T 型光電轉(zhuǎn)塔光具座結(jié)構(gòu)研究

夏元杰，劉宇，陳靜，李磊，張向陽(yáng)

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065）

T 型光電轉(zhuǎn)塔是由多種光電傳感器和兩軸穩(wěn)定平臺(tái)組成的光電設(shè)備，廣泛應(yīng)用在車(chē)載、艦載等多種武器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索、識(shí)別、定位和跟蹤等功能［1-2］。隨著精密傳動(dòng)技術(shù)、隨動(dòng)控制技術(shù)、光電技術(shù)、傳感器技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，光電轉(zhuǎn)塔朝著高精度、高分辨率和智能化的方向發(fā)展［3-4］。T 型光電轉(zhuǎn)塔的優(yōu)點(diǎn)是便于更換、升級(jí)光電傳感器，有利于偵察系統(tǒng)的能力提升，因而成為車(chē)載平臺(tái)上的常用設(shè)備［5］。

一種典型的T 型光電轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該光電轉(zhuǎn)塔由方位組件和俯仰組件組成，俯仰組件兩側(cè)安裝左、右光具座組件和左、右傳感器罩部件，其左、右光具座上分別安裝有電視攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光測(cè)距機(jī)和陀螺部件等光電傳感器，前后各配置一個(gè)電子箱。 該光電轉(zhuǎn)塔能夠?qū)崿F(xiàn)光電傳感器繞方位和俯仰方向旋轉(zhuǎn)，具有隔離載體擾動(dòng)，保持光電傳感器光軸在慣性空間穩(wěn)定的功能［6-8］。

圖1 T 型光電轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)

T型光電轉(zhuǎn)塔左、右光具座上安裝多個(gè)光電傳感器，要求光具座結(jié)構(gòu)體積小、重量輕、剛度高、承受載荷后彈性變形小，才能保證T 型光電轉(zhuǎn)塔滿足測(cè)角精度和多光軸平行性等性能指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)和空中目標(biāo)的高精度瞄準(zhǔn)和跟蹤，使武器系統(tǒng)達(dá)到精確打擊的目的［9-10］。

1 T 型光電轉(zhuǎn)塔光具座結(jié)構(gòu)研究

1.1 光具座初始結(jié)構(gòu)

1.1.1 光具座板狀結(jié)構(gòu)及存在問(wèn)題

圖1 所示的T 型光電轉(zhuǎn)塔，其俯仰組件兩側(cè)的左、右光具座上分別安裝光電傳感器，左、右傳感器罩分別固定在左、右光具座上，隔離外部水、汽、塵土和細(xì)菌，對(duì)傳感器起密封保護(hù)作用。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是裝拆、換裝傳感器方便，多光軸平行性檢測(cè)、調(diào)校時(shí)也相對(duì)快捷。

該T 型光電轉(zhuǎn)塔右側(cè)的光具座組件如圖2所示，該光具座為板狀結(jié)構(gòu)，其側(cè)面安裝有紅外熱像儀（6 kg）和陀螺部件（3 kg）；傳感器罩如圖3 所示，為框狀結(jié)構(gòu)。其左側(cè)光具座和傳感器罩與右側(cè)結(jié)構(gòu)相似，這里不再贅述。

圖2 板狀結(jié)構(gòu)光具座組件

圖3 傳感器罩

當(dāng)利用大口徑反射式平行光管裝置對(duì)光電轉(zhuǎn)塔進(jìn)行多光軸平行性調(diào)校時(shí)，需要先拆下光電轉(zhuǎn)塔左、右傳感器罩，以左光具座上激光發(fā)射光軸為基準(zhǔn)，分別調(diào)整電視攝像機(jī)小視場(chǎng)和紅外熱像儀小視場(chǎng)俯仰和方位位置，使其對(duì)激光發(fā)射光軸的平行度誤差滿足技術(shù)指標(biāo)；然后再分別把左、右傳感器罩裝配到左、右光具座，并用螺釘緊固；最后利用大口徑反射式平行光管進(jìn)行多光軸平行性復(fù)檢時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)測(cè)角誤差和多光軸平行度誤差均超差。

由于光具座和傳感器罩的安裝接觸面平面度設(shè)計(jì)和制造的公差等級(jí)都是7，且表面粗糙度都達(dá)到1.6，也就是說(shuō)，安裝接觸面的平面度和表面粗糙度對(duì)光軸平行度誤差超差影響很小，因此多光軸平行性超差主要是由光具座的結(jié)構(gòu)變形引起的。

1.1.2 板狀結(jié)構(gòu)光具座有限元靜力分析

為了量化板狀光具座在負(fù)載作用下的結(jié)構(gòu)變形情況，需要對(duì)該光具座進(jìn)行有限元線性靜力仿真分析。這里以T型光電轉(zhuǎn)塔右側(cè)的光具座（該側(cè)光具座上的紅外熱像儀負(fù)載較重、對(duì)光具座變形影響較大）為例進(jìn)行仿真分析，該光具座材料為鎂合金，材料屬性如表1 所示。

表1 光具座材料屬性

在有限元分析前處理階段，對(duì)光具座實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到理想化模型。 紅外熱像儀（6 kg）和陀螺部件（3 kg）這兩個(gè)載荷作為質(zhì)量單元施加在光具座上：光具座通過(guò)8 個(gè)過(guò)孔用螺釘固定在光電轉(zhuǎn)塔俯仰軸上，因此約束施加在8個(gè)過(guò)孔內(nèi)圓柱面；用四面體單元對(duì)光具座理想化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 板狀光具座網(wǎng)格圖

