車載高精度搜跟一體三軸轉臺結構設計與分析*

□ 黃曉英 □ 梁文宏 □ 王洪喜

西安工業大學 機電工程學院 西安 710024

1 設計背景

隨著航空航天技術、微電子技術、信息技術等的發展,無人機在航拍、救援、偵察等領域發揮著越來越重要的作用。另一方面,無人機頻繁闖入禁飛空域,尤其是機場、軍事設施等重要區域,存在嚴重安全隱患,對社會造成了很大影響。對此,需要一種高精度便攜式平臺,具備反應迅速、輕量化、便于攜帶的特點,可以作為干擾槍、武器系統、光電系統等不同功能模塊的載具,具有良好的適應性,能夠有效解決大型會議、機場附近空域、禁飛區、軍事區域等的安保問題,甚至可以部署到一線作戰單位。

國內外在小型多軸跟蹤轉臺方面已有一定研究。蔣曉剛等[1]設計了一種三軸慣導測試轉臺,結構緊湊,通過分析轉臺的交叉耦合問題進行補償,從而提高轉臺結構的穩定性。高國華等[2]采用俯仰方位型兩軸轉臺結構形式,設計了一種伺服跟蹤轉臺,帶動光電設備跟蹤目標。Li Jie[3]優化設計了一款高精密光電跟蹤轉臺,實現了高精度、高剛度和小體積。Liu Yongguang等[4]設計了一種大型目標跟蹤平臺,具有較大的承載能力。林心龍等[5]設計了一種精密跟蹤轉臺,通過軸系優化實現了高精度。目前,轉臺產品雖然有很多,但是通常在功能上僅能實現單一搜索或跟蹤,無法實現搜跟一體,而且大多數轉臺無法兼具較高的承載能力和較輕的質量。

筆者將雷達與打擊設備相結合,設計了一種車載便攜式高精度小目標搜跟一體三軸轉臺,屬于集搜索、跟蹤、打擊于一體的綜合系統。雷達設備通過360°無死角掃描功能,實現對機動目標的高精度平穩跟蹤,為精確打擊目標奠定了基礎。打擊設備可以在瞄準目標的同時將其摧毀。質量小于20 kg的輕量化設計,使轉臺能夠裝載在車上或單兵攜帶。搜跟一體三軸轉臺打破了單一搜索跟蹤設備或單一打擊設備的局限,實現了多功能一體化設計。

2 技術指標

搜跟一體三軸轉臺的結構設計直接影響雷達掃描機構的跟蹤精度和打擊設備的準確性,因此要求搜跟一體三軸轉臺具有較大的結構剛度和較高的測角精度,同時在各種載荷作用下,軸系精度和結構尺寸都能夠保持穩定。

通過對搜跟一體三軸轉臺特性和應用環境進行分析,要求搜跟一體三軸轉臺具有較高的動態跟蹤精度。搜跟一體三軸轉臺主要技術指標見表1,質量小于20 kg,外形尺寸為φ250 mm×800 mm。

表1 搜跟一體三軸轉臺主要技術指標

3 機械結構

搜跟一體三軸轉臺的結構形式采取雙方位俯仰型。從負荷、精度、轉動慣量等因素進行考慮,在提高響應速度、減小慣量的同時,要求保證兩個方位轉臺的剛度,因此選擇采用立式結構。立式結構與臥式結構相比,具有較大的承載能力和較高的可靠性,而且能夠有效減小轉臺的質量。搜跟一體三軸轉臺結構緊湊,安裝方便,在某些零部件出現損壞時可以直接拆卸更換,而不用對整體結構進行拆卸,減小了工作量,同時也避免了多次拆卸重裝導致的安裝誤差。

搜跟一體三軸轉臺簡化模型如圖1所示,結構如圖2所示。搜跟一體三軸轉臺主要實現兩個功能。搜索功能由底部方位軸系1完成,方位軸系1上安裝雷達。跟蹤功能由中間的方位軸系2和頂部的俯仰軸系完成,方位軸系2上安裝俯仰機構,俯仰軸系上安裝打擊設備,可以在瞄準的同時打擊摧毀目標。搜跟一體三軸轉臺的方位和俯仰運動相互配合,實現多目標的跟蹤打擊。搜跟一體三軸轉臺由雙方位軸系、俯仰軸系、軸承、編碼器、電機、導電滑環等組成。

