一種機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與分析

薛 珊，孫金煥，張 羽，賈 冰，呂瓊瑩

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

一種機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與分析

薛 珊，孫金煥，張 羽，賈 冰，呂瓊瑩

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

為了使得無人機(jī)載轉(zhuǎn)臺(tái)擁有更小的體積和質(zhì)量，提出了一種新型機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，該轉(zhuǎn)臺(tái)采用壓電裝置作為驅(qū)動(dòng)源，取代了傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，并且替換了傳統(tǒng)的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式而采用了結(jié)構(gòu)較為緊湊的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，從而達(dá)到了縮小轉(zhuǎn)臺(tái)體積，減少轉(zhuǎn)臺(tái)質(zhì)量的目的。轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸和俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)分別由一對(duì)驅(qū)動(dòng)足獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。將轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)字化模型導(dǎo)入到Adams中進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真，結(jié)果表明轉(zhuǎn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)多方位旋轉(zhuǎn)，符合預(yù)期。采用了Creo4.0軟件對(duì)球形轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了建模，在給模型賦完材料后顯示，該球形轉(zhuǎn)臺(tái)與擁有相同驅(qū)動(dòng)力矩的電磁電機(jī)相比，質(zhì)量減小了48%，體積減小了將近29%。將球形轉(zhuǎn)臺(tái)的有限元模型簡化并導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果顯示該球形轉(zhuǎn)臺(tái)的前六階固有頻率在1kHz到10kHz之間，而工況中干擾頻率在100Hz以下，因此不會(huì)產(chǎn)生共振情況，而且各振型中最大形變量符合國家標(biāo)準(zhǔn)，保證了該轉(zhuǎn)臺(tái)的剛度。該球形轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)對(duì)同類轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

球形轉(zhuǎn)臺(tái)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；多體動(dòng)力學(xué)分析；模態(tài)分析

0 引言

轉(zhuǎn)臺(tái)作為一種精度和分辨率都較高的設(shè)備，被廣泛應(yīng)用在個(gè)各種領(lǐng)域比如火炮系統(tǒng)中火控雷達(dá)[1]、無人機(jī)上的吊艙、還有各種仿真測試方面等等[2]。目前機(jī)載轉(zhuǎn)臺(tái)多為二軸串聯(lián)轉(zhuǎn)臺(tái)[3]，而隨著無人機(jī)微型化，機(jī)載轉(zhuǎn)臺(tái)的體積與質(zhì)量勢必需要壓縮，如何設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)使其在滿足功能的基礎(chǔ)上擁有更小的體積和質(zhì)量成為了近期的研究熱點(diǎn)。因此本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)，該轉(zhuǎn)臺(tái)采用壓電裝置作為驅(qū)動(dòng)源，而壓電驅(qū)動(dòng)擁有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，精度高等特點(diǎn)[4～6]，并且該轉(zhuǎn)臺(tái)替換了傳統(tǒng)的二軸串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，采用了并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式，最終使球形轉(zhuǎn)臺(tái)在能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)功能的基礎(chǔ)上擁有更小的體積與質(zhì)量。

1 機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)各方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此選擇了并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，由兩對(duì)驅(qū)動(dòng)足分別負(fù)責(zé)方位和俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)的機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)主要包括并聯(lián)驅(qū)動(dòng)部分、負(fù)載部分和底座等。由于采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，不再需要軸承和編碼器，因此結(jié)構(gòu)相對(duì)串聯(lián)結(jié)構(gòu)簡單很多。采用Creo4.0軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化建模，轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖

為了后續(xù)分析，首先需將光學(xué)元件模型簡化，簡化后模型及元件分布如圖2所示。

圖2 機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

白色的標(biāo)號(hào)為1壓電片，標(biāo)號(hào)為2的是驅(qū)動(dòng)足，每個(gè)驅(qū)動(dòng)足都貼有16片壓電片，是該機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)來源，依靠壓電材料的逆壓電效應(yīng)來產(chǎn)生高頻振動(dòng)從而使驅(qū)動(dòng)足能夠驅(qū)動(dòng)中間標(biāo)號(hào)為3的球外殼，其中上下一對(duì)驅(qū)動(dòng)足負(fù)責(zé)球殼的俯仰運(yùn)動(dòng)，而左右一對(duì)則負(fù)責(zé)球殼的方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)多方位轉(zhuǎn)動(dòng)。標(biāo)號(hào)4、5、6為光學(xué)設(shè)備，7為光學(xué)設(shè)備固定架，8為光學(xué)設(shè)備固定架和球殼的連接架，9為球殼與底座的連接固定件，類似一個(gè)球鉸限制了球殼3個(gè)自由度，最后10為底座，作為機(jī)架連接件。

