張生全，趙勁松，何紅星，羅 敏，康麗珠，陶 亮，徐參軍，徐 瑞

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

0 引言

質(zhì)量特性參數(shù)是導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)和飛行控制的重要參數(shù)，包括質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量和慣性積大參數(shù)。其中，質(zhì)量、質(zhì)心是其他參數(shù)準(zhǔn)確測量的前提，質(zhì)心參數(shù)直接影響航空航天產(chǎn)品的飛控精度[1]。彈載紅外相機(jī)是搭載紅外導(dǎo)引頭導(dǎo)彈的核心器件之一，在總體單位要求下，精確設(shè)計(jì)彈載紅外相機(jī)的質(zhì)量和質(zhì)心對于準(zhǔn)確分析導(dǎo)彈搭載能力、控制飛行姿態(tài)、提高彈道控制精度、提升作戰(zhàn)性能均具有重要意義[2]。質(zhì)量特性參數(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，為彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、艙內(nèi)設(shè)備安裝、調(diào)整等工作提供重要可靠性支撐[3-4]。

針對傳統(tǒng)彈載紅外相機(jī)采用試配法對質(zhì)量質(zhì)心進(jìn)行配平的周期長、通用性差等弊端[5-8]，本文從實(shí)際設(shè)計(jì)要求出發(fā)，利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行質(zhì)量特性參數(shù)仿真分析，結(jié)合相關(guān)基本配平設(shè)計(jì)原則并運(yùn)用力矩平衡的基本原理設(shè)計(jì)出配平負(fù)載及安裝位置，通過質(zhì)量質(zhì)心實(shí)測數(shù)據(jù)成功論證仿真分析結(jié)果，證明該方法切實(shí)有效。

1 紅外相機(jī)質(zhì)心配平方案設(shè)計(jì)

1.1 相關(guān)技術(shù)要求

彈載紅外相機(jī)質(zhì)量技術(shù)要求：3.5±0.2 kg；質(zhì)心技術(shù)要求：①質(zhì)心沿光軸方向距離安裝面26.3±5 mm；②相對于中心光軸不大于5 mm，偏第三象限不大于3 mm。結(jié)構(gòu)象限分布如圖1所示，安裝基準(zhǔn)面如圖2所示。

圖1 象限分布Fig.1 Quadrant distribution

圖2 安裝基準(zhǔn)面Fig.2 Installation reference surface

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在總體單位給出的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)要求下，利用數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件Creo 自頂向下設(shè)計(jì)出樣機(jī)三維模型，主要由主殼體、蓋板、支架、探測器組件、光學(xué)鏡頭、電路組件等組成。彈載紅外相機(jī)模型如圖3所示，光學(xué)鏡頭組成如圖4所示，模型內(nèi)部布局如圖5所示。

圖3 整機(jī)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Machine structure model

圖4 光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Optical lens structure model

圖5 模型內(nèi)部布局圖Fig.5 Internal layout of the model

2 原始樣機(jī)質(zhì)量、質(zhì)心仿真

利用Creo 對未添加配重負(fù)載的樣機(jī)模型進(jìn)行質(zhì)量、質(zhì)心仿真計(jì)算。在進(jìn)行質(zhì)心仿真計(jì)算之前，需要對各個零、部件進(jìn)行材料賦值，不同的零、部件賦值參數(shù)不盡相同。對于常規(guī)類單一均勻密度零、部件只需賦值材料密度，如主殼體、支架、鏡頭、鏡片、蓋板、調(diào)整墊圈等。對于復(fù)合材料零部件而言，需要通過實(shí)驗(yàn)測出其具體質(zhì)量以及質(zhì)心位置，將實(shí)測的質(zhì)量和質(zhì)心數(shù)據(jù)賦值在零、部件三維模型上。具體參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)賦值Table1 Assignment of material parameters

特別地，在進(jìn)行質(zhì)心仿真計(jì)算之前，需要將總體單位要求的質(zhì)心數(shù)據(jù)賦值在樣機(jī)三維模型上，且將質(zhì)心條件賦值為三維坐標(biāo)原點(diǎn)，即(x,y,z)＝(0,0,0)。通過Creo 的仿真計(jì)算求得樣機(jī)質(zhì)量M0＝3.13 kg，質(zhì)心位置坐標(biāo)：x0＝－16.84 mm，y0＝3.11 mm，z0＝－3.81 mm，可得|σx|＝16.84 mm，|σy|＝3.11 mm，|σz|＝3.81 mm，其中σx表示當(dāng)前質(zhì)心沿光軸相較于安裝基準(zhǔn)面的距離；σy表示當(dāng)前質(zhì)心沿Y方向相較于光軸的距離；σz表示當(dāng)前質(zhì)心沿Z方向相較于光軸的距離。顯然，|σx|＞5 mm，|σz|＞3 mm，X、Z方向超出前文所提指標(biāo)要求。通過計(jì)算與對比，未加配重負(fù)載的樣機(jī)質(zhì)量、質(zhì)心均不滿足總體方案要求，故需要設(shè)計(jì)配重方案。

