小型光電吊艙的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(1.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301；2.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300457)

小型光電吊艙的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李創(chuàng)1，郗小鵬1，吳宏宇1，孫穎2

(1.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301；2.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300457)

0 引言

光電吊艙是光電穩(wěn)定平臺(tái)的一種，它是一個(gè)集光、機(jī)、電于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在載體運(yùn)動(dòng)過程中，包括載體受到?jīng)_擊、振動(dòng)時(shí)，消除擾動(dòng)，準(zhǔn)確跟蹤位置指令，輸出穩(wěn)定的視頻圖像，被廣泛用于軍事領(lǐng)域以及公安、消防和環(huán)境監(jiān)測等民用領(lǐng)域[1]。光電吊艙的結(jié)構(gòu)形式受限于其穩(wěn)定精度以及所搭載的傳感器種類和數(shù)量的要求，其體積、重量以及整機(jī)的結(jié)構(gòu)形式都會(huì)有所不同。鑒于上述特點(diǎn)，在光電吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選取和機(jī)加裝配等環(huán)節(jié)，都有其特殊的要求。設(shè)計(jì)中，在保證高的結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性前提下，力求重量輕、體積小。

1 總體設(shè)計(jì)與技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)某型號(hào)無人機(jī)的載重要求以及飛行特點(diǎn)，不適合掛載重量和體積大的光電吊艙，結(jié)合其對(duì)穩(wěn)定精度的要求,選擇兩軸兩框架主體結(jié)構(gòu)形式，選擇力矩電機(jī)作為方位、俯仰軸系動(dòng)力源，選擇絕對(duì)式光電編碼器組成位置環(huán)閉環(huán)反饋元件[2]，與控制器一起組成各軸系的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，選擇雙軸光纖陀螺儀作為慣性測量元件，組成慣性穩(wěn)定回路控制系統(tǒng)。另外，傳感器選擇高清攝像機(jī)和非制冷型紅外熱像儀組成雙光載荷的光電吊艙系統(tǒng)。

根據(jù)某型號(hào)無人機(jī)的性能和對(duì)環(huán)境監(jiān)測的能力要求，光電吊艙主要技術(shù)指標(biāo)為：工作范圍，方位為360°連續(xù)，俯仰為+20°～-85°；方位和俯仰最大角速度為60(°)/s，最大角加速度為90(°)/s2；回轉(zhuǎn)直徑為180mm，重量不超過6 kg(不包括傳感器)；平臺(tái)穩(wěn)定精度為0.1mrad，測角精度為1mrad。

2 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)模塊劃分

光電吊艙的整體結(jié)構(gòu)形式為兩軸兩框架結(jié)構(gòu)，兩框指的是內(nèi)框架和主框架。內(nèi)框架(俯仰框架)主要用來承載任務(wù)載荷，包括常用的光電傳感器，其結(jié)構(gòu)形式隨著任務(wù)載荷的類型和數(shù)量不同而變化；主框架(方位框架)主要承載內(nèi)框架部件，并實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的方位轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了吊艙整體的外部形態(tài)。兩軸指的是方位軸系(垂直軸)和俯仰軸系(水平軸)，軸系的回轉(zhuǎn)精度是影響光電吊艙穩(wěn)定精度的因素之一，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵考慮因素之一。針對(duì)光電吊艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率，簡化設(shè)計(jì)流程，在吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將其整體結(jié)構(gòu)分為俯仰軸系(俯仰左軸端和俯仰右軸端)、方位軸系、內(nèi)框架、方位支撐和基座5個(gè)組件，兩軸兩框架光電吊艙模塊化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩軸兩框光電吊艙模塊化結(jié)構(gòu)

