彈載紅外相機靜態(tài)質(zhì)量質(zhì)心配平

張生全，趙勁松，何紅星，羅 敏，康麗珠，陶 亮，徐參軍，徐 瑞

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

0 引言

質(zhì)量特性參數(shù)是導(dǎo)彈總體設(shè)計和飛行控制的重要參數(shù)，包括質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量和慣性積大參數(shù)。其中，質(zhì)量、質(zhì)心是其他參數(shù)準確測量的前提，質(zhì)心參數(shù)直接影響航空航天產(chǎn)品的飛控精度[1]。彈載紅外相機是搭載紅外導(dǎo)引頭導(dǎo)彈的核心器件之一，在總體單位要求下，精確設(shè)計彈載紅外相機的質(zhì)量和質(zhì)心對于準確分析導(dǎo)彈搭載能力、控制飛行姿態(tài)、提高彈道控制精度、提升作戰(zhàn)性能均具有重要意義[2]。質(zhì)量特性參數(shù)設(shè)計技術(shù)研究，為彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計、艙內(nèi)設(shè)備安裝、調(diào)整等工作提供重要可靠性支撐[3-4]。

針對傳統(tǒng)彈載紅外相機采用試配法對質(zhì)量質(zhì)心進行配平的周期長、通用性差等弊端[5-8]，本文從實際設(shè)計要求出發(fā)，利用三維設(shè)計軟件進行質(zhì)量特性參數(shù)仿真分析，結(jié)合相關(guān)基本配平設(shè)計原則并運用力矩平衡的基本原理設(shè)計出配平負載及安裝位置，通過質(zhì)量質(zhì)心實測數(shù)據(jù)成功論證仿真分析結(jié)果，證明該方法切實有效。

1 紅外相機質(zhì)心配平方案設(shè)計

1.1 相關(guān)技術(shù)要求

彈載紅外相機質(zhì)量技術(shù)要求：3.5±0.2 kg；質(zhì)心技術(shù)要求：①質(zhì)心沿光軸方向距離安裝面26.3±5 mm；②相對于中心光軸不大于5 mm，偏第三象限不大于3 mm。結(jié)構(gòu)象限分布如圖1所示，安裝基準面如圖2所示。

圖1 象限分布Fig.1 Quadrant distribution

圖2 安裝基準面Fig.2 Installation reference surface

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

在總體單位給出的系統(tǒng)方案設(shè)計要求下，利用數(shù)字化設(shè)計軟件Creo 自頂向下設(shè)計出樣機三維模型，主要由主殼體、蓋板、支架、探測器組件、光學(xué)鏡頭、電路組件等組成。彈載紅外相機模型如圖3所示，光學(xué)鏡頭組成如圖4所示，模型內(nèi)部布局如圖5所示。

圖3 整機結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Machine structure model

圖4 光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Optical lens structure model

圖5 模型內(nèi)部布局圖Fig.5 Internal layout of the model

2 原始樣機質(zhì)量、質(zhì)心仿真

利用Creo 對未添加配重負載的樣機模型進行質(zhì)量、質(zhì)心仿真計算。在進行質(zhì)心仿真計算之前，需要對各個零、部件進行材料賦值，不同的零、部件賦值參數(shù)不盡相同。對于常規(guī)類單一均勻密度零、部件只需賦值材料密度，如主殼體、支架、鏡頭、鏡片、蓋板、調(diào)整墊圈等。對于復(fù)合材料零部件而言，需要通過實驗測出其具體質(zhì)量以及質(zhì)心位置，將實測的質(zhì)量和質(zhì)心數(shù)據(jù)賦值在零、部件三維模型上。具體參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)賦值Table1 Assignment of material parameters

