車載高精度搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設計與分析*

□ 黃曉英 □ 梁文宏 □ 王洪喜

西安工業(yè)大學 機電工程學院 西安 710024

1 設計背景

隨著航空航天技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等的發(fā)展,無人機在航拍、救援、偵察等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。另一方面,無人機頻繁闖入禁飛空域,尤其是機場、軍事設施等重要區(qū)域,存在嚴重安全隱患,對社會造成了很大影響。對此,需要一種高精度便攜式平臺,具備反應迅速、輕量化、便于攜帶的特點,可以作為干擾槍、武器系統(tǒng)、光電系統(tǒng)等不同功能模塊的載具,具有良好的適應性,能夠有效解決大型會議、機場附近空域、禁飛區(qū)、軍事區(qū)域等的安保問題,甚至可以部署到一線作戰(zhàn)單位。

國內(nèi)外在小型多軸跟蹤轉(zhuǎn)臺方面已有一定研究。蔣曉剛等[1]設計了一種三軸慣導測試轉(zhuǎn)臺,結(jié)構(gòu)緊湊,通過分析轉(zhuǎn)臺的交叉耦合問題進行補償,從而提高轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。高國華等[2]采用俯仰方位型兩軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)形式,設計了一種伺服跟蹤轉(zhuǎn)臺,帶動光電設備跟蹤目標。Li Jie[3]優(yōu)化設計了一款高精密光電跟蹤轉(zhuǎn)臺,實現(xiàn)了高精度、高剛度和小體積。Liu Yongguang等[4]設計了一種大型目標跟蹤平臺,具有較大的承載能力。林心龍等[5]設計了一種精密跟蹤轉(zhuǎn)臺,通過軸系優(yōu)化實現(xiàn)了高精度。目前,轉(zhuǎn)臺產(chǎn)品雖然有很多,但是通常在功能上僅能實現(xiàn)單一搜索或跟蹤,無法實現(xiàn)搜跟一體,而且大多數(shù)轉(zhuǎn)臺無法兼具較高的承載能力和較輕的質(zhì)量。

筆者將雷達與打擊設備相結(jié)合,設計了一種車載便攜式高精度小目標搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺,屬于集搜索、跟蹤、打擊于一體的綜合系統(tǒng)。雷達設備通過360°無死角掃描功能,實現(xiàn)對機動目標的高精度平穩(wěn)跟蹤,為精確打擊目標奠定了基礎。打擊設備可以在瞄準目標的同時將其摧毀。質(zhì)量小于20 kg的輕量化設計,使轉(zhuǎn)臺能夠裝載在車上或單兵攜帶。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺打破了單一搜索跟蹤設備或單一打擊設備的局限,實現(xiàn)了多功能一體化設計。

2 技術(shù)指標

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設計直接影響雷達掃描機構(gòu)的跟蹤精度和打擊設備的準確性,因此要求搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺具有較大的結(jié)構(gòu)剛度和較高的測角精度,同時在各種載荷作用下,軸系精度和結(jié)構(gòu)尺寸都能夠保持穩(wěn)定。

通過對搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺特性和應用環(huán)境進行分析,要求搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺具有較高的動態(tài)跟蹤精度。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺主要技術(shù)指標見表1,質(zhì)量小于20 kg,外形尺寸為φ250 mm×800 mm。

表1 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺主要技術(shù)指標

3 機械結(jié)構(gòu)

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)形式采取雙方位俯仰型。從負荷、精度、轉(zhuǎn)動慣量等因素進行考慮,在提高響應速度、減小慣量的同時,要求保證兩個方位轉(zhuǎn)臺的剛度,因此選擇采用立式結(jié)構(gòu)。立式結(jié)構(gòu)與臥式結(jié)構(gòu)相比,具有較大的承載能力和較高的可靠性,而且能夠有效減小轉(zhuǎn)臺的質(zhì)量。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)緊湊,安裝方便,在某些零部件出現(xiàn)損壞時可以直接拆卸更換,而不用對整體結(jié)構(gòu)進行拆卸,減小了工作量,同時也避免了多次拆卸重裝導致的安裝誤差。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺簡化模型如圖1所示,結(jié)構(gòu)如圖2所示。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺主要實現(xiàn)兩個功能。搜索功能由底部方位軸系1完成,方位軸系1上安裝雷達。跟蹤功能由中間的方位軸系2和頂部的俯仰軸系完成,方位軸系2上安裝俯仰機構(gòu),俯仰軸系上安裝打擊設備,可以在瞄準的同時打擊摧毀目標。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的方位和俯仰運動相互配合,實現(xiàn)多目標的跟蹤打擊。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺由雙方位軸系、俯仰軸系、軸承、編碼器、電機、導電滑環(huán)等組成。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)方位和俯仰兩個方向的轉(zhuǎn)動。采用空心軸伺服電機直連驅(qū)動,不僅可以減小轉(zhuǎn)矩損耗,而且能夠有效節(jié)省空間,簡化結(jié)構(gòu)。采用高精度交叉圓柱滾子軸承,能夠同時承受軸向力和徑向力,提高了承載能力和穩(wěn)定性。