2 機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)Adams多體動(dòng)力學(xué)仿真

運(yùn)用Adams對(duì)已建立的機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)模型進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真分析，模擬機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)在旋轉(zhuǎn)過程中的運(yùn)動(dòng)特性，驗(yàn)證其是否滿足功能要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。

首先將簡化模型導(dǎo)入到Adams中，由于運(yùn)動(dòng)部位是個(gè)回轉(zhuǎn)體，在回轉(zhuǎn)過程中變化不明顯，無法感知它是否按照要求運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)入后，在不影響后續(xù)分析的前提下，對(duì)球做了標(biāo)記，即在球面上標(biāo)記了一個(gè)面，如此就能在轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)清晰的觀察到球體的運(yùn)動(dòng)軌跡。其后對(duì)各個(gè)部件添加約束。在施加驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于方位方向和俯仰方向的驅(qū)動(dòng)原理一樣，因此選擇了方位方向的驅(qū)動(dòng)做仿真展示。具體運(yùn)動(dòng)過程如圖3(a)～圖3(d)所示。

如圖3所示，該球形轉(zhuǎn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)方位軸方向的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

其中取出了一對(duì)驅(qū)動(dòng)足中的一個(gè)，在驅(qū)動(dòng)足尖端與被驅(qū)動(dòng)的球殼間的接觸點(diǎn)的力進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周仿真運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖

圖4 驅(qū)動(dòng)足與被驅(qū)動(dòng)面之間的接觸力

如圖4所示，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，其所受的徑向力為一個(gè)成周期變化的力，其大小關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱，做的總功為0，對(duì)驅(qū)動(dòng)不做貢獻(xiàn)；其所受的周向力也是成三角函數(shù)變化，落后徑向力一定相位，只是它的變化原點(diǎn)和x軸不重合，不過最小值剛好在x軸上，至于負(fù)值只是表示相反方向，該力一直做功，對(duì)驅(qū)動(dòng)起主要貢獻(xiàn)；垂直于運(yùn)動(dòng)方向不產(chǎn)生力。結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)中受力符合預(yù)期。

同理，俯仰軸方向也能實(shí)現(xiàn)周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。綜上所述，該轉(zhuǎn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)方位和俯仰方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的功能要求。

3 機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)的模態(tài)分析

3.1 模型的材料選擇

首先將簡化模型保存成x_t格式，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，然后給各個(gè)構(gòu)件賦材料，圖2中標(biāo)號(hào)1賦壓電材料，由于ANSYS 15.0的Workbench中默認(rèn)沒有壓電材料，所以需要自己新建材料，然后再賦給構(gòu)件，標(biāo)號(hào)的采用AI2014，標(biāo)號(hào)3、7、8、9、10賦的是45號(hào)鋼，其余賦的也是自定義的塑料材料，其中各材料的參數(shù)如表1所示。賦完所有材料后Creo4.0就能顯示其質(zhì)量、體積參數(shù)，該轉(zhuǎn)臺(tái)體積尺寸達(dá)Φ64×46mm3，總質(zhì)量只有0.248kg，與現(xiàn)有大型吊艙小了差不多一個(gè)數(shù)量級(jí)，與擁有相同力矩的由電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的典型轉(zhuǎn)臺(tái)MicroBAT275相比，質(zhì)量輕了48%，體積小了29%。

