一種小型導(dǎo)引頭的精密鋼絲繩傳動設(shè)計

時光煜，史光普，張 虎，郭營鋒，池 冰

（1.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009；2.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，以俄烏戰(zhàn)爭和亞阿沖突為代表的局部戰(zhàn)爭與沖突不斷，其中小口徑的單兵便攜式導(dǎo)彈對戰(zhàn)爭走向發(fā)揮著重要作用［1］。為了提高制導(dǎo)精度，現(xiàn)代的單兵便攜式導(dǎo)彈大多配備有導(dǎo)引頭，因此，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉的光電導(dǎo)引頭具有廣泛的應(yīng)用需求［2-3］。

單兵便攜式導(dǎo)彈具有重量輕、直徑?。ㄒ话?2 mm～127 mm 之間）、攜行方便的特點(diǎn)，要求導(dǎo)引頭在滿足尺寸小、重量輕等約束的前提下，盡可能地增大光學(xué)口徑以提高作用距離。為了能夠進(jìn)一步突破導(dǎo)引頭的作用距離，需要研究精密的間接傳動方式。

通過比較連桿傳動、齒輪傳動、鋼絲繩傳動等間接傳動的技術(shù)特點(diǎn)，創(chuàng)新性地設(shè)計了一種帶有張緊輪和末端彈簧的精密鋼絲繩傳動結(jié)構(gòu)，顯著增大了導(dǎo)引頭的負(fù)載空間，同時有效抵消了鋼絲繩在高低溫情況下的伸縮量，從而消減了傳動空回、提高了控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，滿足了小型導(dǎo)引頭的技術(shù)需求。經(jīng)過理論計算、結(jié)構(gòu)有限元建模和鋼絲繩伸縮量仿真分析，證明了該結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。最后，投產(chǎn)了導(dǎo)引頭樣機(jī)，實(shí)際測試了導(dǎo)引頭的動態(tài)性能，證明能夠滿足導(dǎo)引頭的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

1 精密間接傳動技術(shù)

1.1 連桿傳動結(jié)構(gòu)

連桿傳動結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示，由一組連桿組成平行四邊形機(jī)構(gòu)并與探測跟蹤裝置相連接，通過電機(jī)驅(qū)動平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)探測跟蹤裝置的方位、俯仰運(yùn)動。連桿傳動技術(shù)可以將驅(qū)動電機(jī)和測角器件后置，從而可以節(jié)省較大的空間。但由于結(jié)構(gòu)上的限制，連桿傳動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度范圍相對較小、傳動效率也較低，限制了它的應(yīng)用范圍［4］。

圖1 連桿傳動結(jié)構(gòu)形式Fig.1 The driving structure of the connecting rod

1.2 齒輪傳動結(jié)構(gòu)

齒輪傳動結(jié)構(gòu)如圖2 所示。外框架設(shè)計成圓弧結(jié)構(gòu)，使用4 個滾輪支撐住圓弧框架結(jié)構(gòu)。固定的滾輪約束了圓弧框架的運(yùn)動軌跡，使外框架只能圍繞旋轉(zhuǎn)中心運(yùn)動。

圖2 齒輪傳動結(jié)構(gòu)形式Fig.2 The driving structure of gears

齒輪傳動技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得較大的容納空間和框架角范圍，但是在齒輪加工、結(jié)構(gòu)裝配、使用磨損等環(huán)節(jié)會不可避免地引入齒輪傳動間隙、傳動空回，導(dǎo)致伺服控制系統(tǒng)的精度下降。因此，齒輪傳動技術(shù)不適用于角度分辨率較高的光學(xué)導(dǎo)引頭［5］。

1.3 鋼絲繩傳動結(jié)構(gòu)

從文獻(xiàn)［6-8］可知，鋼絲繩傳動是一種柔性的精密驅(qū)動方式，這種傳動方式的結(jié)構(gòu)相對簡單、使用靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高剛性、高效率的傳動，并具有成本低，質(zhì)量輕等特點(diǎn)，特別適合于小直徑導(dǎo)引頭的傳動機(jī)構(gòu)。

圖3 鋼絲繩傳動結(jié)構(gòu)形式Fig.3 The driving structure of wire ropes

2 導(dǎo)引頭鋼絲繩傳動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 鋼絲繩傳動設(shè)計及受力分析

