一種機載球形轉臺的設計與分析

薛 珊，孫金煥，張 羽，賈 冰，呂瓊瑩

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

一種機載球形轉臺的設計與分析

薛 珊，孫金煥，張 羽，賈 冰，呂瓊瑩

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

為了使得無人機載轉臺擁有更小的體積和質量，提出了一種新型機載球形轉臺的設計，該轉臺采用壓電裝置作為驅動源，取代了傳統的電磁電機，并且替換了傳統的串聯驅動方式而采用了結構較為緊湊的并聯驅動方式，從而達到了縮小轉臺體積，減少轉臺質量的目的。轉臺方位軸和俯仰軸的轉動分別由一對驅動足獨立驅動，以實現轉臺對目標的跟蹤。將轉臺的數字化模型導入到Adams中進行多體動力學仿真，結果表明轉臺可以實現多方位旋轉，符合預期。采用了Creo4.0軟件對球形轉臺進行了建模，在給模型賦完材料后顯示，該球形轉臺與擁有相同驅動力矩的電磁電機相比，質量減小了48%，體積減小了將近29%。將球形轉臺的有限元模型簡化并導入ANSYS中進行模態分析，結果顯示該球形轉臺的前六階固有頻率在1kHz到10kHz之間，而工況中干擾頻率在100Hz以下，因此不會產生共振情況，而且各振型中最大形變量符合國家標準，保證了該轉臺的剛度。該球形轉臺的設計對同類轉臺的設計提供了借鑒。

球形轉臺；結構設計；多體動力學分析；模態分析

0 引言

轉臺作為一種精度和分辨率都較高的設備，被廣泛應用在個各種領域比如火炮系統中火控雷達[1]、無人機上的吊艙、還有各種仿真測試方面等等[2]。目前機載轉臺多為二軸串聯轉臺[3]，而隨著無人機微型化，機載轉臺的體積與質量勢必需要壓縮，如何設計轉臺使其在滿足功能的基礎上擁有更小的體積和質量成為了近期的研究熱點。因此本文設計了一種機載球形轉臺，該轉臺采用壓電裝置作為驅動源，而壓電驅動擁有結構簡單緊湊，精度高等特點[4～6]，并且該轉臺替換了傳統的二軸串聯驅動方式，采用了并聯驅動方式，最終使球形轉臺在能夠實現轉臺功能的基礎上擁有更小的體積與質量。

1 機載球形轉臺的結構設計

設計的機載球形轉臺需要實現各方向的轉動，因此選擇了并聯驅動，由兩對驅動足分別負責方位和俯仰方向的轉動。

設計的機載球形轉臺主要包括并聯驅動部分、負載部分和底座等。由于采用并聯驅動，不再需要軸承和編碼器，因此結構相對串聯結構簡單很多。采用Creo4.0軟件對其進行數字化建模，轉臺的結構示意圖如圖1所示。

圖1 機載球形轉臺示意圖

為了后續分析，首先需將光學元件模型簡化，簡化后模型及元件分布如圖2所示。

圖2 機載球形轉臺結構示意圖

白色的標號為1壓電片，標號為2的是驅動足，每個驅動足都貼有16片壓電片，是該機載球形轉臺的驅動來源，依靠壓電材料的逆壓電效應來產生高頻振動從而使驅動足能夠驅動中間標號為3的球外殼，其中上下一對驅動足負責球殼的俯仰運動，而左右一對則負責球殼的方位軸轉動，從而實現多方位轉動。標號4、5、6為光學設備，7為光學設備固定架，8為光學設備固定架和球殼的連接架，9為球殼與底座的連接固定件，類似一個球鉸限制了球殼3個自由度，最后10為底座，作為機架連接件。

2 機載球形轉臺Adams多體動力學仿真

運用Adams對已建立的機載球形轉臺模型進行多體動力學仿真分析，模擬機載球形轉臺在旋轉過程中的運動特性，驗證其是否滿足功能要求，結構設計是否合理。

首先將簡化模型導入到Adams中，由于運動部位是個回轉體，在回轉過程中變化不明顯，無法感知它是否按照要求運動，因此導入后，在不影響后續分析的前提下，對球做了標記，即在球面上標記了一個面，如此就能在轉臺運動時清晰的觀察到球體的運動軌跡。其后對各個部件添加約束。在施加驅動時，由于方位方向和俯仰方向的驅動原理一樣，因此選擇了方位方向的驅動做仿真展示。具體運動過程如圖3(a)～圖3(d)所示。

如圖3所示，該球形轉臺可實現方位軸方向的周轉運動。

其中取出了一對驅動足中的一個，在驅動足尖端與被驅動的球殼間的接觸點的力進行了檢測，檢測結果如圖4所示。

圖3 轉臺旋轉一周仿真運動狀態圖

圖4 驅動足與被驅動面之間的接觸力

如圖4所示，在旋轉運動中，其所受的徑向力為一個成周期變化的力，其大小關于原點對稱，做的總功為0，對驅動不做貢獻；其所受的周向力也是成三角函數變化，落后徑向力一定相位，只是它的變化原點和x軸不重合，不過最小值剛好在x軸上，至于負值只是表示相反方向，該力一直做功，對驅動起主要貢獻；垂直于運動方向不產生力。結果表明運動中受力符合預期。

