大型車載搜索與跟蹤轉(zhuǎn)臺U型架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

張 戈，劉 芬，宋煜明

（1.中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

0 引 言

光電搜索與跟蹤（以下簡稱搜跟）系統(tǒng)在偵察、制導(dǎo)與防空等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用[1]。近年來，隨著無人機技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，對各種小型空中目標(biāo)進行光電探測的需求逐漸增加[2]。為了探測到更小的目標(biāo)，搜跟轉(zhuǎn)臺需要搭載更大口徑的鏡頭和更高分辨率的光學(xué)傳感器。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)臺的體積和重量也就隨之增大，大型搜跟轉(zhuǎn)臺的需求不斷被提出。U型轉(zhuǎn)臺的光學(xué)負載布置緊湊，并且集中在轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸附近。因此，U型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臺負載轉(zhuǎn)動慣量小，有利于整體結(jié)構(gòu)的輕量化，在相同重量下有更快的相應(yīng)速度[3]。因此，大型搜跟轉(zhuǎn)臺經(jīng)常采用U型的結(jié)構(gòu)形式。

如圖1所示，一個典型的U型轉(zhuǎn)臺由方位旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、U型架及負載三部分組成。其中，U型架是U型轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，對結(jié)構(gòu)強度、尺寸公差及輕量化設(shè)計的要求較高。中小型的U型架多采用整塊材料一體式加工的形式滿足以上要求。但大型U型架如果采用一體式設(shè)計，則會導(dǎo)致加工成本過高以及加工時間難以控制的問題。而且，一體式設(shè)計的U型架加工成型后難以修改，不利于產(chǎn)品的后續(xù)升級與改進。因此，本文提出一種組合式的大型U型架設(shè)計方案，能在滿足結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上降低加工材料成本與時間成本，并且提高結(jié)構(gòu)的靈活性。

圖1 U型轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)組成

1 組合式U型架結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2為本文設(shè)計的組合式U型架的結(jié)構(gòu)示意圖。U型架主體結(jié)構(gòu)由U型架橫梁、U型架側(cè)支架1以及U型架側(cè)支架2三部分組成。三個部分通過橫梁上的凹槽和支架上的凸臺進行定位，并通過螺釘進行緊固。U型架側(cè)支架1上布置角度傳感器、電磁制動器以及配套的相關(guān)軸系。U型架側(cè)支架2上布置俯仰驅(qū)動電機和配套的相關(guān)軸系。

圖2 組合式U型架結(jié)構(gòu)示意圖

這種U型架的驅(qū)動、測量、制動裝置都處于同一軸線上，具有旋轉(zhuǎn)精度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。采用組合式設(shè)計后，U型架主體不需要一整塊大材料加工，而是使用三塊相對較小的材料加工而成，減少了材料損耗，節(jié)約了加工時間。若是需要更改傳感器、制動器或是驅(qū)動電機的選型，只需要加工新的U型架側(cè)支架進行更換，而不需要重新加工整個U型架，降低了產(chǎn)品升級改進的成本。

2 組合式U型架強度校核

設(shè)計要求U型臺負載質(zhì)量為50 kg，能夠承受三軸六向峰值加速度為50 g，持續(xù)時間為11 ms的半正弦波沖擊。本文使用ANSYS Workbench軟件對U型架主體結(jié)構(gòu)進行仿真分析。

如圖3所示，將U型架主體結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件，設(shè)置材料為T6狀態(tài)的6061鋁合金。為簡化模型，設(shè)置point mass（點質(zhì)量）為50 kg，連接到側(cè)支架來模擬負載質(zhì)量。

圖3 U型架仿真負載質(zhì)量設(shè)置

ANSYS Workbench軟件的Transient Structural（瞬態(tài)響應(yīng)）模塊可以在載荷不斷隨時間變化的情況下計算結(jié)構(gòu)隨時間變化的力學(xué)響應(yīng)[4]。因此，可以利用該模塊進行U型架的沖擊響應(yīng)分析。

峰值加速度為50 g，持續(xù)時間為11 ms的半正弦波的加速度表達式為

在Transient Structural模塊中設(shè)置模型的夾具的加速度為式（1）即可模擬沖擊工況。但軟件中，夾具只可直接設(shè)置速度與位移，故本文采用設(shè)置速度等效加速度的方法來模擬沖擊工況。