搜跟一體三軸轉臺實現方位和俯仰兩個方向的轉動。采用空心軸伺服電機直連驅動,不僅可以減小轉矩損耗,而且能夠有效節省空間,簡化結構。采用高精度交叉圓柱滾子軸承,能夠同時承受軸向力和徑向力,提高了承載能力和穩定性。

▲圖1 搜跟一體三軸轉臺簡化模型

▲圖2 搜跟一體三軸轉臺結構

測量系統主要包括角位置傳感器和導電滑環。角位置傳感器可以將轉臺位置和速度信號轉換為相應的電信號。采用非接觸式絕對值磁感式角度編碼器,可以在惡劣溫度和強振動環境中正常工作,測量精度達到0.005°。采用導電滑環,可以實現方位轉臺的無限制連續旋轉。

搜跟一體三軸轉臺工作過程中,利用方位和俯仰的組合運動實現全方位掃描與跟蹤。方位轉臺1與方位轉臺2各自可以360°連續旋轉運動,互不干涉。打擊設備在俯仰軸系的驅動下可以豎直方向-20°～ 90°、水平位置0°俯仰旋轉運動。各方面運動相互配合,即可實現全方位多目標無死角打擊。搜跟一體三軸轉臺可以完成其它兩三個轉臺才能完成的角度覆蓋,大大提高了設備的用途廣泛性和經濟性。

4 有限元靜力學仿真分析

為保證搜跟一體三軸轉臺具有良好的力學性能,采用有限元法建立搜跟一體三軸轉臺三維模型,對搜跟一體三軸轉臺進行力學特性仿真分析,得到搜跟一體三軸轉臺結構強度、剛度、固有頻率等特性,從而有利于對搜跟一體三軸轉臺進行結構優化。

建立搜跟一體三軸轉臺的有限元模型。有限元模型的建立是仿真分析中極為重要的一步,因為有限元分析的對象不是真實的結構,而是理想化的模型,因此需要對原有幾何模型進行合理的簡化處理。在建模中,忽略螺釘、圓角、倒角等結構,并對電機、軸承等復雜零部件進行簡化處理。對模型進行簡化處理,既能使有限元分析保持一定的精度,又能提高網格劃分質量,加快計算速度。

在建立搜跟一體三軸轉臺的有限元模型之前,需要對各零部件配置相應的材料屬性。將電機、軸承等復雜零部件等效為實體,根據體積和質量設定密度,根據主要材料設定彈性模量和泊松比。搜跟一體三軸轉臺各零部件的材料屬性見表2。

表2 搜跟一體三軸轉臺零部件材料屬性

對簡化后的搜跟一體三軸轉臺有限元模型進行網格劃分。采用自動網格劃分方式,能夠實現四面體與掃掠型網格劃分之間的自動切換。當幾何體不規則時,會自動生成四面體網格。當幾何體規則時,會自動生成六面體網格[6]。搜跟一體三軸轉臺網格劃分有限元模型如圖3所示,轉臺螺紋連接處、轉臺臺面和底座等部分網格劃分較密,外殼體部分網格劃分較疏。搜跟一體三軸轉臺模型共劃分398 431個節點,226 630個單元。

對搜跟一體三軸轉臺的關鍵零部件,如立柱、俯仰軸、打擊設備安裝板等進行靜力學強度分析,以確保設備安全及各項技術指標正常。

搜跟一體三軸轉臺的主要載荷來自于工作時的振動、風載,以及運輸過程中由于汽車加速、減速、剎車和路面顛簸等因素而產生的隨機振動。

對關鍵零部件俯仰軸進行材質設定,選擇材料為45號鋼,施加載荷和約束,進行運動算例分析,得到最大應力為14.759 MPa,小于材料的許用扭轉切應力(25 MPa);得到最大變形為0.004 978 5 mm,小于材料的額定最大變形量(0.01 mm)。可見,搜跟一體三軸轉臺結構的強度和剛度均滿足設計要求。

▲圖3 搜跟一體三軸轉臺網格劃分有限元模型

5 動力學仿真分析

5.1 模態分析

模態分析主要研究系統在無阻尼狀態下自身的振動特性,主要表現為系統的固有頻率與振型[7]。為避免在外力作用下產生共振而損壞,對搜跟一體三軸轉臺進行模態分析,了解搜跟一體三軸轉臺的動態特性,以避開共振區域[8]。模態分析是動力學分析的基礎,在搜跟一體三軸轉臺結構設計初始階段進行必要的模態分析,可以作為設計的理論參考依據,以保證搜跟一體三軸轉臺具有合理的結構特性,滿足性能要求。