3 設(shè)計(jì)配重方案

3.1 計(jì)算配重負(fù)載質(zhì)量與安裝位置

根據(jù)提供的質(zhì)量、質(zhì)心條件以及未加配重負(fù)載整機(jī)的仿真結(jié)果，如圖6所示，在系統(tǒng)空間中兩剛性質(zhì)點(diǎn)上，利用力矩平衡原理，計(jì)算配重負(fù)載質(zhì)量與其質(zhì)心應(yīng)在位置的函數(shù)關(guān)系。所有零部件視為剛體，將整個杠桿系統(tǒng)視為整機(jī)系統(tǒng)，以條件要求最終質(zhì)心的位置作為杠桿的支點(diǎn)，m為配重負(fù)載總質(zhì)量，l為配重負(fù)載的質(zhì)心與條件要求最終質(zhì)心的距離，M為未添加配重負(fù)載的整機(jī)質(zhì)量，L為未添加配重負(fù)載整機(jī)的質(zhì)心與條件要求最終質(zhì)心的距離?？臻g質(zhì)心力矩平衡圖如圖7所示。

圖6 整機(jī)系統(tǒng)的力矩平衡示意圖Fig.6 Schematic diagram of torque balance of the whole system

圖7 空間質(zhì)心力矩平衡Fig.7 Space centroid moment balance

根據(jù)力矩平衡原理：

根據(jù)空間兩點(diǎn)距離公式：

式中：x0＝－16.84，y0＝3.11，z0＝3.81，M0＝3.13，即L＝17.54 mm。

綜合解得：l＝56.64/m，其中，由于3.30≤M0＋m≤3.70，所以0.27＜m＜0.67。

考慮到紅外相機(jī)內(nèi)部布線以及接插件的質(zhì)量，通過簡單測算可引入質(zhì)量冗余參數(shù)ε＝0.1。系統(tǒng)總質(zhì)量若選定為M，則M＝M0＋m＋ε。若選擇M＝3.50 kg，即m＝0.37 kg，同時可得L＝148.37 mm。已知L的取值，即可確定配重質(zhì)心大概應(yīng)在的位置。

3.2 配重負(fù)載設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)配重負(fù)載應(yīng)本著以下幾點(diǎn)原則[9-12]：

1）配重負(fù)載組合的數(shù)量盡可能少；由于前期設(shè)計(jì)時產(chǎn)品質(zhì)心的不確定性，所以一般質(zhì)心配平的負(fù)載往往是以組合的形式出現(xiàn)，采用組合形式的配重負(fù)載，不僅具有更好的靈活性，其互換性更是比單一的配重負(fù)載要好。但是，數(shù)量過多的配重負(fù)載也會導(dǎo)致紅外相機(jī)整機(jī)的可靠性降低，且裝配工作費(fèi)時費(fèi)力。

2）滿足整機(jī)重量要求的前提下，重量盡可能輕；對于航空航天類的產(chǎn)品，重量輕意味著運(yùn)載成本更低，續(xù)航里程更遠(yuǎn)。同時，產(chǎn)品重量的降低也會使生產(chǎn)成本降低，避免了不必要的浪費(fèi)。

3）安裝方式簡潔方便；一方面，簡單快捷的安裝方式可以有效地節(jié)省整機(jī)裝配的時間。另一方面，特別是在做質(zhì)心試驗(yàn)時，不同樣機(jī)實(shí)物的質(zhì)心數(shù)據(jù)可能有所異同，必要時會更換不同尺寸的配重負(fù)載來配平某單個產(chǎn)品的質(zhì)心，所以簡潔的安裝方式可以為裝配、試驗(yàn)節(jié)省很多不必要花費(fèi)的時間。

4）互換性好；彈載紅外相機(jī)整機(jī)是在狹小空間內(nèi)由眾多零件裝配而成，且對內(nèi)部空間密封有嚴(yán)格要求，一般充入氮?dú)狻Ｈ绻渲刎?fù)載裝配在紅外相機(jī)主殼體外部，將大大提高配重負(fù)載的互換性。

