(jié)構(gòu)如圖2所示，有3類：U-O型，此種結(jié)構(gòu)框架剛度大、對稱性好，適合需求高速轉(zhuǎn)動的系統(tǒng)；U-U型，此種結(jié)構(gòu)框架剛度小、對稱性差，但包容性好，適合不規(guī)則系統(tǒng)、低速擺動；U-T型，此種結(jié)構(gòu)框架適合低速擺動[3]。U-O型兩軸轉(zhuǎn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)最為平穩(wěn)，但由于被測導(dǎo)引頭外形尺寸的限制，O型框的轉(zhuǎn)動會受到阻擋，經(jīng)過綜合研究使用U-U型結(jié)構(gòu)兩軸轉(zhuǎn)臺。

圖2 U-O型、U-U型、U-T型兩軸轉(zhuǎn)臺框架結(jié)構(gòu)示意圖

2 兩軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 俯仰機(jī)構(gòu)

如圖3所示為根據(jù)要求設(shè)計(jì)的俯仰機(jī)構(gòu)，最上端為紅外光學(xué)系統(tǒng)箱，它主要由黑體輻射源（型號：HFY-200C，工作溫度范圍為50～800℃）、衰減片、可調(diào)光闌、離軸鏡、反射鏡、鏡架、擋光板、箱體等組成；橫臂梁搭載著紅外目標(biāo)模擬系統(tǒng)箱，因此設(shè)計(jì)時要保證其有足夠的強(qiáng)度，兩條橫臂梁上軸孔采用一次裝夾加工，從而保證了同軸度誤差在0.02mm以內(nèi)。紅外目標(biāo)模擬系統(tǒng)箱焊接在兩橫臂梁頂端，在焊接處設(shè)計(jì)了限位塊，防止焊接過程中局部過熱造成過量變形，影響系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)精度。在支承板兩側(cè)加工出－30°～＋30°角度的圓弧槽，以限制俯仰機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動范圍，電機(jī)與俯仰機(jī)構(gòu)之間依次連接減速器、聯(lián)軸器、傳動軸，帶動俯仰機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動的軸的直徑[4]：

式中：為軸端直徑，mm；為安全系數(shù)，取值范圍為103～126，為保證傳動軸有足夠的強(qiáng)度，計(jì)算時取最大值126；為軸所傳遞的功率，kW；為軸的工作轉(zhuǎn)速，r/min。經(jīng)過計(jì)算得出軸最小直徑為42.35mm，實(shí)物樣機(jī)加工時取50mm。

2.2 方位機(jī)構(gòu)

如圖4所示為根據(jù)要求設(shè)計(jì)的方位機(jī)構(gòu)，其功能是帶動俯仰機(jī)構(gòu)在水平方向上－30°～＋30°角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，電機(jī)、減速器固定在方位支承架托架上，方位支承架安裝在轉(zhuǎn)盤上，為了防止減速器工作過程中發(fā)生振動，其固定架采用整體結(jié)構(gòu)，以增加剛度減少變形，考慮之后的布線，在轉(zhuǎn)臺底座筒上加工出圓孔，驅(qū)動方位機(jī)構(gòu)的傳動軸直徑大小根據(jù)式(1)計(jì)算，得出軸的最小直徑為54.28mm，實(shí)物樣機(jī)加工時取55mm；為了降低方位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)盤和底座筒之間的摩擦力，設(shè)計(jì)了如圖5所示的滾珠支承座結(jié)構(gòu)，這樣可以減小轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)工作時抖動現(xiàn)象的發(fā)生；轉(zhuǎn)盤位置限定塊用螺釘固定在底座筒的蓋板上，方位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動范圍利用在轉(zhuǎn)盤上加工出的對稱圓弧槽來限制。

1.滾動軸承 2.絕對式光電位置編碼器 3.紅外光學(xué)系統(tǒng)箱 4.黑體輻射源 5.黑體固定架 6.橫臂梁 7.傳動軸 8.兩級減速器 9.伺服電機(jī) 10.固定螺母 11.平衡配重塊

1.底座筒 2.肋板 3.絕對式光電位置編碼器 4.電機(jī)固定底座 5.減速器 6.伺服電機(jī) 7.轉(zhuǎn)盤 8.限位塊 9.支承球座 10.滾動軸承 11.減速器固定架 12.轉(zhuǎn)臺底板 13.傳動軸 14.方位支承架

圖5 滾珠支承座結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 動平衡計(jì)算

機(jī)構(gòu)如果不平衡，在工作過程中容易產(chǎn)生振動，因此必須對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)進(jìn)行動平衡處理，動平衡處理辦法有機(jī)構(gòu)平衡和質(zhì)量平衡，采用機(jī)構(gòu)平衡會使轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)變得復(fù)雜，因此采用質(zhì)量平衡[5]。俯仰機(jī)構(gòu)上紅外光學(xué)系統(tǒng)箱所在的一邊橫臂梁長度為1090mm，另一邊橫臂梁長度為290mm，根據(jù)不平衡合格量計(jì)算公式：

