基于導引頭測試的紅外熱源轉臺系統設計與分析

任桃桃，邱亞峰，常金彪，吳文斌

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基于導引頭測試的紅外熱源轉臺系統設計與分析

任桃桃1，邱亞峰1，常金彪2，吳文斌1

（1. 南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2. 航天晨光股份有限公司，江蘇 南京 211100）

為了測試紅外制導導彈導引頭捕獲、跟蹤目標的能力，設計了一套紅外熱源兩軸轉臺系統，對不同結構的框架進行了對比和選擇，利用pro/E軟件對轉臺系統的俯仰機構和方位機構進行了結構設計，對紅外熱源轉臺系統進行了動平衡分析計算，通過ANSYS Workbench軟件對方位支承架進行了靜力學分析、保證強度要求，對紅外熱源轉臺整體進行模態分析，保證了系統穩定不產生共振，通過兩種試驗以及誤差分析驗證了所設計的轉臺系統滿足參數要求。

導引頭測試；紅外熱源；兩軸轉臺；有限元分析；誤差分析

0 引言

紅外制導因精度高、隱蔽性好、抗干擾性能強，在空空導彈中應用十分廣泛。利用目標自身的紅外輻射能量引導導彈自動跟蹤，能否有效地擊中目標，關鍵在于導引頭捕獲目標信號的能力，因此導彈在制造完成投入使用前對導引頭的性能進行綜合測試。本文根據紅外制導系統原理，在實驗室設計建立了一臺紅外熱源轉臺系統，為導引頭測試提供模擬目標源空中飛行的穩定平臺，主要包括紅外目標模擬系統和兩軸轉臺兩大部分。轉臺搭載紅外光學系統箱運動，以滿足導引頭測試要求[1-2]，根據技術要求對紅外熱源兩軸轉臺系統進行了方案設計，在設計過程中通過有限元分析保證了轉臺系統的可靠性。

1 系統技術指標及設計方案

1.1 測試轉臺系統主要技術指標

①轉臺系統負載大于15kg；②紅外目標模擬系統轉動半徑不小于1m；③水平方向轉動范圍－30°～＋30°；④俯仰方向轉動范圍－30°～＋30°；⑤最大角速度為30°/s；⑥最小角速度為0.01°/s；⑦最大角加速度為100°/s2；⑧角速度精度為0.1%；⑨位置精度為±15′；⑩重復位置精度為±10′。

1.2 總體設計方案

根據指標要求，制定了紅外熱源轉臺測試系統的方案，其工作原理如圖1所示，系統主要由紅外光學系統箱、兩軸轉臺、黑體輻射源控制器、工控機以及伺服電機控制器等組成。

圖1 紅外熱源轉臺系統工作原理圖

紅外光學系統是為系統模擬目標紅外輻射源的，兩軸轉臺功能是為紅外目標源模擬系統提供運動平臺，常用的兩軸轉臺框架結構如圖2所示，有3類：U-O型，此種結構框架剛度大、對稱性好，適合需求高速轉動的系統；U-U型，此種結構框架剛度小、對稱性差，但包容性好，適合不規則系統、低速擺動；U-T型，此種結構框架適合低速擺動[3]。U-O型兩軸轉臺運轉最為平穩，但由于被測導引頭外形尺寸的限制，O型框的轉動會受到阻擋，經過綜合研究使用U-U型結構兩軸轉臺。

圖2 U-O型、U-U型、U-T型兩軸轉臺框架結構示意圖

2 兩軸轉臺結構設計

2.1 俯仰機構

如圖3所示為根據要求設計的俯仰機構，最上端為紅外光學系統箱，它主要由黑體輻射源（型號：HFY-200C，工作溫度范圍為50～800℃）、衰減片、可調光闌、離軸鏡、反射鏡、鏡架、擋光板、箱體等組成；橫臂梁搭載著紅外目標模擬系統箱，因此設計時要保證其有足夠的強度，兩條橫臂梁上軸孔采用一次裝夾加工，從而保證了同軸度誤差在0.02mm以內。紅外目標模擬系統箱焊接在兩橫臂梁頂端，在焊接處設計了限位塊，防止焊接過程中局部過熱造成過量變形，影響系統運轉精度。在支承板兩側加工出－30°～＋30°角度的圓弧槽，以限制俯仰機構的轉動范圍，電機與俯仰機構之間依次連接減速器、聯軸器、傳動軸，帶動俯仰機構轉動的軸的直徑[4]：