對(duì)網(wǎng)格劃分后的光具座施加約束和載荷，進(jìn)行有限元線性靜力求解，得到其單元應(yīng)力分布如圖5 所示，最大應(yīng)力為4.680 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度。

圖5 板狀光具座單元應(yīng)力云圖

其節(jié)點(diǎn)位移云圖如圖6 所示，最大節(jié)點(diǎn)位移為0.016 2 mm

圖6 板狀光具座節(jié)點(diǎn)位移云圖

1.2 光具座改進(jìn)結(jié)構(gòu)

1.2.1 光具座改進(jìn)方案-框狀結(jié)構(gòu)

為了提高光具座剛性，減少光具座變形，一般是通過(guò)增加光具座厚度實(shí)現(xiàn)，但是增加光具座厚度，必然會(huì)增加光電轉(zhuǎn)塔的總重量；同時(shí)俯仰軸的負(fù)載也隨之增加，因此，該方案不可行。

在保持光電轉(zhuǎn)塔總重量基本不變的前提下，改進(jìn)光具座組件設(shè)計(jì)方案，如圖7 所示，將光具座與傳感器罩重新結(jié)構(gòu)分解，使板狀光具座四周像城墻一樣圍成一周，設(shè)計(jì)為框狀結(jié)構(gòu)（圖8）；傳感器罩則簡(jiǎn)化為蓋板（圖9）。

圖7 框狀結(jié)構(gòu)光具座組件

圖8 框狀光具座

圖9 傳感器蓋板

1.2.2 框狀光具座有限元靜力分析

為了量化光具座結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果，也需要對(duì)框狀結(jié)構(gòu)光具座進(jìn)行有限元靜力仿真。加固后的框狀光具座同樣承受紅外熱像儀（6 kg）和陀螺部件（3 kg）兩個(gè)載荷，作為兩個(gè)質(zhì)量單元施加在光具座上；約束也同樣施加在光具座8 個(gè)過(guò)孔內(nèi)圓柱面；用四面體單元對(duì)框狀光具座理想化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖10 所示。

圖10 框狀光具座網(wǎng)格

進(jìn)行有限元線性靜力求解，得到其單元應(yīng)力如圖11 所示，此時(shí)光具座最大應(yīng)力為0.694 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度。

圖11 框狀光具座單元應(yīng)力云圖

其節(jié)點(diǎn)位移云圖如圖12 所示，此時(shí)光具座最大節(jié)點(diǎn)位移不大于0.003 8 mm。

圖12 框狀光具座節(jié)點(diǎn)位移云圖

1.3 兩種結(jié)構(gòu)光具座有限元分析結(jié)果比較

對(duì)板狀結(jié)構(gòu)和框狀結(jié)構(gòu)光具座的最大應(yīng)力值（即單元馮氏應(yīng)力）和最大變形值（即節(jié)點(diǎn)位移）進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)光具座的應(yīng)力和變形對(duì)比

可見(jiàn)，通過(guò)優(yōu)化光具座部件結(jié)構(gòu)，將原來(lái)只承擔(dān)傳感器密封保護(hù)、不承受負(fù)載的傳感器罩，調(diào)整為平板；同時(shí)在板狀光具座周?chē)黾舆吙蚪Y(jié)構(gòu)，即圓周加強(qiáng)筋，從而使光具座最大應(yīng)力值降低了85.2%，最大變形量減少了76.5%，極大地提高了光具座剛度。

1.4 光具座結(jié)構(gòu)變形對(duì)測(cè)角誤差和多光軸平行度誤差的影響

設(shè)紅外熱像儀的有效長(zhǎng)度為l mm，對(duì)應(yīng)光具座安裝位置沿方位或者俯仰方向的最大有效變形量為d，則因光具座變形可能引起的紅外熱像儀方位或者俯仰方向的測(cè)角誤差為：

可見(jiàn)，在不考慮其他因素影響的情況下，光具座結(jié)構(gòu)變形越大，紅外熱像儀的測(cè)角誤差越大，其對(duì)基準(zhǔn)光軸的平行度誤差也越大。

1.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

把按照框狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工的光具座和對(duì)應(yīng)的傳感器蓋板更換到T 型光電轉(zhuǎn)塔上，裝調(diào)完畢后，對(duì)T 型光電轉(zhuǎn)塔進(jìn)行測(cè)角誤差和多光軸平行度誤差復(fù)檢，發(fā)現(xiàn)其誤差均在指標(biāo)要求范圍內(nèi)。

2 結(jié)論

光具座結(jié)構(gòu)變形是影響T型光電轉(zhuǎn)塔測(cè)角誤差和多光軸平行度誤差的重要因素之一，通過(guò)分別對(duì)承載光電傳感器的初始光具座和改進(jìn)光具座建立有限元模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加約束和載荷，利用有限元分析軟件進(jìn)行求解，在后處理器中提取其單元應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移，通過(guò)對(duì)比最大單元應(yīng)力值和最大節(jié)點(diǎn)位移值以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在不增加光電轉(zhuǎn)塔總重量的前提下，改進(jìn)后的光具座結(jié)構(gòu)更加合理，能夠有效減少光具座變形，顯著提高光具座剛度，充分保證T型光電轉(zhuǎn)塔的測(cè)角精度和多光軸一致性。