2.2 軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光電吊艙的整個(gè)軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)堅(jiān)持軸向尺寸盡量小的原則，這樣對(duì)于俯仰軸系所牽連的內(nèi)框架，其內(nèi)部可以有較大的空間，使內(nèi)框架所攜帶的任務(wù)載荷和其他元器件有更多的選擇空間。另外，空心軸的設(shè)計(jì)在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下，內(nèi)孔直徑盡量大，有利于整個(gè)吊艙線路布局以及編碼器和導(dǎo)電滑環(huán)等的選型。兩軸兩框光電吊艙的軸系結(jié)構(gòu)如圖2所示。俯仰軸系由俯仰左端軸組件和右端軸組件組成，左端軸組件為俯仰軸系的動(dòng)力源組件，主要由法蘭、力矩電機(jī)、軸承、左端軸和軸端擋圈等零件組成。軸承采用四點(diǎn)夾緊固定方式，法蘭通過螺釘與方位支撐固定，將左端軸組件固連在主框架上，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

俯仰右端軸組件主要由法蘭、光電編碼器、軸承、右端軸、編碼器支撐和軸端擋圈組成。右端軸與軸承單向固定，一端游走，法蘭通過螺釘與方位支撐固連在一起，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 兩軸兩框光電吊艙的軸系結(jié)構(gòu)

圖3 俯仰左端軸組件 圖4 俯仰右端軸組件

方位軸系通過軸承與基座連接，通過螺釘與方位支撐固連，從而帶動(dòng)整個(gè)主框架回轉(zhuǎn)，方位軸系與俯仰軸系的垂直度要求通過方位支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工精度來保證。由于方位軸系承受較大的軸向載荷，所以方位軸承選用精密交叉圓柱滾子軸承，而且可以同時(shí)承受軸向載荷和徑向載荷。另外，方位需要完成360°連續(xù)回轉(zhuǎn)，因此，選用導(dǎo)電滑環(huán)來實(shí)現(xiàn)電氣連接。方位軸系組件由方位編碼器、消隙齒輪、方位軸、力矩電機(jī)、導(dǎo)電滑環(huán)和交叉圓柱滾子軸承等組成，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 方位軸組件結(jié)構(gòu)

2.3 消隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方位軸系的數(shù)據(jù)反饋模塊受到整體結(jié)構(gòu)布局的限制，方位編碼器與方位軸系通過一級(jí)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。為保證其數(shù)據(jù)采集精度，數(shù)據(jù)反饋模塊在采用小模數(shù)6級(jí)齒輪精度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種小型精密、操作簡單的齒輪消隙結(jié)構(gòu)，可以消除齒輪傳動(dòng)側(cè)隙，實(shí)現(xiàn)無空回轉(zhuǎn)動(dòng)。

齒輪消隙結(jié)構(gòu)采用雙片齒輪與主齒輪嚙合，通過雙片齒輪的軸向旋轉(zhuǎn)，消除傳動(dòng)側(cè)隙，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 齒輪消隙結(jié)構(gòu)

2.4 整體造型設(shè)計(jì)

方位支撐是連接俯仰軸系和方位軸系的關(guān)鍵零件，是吊艙兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)的載體，因此，它的結(jié)構(gòu)剛度直接決定了整個(gè)吊艙軸系的剛度[3]，同時(shí)它的結(jié)構(gòu)形式也決定了整個(gè)吊艙的基本外部形態(tài)。對(duì)方位支撐的結(jié)構(gòu)采用整體式設(shè)計(jì)，整個(gè)結(jié)構(gòu)由一塊原材料直接加工而成，一方面可以保證整體的結(jié)構(gòu)剛度，另一方面可以保證俯仰軸系和方位軸系的垂直度要求。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

此外，光電吊艙的整體造型設(shè)計(jì)，要結(jié)合吊艙的使用要求和飛行要求綜合考慮，在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求的前提下，還應(yīng)滿足任務(wù)載荷視場探測范圍的需要，造型設(shè)計(jì)盡量美觀。建立整機(jī)三維模型，如圖8所示。相比傳統(tǒng)的球形轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，該造型結(jié)構(gòu)緊湊，剛度更好，適合中小型光電吊艙。