特別地，在進行質(zhì)心仿真計算之前，需要將總體單位要求的質(zhì)心數(shù)據(jù)賦值在樣機三維模型上，且將質(zhì)心條件賦值為三維坐標(biāo)原點，即(x,y,z)＝(0,0,0)。通過Creo 的仿真計算求得樣機質(zhì)量M0＝3.13 kg，質(zhì)心位置坐標(biāo)：x0＝－16.84 mm，y0＝3.11 mm，z0＝－3.81 mm，可得|σx|＝16.84 mm，|σy|＝3.11 mm，|σz|＝3.81 mm，其中σx表示當(dāng)前質(zhì)心沿光軸相較于安裝基準面的距離；σy表示當(dāng)前質(zhì)心沿Y方向相較于光軸的距離；σz表示當(dāng)前質(zhì)心沿Z方向相較于光軸的距離。顯然，|σx|＞5 mm，|σz|＞3 mm，X、Z方向超出前文所提指標(biāo)要求。通過計算與對比，未加配重負載的樣機質(zhì)量、質(zhì)心均不滿足總體方案要求，故需要設(shè)計配重方案。

3 設(shè)計配重方案

3.1 計算配重負載質(zhì)量與安裝位置

根據(jù)提供的質(zhì)量、質(zhì)心條件以及未加配重負載整機的仿真結(jié)果，如圖6所示，在系統(tǒng)空間中兩剛性質(zhì)點上，利用力矩平衡原理，計算配重負載質(zhì)量與其質(zhì)心應(yīng)在位置的函數(shù)關(guān)系。所有零部件視為剛體，將整個杠桿系統(tǒng)視為整機系統(tǒng)，以條件要求最終質(zhì)心的位置作為杠桿的支點，m為配重負載總質(zhì)量，l為配重負載的質(zhì)心與條件要求最終質(zhì)心的距離，M為未添加配重負載的整機質(zhì)量，L為未添加配重負載整機的質(zhì)心與條件要求最終質(zhì)心的距離?？臻g質(zhì)心力矩平衡圖如圖7所示。

圖6 整機系統(tǒng)的力矩平衡示意圖Fig.6 Schematic diagram of torque balance of the whole system

圖7 空間質(zhì)心力矩平衡Fig.7 Space centroid moment balance

根據(jù)力矩平衡原理：

根據(jù)空間兩點距離公式：

式中：x0＝－16.84，y0＝3.11，z0＝3.81，M0＝3.13，即L＝17.54 mm。

綜合解得：l＝56.64/m，其中，由于3.30≤M0＋m≤3.70，所以0.27＜m＜0.67。

考慮到紅外相機內(nèi)部布線以及接插件的質(zhì)量，通過簡單測算可引入質(zhì)量冗余參數(shù)ε＝0.1。系統(tǒng)總質(zhì)量若選定為M，則M＝M0＋m＋ε。若選擇M＝3.50 kg，即m＝0.37 kg，同時可得L＝148.37 mm。已知L的取值，即可確定配重質(zhì)心大概應(yīng)在的位置。

3.2 配重負載設(shè)計原則

設(shè)計配重負載應(yīng)本著以下幾點原則[9-12]：

1）配重負載組合的數(shù)量盡可能少；由于前期設(shè)計時產(chǎn)品質(zhì)心的不確定性，所以一般質(zhì)心配平的負載往往是以組合的形式出現(xiàn)，采用組合形式的配重負載，不僅具有更好的靈活性，其互換性更是比單一的配重負載要好。但是，數(shù)量過多的配重負載也會導(dǎo)致紅外相機整機的可靠性降低，且裝配工作費時費力。

2）滿足整機重量要求的前提下，重量盡可能輕；對于航空航天類的產(chǎn)品，重量輕意味著運載成本更低，續(xù)航里程更遠。同時，產(chǎn)品重量的降低也會使生產(chǎn)成本降低，避免了不必要的浪費。

3）安裝方式簡潔方便；一方面，簡單快捷的安裝方式可以有效地節(jié)省整機裝配的時間。另一方面，特別是在做質(zhì)心試驗時，不同樣機實物的質(zhì)心數(shù)據(jù)可能有所異同，必要時會更換不同尺寸的配重負載來配平某單個產(chǎn)品的質(zhì)心，所以簡潔的安裝方式可以為裝配、試驗節(jié)省很多不必要花費的時間。

4）互換性好；彈載紅外相機整機是在狹小空間內(nèi)由眾多零件裝配而成，且對內(nèi)部空間密封有嚴格要求，一般充入氮氣。如果配重負載裝配在紅外相機主殼體外部，將大大提高配重負載的互換性。