同理，俯仰軸方向也能實現周轉運動。綜上所述，該轉臺可以實現方位和俯仰方向的轉動，從而實現轉臺的功能要求。

3 機載球形轉臺的模態分析

3.1 模型的材料選擇

首先將簡化模型保存成x_t格式，然后導入到ANSYS Workbench中，然后給各個構件賦材料，圖2中標號1賦壓電材料，由于ANSYS 15.0的Workbench中默認沒有壓電材料，所以需要自己新建材料，然后再賦給構件，標號的采用AI2014，標號3、7、8、9、10賦的是45號鋼，其余賦的也是自定義的塑料材料，其中各材料的參數如表1所示。賦完所有材料后Creo4.0就能顯示其質量、體積參數，該轉臺體積尺寸達Φ64×46mm3，總質量只有0.248kg，與現有大型吊艙小了差不多一個數量級，與擁有相同力矩的由電磁電機驅動的典型轉臺MicroBAT275相比，質量輕了48%，體積小了29%。

表1 各材料主要參數表

3.2 網格劃分

完成材料給定后，進行網格劃分，網格劃分的質量好壞直接影響到后面模態分析，理論上網格越小越好，但是網格一旦太小，對計算量是一個很大負擔，計算量大了以后一方面分析將需要很多的時間用來分析，有時當分析元件體積過大，而網格過小，會導致計算機內存溢出，分析失敗，所以在這網格質量與網格大小之間應取一個最優方案。

畸變度和網格質量作為評判網格質量重要的參數[7]，是網格劃分后必考慮的評價標準，畸變度的值越接近于0越好，網格質量的值越接近于1越好。該模型先采用了最簡單的自動網格劃分后，畸變度的值為0.63，網格質量的值為0.46。

圖5 自動網格劃分圖

然后對網格劃分進行特殊方法設置，在有孔處進行了細化處理，有些比較規則的則進行了掃略處理，更多的是根據不同尺寸的元件進行了尺寸控制，改進后的網格劃分模型如圖7所示。網格的畸變度的值達到了0.28，比自動劃分的網格提高了25%。網格質量的值達到了0.79，質量提高了39%。

圖6 加入特殊控制方法后的網格劃分圖

3.3 機載球形轉臺的模態分析

固有頻率作為一個機械系統的本征頻率，即只要一個機械系統的結構確定了，那么它的固有頻率也就確定了。當外界刺激頻率達到機械系統的固有頻率時，機械系統會發生共振，而共振對于一個機械系統而言那是致命的，將會對機械系統產生極大程度的破壞[8]。因此在一個機械系統的結構設計完成以后，需要對其固有頻率進行檢測，而此處進行的模態分析就是為了找出系統的固有頻率及其對應的振型。在設置完約束之后，進行了機載球形轉臺的前6階模態分析，得出了前6階的固有頻率如圖8所示。其中一階和二階模態對應的振型如圖9(a)和9(b)所示。

圖7 機載球形轉臺前6階固有頻率圖

如圖8所示，機載球形轉臺的固有頻率都在1kHz以上，10kHz以下，而機載球形轉臺的工況的干擾頻率一般都在100Hz以下，壓電材料在工作時其驅動的頻率則一般在80kHz左右，所以這三者之間不會相互干擾或者產生共振。由圖9可知前二階振型的最大形變量都符合國家標準，因此可以保證轉臺的剛度。

4 結論

1）運用壓電并聯驅動代替傳統的串聯電磁驅動，進行了新型的機載球形轉臺設計，并運用Creo4.0對其進行了數字化建模，在介紹了其結構組成后，講述了其運動機理，從理論上確定了轉臺運作的可行性。

2）將轉臺的數字化模型簡化并導入Adams中進行了多體動力學仿真，驗證了模型可行性，同時還檢測了關鍵部位受力，符合預期。

3）對轉臺的有限元模型進行必要的簡化，將其導入到ANSYS Workbench中進行了模態分析，得出了機載球形轉臺前六階的固有頻率和前二階振型圖，結果表明機載球形轉臺在工作時不會產生共振，并且其剛度符合國家標準。

圖8 機載球形轉臺前二階振型圖

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Design and analysis of an airborne spherical turntable

XUE Shan, SUN Jin-huan, ZHANG Yu, JIA Bing, LYU Qiong-ying

TH12

：A

1009-0134(2017)06-0112-04

2017-03-21

吉林省科技發展計劃項目（20160204015G X）

薛珊（1978 -），女，黑龍江人，副教授，博士，主要從事結構設計與分析研究。