郭 黎

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

伴隨著無人機在軍事領(lǐng)域的成功運用，世界各國都注意到了軍用無人機的優(yōu)勢。各國對軍用無人機越來越重視。軍用無人機是充分利用信息技術(shù)革命成果發(fā)展的高性能信息化武器裝備。而集裝箱式無人機發(fā)射系統(tǒng)，將無人機和發(fā)射架收納在集裝箱內(nèi)，具有機動性強、隱蔽性好的特點，是近幾年無人機領(lǐng)域研究的熱點[1-2]。

本文從集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計與計算、伺服控制系統(tǒng)設(shè)計三個方面，系統(tǒng)地介紹了某翻蓋式集裝箱的設(shè)計與實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計充分考慮了無人機發(fā)射空間要求、發(fā)射時產(chǎn)生的高溫和振動載荷對集裝箱的影響，伺服控制器采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為主處理器。目前該翻蓋式集裝箱已經(jīng)實現(xiàn)，滿足無人機發(fā)射系統(tǒng)工作方式等要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性強。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

翻蓋式集裝箱系統(tǒng)的主要功能是接收控制中心指令，對集裝箱進行展開和撤收，與無人機發(fā)射系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，接收無人機發(fā)射系統(tǒng)狀態(tài)，并上報當前自動架設(shè)狀態(tài)。

該系統(tǒng)總體設(shè)計主要包括集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計和伺服控制系統(tǒng)設(shè)計。集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括安裝框架、左右翻轉(zhuǎn)頂蓋、右翻轉(zhuǎn)頂蓋、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、開門機構(gòu)以及鎖緊機構(gòu)的設(shè)計，伺服控制系統(tǒng)設(shè)計主要完成狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、邏輯運算及控制驅(qū)動等功能的實現(xiàn)。

2 集裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該集裝箱為開頂式集裝箱，上半部設(shè)置為左右頂蓋結(jié)構(gòu)，頂蓋相對車廂沿兩側(cè)軸心線旋轉(zhuǎn)，左右翻轉(zhuǎn)頂蓋分別為向車廂兩側(cè)開蓋形式，頂蓋通過內(nèi)部的電動缸完成開閉。頂蓋關(guān)閉時，通過鎖緊機構(gòu)可靠鎖緊，頂蓋開蓋角度180°。電動缸的展開及撤收通過多圈編碼器控制，在折疊到位均設(shè)置減速功能，避免頂部展開和閉合到位時產(chǎn)生沖擊。集裝箱后端采用對開門扇結(jié)構(gòu)，方便人員維修及工作狀態(tài)氣流快速排出。活動頂蓋與端部門扇與箱體對接處采用密封圈進行密封，同時接縫處采用排水槽結(jié)構(gòu)以滿足防雨要求?；顒禹斏w設(shè)計有鎖閉結(jié)構(gòu)，保證運輸狀態(tài)頂蓋可靠鎖緊及密封要求[3]。總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 翻蓋式集裝箱總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)主要用于頂蓋的打開及閉合。翻轉(zhuǎn)機構(gòu)由一組同步電動缸、四連桿機構(gòu)、安裝座以及傳動軸等部件組成，通過電動缸推動四連桿機構(gòu)運動，達到左右頂蓋打開及閉合的目的[4]。整個集裝箱共設(shè)置2 個翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，為保證左、右翻轉(zhuǎn)頂蓋到位后定位，以及避免沖擊翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，集裝箱兩側(cè)壁下方設(shè)置有兩個定位擋塊。

2.2.2 開門機構(gòu)

為了方便車廂內(nèi)部設(shè)備的安裝、操作、維修以及為無人機尾焰預(yù)留空間，在集裝箱尾部設(shè)有電動推缸打開式對開門，所有門和門框均為矩形鋼管拼焊成型，強度可靠[5]。開門系統(tǒng)的承載驅(qū)動機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡潔、運動阻力小、安裝方便及可靠性高等優(yōu)點。開門機構(gòu)采用兩組電動推桿控制兩扇門的關(guān)閉和開啟，通過信號控制電子鎖解鎖，然后通過電動推桿帶動左右門繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)打開，從而完成后門的開啟和閉合。

3 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)計算

翻轉(zhuǎn)機構(gòu)[6]由同步電動缸驅(qū)動四連桿機構(gòu)，達到左、右頂蓋翻轉(zhuǎn)180 度的運動，主要克服左、右頂蓋的重力和風阻。因右翻轉(zhuǎn)頂蓋的質(zhì)量較大，所以以右翻轉(zhuǎn)頂蓋為計算對象。并且，因采用的是機械同步的電動缸，所以不考慮不同步造成的影響。將右翻轉(zhuǎn)頂蓋簡化為質(zhì)點，最大拉力的位置根據(jù)結(jié)構(gòu)分析可能有兩處。

