李凌杰,于昊鉦,溫慶榮

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

穩(wěn)定平臺[1]通過搭載不同的光電載荷應用到各種環(huán)境中:醫(yī)療搜救、電力檢修、消防滅火等。穩(wěn)定平臺在受到的沖擊、振動時,可以有效地降低外界擾動帶來影響。而對于小型無人機的帶載能力,就需要對穩(wěn)定平臺的質(zhì)量、體積、剛度進行著重考慮,針對上述問題,本文采用模塊化、輕量化設計,通過結(jié)構設計與仿真分析相結(jié)合的方式,設計一種穩(wěn)定平臺。

2 穩(wěn)定平臺總體結(jié)構設計

2.1 穩(wěn)臺框架結(jié)構

根據(jù)某型無人機的運載能力及對穩(wěn)定精度的要求:穩(wěn)定平臺的俯仰運動范圍為+30° ～-90°,方位為360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)；俯仰最大角加速度60°/s2,方位的最大角加速度90°/s2；整個穩(wěn)定平臺直徑≤140 mm,質(zhì)量≤5 kg；穩(wěn)臺的穩(wěn)定精度0.1 mrad。選擇了兩軸兩框架的結(jié)構形式[2],外觀采用球形設計降低風阻。兩軸即方位軸和俯仰軸,穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定精度與軸系的回轉(zhuǎn)精度有很大影響,是機械結(jié)構設計時關鍵的因素之一。兩框架指的是外框架和內(nèi)框架(負載框架),外框架構成了穩(wěn)定平臺的骨架,并實現(xiàn)方位旋轉(zhuǎn)運動；內(nèi)框架主要用于承接負載安裝,并通過俯仰驅(qū)動使得內(nèi)框架在一定角度內(nèi)可以旋轉(zhuǎn)。三軸陀螺通過測量角速度來判斷自身的姿態(tài),這可用于穩(wěn)定平臺的穩(wěn)像功能,以上為兩軸穩(wěn)定平臺的整體架構,如圖1所示。

圖1 兩軸穩(wěn)臺架構Fig.1 Two-axis platform stabilizing structure

2.2 軸系設計

穩(wěn)定平臺的軸系精度直接影響到最終產(chǎn)品的性能,在滿足尺寸要求的狀態(tài)下,方位軸系和俯仰軸系布置應緊湊。方位軸系通過一對軸承與方位座連接,上軸承壓蓋一端壓緊軸承內(nèi)圈,另一端與U型架相連,從而使得U型架可以旋轉(zhuǎn)。方位軸系主要承擔軸向載荷,同時又要保證旋轉(zhuǎn)的精度,因此,此處選擇一對角接觸球軸承采用背對背安裝[3],通過內(nèi)圈外圈壓緊的方式,消除軸系竄動。

由于無人機安裝尺寸要求,穩(wěn)定平臺的高度要盡可能降低,在方位軸系設計時,采用了直流力矩電機與軸承的嵌套連接,力矩電機通過結(jié)構安裝在軸承的內(nèi)圈中,進一步降低方位軸系的高度。為了實現(xiàn)方位軸系的360°連續(xù)旋轉(zhuǎn),在電機中心處安裝電器滑環(huán),方位測角采用了光電式編碼器[4],可以實現(xiàn)無接觸測角。方位組件的詳細結(jié)構設計如圖2所示。

圖2 方位組件結(jié)構圖Fig.2 Azimuth component structure diagram

俯仰軸系分為兩個組件分別是俯仰左軸系和俯仰右軸系,其中左軸系作為負載俯仰運動的動力輸入端,采用直流力矩電機直接套軸的方式來減少由于多級傳動帶來的精度誤差；左軸系的軸承采用四點壓緊方式,保證軸向和徑向的竄動,俯仰軸中間為空心軸,利于內(nèi)部負載的走線與編碼器選型,俯仰左軸系的詳細結(jié)構如圖3所示。

圖3 俯仰左軸系結(jié)構Fig.3 Pitching left shafting structure

俯仰右軸系由軸承座、軸承、旋轉(zhuǎn)軸、軸承端蓋和編碼器組成,如圖4所示。軸承單端固定,另一端游動,軸承座與U型架相連,空心軸與負載框架相連接,實現(xiàn)俯仰旋轉(zhuǎn)。

圖4 俯仰右軸系Fig.4 Pitching right shafting structure

根據(jù)系統(tǒng)指標計算力矩電機所需的最小力矩(方位角加速度90°/s2,俯仰角加速度60°/s2),需要計算旋轉(zhuǎn)的慣性力矩和方位、俯仰的摩擦力矩,對于俯仰電機還應計算風阻力矩。方位電機計算如表1所示,俯仰電機計算如表2所示。

表1 方位電機所需力矩計算Tab.1 Torque calculation of azimuth motor

表2 俯仰電機所需力矩計算Tab.2 Calculation of required torque of pitch motor

2.3 穩(wěn)臺外形設計

整個穩(wěn)臺采用柱形設計如圖5所示。U型架是連接方位組件與俯仰組件的紐帶,U型架的結(jié)構剛度直接影響了整個穩(wěn)定平臺的剛度,U型架采用一體式加工,這樣既可以保證穩(wěn)臺的剛度又可以保證左右軸系的同軸度與方位的垂直度,即兩個正交軸的垂直度。另一方面此柱形穩(wěn)定平臺的氣動性能好,相比于叉型穩(wěn)臺可以降低更多的風阻,提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 穩(wěn)臺支撐結(jié)構Fig.5 Support structure of platform stabilization

3 關重件的仿真分析

穩(wěn)定平臺的負載主要由U型架的左右軸系支撐,因此需要軸系及U型架進行仿真分析,根據(jù)總體指標U型架最大變形不超過0.005 mm,左右俯仰軸系組件變形不超過0.003 mm,首先對俯仰軸系及U型架進行簡化處理,將材料添加到模型中,俯仰左、右軸采用材料為鋼,其余采用鋁合金,將負載框架及最大可更換的負載重量用質(zhì)量點代替,便于分析計算,接著劃分網(wǎng)格,采用多級網(wǎng)格劃分得到質(zhì)量優(yōu)秀的網(wǎng)格[5],將U型架底端固定,設定重力方向進行仿真分析。

如圖6所示,整個U型架的最大變形為0.0028 mm,位置在U型架下端,安裝軸系組件位置的變形為0.0019 mm,小于總體指標要求,滿足使用性能。

圖6 U型架變形分析Fig.6 Analysis of U-frame degeneration

如圖7所示,左右兩個俯仰軸系組件的最大位移為0.0023 mm,同樣小于總體要求指標,滿足系統(tǒng)剛度。

圖7 俯仰軸系變形分析Fig.7 Analysis of shafting deformation

4 結(jié) 論

根據(jù)某型無人機提出的指標,設計了一種小型的穩(wěn)定平臺,整體采用兩軸兩框架結(jié)構。采用了模塊化設計,方便后期裝調(diào)與維護,并且采用結(jié)構設計與仿真相結(jié)合的方式進行結(jié)構設計,通過仿真驗證關重件的力學性能,確保設計合理符合要求,希望通過本文的設計與分析可以為以后的機載穩(wěn)定平臺提供設計思路與幫助。