车载高精度搜跟一体三轴转台结构设计与分析*

□ 黄晓英 □ 梁文宏 □ 王洪喜

西安工业大学 机电工程学院 西安 710024

1 设计背景

随着航空航天技术、微电子技术、信息技术等的发展,无人机在航拍、救援、侦察等领域发挥着越来越重要的作用。另一方面,无人机频繁闯入禁飞空域,尤其是机场、军事设施等重要区域,存在严重安全隐患,对社会造成了很大影响。对此,需要一种高精度便携式平台,具备反应迅速、轻量化、便于携带的特点,可以作为干扰枪、武器系统、光电系统等不同功能模块的载具,具有良好的适应性,能够有效解决大型会议、机场附近空域、禁飞区、军事区域等的安保问题,甚至可以部署到一线作战单位。

国内外在小型多轴跟踪转台方面已有一定研究。蒋晓刚等[1]设计了一种三轴惯导测试转台,结构紧凑,通过分析转台的交叉耦合问题进行补偿,从而提高转台结构的稳定性。高国华等[2]采用俯仰方位型两轴转台结构形式,设计了一种伺服跟踪转台,带动光电设备跟踪目标。Li Jie[3]优化设计了一款高精密光电跟踪转台,实现了高精度、高刚度和小体积。Liu Yongguang等[4]设计了一种大型目标跟踪平台,具有较大的承载能力。林心龙等[5]设计了一种精密跟踪转台,通过轴系优化实现了高精度。目前,转台产品虽然有很多,但是通常在功能上仅能实现单一搜索或跟踪,无法实现搜跟一体,而且大多数转台无法兼具较高的承载能力和较轻的质量。

笔者将雷达与打击设备相结合,设计了一种车载便携式高精度小目标搜跟一体三轴转台,属于集搜索、跟踪、打击于一体的综合系统。雷达设备通过360°无死角扫描功能,实现对机动目标的高精度平稳跟踪,为精确打击目标奠定了基础。打击设备可以在瞄准目标的同时将其摧毁。质量小于20 kg的轻量化设计,使转台能够装载在车上或单兵携带。搜跟一体三轴转台打破了单一搜索跟踪设备或单一打击设备的局限,实现了多功能一体化设计。

2 技术指标

搜跟一体三轴转台的结构设计直接影响雷达扫描机构的跟踪精度和打击设备的准确性,因此要求搜跟一体三轴转台具有较大的结构刚度和较高的测角精度,同时在各种载荷作用下,轴系精度和结构尺寸都能够保持稳定。

通过对搜跟一体三轴转台特性和应用环境进行分析,要求搜跟一体三轴转台具有较高的动态跟踪精度。搜跟一体三轴转台主要技术指标见表1,质量小于20 kg,外形尺寸为φ250 mm×800 mm。

表1 搜跟一体三轴转台主要技术指标

3 机械结构

搜跟一体三轴转台的结构形式采取双方位俯仰型。从负荷、精度、转动惯量等因素进行考虑,在提高响应速度、减小惯量的同时,要求保证两个方位转台的刚度,因此选择采用立式结构。立式结构与卧式结构相比,具有较大的承载能力和较高的可靠性,而且能够有效减小转台的质量。搜跟一体三轴转台结构紧凑,安装方便,在某些零部件出现损坏时可以直接拆卸更换,而不用对整体结构进行拆卸,减小了工作量,同时也避免了多次拆卸重装导致的安装误差。

搜跟一体三轴转台简化模型如图1所示,结构如图2所示。搜跟一体三轴转台主要实现两个功能。搜索功能由底部方位轴系1完成,方位轴系1上安装雷达。跟踪功能由中间的方位轴系2和顶部的俯仰轴系完成,方位轴系2上安装俯仰机构,俯仰轴系上安装打击设备,可以在瞄准的同时打击摧毁目标。搜跟一体三轴转台的方位和俯仰运动相互配合,实现多目标的跟踪打击。搜跟一体三轴转台由双方位轴系、俯仰轴系、轴承、编码器、电机、导电滑环等组成。