▲圖1 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺簡化模型

▲圖2 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)

測量系統(tǒng)主要包括角位置傳感器和導電滑環(huán)。角位置傳感器可以將轉(zhuǎn)臺位置和速度信號轉(zhuǎn)換為相應的電信號。采用非接觸式絕對值磁感式角度編碼器,可以在惡劣溫度和強振動環(huán)境中正常工作,測量精度達到0.005°。采用導電滑環(huán),可以實現(xiàn)方位轉(zhuǎn)臺的無限制連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺工作過程中,利用方位和俯仰的組合運動實現(xiàn)全方位掃描與跟蹤。方位轉(zhuǎn)臺1與方位轉(zhuǎn)臺2各自可以360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動,互不干涉。打擊設備在俯仰軸系的驅(qū)動下可以豎直方向-20°～ 90°、水平位置0°俯仰旋轉(zhuǎn)運動。各方面運動相互配合,即可實現(xiàn)全方位多目標無死角打擊。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺可以完成其它兩三個轉(zhuǎn)臺才能完成的角度覆蓋,大大提高了設備的用途廣泛性和經(jīng)濟性。

4 有限元靜力學仿真分析

為保證搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺具有良好的力學性能,采用有限元法建立搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺三維模型,對搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺進行力學特性仿真分析,得到搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)強度、剛度、固有頻率等特性,從而有利于對搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

建立搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的有限元模型。有限元模型的建立是仿真分析中極為重要的一步,因為有限元分析的對象不是真實的結(jié)構(gòu),而是理想化的模型,因此需要對原有幾何模型進行合理的簡化處理。在建模中,忽略螺釘、圓角、倒角等結(jié)構(gòu),并對電機、軸承等復雜零部件進行簡化處理。對模型進行簡化處理,既能使有限元分析保持一定的精度,又能提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量,加快計算速度。

在建立搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的有限元模型之前,需要對各零部件配置相應的材料屬性。將電機、軸承等復雜零部件等效為實體,根據(jù)體積和質(zhì)量設定密度,根據(jù)主要材料設定彈性模量和泊松比。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺各零部件的材料屬性見表2。

表2 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺零部件材料屬性

對簡化后的搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺有限元模型進行網(wǎng)格劃分。采用自動網(wǎng)格劃分方式,能夠?qū)崿F(xiàn)四面體與掃掠型網(wǎng)格劃分之間的自動切換。當幾何體不規(guī)則時,會自動生成四面體網(wǎng)格。當幾何體規(guī)則時,會自動生成六面體網(wǎng)格[6]。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺網(wǎng)格劃分有限元模型如圖3所示,轉(zhuǎn)臺螺紋連接處、轉(zhuǎn)臺臺面和底座等部分網(wǎng)格劃分較密,外殼體部分網(wǎng)格劃分較疏。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺模型共劃分398 431個節(jié)點,226 630個單元。

對搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的關鍵零部件,如立柱、俯仰軸、打擊設備安裝板等進行靜力學強度分析,以確保設備安全及各項技術(shù)指標正常。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的主要載荷來自于工作時的振動、風載,以及運輸過程中由于汽車加速、減速、剎車和路面顛簸等因素而產(chǎn)生的隨機振動。

對關鍵零部件俯仰軸進行材質(zhì)設定,選擇材料為45號鋼,施加載荷和約束,進行運動算例分析,得到最大應力為14.759 MPa,小于材料的許用扭轉(zhuǎn)切應力(25 MPa);得到最大變形為0.004 978 5 mm,小于材料的額定最大變形量(0.01 mm)?？梢?搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的強度和剛度均滿足設計要求。