式中：為軸端直徑，mm；為安全系數，取值范圍為103～126，為保證傳動軸有足夠的強度，計算時取最大值126；為軸所傳遞的功率，kW；為軸的工作轉速，r/min。經過計算得出軸最小直徑為42.35mm，實物樣機加工時取50mm。

2.2 方位機構

如圖4所示為根據要求設計的方位機構，其功能是帶動俯仰機構在水平方向上－30°～＋30°角度范圍內轉動，電機、減速器固定在方位支承架托架上，方位支承架安裝在轉盤上，為了防止減速器工作過程中發生振動，其固定架采用整體結構，以增加剛度減少變形，考慮之后的布線，在轉臺底座筒上加工出圓孔，驅動方位機構的傳動軸直徑大小根據式(1)計算，得出軸的最小直徑為54.28mm，實物樣機加工時取55mm；為了降低方位機構轉盤和底座筒之間的摩擦力，設計了如圖5所示的滾珠支承座結構，這樣可以減小轉臺系統工作時抖動現象的發生；轉盤位置限定塊用螺釘固定在底座筒的蓋板上，方位機構轉動范圍利用在轉盤上加工出的對稱圓弧槽來限制。

1.滾動軸承 2.絕對式光電位置編碼器 3.紅外光學系統箱 4.黑體輻射源 5.黑體固定架 6.橫臂梁 7.傳動軸 8.兩級減速器 9.伺服電機 10.固定螺母 11.平衡配重塊

1.底座筒 2.肋板 3.絕對式光電位置編碼器 4.電機固定底座 5.減速器 6.伺服電機 7.轉盤 8.限位塊 9.支承球座 10.滾動軸承 11.減速器固定架 12.轉臺底板 13.傳動軸 14.方位支承架

圖5 滾珠支承座結構示意圖

2.3 動平衡計算

機構如果不平衡，在工作過程中容易產生振動，因此必須對轉臺系統進行動平衡處理，動平衡處理辦法有機構平衡和質量平衡，采用機構平衡會使轉臺系統變得復雜，因此采用質量平衡[5]。俯仰機構上紅外光學系統箱所在的一邊橫臂梁長度為1090mm，另一邊橫臂梁長度為290mm，根據不平衡合格量計算公式：

式中：b為不平衡合格量，kg；為轉子質量，kg，此處為58.4kg；為轉子的平衡精度等級，mm/s，此處平衡精度等級取G630；為校正半徑，mm；為工件的工作轉速，r/min，選擇最高轉速10r/min。

經過計算得到俯仰機構的不平衡合格量為32.15kg。因此需要進行配平，根據力矩平衡計算得到配重塊質量為220.67kg，配重塊材質采用碳鋼，用螺母加以鎖緊在橫臂梁一端。方位機構上伺服電機和減速器所在一邊支承架的長度為1150mm，另一邊支承架的長度為955mm，計算時選取同樣的平衡精度等級，得到方位機構平衡配重塊質量為75.35kg。

2.4 總體設計

裝配完成后的紅外熱源轉臺系統整體如圖6所示。圖6(a)所示為用pro/E軟件設計的轉臺系統三維模型，圖6(b)所示為實際加工出的轉臺系統樣機。

3 紅外熱源轉臺系統有限元分析

3.1 系統材料參數

利用ANSYS Workbench軟件來對紅外熱源轉臺系統進行有限元分析[6]，以確保滿足設計指標要求，對轉臺仿真計算需要根據各部件材料參數進行，紅外熱源轉臺系統各部件材料參數明細如表1所示。

3.2 方位支承架靜力分析

方位支承架承載著俯仰機構的轉動，支承架的變形會影響到電機輸出軸與運轉機構的同軸度，因此利用static structural工具箱對方位支承架進行靜力分析，分析得到的應力應變如圖7、圖8所示。

(a) (b)

表1 紅外熱源轉臺系統材料參數明細表

圖7 應力云圖和應變云圖

Fig.7 Strain cloud chart and Stress cloud chart

圖8 改進后的應力云圖和應變云圖

從分析云圖上可以看出，托架發生了較大的形變，其最大形變量為3.62mm，發生形變的主要原因是托架上電機、減速機以及自重對托架產生的應力大于其屈服強度。此變形已經影響到轉臺系統的工作精度，因此對其進行了改進設計，加厚托架可以增加強度，但會使系統重量增加很多，因此考慮在電機托架下面裝上自適應螺紋推桿，調節螺紋推桿使托架的支撐力增大，從圖8改進后的應變云圖上看，其托架的受力形變有所改善，最大形變為0.0017mm，在誤差范圍以內，其實物結構如圖9所示。