5）強(qiáng)度滿足使用環(huán)境要求；

6）制造成本低；

7）形狀簡易且盡可能采用共形設(shè)計(jì)。

3.3 配重負(fù)載方案設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真計(jì)算出的質(zhì)心范圍選取合適的質(zhì)心位置，再結(jié)合以上幾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則，彈載紅外相機(jī)配重負(fù)載方案如下：未添加配重的整機(jī)質(zhì)心偏向第三、四象限，所以配重負(fù)載的質(zhì)心應(yīng)該在第一象限。根據(jù)計(jì)算出的配重負(fù)載質(zhì)心位置l以及其安裝方式的考量，采用方案為半黃銅（Cu-Zn 合金）半硬鋁（Al）的組合式環(huán)形配重負(fù)載如圖8所示，通過增加配重厚度的方式達(dá)到平衡且其安裝方式為與整機(jī)的前鏡頭轉(zhuǎn)接座聯(lián)接。

圖8 配重組合方式Fig.8 Counterweight combination

由于黃銅的密度大約是硬鋁密度的3.25 倍，所以兩部分配重負(fù)載質(zhì)量分配也為1:3.25，即黃銅部分的質(zhì)量為0.283 kg，硬鋁部分0.087 kg。根據(jù)Creo 仿真，可以得出配重負(fù)載的厚度h，經(jīng)計(jì)算h＝41 mm，如圖9所示。

圖9 質(zhì)心配重三維模型Fig.9 3D model of the center of mass counterweight

4 加配重負(fù)載后的整機(jī)質(zhì)量、質(zhì)心仿真計(jì)算

裝有上述配重方案的光機(jī)系統(tǒng)，可以通過改變配重厚度h調(diào)節(jié)X向質(zhì)心，增大h可使質(zhì)心沿X負(fù)向偏移，反之正向偏移，如圖10所示。通過改變安裝角度θ可以調(diào)節(jié)YOZ平面的質(zhì)心位置，如圖11所示。綜上所述，此方案理論上可以調(diào)節(jié)本光機(jī)系統(tǒng)空間上的質(zhì)心位置。

圖10 X 向質(zhì)心調(diào)節(jié)Fig.10 X-direction centroid adjustment

圖11 YOZ 面質(zhì)心調(diào)節(jié)Fig.11 YOZ surface centroid adjustment

添加配重負(fù)載后的整機(jī)仿真計(jì)算，求得樣機(jī)質(zhì)量M0＝3.486 kg，質(zhì)心位置坐標(biāo)：x0＝－1.956 mm，y0＝3.11 mm，z0＝－3.813 mm，可得|σx|＝1.956 mm，|σy|＝3.11 mm，|σz|＝3.81 mm。

5 質(zhì)心測試

測試溫度12℃；相對濕度：80%RH；測試質(zhì)量范圍：0.5～20 kg，測試精度：10 g；X方向測試精度：0.2 mm；Y方向測試精度：0.2 mm；Z方向測試精度：0.2 mm。單個整機(jī)質(zhì)心需要不同安裝方式測試兩次，第一次測試X向質(zhì)心數(shù)據(jù)，安裝方式如圖12所示。第二次更換工裝，調(diào)整整機(jī)擺放姿態(tài)測試Y、Z向質(zhì)心數(shù)據(jù)，安裝方式如圖13所示。測試結(jié)果如表2所示，與基準(zhǔn)值換算結(jié)果如表3所示。從與基準(zhǔn)值換算后的數(shù)據(jù)可知，質(zhì)心測試結(jié)果符合總體要求。

圖12 X 向質(zhì)心測試Fig.12 X direction centroid test

圖13 Y、Z 向質(zhì)心測試Fig.13 Y,Z direction centroid test

表2 質(zhì)心測試數(shù)據(jù)Table 2 Centroid test data

表3 與基準(zhǔn)值對比數(shù)據(jù)Table 3 Comparison data with reference value

6 結(jié)論

傳統(tǒng)質(zhì)心配平方法還停留在依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)感覺來判斷操作，耗時費(fèi)力的同時還無法給出配平后具體的質(zhì)心偏差量，不利于模型的優(yōu)化。本文對配平過程進(jìn)行系統(tǒng)化梳理，總結(jié)出一套高效實(shí)用的數(shù)字化配平方法，其意義在于不僅能夠提高配平效率，而且能夠提高配平精度，并最終以數(shù)字化的方式輸出配平結(jié)果，以利于精準(zhǔn)建模，提高整機(jī)性能。質(zhì)心測試結(jié)果表明，該方法切實(shí)有效。