式中：b為不平衡合格量，kg；為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，kg，此處為58.4kg；為轉(zhuǎn)子的平衡精度等級，mm/s，此處平衡精度等級取G630；為校正半徑，mm；為工件的工作轉(zhuǎn)速，r/min，選擇最高轉(zhuǎn)速10r/min。

經(jīng)過計(jì)算得到俯仰機(jī)構(gòu)的不平衡合格量為32.15kg。因此需要進(jìn)行配平，根據(jù)力矩平衡計(jì)算得到配重塊質(zhì)量為220.67kg，配重塊材質(zhì)采用碳鋼，用螺母加以鎖緊在橫臂梁一端。方位機(jī)構(gòu)上伺服電機(jī)和減速器所在一邊支承架的長度為1150mm，另一邊支承架的長度為955mm，計(jì)算時選取同樣的平衡精度等級，得到方位機(jī)構(gòu)平衡配重塊質(zhì)量為75.35kg。

2.4 總體設(shè)計(jì)

裝配完成后的紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)整體如圖6所示。圖6(a)所示為用pro/E軟件設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)三維模型，圖6(b)所示為實(shí)際加工出的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)樣機(jī)。

3 紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)有限元分析

3.1 系統(tǒng)材料參數(shù)

利用ANSYS Workbench軟件來對紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析[6]，以確保滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，對轉(zhuǎn)臺仿真計(jì)算需要根據(jù)各部件材料參數(shù)進(jìn)行，紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)各部件材料參數(shù)明細(xì)如表1所示。

3.2 方位支承架靜力分析

方位支承架承載著俯仰機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，支承架的變形會影響到電機(jī)輸出軸與運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的同軸度，因此利用static structural工具箱對方位支承架進(jìn)行靜力分析，分析得到的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D7、圖8所示。

(a) (b)

表1 紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)材料參數(shù)明細(xì)表

圖7 應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖

Fig.7 Strain cloud chart and Stress cloud chart

圖8 改進(jìn)后的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖

從分析云圖上可以看出，托架發(fā)生了較大的形變，其最大形變量為3.62mm，發(fā)生形變的主要原因是托架上電機(jī)、減速機(jī)以及自重對托架產(chǎn)生的應(yīng)力大于其屈服強(qiáng)度。此變形已經(jīng)影響到轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的工作精度，因此對其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，加厚托架可以增加強(qiáng)度，但會使系統(tǒng)重量增加很多，因此考慮在電機(jī)托架下面裝上自適應(yīng)螺紋推桿，調(diào)節(jié)螺紋推桿使托架的支撐力增大，從圖8改進(jìn)后的應(yīng)變云圖上看，其托架的受力形變有所改善，最大形變?yōu)?.0017mm，在誤差范圍以內(nèi)，其實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 方位支承架改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.3 測試轉(zhuǎn)臺模態(tài)分析

電機(jī)的轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生振動，造成轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)在受迫振動的作用下產(chǎn)生共振，影響系統(tǒng)的精度與平穩(wěn)性，嚴(yán)重可能危及人身安全。因此必須紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)整體進(jìn)行模態(tài)分析，系統(tǒng)的振動方程為[7]：

式中：為質(zhì)量矩陣；為剛度矩陣；為阻尼矩陣；()為外力矢量。在無外力作用的情況下，()＝0，忽略阻尼的影響，即＝0，則可將振動方程簡化為：

紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)在確定激勵輸入下有確定的動態(tài)響應(yīng)輸出，它們之間的固有關(guān)系即頻率響應(yīng)為：

式中：D表示在點(diǎn)觀測和點(diǎn)的激勵下第1階有效柔度；表示模態(tài)阻尼比；表示第階固有頻率。

將pro/E建立的紅外熱源轉(zhuǎn)臺三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中，利用Modal工具箱對整個轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，為分析的方便，對模型進(jìn)行簡化，將伺服電機(jī)、減速機(jī)、黑體等簡化為同等質(zhì)量和體積的模塊，去除轉(zhuǎn)臺模型上對分析結(jié)果影響小的倒棱倒角，有相對運(yùn)動的轉(zhuǎn)盤和底座筒之間、俯仰機(jī)構(gòu)與方位機(jī)構(gòu)之間采用frictional約束，其余固連的零件之間采用bonded約束，然后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)表1將轉(zhuǎn)臺各材料特性參數(shù)輸入到軟件中，然后對轉(zhuǎn)臺模型進(jìn)行載荷約束，分析求解得到表2所示紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)1～5階的固有頻率，圖10所示為對應(yīng)的振型云圖，伺服電機(jī)為振動源，其控制系統(tǒng)帶寬約為3.5Hz，一階固有頻率是其3.4倍左右，因此不會發(fā)生共振，設(shè)計(jì)合理。