圖7 方位支撐結(jié)構(gòu) 圖8 光電吊艙模型

2.5 關(guān)鍵零部件強(qiáng)度校核

光電吊艙軸系的主要承載部件為方位支撐、俯仰軸系左右法蘭等零件。根據(jù)吊艙的設(shè)計(jì)要求，方位支撐的最大變形量不能超過0.01mm，左右法蘭的最大變形量不能超過0.005 mm，因此，有必要對(duì)這些關(guān)鍵零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度校核。通過有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行力學(xué)仿真。關(guān)鍵零件的材料選擇鋁合金，密度為2.8×10-6kg/mm3，彈性模量E為69 GPa，泊松比為0.33[4-5]。光電傳感器負(fù)載為860g，方位轉(zhuǎn)動(dòng)部分總重為3.8 kg，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)部分總重為2kg。

首先對(duì)方位支撐、左右法蘭的模型進(jìn)行簡化處理，去除對(duì)力學(xué)分析影響不大的小孔、圓角和尖角，簡化有限元分析軟件對(duì)模型的網(wǎng)格的劃分操作，提高網(wǎng)格的品質(zhì)。經(jīng)ANSYS分析計(jì)算后，模型的應(yīng)力、應(yīng)變及變形結(jié)果如表1所示。

表1 零件仿真結(jié)果

零件名稱最大應(yīng)力/MPa最大變形/mm屈服強(qiáng)度/MPa允許變形量/mm左法蘭0 153 2×10-525～300 005右法蘭0 034×10-625～300 005方位支撐0 1482 7×10-425～300 01

3 結(jié)束語

根據(jù)某型號(hào)無人機(jī)的使用要求，設(shè)計(jì)了一款兩軸兩框架小型光電吊艙。結(jié)合光電吊艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了光電吊艙模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與整體造型設(shè)計(jì)流程。利用三維造型軟件和有限元分析軟件，對(duì)吊艙進(jìn)行了結(jié)構(gòu)造型和關(guān)鍵零部件的力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和有效性，對(duì)后續(xù)光電吊艙以及光電穩(wěn)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 尹 遠(yuǎn)，鄭 榮.輕型光電穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(4):47-48.

[2] 吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[3] 李明智.直升機(jī)載光電測量吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].光電對(duì)抗與無源干擾，1999(2):3-5.

[4] 楊洪濤.四框二軸光電穩(wěn)定平臺(tái)框架有限元分析有結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].長春：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2006.

[5] 甘至宏.光電吊艙內(nèi)框架減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2010，18(9):2036-2043.

Modular Structure Design of Small-sized Electro-optical Pod

LIChuang1，XIXiaopeng1，WUHongyu1，SUNYing2

(1. CAST Tian jin zhong Wei Aerospace Data System Technology Co., Ltd.,Tianjin 300301，China;2. CNPC Bohai Drilling Engineering Technology，Tianjin 300301，China)

隨著光電吊艙應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，對(duì)其穩(wěn)定精度的要求越來越高。同時(shí)，對(duì)吊艙的整體造型和局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。在兩軸兩框架主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整體造型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一款體積小、重量輕、剛度好的光電吊艙；針對(duì)吊艙的精度要求，對(duì)數(shù)據(jù)鏈傳動(dòng)模塊進(jìn)行了消隙設(shè)計(jì)；利用CAD軟件進(jìn)行了三維建模，在ANSYS軟件中完成了關(guān)鍵零部件的力學(xué)仿真校核。該吊艙掛載于某型號(hào)無人機(jī)上，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。

光電吊艙；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；模塊化設(shè)計(jì)；力學(xué)仿真

Currently，with the rapid development of the application of electro-optical pod，stabilization precision requirements are also increasingly improved，the ability of global modeling and local structure become more and more important. According to modularization structure design and global modeling design，a small volume，good stiffness and light weight type of electro-optical pod is designed on the Basis of the major structure of double axes and double frame. Three-dimensional of electro-optical pod structure and mechanical simulation by three-dimensional and ANSYS software are completed. This electro-optical pod has already been applied in environmental monitoring and control areas.

electro-optical pod; structure design; modular design; mechanical simulation

2014-04-14

TH16；TN29

A

1001-2257(2014)09-0039-03

李創(chuàng)(1984-)，男，河南南陽人，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)榫芩欧到y(tǒng)設(shè)計(jì)。