□ 黃曉英 □ 梁文宏 □ 王洪喜

西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710024

1 設(shè)計(jì)背景

隨著航空航天技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等的發(fā)展,無人機(jī)在航拍、救援、偵察等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。另一方面,無人機(jī)頻繁闖入禁飛空域,尤其是機(jī)場(chǎng)、軍事設(shè)施等重要區(qū)域,存在嚴(yán)重安全隱患,對(duì)社會(huì)造成了很大影響。對(duì)此,需要一種高精度便攜式平臺(tái),具備反應(yīng)迅速、輕量化、便于攜帶的特點(diǎn),可以作為干擾槍、武器系統(tǒng)、光電系統(tǒng)等不同功能模塊的載具,具有良好的適應(yīng)性,能夠有效解決大型會(huì)議、機(jī)場(chǎng)附近空域、禁飛區(qū)、軍事區(qū)域等的安保問題,甚至可以部署到一線作戰(zhàn)單位。

國(guó)內(nèi)外在小型多軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)方面已有一定研究。蔣曉剛等[1]設(shè)計(jì)了一種三軸慣導(dǎo)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái),結(jié)構(gòu)緊湊,通過分析轉(zhuǎn)臺(tái)的交叉耦合問題進(jìn)行補(bǔ)償,從而提高轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。高國(guó)華等[2]采用俯仰方位型兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計(jì)了一種伺服跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái),帶動(dòng)光電設(shè)備跟蹤目標(biāo)。Li Jie[3]優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款高精密光電跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái),實(shí)現(xiàn)了高精度、高剛度和小體積。Liu Yongguang等[4]設(shè)計(jì)了一種大型目標(biāo)跟蹤平臺(tái),具有較大的承載能力。林心龍等[5]設(shè)計(jì)了一種精密跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái),通過軸系優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了高精度。目前,轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)品雖然有很多,但是通常在功能上僅能實(shí)現(xiàn)單一搜索或跟蹤,無法實(shí)現(xiàn)搜跟一體,而且大多數(shù)轉(zhuǎn)臺(tái)無法兼具較高的承載能力和較輕的質(zhì)量。

筆者將雷達(dá)與打擊設(shè)備相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種車載便攜式高精度小目標(biāo)搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái),屬于集搜索、跟蹤、打擊于一體的綜合系統(tǒng)。雷達(dá)設(shè)備通過360°無死角掃描功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的高精度平穩(wěn)跟蹤,為精確打擊目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。打擊設(shè)備可以在瞄準(zhǔn)目標(biāo)的同時(shí)將其摧毀。質(zhì)量小于20 kg的輕量化設(shè)計(jì),使轉(zhuǎn)臺(tái)能夠裝載在車上或單兵攜帶。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)打破了單一搜索跟蹤設(shè)備或單一打擊設(shè)備的局限,實(shí)現(xiàn)了多功能一體化設(shè)計(jì)。

2 技術(shù)指標(biāo)

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響雷達(dá)掃描機(jī)構(gòu)的跟蹤精度和打擊設(shè)備的準(zhǔn)確性,因此要求搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)具有較大的結(jié)構(gòu)剛度和較高的測(cè)角精度,同時(shí)在各種載荷作用下,軸系精度和結(jié)構(gòu)尺寸都能夠保持穩(wěn)定。

通過對(duì)搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)特性和應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行分析,要求搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)具有較高的動(dòng)態(tài)跟蹤精度。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)見表1,質(zhì)量小于20 kg,外形尺寸為φ250 mm×800 mm。

表1 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式采取雙方位俯仰型。從負(fù)荷、精度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素進(jìn)行考慮,在提高響應(yīng)速度、減小慣量的同時(shí),要求保證兩個(gè)方位轉(zhuǎn)臺(tái)的剛度,因此選擇采用立式結(jié)構(gòu)。立式結(jié)構(gòu)與臥式結(jié)構(gòu)相比,具有較大的承載能力和較高的可靠性,而且能夠有效減小轉(zhuǎn)臺(tái)的質(zhì)量。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊,安裝方便,在某些零部件出現(xiàn)損壞時(shí)可以直接拆卸更換,而不用對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸,減小了工作量,同時(shí)也避免了多次拆卸重裝導(dǎo)致的安裝誤差。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)簡(jiǎn)化模型如圖1所示,結(jié)構(gòu)如圖2所示。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能。搜索功能由底部方位軸系1完成,方位軸系1上安裝雷達(dá)。跟蹤功能由中間的方位軸系2和頂部的俯仰軸系完成,方位軸系2上安裝俯仰機(jī)構(gòu),俯仰軸系上安裝打擊設(shè)備,可以在瞄準(zhǔn)的同時(shí)打擊摧毀目標(biāo)。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的方位和俯仰運(yùn)動(dòng)相互配合,實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的跟蹤打擊。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)由雙方位軸系、俯仰軸系、軸承、編碼器、電機(jī)、導(dǎo)電滑環(huán)等組成。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)方位和俯仰兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。采用空心軸伺服電機(jī)直連驅(qū)動(dòng),不僅可以減小轉(zhuǎn)矩?fù)p耗,而且能夠有效節(jié)省空間,簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。采用高精度交叉圓柱滾子軸承,能夠同時(shí)承受軸向力和徑向力,提高了承載能力和穩(wěn)定性。