4 試驗(yàn)誤差分析

表2 測試轉(zhuǎn)臺1～5階固有頻率表

Fig.10 1-5 order mode shapes cloud chart

則角速度的均方根誤差為：

角速度精度為：

經(jīng)過計(jì)算，轉(zhuǎn)動角速度精度為0.07%，滿足轉(zhuǎn)動角速度精度為0.1%技術(shù)要求。

再進(jìn)行定位試驗(yàn)，即設(shè)置轉(zhuǎn)臺運(yùn)動到某一位置停住，在系統(tǒng)控制界面設(shè)置水平方向與俯仰方向的位置值，兩方向上設(shè)置范圍均為－30°～＋30°，設(shè)置好后將電機(jī)啟動；在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，控制界面會接收到轉(zhuǎn)臺實(shí)時的位置值，同時利用23面體角度標(biāo)準(zhǔn)量具和自準(zhǔn)平行光管進(jìn)行角度測量，角度真實(shí)值為，光管測量值，誤差：

D＝2p/23－＋,＝1,2,…,(9)

則位置誤差D＝max(－)，計(jì)算得到位置誤差為±12′，滿足技術(shù)指標(biāo)。

5 結(jié)論

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)了紅外熱源轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，首先對轉(zhuǎn)臺的框架類型進(jìn)行了方案選擇，利用pro/E軟件主要對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的俯仰機(jī)構(gòu)和方位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，為了使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在設(shè)計(jì)過程中對動平衡進(jìn)行了分析計(jì)算，為了保證紅外熱源測試轉(zhuǎn)臺的可靠性，將三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的托架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，對不滿足強(qiáng)度要求的地方進(jìn)行了改進(jìn)加固設(shè)計(jì)，對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)整體進(jìn)行了模態(tài)分析，確保了系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時穩(wěn)定不發(fā)生共振；通過勻速和定位兩種模式的試驗(yàn)以及誤差分析驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)符合技術(shù)要求，能夠滿足導(dǎo)引頭的測試要求，系統(tǒng)模擬了一定條件下導(dǎo)引頭的測環(huán)境，后續(xù)工作還需對將更多工作環(huán)境考慮進(jìn)去[10]。

[1] 趙育善, 吳斌. 導(dǎo)彈引論[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2000.

ZHAO Yushan, WU Bin.[M]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University press, 2000.

[2] 何友金, 張鵬, 彭軍, 等. 高速紅外空空導(dǎo)彈整流罩氣動加熱及應(yīng)力分析[J]. 紅外技術(shù), 2007, 29(7): 373-376.

HE You-jin, ZHANG Peng, PENG Jun, et al. Aerodynamic heating and stress analysis on dome of infrared high speed air to air missile[J]., 2007, 29(7): 373-376.

[3] 李強(qiáng). 三軸仿真轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)及動力學(xué)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2007.

LI Qiang. Design and dynamics study of three axis simulation turntable [D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2007.

[4] 成大先, 王德夫，姬奎生, 等. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

CHENG Daxian, WANG Defu, JI Kuisheng, et al.[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2010

[5] 夏松波, 劉永光. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械自動動平衡綜述[J]. 中國機(jī)械工程, 1999, 10(4): 458-460.

XIA Songbo, LIU Yongguang. Summary of automatic dynamic balancing of rotating machinery[J]., 1999, 10(4): 458-460.

[6] 江克斌, 屠義強(qiáng), 邵飛. 結(jié)構(gòu)分析有限元原理及ANSYS實(shí)現(xiàn)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2005.

JIANG Kebin, TU Yiqiang, SHAO Fei.[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2005.

[7] 劉濤, 邱亞峰. 火箭彈紅外成像導(dǎo)引頭位標(biāo)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性分析[J]. 紅外技術(shù), 2015, 37(7): 602-607.

LIU Tao, QIU Yafeng. Reliability analysis of rocket infrared imaging seeker coordinator’s mechanical structure[J]., 2015, 37(7): 602-607.

[8] Vi shnu Verma, AK Ghosh, HS Kushwaha. Temperature distribution and thermal stress analysis of ball tank subjected to solar radiation[J]., 2005, 127: 119-122.

[9] 曹成銘, 邱亞峰. 導(dǎo)彈紅外熱源測試掛架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[J]. 紅外技術(shù), 2015, 37(9): 719-723.

CAO Chengming, QIU Yafeng. Research and design of missile infrared heat source test hanging rack mechanism[J]., 2015, 37(9): 719-723.

[10] Kirk A Miller. Nona thermal potting of optics[C]//, 1999, 3786: 506-514.

Design and Analysis of Infrared Heat Source Turntable System Based on Seeker Test

REN Taotao1，QIU Yafeng1，CHANG Jinbiao2，WU Wenbin1

(1.,,210094,;2.,211100,)

In order to test the infrared guidance missile seeker’s ability to capture and track signals, an infrared heat source two-dimensional turntable system was designed；different frame structures were compared and selected；pitching andazimuth institutions were designed by Pro/E；the turntable system dynamic balance was analysed and calculated；and statics analysis was done by ANSYS software. To ensure the requirements of strength, vibration modal analysis was done to ensure the requirements of stable and no resonate. Through two kinds of model experiments and error analysis, the design of the turntable system is proved to meet the requirements of the parameters.

seeker test，infrared heat source，two dimensional turntable，finite element analysis，error analysis

TJ760.2

A

1001-8891(2017)03-0266-07

2016-05-11；

2016-06-23.

任桃桃（1990-），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。E-mail: jsrtt@qq.com。

邱亞峰（1966-），男，副教授，研究方向：光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。