考慮到導(dǎo)引頭的結(jié)構(gòu)緊湊及預(yù)緊方式的特點(diǎn)，鋼絲繩傳動系統(tǒng)的設(shè)計一端使用螺釘固定，中段設(shè)置兩個張緊輪進(jìn)行預(yù)緊，末端采用彈簧自適應(yīng)調(diào)節(jié)鋼絲繩的松緊，消除鋼絲繩高低溫造成的松弛。

鋼絲繩傳動系統(tǒng)如圖4 所示。為了易于伺服控制，設(shè)置主動輪、從動輪的傳動比為1∶1，鋼絲繩總長為230 mm。

圖4 導(dǎo)引頭鋼絲繩傳動設(shè)計圖Fig.4 The driving design figure of wire ropes of the seeker

對鋼絲繩傳動系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，設(shè)電機(jī)輸出力為FD，鋼絲繩1 張緊力為F1，鋼絲繩2 的張緊力為F2，彈簧拉力為FS。

1）當(dāng)電機(jī)輸出力FD=0 時，電機(jī)折算到驅(qū)動輪上的輸出力為0，此時鋼絲繩1 張緊力F1、鋼絲繩2張緊力F2和末端彈簧的預(yù)緊力相等，有式（1）成立；

因此，設(shè)計的兩個張緊輪和末端彈簧具有自調(diào)節(jié)功能，能夠保證鋼絲繩始終張緊，減少空回。

2.2 鋼絲繩的選取

如圖5 所示，鋼絲繩的捻制方式分為同向捻、交互捻等。由于鋼絲繩的形成結(jié)構(gòu)特殊，決定了其力學(xué)與機(jī)械特性、單一的實(shí)體材料不同。即使捻制鋼絲的材料性質(zhì)完全相同，但鋼絲繩的破斷拉力、彈性模量和抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能與鋼絲繩的結(jié)構(gòu)、長度、繩芯、捻制方法及拉力因素等密切相關(guān)［9-10］。

圖5 鋼絲繩的捻制形成結(jié)構(gòu)Fig.5 The formation structure of twisting of wire ropes

本設(shè)計中選用的微型鋼絲繩的結(jié)構(gòu)為7×7（第1 個7 表示7 股/繩，第2 個7 表示7 根絲/股），直徑D=0.6 mm，絲徑d=0.04 mm，最大承重215 N，能夠滿足傳動系統(tǒng)的設(shè)計需求。

2.3 末端彈簧的設(shè)計

由鋼絲繩傳動的受力分析可知，在設(shè)計末端彈簧時應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

1）在鋼絲最松弛狀態(tài)時，彈簧回縮直到鋼絲再度張緊，張緊力與彈簧拉力達(dá)到新的平衡，此時的彈簧拉力最小，設(shè)計時應(yīng)確保此最小拉力大于電機(jī)工作時的最大輸出力（折算值）；

2）在鋼絲最大熱脹繃緊時，彈簧進(jìn)一步拉伸，此時達(dá)到最大拉力，設(shè)計時應(yīng)確保彈簧在此狀態(tài)下不被破壞。

在導(dǎo)引頭的使用中，電機(jī)的輸出力P1折算到驅(qū)動輪上約為0.12 N，考慮到內(nèi)部空間的限制，末端彈簧的設(shè)計值為中徑4.0 mm、簧絲直徑0.6 mm，彈簧剛度K 按照經(jīng)驗(yàn)值取8，其工作極限載荷Pj為15.9 N。考慮一定的安全余量后，該彈簧的使用載荷Pn為不超過12.72 N。彈簧的最大變形量設(shè)計值為1.57 mm，計算過程參見式（4）。

3 仿真分析

3.1 溫度變化對鋼絲繩傳動系統(tǒng)的影響

環(huán)境溫度的變化會導(dǎo)致材料熱脹冷縮，鋼絲繩的長度發(fā)生改變。溫度變化所造成鋼絲繩長度的變化量由式（5）可得：

其中，ΔL 是鋼絲繩在溫度由T0變化至T1后的長度變化量，也是引起系統(tǒng)空回的主要原因；L 是鋼絲繩的總長度，本設(shè)計中鋼絲繩總長度為230 mm；C1、C2分別為安裝法蘭盤（材料為鋁）、鋼絲繩的熱膨脹系數(shù)，鋼絲繩以及鋼絲繩法蘭盤的材料屬性如表1 所示。