5）強度滿足使用環(huán)境要求；

6）制造成本低；

7）形狀簡易且盡可能采用共形設(shè)計。

3.3 配重負載方案設(shè)計

根據(jù)仿真計算出的質(zhì)心范圍選取合適的質(zhì)心位置，再結(jié)合以上幾點設(shè)計原則，彈載紅外相機配重負載方案如下：未添加配重的整機質(zhì)心偏向第三、四象限，所以配重負載的質(zhì)心應(yīng)該在第一象限。根據(jù)計算出的配重負載質(zhì)心位置l以及其安裝方式的考量，采用方案為半黃銅（Cu-Zn 合金）半硬鋁（Al）的組合式環(huán)形配重負載如圖8所示，通過增加配重厚度的方式達到平衡且其安裝方式為與整機的前鏡頭轉(zhuǎn)接座聯(lián)接。

圖8 配重組合方式Fig.8 Counterweight combination

由于黃銅的密度大約是硬鋁密度的3.25 倍，所以兩部分配重負載質(zhì)量分配也為1:3.25，即黃銅部分的質(zhì)量為0.283 kg，硬鋁部分0.087 kg。根據(jù)Creo 仿真，可以得出配重負載的厚度h，經(jīng)計算h＝41 mm，如圖9所示。

圖9 質(zhì)心配重三維模型Fig.9 3D model of the center of mass counterweight

4 加配重負載后的整機質(zhì)量、質(zhì)心仿真計算

裝有上述配重方案的光機系統(tǒng)，可以通過改變配重厚度h調(diào)節(jié)X向質(zhì)心，增大h可使質(zhì)心沿X負向偏移，反之正向偏移，如圖10所示。通過改變安裝角度θ可以調(diào)節(jié)YOZ平面的質(zhì)心位置，如圖11所示。綜上所述，此方案理論上可以調(diào)節(jié)本光機系統(tǒng)空間上的質(zhì)心位置。

圖10 X 向質(zhì)心調(diào)節(jié)Fig.10 X-direction centroid adjustment

圖11 YOZ 面質(zhì)心調(diào)節(jié)Fig.11 YOZ surface centroid adjustment

添加配重負載后的整機仿真計算，求得樣機質(zhì)量M0＝3.486 kg，質(zhì)心位置坐標(biāo)：x0＝－1.956 mm，y0＝3.11 mm，z0＝－3.813 mm，可得|σx|＝1.956 mm，|σy|＝3.11 mm，|σz|＝3.81 mm。

5 質(zhì)心測試

測試溫度12℃；相對濕度：80%RH；測試質(zhì)量范圍：0.5～20 kg，測試精度：10 g；X方向測試精度：0.2 mm；Y方向測試精度：0.2 mm；Z方向測試精度：0.2 mm。單個整機質(zhì)心需要不同安裝方式測試兩次，第一次測試X向質(zhì)心數(shù)據(jù)，安裝方式如圖12所示。第二次更換工裝，調(diào)整整機擺放姿態(tài)測試Y、Z向質(zhì)心數(shù)據(jù)，安裝方式如圖13所示。測試結(jié)果如表2所示，與基準值換算結(jié)果如表3所示。從與基準值換算后的數(shù)據(jù)可知，質(zhì)心測試結(jié)果符合總體要求。

圖12 X 向質(zhì)心測試Fig.12 X direction centroid test

圖13 Y、Z 向質(zhì)心測試Fig.13 Y,Z direction centroid test

表2 質(zhì)心測試數(shù)據(jù)Table 2 Centroid test data

表3 與基準值對比數(shù)據(jù)Table 3 Comparison data with reference value

6 結(jié)論

傳統(tǒng)質(zhì)心配平方法還停留在依靠工程師的經(jīng)驗感覺來判斷操作，耗時費力的同時還無法給出配平后具體的質(zhì)心偏差量，不利于模型的優(yōu)化。本文對配平過程進行系統(tǒng)化梳理，總結(jié)出一套高效實用的數(shù)字化配平方法，其意義在于不僅能夠提高配平效率，而且能夠提高配平精度，并最終以數(shù)字化的方式輸出配平結(jié)果，以利于精準建模，提高整機性能。質(zhì)心測試結(jié)果表明，該方法切實有效。