▲圖1 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)簡(jiǎn)化模型

▲圖2 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

測(cè)量系統(tǒng)主要包括角位置傳感器和導(dǎo)電滑環(huán)。角位置傳感器可以將轉(zhuǎn)臺(tái)位置和速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。采用非接觸式絕對(duì)值磁感式角度編碼器,可以在惡劣溫度和強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境中正常工作,測(cè)量精度達(dá)到0.005°。采用導(dǎo)電滑環(huán),可以實(shí)現(xiàn)方位轉(zhuǎn)臺(tái)的無限制連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)工作過程中,利用方位和俯仰的組合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)全方位掃描與跟蹤。方位轉(zhuǎn)臺(tái)1與方位轉(zhuǎn)臺(tái)2各自可以360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),互不干涉。打擊設(shè)備在俯仰軸系的驅(qū)動(dòng)下可以豎直方向-20°～ 90°、水平位置0°俯仰旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。各方面運(yùn)動(dòng)相互配合,即可實(shí)現(xiàn)全方位多目標(biāo)無死角打擊。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)可以完成其它兩三個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)才能完成的角度覆蓋,大大提高了設(shè)備的用途廣泛性和經(jīng)濟(jì)性。

4 有限元靜力學(xué)仿真分析

為保證搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)具有良好的力學(xué)性能,采用有限元法建立搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)三維模型,對(duì)搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行力學(xué)特性仿真分析,得到搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、固有頻率等特性,從而有利于對(duì)搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

建立搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的有限元模型。有限元模型的建立是仿真分析中極為重要的一步,因?yàn)橛邢拊治龅膶?duì)象不是真實(shí)的結(jié)構(gòu),而是理想化的模型,因此需要對(duì)原有幾何模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化處理。在建模中,忽略螺釘、圓角、倒角等結(jié)構(gòu),并對(duì)電機(jī)、軸承等復(fù)雜零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,既能使有限元分析保持一定的精度,又能提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量,加快計(jì)算速度。

在建立搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的有限元模型之前,需要對(duì)各零部件配置相應(yīng)的材料屬性。將電機(jī)、軸承等復(fù)雜零部件等效為實(shí)體,根據(jù)體積和質(zhì)量設(shè)定密度,根據(jù)主要材料設(shè)定彈性模量和泊松比。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)各零部件的材料屬性見表2。

表2 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)零部件材料屬性

對(duì)簡(jiǎn)化后的搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方式,能夠?qū)崿F(xiàn)四面體與掃掠型網(wǎng)格劃分之間的自動(dòng)切換。當(dāng)幾何體不規(guī)則時(shí),會(huì)自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格。當(dāng)幾何體規(guī)則時(shí),會(huì)自動(dòng)生成六面體網(wǎng)格[6]。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)網(wǎng)格劃分有限元模型如圖3所示,轉(zhuǎn)臺(tái)螺紋連接處、轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面和底座等部分網(wǎng)格劃分較密,外殼體部分網(wǎng)格劃分較疏。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)模型共劃分398 431個(gè)節(jié)點(diǎn),226 630個(gè)單元。

對(duì)搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的關(guān)鍵零部件,如立柱、俯仰軸、打擊設(shè)備安裝板等進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度分析,以確保設(shè)備安全及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)正常。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的主要載荷來自于工作時(shí)的振動(dòng)、風(fēng)載,以及運(yùn)輸過程中由于汽車加速、減速、剎車和路面顛簸等因素而產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)。

對(duì)關(guān)鍵零部件俯仰軸進(jìn)行材質(zhì)設(shè)定,選擇材料為45號(hào)鋼,施加載荷和約束,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)算例分析,得到最大應(yīng)力為14.759 MPa,小于材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(25 MPa);得到最大變形為0.004 978 5 mm,小于材料的額定最大變形量(0.01 mm)?？梢?搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

