车载周视瞄准系统转台结构设计

刘张飞，郭渝琳，郭新胜，米建军，寿少峻，张兰兰，李慧珍，张 楠

(西安应用光学研究所，陕西 西安 710000)

车载周视瞄准系统作为一种光机电一体化的高精度光电探测设备，是装甲车辆火控系统的重要组成部分，主要用于对目标进行搜索、瞄准和跟踪[1-3]。二轴稳定转台是车载周视瞄准镜系统光学传感器的运动载体，是实现精确瞄准和稳定跟踪等关键技术指标的核心部件，其结构设计是车载周视瞄准系统的基础，在过载、振动、冲击条件下，在保证机械精度的同时，还需具备较高的机械结构刚度，其结构动态特性对系统性能起着决定性作用，尤其是光轴稳定性。因此，对二轴稳定转台进行合理的结构设计备受关注，也是保证车载周视瞄准系统性能和可靠性的重要环节[4-7]。

本文针对某装甲车辆平台对光电装备的需求，设计了一种应用于车载周视瞄准系统的二轴稳定转台。在设计过程中，应对现代化装备轻量化、小型化的发展趋势，转台整体结构受空间、重量的限制，同时还需承受装甲车辆平台产生的振动与冲击，较快的响应速度和较高的跟踪精度对二轴稳定转台的谐振频率要求苛刻，对转台结构设计提出了很高的要求。

1 转台主要技术指标

根据车载周视瞄准系统的主要技术指标要求，二维稳定转台需满足如下性能指标和性能要求：1)体积≤φ374 mm×500 mm；2)质量≤40 kg；3)方位角度为n×360°；4)俯仰角度为-10°～70°；5)谐振频率≥100 Hz。

2 总体结构设计

二轴稳定转台的机械结构设计是构成车载周视瞄准系统的支承骨架，贯穿于系统的各个环节，在伺服系统的控制下完成光学传感器在方位、俯仰方向的运动，既是光学传感器完成运动轨迹的实施主体，又是伺服控制系统的控制对象。二维稳定转台的机械结构设计需从系统整体性能指标出发，在满足结构功能的前提下，兼顾其他系统的设计[8]。

车载周视瞄准系统的主要技术指标要求，二维稳定转台需满足方位角度为n×360°，俯仰角度为-10°～70°转动范围要求。传统的反射镜陀螺稳定方式已不能够满足俯仰转动范围，综合考虑各技术指标的要求，系统总体布局选用两轴整体稳定结构形式，方位轴系和俯仰轴系采用同轴安装直流电动机的驱动方式，结构简单紧凑，体积小，负载惯量小，能满足各项指标要求[9]。二轴稳定转台结构示意图如图1所示，主要由光学传感器、方位轴系和俯仰轴系等组成。

图1 二维稳定转台结构示意图

3 轴系结构设计

二轴稳定转台主要由方位轴系、俯仰轴系和传感器等组成，其中方位轴系主要由方位法兰、方位轴、方位电动机、旋转变压器和轴承等组成，俯仰轴系组成与方位轴系类似。方位轴系与俯仰轴系通过螺钉联接且置有定位销保证复装精度。

方位轴系用来实现转台方位角度n×360°回转功能，其刚度和回转精度直接影响转台的精度。方位轴系结构示意图如图2所示，采用外转子结构方案，方位轴一端采用1对配对角接触轴承承载径向与轴向载荷，轴承外圈、内圈分别与方位轴、方位法兰过盈配合连接，通过轴承调整压圈控制预紧力，可增大方位轴径向尺寸，保证轴系刚度，提高轴系抗倾覆力矩。另外，方位轴下端安装1个深沟球轴承，减小轴系径向晃动。