表1 材料屬性表Table 1 The attribute table of material properties

由于導(dǎo)引頭工作時機(jī)電元器件會發(fā)熱，因此，真實(shí)的工作條件需要在原有的高低溫條件的基礎(chǔ)上疊加熱仿真分析計算出的相關(guān)溫升，具體仿真分析條件如表2 所示。

表2 導(dǎo)引頭鋼絲繩伸縮量熱仿真分析條件Table 2 Thermal simulation analysis conditions of expansion of wire ropes of the seeker

將表1、表2 的相關(guān)參數(shù)代入式（5），可以計算得到鋼絲繩在自由釋放狀態(tài)下，高溫條件下的理論形變量為0.102 8 mm（膨脹），低溫條件下的理論形變量為-0.125 8 mm（收縮）。

3.2 有限元建模仿真

針對高低溫情況下鋼絲繩熱脹冷縮伸縮量的仿真需求，建立導(dǎo)引頭鋼絲繩傳動系統(tǒng)的仿真模型。由于產(chǎn)品部件結(jié)構(gòu)不規(guī)則，所以采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行建模。鋼絲繩為多股捻制的柔性實(shí)心體，線徑0.6 mm，建模的時候需要對鋼絲繩網(wǎng)格進(jìn)行特殊加密處理，并與轉(zhuǎn)軸進(jìn)行網(wǎng)格面對面匹配設(shè)置。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6 所示。

圖6 有限元網(wǎng)格劃分圖Fig.6 The finite element grid division figure

經(jīng)過有限元仿真計算，在高溫條件下鋼絲繩的伸長量為0.036 5 mm，鋼絲繩的形變云圖如圖7所示。

圖7 高溫條件下鋼絲繩形變云圖Fig.7 The deformation nephogram of the wire rope at high temperature

在低溫條件下，鋼絲繩的收縮量為0.044 6 mm，鋼絲繩的形變云圖如圖8 所示。

圖8 低溫條件下鋼絲繩形變云圖Fig.8 The deformation nephogram of the wire rope at low temperature

3.3 仿真結(jié)果分析

由上文可知，式（5）的理論計算結(jié)果和有限元仿真分析結(jié)果存在差異。

分析其原因，式（5）的理論計算結(jié)果是鋼絲繩在自由釋放狀態(tài)下的熱脹冷縮量值，但實(shí)際上鋼絲繩還受到法蘭盤的約束，因此，鋼絲繩在高低溫條件下的伸縮量還會受到法蘭盤熱脹冷縮的影響。鋼絲繩法蘭盤的熱膨脹系數(shù)是鋼絲繩熱膨脹系數(shù)的2倍左右，鋼絲繩的伸縮量與法蘭盤形變量疊加之后的結(jié)果才是最終的形變量，會與式（5）的理論計算值存在微小的偏差。

綜上，應(yīng)該以有限元仿真計算的結(jié)果為主要依據(jù)。即在表2 所示的工作溫度環(huán)境中，高溫條件鋼絲繩的伸長量為0.036 5 mm，低溫條件鋼絲繩的收縮量為0.044 6 mm，遠(yuǎn)小于式（4）所示的末端彈簧的調(diào)整量1.57 mm，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

導(dǎo)引頭采用精密鋼絲繩傳動設(shè)計，有效擴(kuò)大了光學(xué)口徑。導(dǎo)引頭先后經(jīng)過高低溫試驗(yàn)、搖擺臺試驗(yàn)、快速觀察臺試驗(yàn)等，證明了在高低溫下導(dǎo)引頭的工作狀態(tài)良好，在常溫下的動態(tài)性能測試指標(biāo)良好。

表3 導(dǎo)引頭試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The test results of the seeker

由以上結(jié)果可知，鋼絲繩傳動在導(dǎo)引頭的試驗(yàn)測試中性能良好，滿足使用要求。

5 結(jié)論

鋼絲繩傳動是一種高效、輕質(zhì)、簡潔的傳動方式，以一種采用鋼絲繩精密傳動的小型導(dǎo)引頭設(shè)計為背景，分析了鋼絲繩傳動的傳動性能，并討論了在傳動中所必須考慮的若干問題，為鋼絲繩傳動在導(dǎo)引頭中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，定量分析了溫度變化對鋼絲繩傳動的影響，并給出了消除鋼絲傳動誤差的方法。最后，導(dǎo)引頭進(jìn)行了高低溫、搖擺臺、快速觀察臺等試驗(yàn)，通過整理、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步證明了該鋼絲繩傳動設(shè)計的可行性。