一种机载球形转台的设计与分析

薛 珊，孙金焕，张 羽，贾 冰，吕琼莹

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

一种机载球形转台的设计与分析

薛 珊，孙金焕，张 羽，贾 冰，吕琼莹

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

为了使得无人机载转台拥有更小的体积和质量，提出了一种新型机载球形转台的设计，该转台采用压电装置作为驱动源，取代了传统的电磁电机，并且替换了传统的串联驱动方式而采用了结构较为紧凑的并联驱动方式，从而达到了缩小转台体积，减少转台质量的目的。转台方位轴和俯仰轴的转动分别由一对驱动足独立驱动，以实现转台对目标的跟踪。将转台的数字化模型导入到Adams中进行多体动力学仿真，结果表明转台可以实现多方位旋转，符合预期。采用了Creo4.0软件对球形转台进行了建模，在给模型赋完材料后显示，该球形转台与拥有相同驱动力矩的电磁电机相比，质量减小了48%，体积减小了将近29%。将球形转台的有限元模型简化并导入ANSYS中进行模态分析，结果显示该球形转台的前六阶固有频率在1kHz到10kHz之间，而工况中干扰频率在100Hz以下，因此不会产生共振情况，而且各振型中最大形变量符合国家标准，保证了该转台的刚度。该球形转台的设计对同类转台的设计提供了借鉴。

球形转台；结构设计；多体动力学分析；模态分析

0 引言

转台作为一种精度和分辨率都较高的设备，被广泛应用在个各种领域比如火炮系统中火控雷达[1]、无人机上的吊舱、还有各种仿真测试方面等等[2]。目前机载转台多为二轴串联转台[3]，而随着无人机微型化，机载转台的体积与质量势必需要压缩，如何设计转台使其在满足功能的基础上拥有更小的体积和质量成为了近期的研究热点。因此本文设计了一种机载球形转台，该转台采用压电装置作为驱动源，而压电驱动拥有结构简单紧凑，精度高等特点[4～6]，并且该转台替换了传统的二轴串联驱动方式，采用了并联驱动方式，最终使球形转台在能够实现转台功能的基础上拥有更小的体积与质量。

1 机载球形转台的结构设计

设计的机载球形转台需要实现各方向的转动，因此选择了并联驱动，由两对驱动足分别负责方位和俯仰方向的转动。

设计的机载球形转台主要包括并联驱动部分、负载部分和底座等。由于采用并联驱动，不再需要轴承和编码器，因此结构相对串联结构简单很多。采用Creo4.0软件对其进行数字化建模，转台的结构示意图如图1所示。

图1 机载球形转台示意图

为了后续分析，首先需将光学元件模型简化，简化后模型及元件分布如图2所示。

图2 机载球形转台结构示意图

白色的标号为1压电片，标号为2的是驱动足，每个驱动足都贴有16片压电片，是该机载球形转台的驱动来源，依靠压电材料的逆压电效应来产生高频振动从而使驱动足能够驱动中间标号为3的球外壳，其中上下一对驱动足负责球壳的俯仰运动，而左右一对则负责球壳的方位轴转动，从而实现多方位转动。标号4、5、6为光学设备，7为光学设备固定架，8为光学设备固定架和球壳的连接架，9为球壳与底座的连接固定件，类似一个球铰限制了球壳3个自由度，最后10为底座，作为机架连接件。

2 机载球形转台Adams多体动力学仿真

运用Adams对已建立的机载球形转台模型进行多体动力学仿真分析，模拟机载球形转台在旋转过程中的运动特性，验证其是否满足功能要求，结构设计是否合理。

首先将简化模型导入到Adams中，由于运动部位是个回转体，在回转过程中变化不明显，无法感知它是否按照要求运动，因此导入后，在不影响后续分析的前提下，对球做了标记，即在球面上标记了一个面，如此就能在转台运动时清晰的观察到球体的运动轨迹。其后对各个部件添加约束。在施加驱动时，由于方位方向和俯仰方向的驱动原理一样，因此选择了方位方向的驱动做仿真展示。具体运动过程如图3(a)～图3(d)所示。

如图3所示，该球形转台可实现方位轴方向的周转运动。

其中取出了一对驱动足中的一个，在驱动足尖端与被驱动的球壳间的接触点的力进行了检测，检测结果如图4所示。

图3 转台旋转一周仿真运动状态图

图4 驱动足与被驱动面之间的接触力

如图4所示，在旋转运动中，其所受的径向力为一个成周期变化的力，其大小关于原点对称，做的总功为0，对驱动不做贡献；其所受的周向力也是成三角函数变化，落后径向力一定相位，只是它的变化原点和x轴不重合，不过最小值刚好在x轴上，至于负值只是表示相反方向，该力一直做功，对驱动起主要贡献；垂直于运动方向不产生力。结果表明运动中受力符合预期。