▲圖3 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺網(wǎng)格劃分有限元模型

5 動力學仿真分析

5.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要研究系統(tǒng)在無阻尼狀態(tài)下自身的振動特性,主要表現(xiàn)為系統(tǒng)的固有頻率與振型[7]。為避免在外力作用下產(chǎn)生共振而損壞,對搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺進行模態(tài)分析,了解搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的動態(tài)特性,以避開共振區(qū)域[8]。模態(tài)分析是動力學分析的基礎,在搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設計初始階段進行必要的模態(tài)分析,可以作為設計的理論參考依據(jù),以保證搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺具有合理的結(jié)構(gòu)特性,滿足性能要求。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的動力學基本運動方程為:

={f(t)}

(1)

對搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺進行模態(tài)分析時,由于搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的固有特性與外界載荷無關,因此可以忽略外部載荷影響。在動力學運動方程基礎上,去掉阻尼項和外力作用的影響,將式(1)變?yōu)?

(2)

對設置好的搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺網(wǎng)格劃分有限元模型進行無預應力模態(tài)分析,各零部件之間采用默認綁定接觸,在底座添加固定約束。通過模態(tài)仿真,可以直觀地看到搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺各階固有頻率和振型。結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)相比高階模態(tài)對系統(tǒng)動態(tài)響應的影響較大[9],因此提取搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺前六階模態(tài)固有頻率,見表3,前四階振型如圖4所示。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺在工作時主要受到電機的激勵,電機激勵頻率為10～25 Hz。由表3可知,搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的一階固有頻率為145.47 Hz,遠遠高于搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的主要激勵頻率,其它各階固有頻率則均高于一階固有頻率。所以,搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺在工作時不會發(fā)生共振,結(jié)構(gòu)設計滿足要求。

表3 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺各階模態(tài)固有頻率

▲圖4 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺前四階振型

5.2 隨機振動分析

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺要實現(xiàn)動態(tài)目標跟蹤,必須應對車輛行駛過程中的隨機振動,主要考慮在垂向受到路面顛簸產(chǎn)生的載荷。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的隨機振動分析是在模態(tài)分析基礎上進行的,振動激勵譜選用加速度譜。按照GJB 150.16—1986《軍用設備環(huán)境試驗方法 振動試驗》標準[10],搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺垂向承受的路面譜如圖5所示。

▲圖5 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺垂向路面譜

對搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺加載垂向加速度激勵,輸入不同頻率對應的功率譜密度,設定邊界條件為全部固定約束,得到在垂向載荷作用下的最大變形和最大應力。根據(jù)設計經(jīng)驗,通常按照3σ響應結(jié)果進行分析。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的應力與變形云圖分別如圖6、圖7所示。

▲圖6 垂向隨機振動下搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺應力云圖

▲圖7 垂向隨機振動下搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺變形云圖

由圖6可知,垂向隨機振動下,搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的最大應力為0.313 34 MPa,位于方位軸與底座連接處。方位軸材料選用鈦合金,許用應力為270 MPa,遠大于搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的最大應力,因此不會引起搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺零部件損壞。由圖7可知,垂向隨機振動下,搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺最大變形為0.000 314 42 mm,可以忽略不計。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺模型的固有頻率較高,在較大振動功率密度譜激勵下沒有出現(xiàn)不可容忍的應力與變形,由此確認這一搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)完全滿足使用要求。

6 結(jié)束語

筆者設計了一款車載便攜式高精度小目標搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺,能夠在搜索跟蹤的同時打擊摧毀目標,是集搜索、跟蹤、打擊于一體的綜合系統(tǒng)。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的軸系精度高,采用測量精度為0.005°的角度編碼器,實現(xiàn)了高精度、高效、可靠工作。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺材料多采用鋁合金,方位軸采用鈦合金,密度小,質(zhì)量輕。采用立式結(jié)構(gòu),電機直接套軸驅(qū)動,結(jié)構(gòu)緊湊,整體質(zhì)量小于 20 kg,實現(xiàn)了輕量化設計,能夠方便地裝載在車輛上或者用于單兵攜帶。

筆者通過靜力學分析驗證了搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的強度、剛度均滿足設計要求。通過模態(tài)分析得到搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率在145.47～1 054.1 Hz范圍內(nèi),遠遠高于車載時的激勵頻率,所以搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺在工作時不會產(chǎn)生共振。通過隨機振動分析,驗證了這一搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設計安全可行。