（1）當右頂蓋處于最底部位置時，其受力情況如下圖2 所示。當重心與鉸鏈鉸點處于同個水平線，所需的電動缸拉力最大。質(zhì)心位置可簡化為質(zhì)心G。連桿因質(zhì)量較小可忽略不計。取右翻轉(zhuǎn)頂蓋單獨進行靜力學分析，承受重力、連桿對右翻轉(zhuǎn)頂蓋的作用力。根據(jù)力矩平衡原理，以O(shè)1點對右翻轉(zhuǎn)頂蓋取矩。因兩個翻轉(zhuǎn)電動缸同時動作，所以單個電動缸負載按照重力的一半計算。

圖2 右翻轉(zhuǎn)頂蓋受力圖

式中：F1為連桿對右翻轉(zhuǎn)頂蓋的作用力，L1為連桿對右翻轉(zhuǎn)頂蓋的作用力相對于鉸接O1點的力臂，L2為右翻轉(zhuǎn)頂蓋的重力相對于鉸接O1點的力臂。

再對四連桿機構(gòu)進行靜力學分析，其受力情況如圖3 所示。

圖3 右翻轉(zhuǎn)頂蓋受力圖

式中：F為電動缸的作用力，L3為連桿對右翻轉(zhuǎn)頂蓋的作用力相對于鉸接O2點的力臂，L4為電動缸作用力相對于鉸接O2點的力臂。

（2）當重心與鉸鏈鉸點處于同個水平線時，其受力情況如圖4 所示。

圖4 右翻轉(zhuǎn)頂蓋受力圖

再對四連桿機構(gòu)進行靜力學分析，其受力情況如圖5 所示。

圖5 右翻轉(zhuǎn)頂蓋受力圖

本文中右翻轉(zhuǎn)頂蓋質(zhì)量為540 kg，取翻轉(zhuǎn)電動缸最大拉力1 500 kg，根據(jù)鉸點起始位置，可得翻轉(zhuǎn)電動缸最小絞點距為772 mm，最大絞點距為1 323 mm，行程要求為551 mm。

4 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

伺服控制系統(tǒng)具有頂蓋解鎖/鎖緊、翻轉(zhuǎn)頂蓋展開/閉合、尾門解鎖/鎖緊、尾門打開/關(guān)閉、無線互聯(lián)、狀態(tài)指示以及報警等功能。伺服控制系統(tǒng)構(gòu)成及接口框圖如圖6 所示。觸摸屏作為主要操作設(shè)備使用，按鈕為冗余設(shè)計，在觸摸屏失效時使用。

圖6 伺服系統(tǒng)構(gòu)成及接口框圖

5 伺服系統(tǒng)的組成

該伺服系統(tǒng)主要由集裝箱翻轉(zhuǎn)頂蓋展開/閉合、尾門展開/關(guān)閉、運輸鎖定、控制箱以及供電系統(tǒng)等方面組成。

集裝箱在運輸時處于關(guān)閉狀態(tài)。在進入發(fā)射陣地、飛機起飛前，要將頂蓋展開，使無人機發(fā)射架能夠升起。在發(fā)射完畢后，運輸前，需要將頂蓋重新閉合。頂蓋的展開和閉合，由電動缸推動頂蓋翻轉(zhuǎn)打開，頂蓋到位檢測采用多圈編碼器實現(xiàn)。

尾門的展開、關(guān)閉由電動撐桿完成動作，實現(xiàn)集裝箱尾門的展開和關(guān)閉功能。

頂蓋展開前，伺服系統(tǒng)首先將頂蓋運輸鎖進行電動解鎖，解鎖后再進行展開動作。頂蓋閉合到位后，進行頂蓋運輸鎖鎖定。頂蓋運輸鎖均由電機帶動鎖定機構(gòu)實現(xiàn)，解鎖和鎖定均由檢測開關(guān)進行檢測，以確保頂蓋在解鎖后才能展開和運輸前鎖定，確保設(shè)備的安全性。

伺服控制箱是伺服分系統(tǒng)的控制核心，安裝在運輸平臺上，主要有頂蓋展開/關(guān)閉、運輸鎖定、操作及狀態(tài)指示等功能，主要由PLC 控制器、電源模塊、繼電器、水平儀及操作面板等組成。

6 結(jié)語

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)計算、伺服控制系統(tǒng)設(shè)計三個方面詳細介紹了某翻蓋式集裝箱的工程設(shè)計與實現(xiàn)。該集裝箱已完成實現(xiàn)，相關(guān)指標達到要求，具備耐熱、防水等功能，環(huán)境適應(yīng)性強。