對式（1）進行積分，可以得到峰值加速度為50 g，持續(xù)時間為11 ms的半正弦波的速度表達式為

根據(jù)式（2），設(shè)置夾具如圖4所示。

圖4 U型架仿真夾具設(shè)置

調(diào)整夾具速度方向，分別進行±X軸、±Y軸、±Z軸6個方向的仿真，得到U型架產(chǎn)生最大應(yīng)力的工況如圖5所示。當(dāng)沖擊方向為Y軸正向時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力最大，為214 MPa，小于材料的許用應(yīng)力290 MPa，符合強度要求。

圖5 U型架仿真最大應(yīng)力工況

3 關(guān)鍵尺寸與公差分析

相較于一體式的U型架，由于誤差在多個零件間傳遞與積累，組合式U型架更容易產(chǎn)生整體尺寸的偏差。因此，需要對組成U型架主體結(jié)構(gòu)的主要尺寸與公差進行計算，以保證整體公差的合格。如圖2所示，U型架的主體結(jié)構(gòu)由U型架橫梁、U型架側(cè)支架1與U型架側(cè)支架2三個零件組成。因此，將U型架結(jié)構(gòu)簡化為3個零件進行公差分析，簡化模型如圖6所示。

圖6 U型架尺寸分析簡化模型示意圖

如圖6所示，軸1和軸2共同組成了U型架的俯仰軸。這兩個軸的同軸度對整個U型臺的受力情況與旋轉(zhuǎn)精度影響很大，因此要做重點分析[5]。要分析軸1和軸2的尺寸偏差，需要構(gòu)建跨越3個零件的包含尺寸與形位公差的立體尺寸鏈。對于這種復(fù)雜的尺寸鏈，傳統(tǒng)理論計算難以進行，多使用軟件進行仿真計算[6]。本文使用Solidworks軟件的TolAnalyst工具對兩個軸的偏差進行分析，設(shè)計要求兩軸的統(tǒng)計平方差公差在最大實體要求下為0.05 mm。

如圖7所示，選取U型架橫梁底部的圓柱面與平面為公差基準(zhǔn)，并設(shè)置兩端的定位凹槽的尺寸公差與形位公差。

圖7 U型架橫梁公差設(shè)置

如圖8所示，選取U型架側(cè)支架1與U型架側(cè)支架2底部的三個定位平面為公差基準(zhǔn)，并設(shè)置圓孔的尺寸公差與形位公差。

圖8 U型架支架公差設(shè)置

設(shè)置完成后，在TolAnalyst工具中計算軸1與軸2的偏差，結(jié)果如圖9所示。

圖9 U型架軸偏差分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，影響軸1與軸2偏差的尺寸與公差有U型架側(cè)支架1與U型架側(cè)支架2的圓孔的位置度與直徑公差，以及U型架橫梁兩端凹槽的尺寸公差。當(dāng)設(shè)置上述公差為如表1所示的數(shù)值時，軸1與軸2的統(tǒng)計平方差（Root Sum Squares，RSS）公差為0.046 mm，符合0.05 mm的設(shè)計要求。

表1 U型架關(guān)鍵尺寸設(shè)置

4 實驗測試

根據(jù)設(shè)計制造出樣機，并進行了各項測試。沖擊試驗現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 U型臺沖擊實驗現(xiàn)場

按照如圖11所示的曲線對U型臺施加三軸六向的沖擊載荷。沖擊試驗完成后，U型架的結(jié)構(gòu)完整，功能正常。整個U型臺的結(jié)構(gòu)與功能均未受影響。

圖11 沖擊試驗載荷曲線

完成試驗后，U型臺與運載車輛進行了安裝調(diào)試，調(diào)試現(xiàn)場如圖12所示。

在實際運行中，組合式U型架能夠搭載50 kg的負載，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，旋轉(zhuǎn)精度與響應(yīng)速度符合設(shè)計要求。

圖12 U型臺調(diào)試現(xiàn)場

5 結(jié) 語

本文為一種大型車載U型搜跟轉(zhuǎn)臺設(shè)計了一種組合式U型架。相對于一體式U型架，組合式U型架可以有效降低加工成本、縮短加工時間，并且具有更高的結(jié)構(gòu)靈活性。為驗證這種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度，本文使用ANSYS Workbench軟件的Transient Structural模塊對U型架結(jié)構(gòu)進行了沖擊仿真，仿真結(jié)果符合設(shè)計要求。為確定U型架的加工精度，本文使用Solidworks軟件的TolAnalyst工具計算出了影響U型架兩側(cè)軸偏差的關(guān)鍵尺寸及其具體數(shù)值。最后對樣機進行了沖擊試驗與整體測試，結(jié)果證明組合式U型架能夠滿足設(shè)計與使用需求。