搜跟一體三軸轉臺的動力學基本運動方程為:

={f(t)}

(1)

對搜跟一體三軸轉臺進行模態分析時,由于搜跟一體三軸轉臺結構的固有特性與外界載荷無關,因此可以忽略外部載荷影響。在動力學運動方程基礎上,去掉阻尼項和外力作用的影響,將式(1)變為:

(2)

對設置好的搜跟一體三軸轉臺網格劃分有限元模型進行無預應力模態分析,各零部件之間采用默認綁定接觸,在底座添加固定約束。通過模態仿真,可以直觀地看到搜跟一體三軸轉臺各階固有頻率和振型。結構的低階模態相比高階模態對系統動態響應的影響較大[9],因此提取搜跟一體三軸轉臺前六階模態固有頻率,見表3,前四階振型如圖4所示。

搜跟一體三軸轉臺在工作時主要受到電機的激勵,電機激勵頻率為10～25 Hz。由表3可知,搜跟一體三軸轉臺的一階固有頻率為145.47 Hz,遠遠高于搜跟一體三軸轉臺的主要激勵頻率,其它各階固有頻率則均高于一階固有頻率。所以,搜跟一體三軸轉臺在工作時不會發生共振,結構設計滿足要求。

表3 搜跟一體三軸轉臺各階模態固有頻率

▲圖4 搜跟一體三軸轉臺前四階振型

5.2 隨機振動分析

搜跟一體三軸轉臺要實現動態目標跟蹤,必須應對車輛行駛過程中的隨機振動,主要考慮在垂向受到路面顛簸產生的載荷。搜跟一體三軸轉臺的隨機振動分析是在模態分析基礎上進行的,振動激勵譜選用加速度譜。按照GJB 150.16—1986《軍用設備環境試驗方法 振動試驗》標準[10],搜跟一體三軸轉臺垂向承受的路面譜如圖5所示。

▲圖5 搜跟一體三軸轉臺垂向路面譜

對搜跟一體三軸轉臺加載垂向加速度激勵,輸入不同頻率對應的功率譜密度,設定邊界條件為全部固定約束,得到在垂向載荷作用下的最大變形和最大應力。根據設計經驗,通常按照3σ響應結果進行分析。搜跟一體三軸轉臺的應力與變形云圖分別如圖6、圖7所示。

▲圖6 垂向隨機振動下搜跟一體三軸轉臺應力云圖

▲圖7 垂向隨機振動下搜跟一體三軸轉臺變形云圖

由圖6可知,垂向隨機振動下,搜跟一體三軸轉臺的最大應力為0.313 34 MPa,位于方位軸與底座連接處。方位軸材料選用鈦合金,許用應力為270 MPa,遠大于搜跟一體三軸轉臺的最大應力,因此不會引起搜跟一體三軸轉臺零部件損壞。由圖7可知,垂向隨機振動下,搜跟一體三軸轉臺最大變形為0.000 314 42 mm,可以忽略不計。搜跟一體三軸轉臺模型的固有頻率較高,在較大振動功率密度譜激勵下沒有出現不可容忍的應力與變形,由此確認這一搜跟一體三軸轉臺的結構完全滿足使用要求。

6 結束語

筆者設計了一款車載便攜式高精度小目標搜跟一體三軸轉臺,能夠在搜索跟蹤的同時打擊摧毀目標,是集搜索、跟蹤、打擊于一體的綜合系統。

搜跟一體三軸轉臺的軸系精度高,采用測量精度為0.005°的角度編碼器,實現了高精度、高效、可靠工作。

搜跟一體三軸轉臺材料多采用鋁合金,方位軸采用鈦合金,密度小,質量輕。采用立式結構,電機直接套軸驅動,結構緊湊,整體質量小于 20 kg,實現了輕量化設計,能夠方便地裝載在車輛上或者用于單兵攜帶。

筆者通過靜力學分析驗證了搜跟一體三軸轉臺的強度、剛度均滿足設計要求。通過模態分析得到搜跟一體三軸轉臺結構的前六階固有頻率在145.47～1 054.1 Hz范圍內,遠遠高于車載時的激勵頻率,所以搜跟一體三軸轉臺在工作時不會產生共振。通過隨機振動分析,驗證了這一搜跟一體三軸轉臺的結構設計安全可行。