搜跟一体三轴转台实现方位和俯仰两个方向的转动。采用空心轴伺服电机直连驱动,不仅可以减小转矩损耗,而且能够有效节省空间,简化结构。采用高精度交叉圆柱滚子轴承,能够同时承受轴向力和径向力,提高了承载能力和稳定性。

▲图1 搜跟一体三轴转台简化模型

▲图2 搜跟一体三轴转台结构

测量系统主要包括角位置传感器和导电滑环。角位置传感器可以将转台位置和速度信号转换为相应的电信号。采用非接触式绝对值磁感式角度编码器,可以在恶劣温度和强振动环境中正常工作,测量精度达到0.005°。采用导电滑环,可以实现方位转台的无限制连续旋转。

搜跟一体三轴转台工作过程中,利用方位和俯仰的组合运动实现全方位扫描与跟踪。方位转台1与方位转台2各自可以360°连续旋转运动,互不干涉。打击设备在俯仰轴系的驱动下可以竖直方向-20°～ 90°、水平位置0°俯仰旋转运动。各方面运动相互配合,即可实现全方位多目标无死角打击。搜跟一体三轴转台可以完成其它两三个转台才能完成的角度覆盖,大大提高了设备的用途广泛性和经济性。

4 有限元静力学仿真分析

为保证搜跟一体三轴转台具有良好的力学性能,采用有限元法建立搜跟一体三轴转台三维模型,对搜跟一体三轴转台进行力学特性仿真分析,得到搜跟一体三轴转台结构强度、刚度、固有频率等特性,从而有利于对搜跟一体三轴转台进行结构优化。

建立搜跟一体三轴转台的有限元模型。有限元模型的建立是仿真分析中极为重要的一步,因为有限元分析的对象不是真实的结构,而是理想化的模型,因此需要对原有几何模型进行合理的简化处理。在建模中,忽略螺钉、圆角、倒角等结构,并对电机、轴承等复杂零部件进行简化处理。对模型进行简化处理,既能使有限元分析保持一定的精度,又能提高网格划分质量,加快计算速度。

在建立搜跟一体三轴转台的有限元模型之前,需要对各零部件配置相应的材料属性。将电机、轴承等复杂零部件等效为实体,根据体积和质量设定密度,根据主要材料设定弹性模量和泊松比。搜跟一体三轴转台各零部件的材料属性见表2。

表2 搜跟一体三轴转台零部件材料属性

对简化后的搜跟一体三轴转台有限元模型进行网格划分。采用自动网格划分方式,能够实现四面体与扫掠型网格划分之间的自动切换。当几何体不规则时,会自动生成四面体网格。当几何体规则时,会自动生成六面体网格[6]。搜跟一体三轴转台网格划分有限元模型如图3所示,转台螺纹连接处、转台台面和底座等部分网格划分较密,外壳体部分网格划分较疏。搜跟一体三轴转台模型共划分398 431个节点,226 630个单元。

对搜跟一体三轴转台的关键零部件,如立柱、俯仰轴、打击设备安装板等进行静力学强度分析,以确保设备安全及各项技术指标正常。

搜跟一体三轴转台的主要载荷来自于工作时的振动、风载,以及运输过程中由于汽车加速、减速、刹车和路面颠簸等因素而产生的随机振动。

对关键零部件俯仰轴进行材质设定,选择材料为45号钢,施加载荷和约束,进行运动算例分析,得到最大应力为14.759 MPa,小于材料的许用扭转切应力(25 MPa);得到最大变形为0.004 978 5 mm,小于材料的额定最大变形量(0.01 mm)。可见,搜跟一体三轴转台结构的强度和刚度均满足设计要求。

▲图3 搜跟一体三轴转台网格划分有限元模型

5 动力学仿真分析

5.1 模态分析

模态分析主要研究系统在无阻尼状态下自身的振动特性,主要表现为系统的固有频率与振型[7]。为避免在外力作用下产生共振而损坏,对搜跟一体三轴转台进行模态分析,了解搜跟一体三轴转台的动态特性,以避开共振区域[8]。模态分析是动力学分析的基础,在搜跟一体三轴转台结构设计初始阶段进行必要的模态分析,可以作为设计的理论参考依据,以保证搜跟一体三轴转台具有合理的结构特性,满足性能要求。