圖9 方位支承架改進設計

3.3 測試轉臺模態分析

電機的轉動會產生振動，造成轉臺系統在受迫振動的作用下產生共振，影響系統的精度與平穩性，嚴重可能危及人身安全。因此必須紅外熱源轉臺系統整體進行模態分析，系統的振動方程為[7]：

式中：為質量矩陣；為剛度矩陣；為阻尼矩陣；()為外力矢量。在無外力作用的情況下，()＝0，忽略阻尼的影響，即＝0，則可將振動方程簡化為：

紅外熱源轉臺系統在確定激勵輸入下有確定的動態響應輸出，它們之間的固有關系即頻率響應為：

式中：D表示在點觀測和點的激勵下第1階有效柔度；表示模態阻尼比；表示第階固有頻率。

將pro/E建立的紅外熱源轉臺三維模型導入到ANSYS Workbench軟件中，利用Modal工具箱對整個轉臺系統進行模態分析，為分析的方便，對模型進行簡化，將伺服電機、減速機、黑體等簡化為同等質量和體積的模塊，去除轉臺模型上對分析結果影響小的倒棱倒角，有相對運動的轉盤和底座筒之間、俯仰機構與方位機構之間采用frictional約束，其余固連的零件之間采用bonded約束，然后對模型進行網格劃分，根據表1將轉臺各材料特性參數輸入到軟件中，然后對轉臺模型進行載荷約束，分析求解得到表2所示紅外熱源轉臺系統1～5階的固有頻率，圖10所示為對應的振型云圖，伺服電機為振動源，其控制系統帶寬約為3.5Hz，一階固有頻率是其3.4倍左右，因此不會發生共振，設計合理。

4 試驗誤差分析

表2 測試轉臺1～5階固有頻率表

Fig.10 1-5 order mode shapes cloud chart

則角速度的均方根誤差為：

角速度精度為：

經過計算，轉動角速度精度為0.07%，滿足轉動角速度精度為0.1%技術要求。

再進行定位試驗，即設置轉臺運動到某一位置停住，在系統控制界面設置水平方向與俯仰方向的位置值，兩方向上設置范圍均為－30°～＋30°，設置好后將電機啟動；在運轉的過程中，控制界面會接收到轉臺實時的位置值，同時利用23面體角度標準量具和自準平行光管進行角度測量，角度真實值為，光管測量值，誤差：

D＝2p/23－＋,＝1,2,…,(9)

則位置誤差D＝max(－)，計算得到位置誤差為±12′，滿足技術指標。

5 結論

根據技術指標設計了紅外熱源轉臺系統，首先對轉臺的框架類型進行了方案選擇，利用pro/E軟件主要對轉臺系統的俯仰機構和方位機構進行了設計計算，為了使系統運轉平穩，在設計過程中對動平衡進行了分析計算，為了保證紅外熱源測試轉臺的可靠性，將三維模型導入到ANSYS中，對轉臺系統的托架進行了靜力學分析，對不滿足強度要求的地方進行了改進加固設計，對轉臺系統整體進行了模態分析，確保了系統運轉時穩定不發生共振；通過勻速和定位兩種模式的試驗以及誤差分析驗證了所設計的轉臺系統符合技術要求，能夠滿足導引頭的測試要求，系統模擬了一定條件下導引頭的測環境，后續工作還需對將更多工作環境考慮進去[10]。

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Design and Analysis of Infrared Heat Source Turntable System Based on Seeker Test

REN Taotao1，QIU Yafeng1，CHANG Jinbiao2，WU Wenbin1

(1.,,210094,;2.,211100,)

In order to test the infrared guidance missile seeker’s ability to capture and track signals, an infrared heat source two-dimensional turntable system was designed；different frame structures were compared and selected；pitching andazimuth institutions were designed by Pro/E；the turntable system dynamic balance was analysed and calculated；and statics analysis was done by ANSYS software. To ensure the requirements of strength, vibration modal analysis was done to ensure the requirements of stable and no resonate. Through two kinds of model experiments and error analysis, the design of the turntable system is proved to meet the requirements of the parameters.

seeker test，infrared heat source，two dimensional turntable，finite element analysis，error analysis

TJ760.2

A

1001-8891(2017)03-0266-07

2016-05-11；

2016-06-23.

任桃桃（1990-），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：光機電系統設計與研究。E-mail: jsrtt@qq.com。

邱亞峰（1966-），男，副教授，研究方向：光機電系統設計與研究。