▲圖3 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)網(wǎng)格劃分有限元模型

5 動(dòng)力學(xué)仿真分析

5.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要研究系統(tǒng)在無阻尼狀態(tài)下自身的振動(dòng)特性,主要表現(xiàn)為系統(tǒng)的固有頻率與振型[7]。為避免在外力作用下產(chǎn)生共振而損壞,對(duì)搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析,了解搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性,以避開共振區(qū)域[8]。模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ),在搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初始階段進(jìn)行必要的模態(tài)分析,可以作為設(shè)計(jì)的理論參考依據(jù),以保證搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)具有合理的結(jié)構(gòu)特性,滿足性能要求。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)力學(xué)基本運(yùn)動(dòng)方程為:

={f(t)}

(1)

對(duì)搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),由于搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的固有特性與外界載荷無關(guān),因此可以忽略外部載荷影響。在動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程基礎(chǔ)上,去掉阻尼項(xiàng)和外力作用的影響,將式(1)變?yōu)?

(2)

對(duì)設(shè)置好的搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)網(wǎng)格劃分有限元模型進(jìn)行無預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,各零部件之間采用默認(rèn)綁定接觸,在底座添加固定約束。通過模態(tài)仿真,可以直觀地看到搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)各階固有頻率和振型。結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)相比高階模態(tài)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響較大[9],因此提取搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)前六階模態(tài)固有頻率,見表3,前四階振型如圖4所示。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)在工作時(shí)主要受到電機(jī)的激勵(lì),電機(jī)激勵(lì)頻率為10～25 Hz。由表3可知,搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的一階固有頻率為145.47 Hz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的主要激勵(lì)頻率,其它各階固有頻率則均高于一階固有頻率。所以,搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

表3 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)各階模態(tài)固有頻率

▲圖4 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)前四階振型

5.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤,必須應(yīng)對(duì)車輛行駛過程中的隨機(jī)振動(dòng),主要考慮在垂向受到路面顛簸產(chǎn)生的載荷。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的隨機(jī)振動(dòng)分析是在模態(tài)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行的,振動(dòng)激勵(lì)譜選用加速度譜。按照GJB 150.16—1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 振動(dòng)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)[10],搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)垂向承受的路面譜如圖5所示。

▲圖5 搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)垂向路面譜

對(duì)搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)加載垂向加速度激勵(lì),輸入不同頻率對(duì)應(yīng)的功率譜密度,設(shè)定邊界條件為全部固定約束,得到在垂向載荷作用下的最大變形和最大應(yīng)力。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),通常按照3σ響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)力與變形云圖分別如圖6、圖7所示。

▲圖6 垂向隨機(jī)振動(dòng)下搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力云圖

▲圖7 垂向隨機(jī)振動(dòng)下搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)變形云圖

由圖6可知,垂向隨機(jī)振動(dòng)下,搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的最大應(yīng)力為0.313 34 MPa,位于方位軸與底座連接處。方位軸材料選用鈦合金,許用應(yīng)力為270 MPa,遠(yuǎn)大于搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的最大應(yīng)力,因此不會(huì)引起搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)零部件損壞。由圖7可知,垂向隨機(jī)振動(dòng)下,搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)最大變形為0.000 314 42 mm,可以忽略不計(jì)。搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)模型的固有頻率較高,在較大振動(dòng)功率密度譜激勵(lì)下沒有出現(xiàn)不可容忍的應(yīng)力與變形,由此確認(rèn)這一搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)完全滿足使用要求。

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一款車載便攜式高精度小目標(biāo)搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái),能夠在搜索跟蹤的同時(shí)打擊摧毀目標(biāo),是集搜索、跟蹤、打擊于一體的綜合系統(tǒng)。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的軸系精度高,采用測(cè)量精度為0.005°的角度編碼器,實(shí)現(xiàn)了高精度、高效、可靠工作。

搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)材料多采用鋁合金,方位軸采用鈦合金,密度小,質(zhì)量輕。采用立式結(jié)構(gòu),電機(jī)直接套軸驅(qū)動(dòng),結(jié)構(gòu)緊湊,整體質(zhì)量小于 20 kg,實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì),能夠方便地裝載在車輛上或者用于單兵攜帶。

筆者通過靜力學(xué)分析驗(yàn)證了搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的強(qiáng)度、剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。通過模態(tài)分析得到搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率在145.47～1 054.1 Hz范圍內(nèi),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于車載時(shí)的激勵(lì)頻率,所以搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)在工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振。通過隨機(jī)振動(dòng)分析,驗(yàn)證了這一搜跟一體三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可行。