搜跟一体三轴转台的动力学基本运动方程为:

={f(t)}

(1)

对搜跟一体三轴转台进行模态分析时,由于搜跟一体三轴转台结构的固有特性与外界载荷无关,因此可以忽略外部载荷影响。在动力学运动方程基础上,去掉阻尼项和外力作用的影响,将式(1)变为:

(2)

对设置好的搜跟一体三轴转台网格划分有限元模型进行无预应力模态分析,各零部件之间采用默认绑定接触,在底座添加固定约束。通过模态仿真,可以直观地看到搜跟一体三轴转台各阶固有频率和振型。结构的低阶模态相比高阶模态对系统动态响应的影响较大[9],因此提取搜跟一体三轴转台前六阶模态固有频率,见表3,前四阶振型如图4所示。

搜跟一体三轴转台在工作时主要受到电机的激励,电机激励频率为10～25 Hz。由表3可知,搜跟一体三轴转台的一阶固有频率为145.47 Hz,远远高于搜跟一体三轴转台的主要激励频率,其它各阶固有频率则均高于一阶固有频率。所以,搜跟一体三轴转台在工作时不会发生共振,结构设计满足要求。

表3 搜跟一体三轴转台各阶模态固有频率

▲图4 搜跟一体三轴转台前四阶振型

5.2 随机振动分析

搜跟一体三轴转台要实现动态目标跟踪,必须应对车辆行驶过程中的随机振动,主要考虑在垂向受到路面颠簸产生的载荷。搜跟一体三轴转台的随机振动分析是在模态分析基础上进行的,振动激励谱选用加速度谱。按照GJB 150.16—1986《军用设备环境试验方法 振动试验》标准[10],搜跟一体三轴转台垂向承受的路面谱如图5所示。

▲图5 搜跟一体三轴转台垂向路面谱

对搜跟一体三轴转台加载垂向加速度激励,输入不同频率对应的功率谱密度,设定边界条件为全部固定约束,得到在垂向载荷作用下的最大变形和最大应力。根据设计经验,通常按照3σ响应结果进行分析。搜跟一体三轴转台的应力与变形云图分别如图6、图7所示。

▲图6 垂向随机振动下搜跟一体三轴转台应力云图

▲图7 垂向随机振动下搜跟一体三轴转台变形云图

由图6可知,垂向随机振动下,搜跟一体三轴转台的最大应力为0.313 34 MPa,位于方位轴与底座连接处。方位轴材料选用钛合金,许用应力为270 MPa,远大于搜跟一体三轴转台的最大应力,因此不会引起搜跟一体三轴转台零部件损坏。由图7可知,垂向随机振动下,搜跟一体三轴转台最大变形为0.000 314 42 mm,可以忽略不计。搜跟一体三轴转台模型的固有频率较高,在较大振动功率密度谱激励下没有出现不可容忍的应力与变形,由此确认这一搜跟一体三轴转台的结构完全满足使用要求。

6 结束语

笔者设计了一款车载便携式高精度小目标搜跟一体三轴转台,能够在搜索跟踪的同时打击摧毁目标,是集搜索、跟踪、打击于一体的综合系统。

搜跟一体三轴转台的轴系精度高,采用测量精度为0.005°的角度编码器,实现了高精度、高效、可靠工作。

搜跟一体三轴转台材料多采用铝合金,方位轴采用钛合金,密度小,质量轻。采用立式结构,电机直接套轴驱动,结构紧凑,整体质量小于 20 kg,实现了轻量化设计,能够方便地装载在车辆上或者用于单兵携带。

笔者通过静力学分析验证了搜跟一体三轴转台的强度、刚度均满足设计要求。通过模态分析得到搜跟一体三轴转台结构的前六阶固有频率在145.47～1 054.1 Hz范围内,远远高于车载时的激励频率,所以搜跟一体三轴转台在工作时不会产生共振。通过随机振动分析,验证了这一搜跟一体三轴转台的结构设计安全可行。