毛雨輝，張進

（光學(xué)輻射重點實驗室，北京100854）

0 引言

本文設(shè)計一種艦載的伺服穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該平臺可將負載加裝于伺服平臺并完成指向精度標校的功能，在船體航行和系泊狀態(tài)下可隔離船搖影響、穩(wěn)定負載指向功能[1]。該伺服平臺采用地平式雙軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)?？紤]到負載偏心力矩及風(fēng)載荷等特點，穩(wěn)定平臺的方位和俯仰軸系均采用大型蝸輪蝸桿副作為末級傳動，進口高精度行星齒輪減速器作為初級傳動，具有較高的結(jié)構(gòu)剛度和可靠性，保證了負載指向、跟蹤精度和總體結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。伺服系統(tǒng)主要由方位回轉(zhuǎn)機構(gòu)、俯仰回轉(zhuǎn)機構(gòu)和伺服控制單元組成。

1 穩(wěn)定平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

穩(wěn)定平臺是負載的支撐結(jié)構(gòu)，又是負載驅(qū)動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，故要求它具有良好的力學(xué)性能、較高的軸系及傳動精度和運動穩(wěn)定性[2]。

穩(wěn)定平臺為地平式雙軸伺服系統(tǒng)座，由方位軸系、俯仰軸系、光電編碼器、導(dǎo)電環(huán)（包括光纖滑環(huán)）、蝸輪蝸桿副、減速器、伺服電動機、陀螺儀和俯仰軸外掛平臺等部分組成。它是負載的安裝承載平臺，主要完成系統(tǒng)的視軸指向和穩(wěn)定隔離船搖等功能，方位軸限位機構(gòu)包括軟件限位和電限位，俯仰軸限位機構(gòu)包括電限位、軟件限位和緩沖阻尼機械限位機構(gòu)，穩(wěn)定平臺雙軸在工作角范圍內(nèi)安全轉(zhuǎn)動。其三維視圖如圖2所示。

圖1 伺服穩(wěn)定平臺組成框圖

2 穩(wěn)定平臺方位軸系設(shè)計

其方位轉(zhuǎn)動機構(gòu)采用四點角接觸的轉(zhuǎn)盤軸承為主要承力結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式承載能力大、剛度好、精度高[3]。為保證光電編碼器能夠可靠良好地工作，在光電編碼器安裝軸與底座安裝有一對P4級精度的角接觸球軸承，保證光電編碼器安裝處的變形量滿足工作要求；陀螺安裝在方位旋轉(zhuǎn)部分；俯仰軸電器電路電纜通過滑環(huán)傳輸?shù)降鬃７轿惠S設(shè)計有基準平臺，為系統(tǒng)提供方位、俯仰角度基準，平臺平面度好，并通過加工和裝調(diào)保證臺面與安裝基座的平行度要求；在軸系的相對運動部分設(shè)計了安裝O形圈的密封結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示。

圖2 穩(wěn)定平臺三維視圖

圖3 方位軸三維視圖

圖4 方位軸剖視圖

在設(shè)計中將方位大蝸輪和軸承座做成一體，使結(jié)構(gòu)布置更加緊湊、合理，且軸向尺寸小。采用這種設(shè)計方式可以保證安裝慣導(dǎo)的局部基準平臺可以安裝到方位底座內(nèi)部，這樣既提高了整個系統(tǒng)的一體化設(shè)計，又保證了慣導(dǎo)等的防護，如圖5所示。

圖5 方位傳動示意圖

3 穩(wěn)定平臺俯仰軸系設(shè)計

俯仰軸采用U形架設(shè)計的方式（如圖6、圖7），軸由一對P4級角接觸球軸承和一個同等級圓柱滾子軸承支撐，左側(cè)軸端安裝光電碼盤，右側(cè)支柱中裝有陀螺。驅(qū)動部分為蝸輪蝸桿副，兩側(cè)伸出軸頭安裝有外掛平臺，用于安裝檢測伺服俯仰部件設(shè)計的檢測平臺。在俯仰軸轉(zhuǎn)動部分設(shè)計有安裝O形圈的結(jié)構(gòu)形式。俯仰回轉(zhuǎn)機構(gòu)基于一件扇形蝸輪，如圖8所示。

4 穩(wěn)定平臺有限元分析

使用ANSYS對穩(wěn)定平態(tài)進行有限元分析，ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，同時也得到普遍認可，其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶、電子、核能等領(lǐng)域，在中國幾乎覆蓋了航空航天領(lǐng)域所有的科研院所、設(shè)計部門、生產(chǎn)廠家及各高等院校，并得到了全面應(yīng)用。ANSYS擁有良好的用戶界面，使用方便，功能強大，具有高度的集成能力和良好的適用性，以及強大的幾何造型功能、計算效率高等特點[4]。

針對穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)，分析校核穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)在不同海況下的變形、靜強度。根據(jù)設(shè)計指標要求，穩(wěn)定平臺在4級海況下正常工作。載船航速最大為20 kn，換算為風(fēng)速度為(20×1852)/3600=10.3 m/s，負載正迎風(fēng)施加風(fēng)載荷，該風(fēng)載荷為海況和航速的疊加值。4級海況載荷與航速疊加后，風(fēng)速為18.2 m/s。

圖6 俯仰軸三維視圖

圖7 方位軸剖視圖

圖8 俯仰傳動示意圖

穩(wěn)定平臺主要件為鋁合金材料，俯仰軸、方位軸及軸承材料選用為鋼各個材料屬性如表1所示。

基于如實反映穩(wěn)定平態(tài)結(jié)構(gòu)的幾何形狀、構(gòu)造型式、材料特性、承載方式和邊界條件等因素的原則，用Creo軟件對模型進行處理，簡化模型導(dǎo)入ANSYS軟件，進行仿真分析的前處理和運算。將穩(wěn)定平臺離散化為一個有限元分析模型。分析模型采用彈性模型，單元類型是實體四面體單元或者六面體單元，穩(wěn)定平態(tài)網(wǎng)格劃分模型如圖9所示，單元數(shù)為209 870個，節(jié)點數(shù)為391 765個。所有結(jié)構(gòu)件之間接觸類型為綁定接觸。

穩(wěn)定平臺外部載荷包括重力載荷，負載迎風(fēng)面施加8級風(fēng)壓。固定底座8個螺釘孔的位移，進行靜力學(xué)仿真分析，從分析結(jié)果可以看出整個穩(wěn)定平臺的強度和剛度可以滿足使用 要 求：4 級 海況，航速為20 kn時，穩(wěn)定平臺最大應(yīng)力為8.9 MPa，如圖10所示；最大變形為穩(wěn)定平臺的頂部（如圖11），變形量為0.21 mm。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種艦載穩(wěn)定平臺的結(jié)構(gòu)，給出了該平臺的地平式雙軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)形式，并對平臺的方位軸系和俯仰軸系的布局和組成進行了詳細描述；最后根據(jù)穩(wěn)定平臺的實際使用條件對其進行了有限元分析，驗證了整個平臺的結(jié)構(gòu)強度和剛度，保證了平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可靠性。

表1 材料屬性

圖9 穩(wěn)定平臺網(wǎng)格劃分

圖10 穩(wěn)定平臺應(yīng)力分布圖

圖11 穩(wěn)定平臺變形分布圖