俯仰轴系的结构示意图如图3所示，主要由俯仰轴驱动组件、俯仰轴测角组件、U形架和俯仰框架构成。俯仰轴驱动组件、俯仰轴测角组件分别与安装光学系统的框架左右连接构成俯仰轴系，安装在U形架上。俯仰轴系也采用配对角接触轴承，以便预紧消除间隙，提高轴系刚度，保证轴系精度。另外，俯仰轴系设计有机械限位装置以及零位锁定装置，保证俯仰转动范围-10°～70°及设备的运输安全。

图2 方位轴系结构示意图

图3 俯仰轴系结构示意图

4 工程分析

4.1 转台机械谐振频率

转台的机械频率特性是周视瞄准系统伺服控制的基础，是实现稳定和跟踪精度的必要条件。机械谐振频率是二轴稳定转台的一项重要性能指标。转台结构设计时加强机械结构刚度的设计是获得较高的机械谐振频率的必要手段。设计阶段，利用有限元方法对整机进行模态分析对机械结构设计具有指导意义，根据分析结果对结构进行优化设计，以提高系统结构刚度[10-14]。

根据上述二维稳定转台的结构设计，将传感器进行集中质量处理，去掉倒角、圆角、小孔等，俯仰轴、方位轴的轴承内外圈连接关系假设为刚体等进行模型简化，建立有限元模型，然后对整机进行模态分析，得到二维稳定转台前3阶模态固有频率(见表1)及云图(见图4)。

表1 转台固有频率及振型图

图4 前3阶振型图

将实物样机安装在振动台上进行5～200 Hz、加速度2.5g正弦扫频振动试验。根据扫频试验，该转台的谐振频率为168.7 Hz。对比表1，综合试验结果与仿真分析结果可知，该二轴稳定转台的1阶谐振频率>100 Hz，其刚度设计满足要求。

4.2 转台在车载特殊环境下强度分析

在装甲车辆平台特殊环境下，转台受到车辆在复杂路面行驶过程中产生的随机振动激励以及炮击、路面凹坑等产生的冲击激励，这些环境激励通过车体直接传递到转台结构上，造成转台零部件及光学传感器结构变形甚至破坏失效，影响光学系统成像质量及光轴稳定性。因此，在车载特殊环境对转台结构进行强度分析是转台结构设计的关键环节，主要包括冲击载荷、随机振动载荷作用下转台结构的应力响应和加速度求解。

结合车载周视瞄准系统实际情况，根据GJB 150.16A—2009《军用装备实验室环境试验方法振动试验》的规定，转台随机振动环境以基础随机激励的加速度功率谱密度形式给出(见图5)，随机振动载荷作用于转台安装法兰底部。

图5 随机振动试验条件

光学传感器安装位置上的加速度功率谱密度(PSD)响应曲线如图6所示。转台光学传感器安装位置各个方向加速度响应RMS值见表2。根据图6和表2可以看出，转台在X向的加速度响应相比Y轴、Z轴最大，说明在振动环境下这种结构形式X向响应最大，转台主体支承结构U形架是结构最为薄弱的地方，对后续优化设计具有指导意义。

图6 加速度功率谱(PSD)响应曲线

表2 各方向加速度响应RMS值

转台在3个方向半正弦冲击载荷作用下各结构件的最大应力情况见表3。由表3可知，转台所受最大应力均在材料许用应力范围以内，说明在冲击载荷作用下结构满足要求。

表3 冲击载荷作用下最大应力响应

5 结语

本文根据某车载周视瞄准系统的任务要求和技术指标，确定了二轴稳定转台的结构形式。然后对方位轴系、俯仰轴系进行了详细设计与分析，其中对结构布局、驱动方式及驱动电动机的选择以及测角方式的选择等方面进行了详细设计与分析；最后，利用有限元法对整机进行模态分析以及在冲击载荷、随机振动载荷作用下的应力响应分析，并根据分析结构进行设计优化，以获得较高的转台谐振频率。仿真分析及振动试验结果表明：该转台结构设计合理，性能可靠，且具有较高的机械谐振频率，满足设计要求。