同理，俯仰轴方向也能实现周转运动。综上所述，该转台可以实现方位和俯仰方向的转动，从而实现转台的功能要求。

3 机载球形转台的模态分析

3.1 模型的材料选择

首先将简化模型保存成x_t格式，然后导入到ANSYS Workbench中，然后给各个构件赋材料，图2中标号1赋压电材料，由于ANSYS 15.0的Workbench中默认没有压电材料，所以需要自己新建材料，然后再赋给构件，标号的采用AI2014，标号3、7、8、9、10赋的是45号钢，其余赋的也是自定义的塑料材料，其中各材料的参数如表1所示。赋完所有材料后Creo4.0就能显示其质量、体积参数，该转台体积尺寸达Φ64×46mm3，总质量只有0.248kg，与现有大型吊舱小了差不多一个数量级，与拥有相同力矩的由电磁电机驱动的典型转台MicroBAT275相比，质量轻了48%，体积小了29%。

表1 各材料主要参数表

3.2 网格划分

完成材料给定后，进行网格划分，网格划分的质量好坏直接影响到后面模态分析，理论上网格越小越好，但是网格一旦太小，对计算量是一个很大负担，计算量大了以后一方面分析将需要很多的时间用来分析，有时当分析元件体积过大，而网格过小，会导致计算机内存溢出，分析失败，所以在这网格质量与网格大小之间应取一个最优方案。

畸变度和网格质量作为评判网格质量重要的参数[7]，是网格划分后必考虑的评价标准，畸变度的值越接近于0越好，网格质量的值越接近于1越好。该模型先采用了最简单的自动网格划分后，畸变度的值为0.63，网格质量的值为0.46。

图5 自动网格划分图

然后对网格划分进行特殊方法设置，在有孔处进行了细化处理，有些比较规则的则进行了扫略处理，更多的是根据不同尺寸的元件进行了尺寸控制，改进后的网格划分模型如图7所示。网格的畸变度的值达到了0.28，比自动划分的网格提高了25%。网格质量的值达到了0.79，质量提高了39%。

图6 加入特殊控制方法后的网格划分图

3.3 机载球形转台的模态分析

固有频率作为一个机械系统的本征频率，即只要一个机械系统的结构确定了，那么它的固有频率也就确定了。当外界刺激频率达到机械系统的固有频率时，机械系统会发生共振，而共振对于一个机械系统而言那是致命的，将会对机械系统产生极大程度的破坏[8]。因此在一个机械系统的结构设计完成以后，需要对其固有频率进行检测，而此处进行的模态分析就是为了找出系统的固有频率及其对应的振型。在设置完约束之后，进行了机载球形转台的前6阶模态分析，得出了前6阶的固有频率如图8所示。其中一阶和二阶模态对应的振型如图9(a)和9(b)所示。

图7 机载球形转台前6阶固有频率图

如图8所示，机载球形转台的固有频率都在1kHz以上，10kHz以下，而机载球形转台的工况的干扰频率一般都在100Hz以下，压电材料在工作时其驱动的频率则一般在80kHz左右，所以这三者之间不会相互干扰或者产生共振。由图9可知前二阶振型的最大形变量都符合国家标准，因此可以保证转台的刚度。

4 结论

1）运用压电并联驱动代替传统的串联电磁驱动，进行了新型的机载球形转台设计，并运用Creo4.0对其进行了数字化建模，在介绍了其结构组成后，讲述了其运动机理，从理论上确定了转台运作的可行性。

2）将转台的数字化模型简化并导入Adams中进行了多体动力学仿真，验证了模型可行性，同时还检测了关键部位受力，符合预期。

3）对转台的有限元模型进行必要的简化，将其导入到ANSYS Workbench中进行了模态分析，得出了机载球形转台前六阶的固有频率和前二阶振型图，结果表明机载球形转台在工作时不会产生共振，并且其刚度符合国家标准。

图8 机载球形转台前二阶振型图

[1] 薛乐堂.车载光电跟瞄系统控制技术研究[D].长春:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2016.

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[3] 王纯阳.多旋翼无人机用单载荷光电稳定平台结构设计[D].长春:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所), 2015.

[4] 程廷海,王良,高焓,等.多波长激振模式的螺纹副驱动型超声电机[J].电机与控制学报,2015,19(3): 25-29.

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[7] 张洪梅.三维六面体网格自适应生成算法研究及其应用[D].山东:山东大学,2007.

[8] 程鹏.基于阻抗响应的磁弹性传感器共振频率测量系统[J].光学精密工程,2014,22(11):3012-3018.

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

吉林省科技发展计划项目（20160204015G X）

薛珊（1978 -），女，黑龙江人，副教授，博士，主要从事结构设计与分析研究。