表1 各材料主要參數(shù)表

3.2 網(wǎng)格劃分

完成材料給定后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量好壞直接影響到后面模態(tài)分析，理論上網(wǎng)格越小越好，但是網(wǎng)格一旦太小，對(duì)計(jì)算量是一個(gè)很大負(fù)擔(dān)，計(jì)算量大了以后一方面分析將需要很多的時(shí)間用來分析，有時(shí)當(dāng)分析元件體積過大，而網(wǎng)格過小，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)內(nèi)存溢出，分析失敗，所以在這網(wǎng)格質(zhì)量與網(wǎng)格大小之間應(yīng)取一個(gè)最優(yōu)方案。

畸變度和網(wǎng)格質(zhì)量作為評(píng)判網(wǎng)格質(zhì)量重要的參數(shù)[7]，是網(wǎng)格劃分后必考慮的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，畸變度的值越接近于0越好，網(wǎng)格質(zhì)量的值越接近于1越好。該模型先采用了最簡單的自動(dòng)網(wǎng)格劃分后，畸變度的值為0.63，網(wǎng)格質(zhì)量的值為0.46。

圖5 自動(dòng)網(wǎng)格劃分圖

然后對(duì)網(wǎng)格劃分進(jìn)行特殊方法設(shè)置，在有孔處進(jìn)行了細(xì)化處理，有些比較規(guī)則的則進(jìn)行了掃略處理，更多的是根據(jù)不同尺寸的元件進(jìn)行了尺寸控制，改進(jìn)后的網(wǎng)格劃分模型如圖7所示。網(wǎng)格的畸變度的值達(dá)到了0.28，比自動(dòng)劃分的網(wǎng)格提高了25%。網(wǎng)格質(zhì)量的值達(dá)到了0.79，質(zhì)量提高了39%。

圖6 加入特殊控制方法后的網(wǎng)格劃分圖

3.3 機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)的模態(tài)分析

固有頻率作為一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的本征頻率，即只要一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定了，那么它的固有頻率也就確定了。當(dāng)外界刺激頻率達(dá)到機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)會(huì)發(fā)生共振，而共振對(duì)于一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)而言那是致命的，將會(huì)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生極大程度的破壞[8]。因此在一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成以后，需要對(duì)其固有頻率進(jìn)行檢測，而此處進(jìn)行的模態(tài)分析就是為了找出系統(tǒng)的固有頻率及其對(duì)應(yīng)的振型。在設(shè)置完約束之后，進(jìn)行了機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)的前6階模態(tài)分析，得出了前6階的固有頻率如圖8所示。其中一階和二階模態(tài)對(duì)應(yīng)的振型如圖9(a)和9(b)所示。

圖7 機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)前6階固有頻率圖

如圖8所示，機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)的固有頻率都在1kHz以上，10kHz以下，而機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)的工況的干擾頻率一般都在100Hz以下，壓電材料在工作時(shí)其驅(qū)動(dòng)的頻率則一般在80kHz左右，所以這三者之間不會(huì)相互干擾或者產(chǎn)生共振。由圖9可知前二階振型的最大形變量都符合國家標(biāo)準(zhǔn)，因此可以保證轉(zhuǎn)臺(tái)的剛度。

4 結(jié)論

1）運(yùn)用壓電并聯(lián)驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串聯(lián)電磁驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行了新型的機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用Creo4.0對(duì)其進(jìn)行了數(shù)字化建模，在介紹了其結(jié)構(gòu)組成后，講述了其運(yùn)動(dòng)機(jī)理，從理論上確定了轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)作的可行性。

2）將轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)字化模型簡化并導(dǎo)入Adams中進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了模型可行性，同時(shí)還檢測了關(guān)鍵部位受力，符合預(yù)期。

3）對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的有限元模型進(jìn)行必要的簡化，將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行了模態(tài)分析，得出了機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)前六階的固有頻率和前二階振型圖，結(jié)果表明機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)在工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振，并且其剛度符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 機(jī)載球形轉(zhuǎn)臺(tái)前二階振型圖

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Design and analysis of an airborne spherical turntable

XUE Shan, SUN Jin-huan, ZHANG Yu, JIA Bing, LYU Qiong-ying

TH12

：A

1009-0134(2017)06-0112-04

2017-03-21

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20160204015G X）

薛珊（1978 -），女，黑龍江人，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析研究。