劉 凱 趙天承 汪 濤 何鎖純
(北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所,北京 100076)
紅外導(dǎo)引頭伺服回轉(zhuǎn)平臺質(zhì)心偏載測量方法研究
劉 凱 趙天承 汪 濤 何鎖純
(北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所,北京 100076)
研究分析了某紅外導(dǎo)引頭伺服回轉(zhuǎn)平臺偏心力矩產(chǎn)生的物理模型,根據(jù)力學(xué)原理推導(dǎo)出一種簡單實(shí)用的等效測量算法,大大簡化了以往復(fù)雜測量計(jì)算過程,該方法克服了以往測量方法的不足,可以推廣應(yīng)用。
平臺 質(zhì)心偏載 等效 算法
紅外導(dǎo)引頭工作環(huán)境復(fù)雜,經(jīng)常處于高強(qiáng)度瞬時沖擊的狀態(tài),其伺服回轉(zhuǎn)平臺上兩側(cè)安裝有具有探測作用的兩個裝置,二者質(zhì)量不平衡力矩對伺服回轉(zhuǎn)平臺伺服性能的影響更為突出,質(zhì)量不平衡力矩與環(huán)境加速度成正比關(guān)系,在高強(qiáng)度沖擊下對伺服回轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生很大的過載力矩,進(jìn)而影響伺服回轉(zhuǎn)平臺的伺服性能,導(dǎo)致伺服回轉(zhuǎn)平臺控制參數(shù)不匹配。
目前針對伺服回轉(zhuǎn)平臺的質(zhì)心測試方法并不成熟,國內(nèi)外常見的質(zhì)心測量方法按原理可大致分為以下3類[1]:重力效應(yīng)的原理、理論分析的原理以及力矩平衡的原理,詳見表1。
由于伺服回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測量精度高,重力效應(yīng)的方法由于測量精度不高,不適合使用;基于理論分析的方法因?yàn)槟壳暗臈l件限制,也不適合使用;力矩平衡法最適合伺服回轉(zhuǎn)平臺質(zhì)心位置測量。
表1 常見質(zhì)心偏載測量方法分類
對于同時兼有動載部分和靜載部分的的質(zhì)心偏載測量,力矩平衡法目前主要采用列力矩平衡方程的方法,引入?yún)?shù)多,計(jì)算復(fù)雜。因此質(zhì)心測量方法研究具有十分重要的意義。
伺服回轉(zhuǎn)平臺質(zhì)心偏載測量過程中,靜載部分保持靜止,動載部分繞著其回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。相應(yīng)的如果動載部分的質(zhì)心不在回轉(zhuǎn)軸上,其質(zhì)心會繞著回轉(zhuǎn)軸作圓周運(yùn)動。
如圖1所示,建立測量原理坐標(biāo)系,使X軸、Y軸平行于大地水平面,Z軸朝天,伺服回轉(zhuǎn)平臺測試時,回轉(zhuǎn)軸與Z軸重合。設(shè)回轉(zhuǎn)平臺上不隨回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的靜載部分質(zhì)心為OMxM,yM,隨回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的動載部分質(zhì)心為Omxm,ym。
在回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動過程中,動載部分的質(zhì)心會在坐標(biāo)系中XOY面內(nèi)繪制一個以O(shè)m為圓心的圓,設(shè)AxA,yA、BxB,yB、CxC,yC為圓上任意3點(diǎn)。
根據(jù)平行力系合成定理[2]可知,在動載部分質(zhì)心AxA,yA(或BxB,yB;CxC,yC)和靜載部分質(zhì)心OMxM,yM之間必然存在一個點(diǎn)ExE,yE(或FxF,yF;GxG,yG),滿足如下力矩平衡方程
(1)
式中:M——靜載部分質(zhì)量;m——動載部分質(zhì)量;xM,yM——靜載部分質(zhì)心坐標(biāo);xA,yA——動載部分質(zhì)心在A點(diǎn)時坐標(biāo);xE,yE——整體質(zhì)心在E點(diǎn)時坐標(biāo)。
或
(2)
式中:xB,yB——動載部分質(zhì)心在B點(diǎn)時坐標(biāo);xF,yF——整體質(zhì)心在F點(diǎn)時坐標(biāo)。
或
(3)
式中:xC,yC——動載部分質(zhì)心在C點(diǎn)時坐標(biāo);xG,yG——整體質(zhì)心在G點(diǎn)時坐標(biāo)。
將式(2)-式(1),則
(4)
整理得
(5)
同理可得
(6)
根據(jù)相似三角形判定原理,可得△ABC∽△EFG,設(shè)OM+mxM+m,yM+m為△EFG圓心 。由力矩力臂相似三角形可知
(7)
綜上,測量伺服回轉(zhuǎn)平臺動載部分繞回轉(zhuǎn)軸的偏載力矩,等效于在這個過程中靜載和動載作為整體質(zhì)心的偏載力矩。如圖2所示建立測量坐標(biāo)系[3],在測量坐標(biāo)系內(nèi)布置4個稱重傳感器。
轉(zhuǎn)動伺服回轉(zhuǎn)平臺,分別對X軸、Y軸建立力矩平衡方程[4]
Fi1+Fi2+Fi3+Fi4=M+m
(8)
式中:Fi1,F(xiàn)i2,F(xiàn)i3,F(xiàn)i4——分別為動載部分質(zhì)心在Di(i=1,2,3,4)時稱重傳感器K1,K2,K3,K4的示值,kg。
(9)
式中:Xi,Yi——動載部分質(zhì)心在Di(i=1,2,3)時整體質(zhì)心坐標(biāo)。
(10)
根據(jù)正弦與余弦的正負(fù)極性來判斷質(zhì)心偏載在回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(以回轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn),坐標(biāo)軸與測量坐標(biāo)系平行)內(nèi)的位置。具體見表2。
表2 質(zhì)心偏載力矩在回轉(zhuǎn)坐標(biāo)系位置判定
當(dāng)在回轉(zhuǎn)過程中取更多點(diǎn)時,將會計(jì)算出更可靠準(zhǔn)確的質(zhì)心偏載力矩。
根據(jù)力學(xué)原理對伺服回轉(zhuǎn)平臺的質(zhì)心進(jìn)行受力分析及數(shù)學(xué)解析,分析總結(jié)出簡潔實(shí)用的測量方法。提高了測量速度和可靠性。該方法可以廣泛應(yīng)用于類似本伺服回轉(zhuǎn)平臺的測量工作,對于質(zhì)心偏載的測量及工業(yè)應(yīng)用具有重要的作用。
[1] 王磊,林宇,張若嵐. 輕小型紅外成像穩(wěn)定平臺質(zhì)心測量方法探究[J]. 測量技術(shù),2013,35(7):434~438.
[2] 王鐸,程靳. 理論力學(xué) [M]. 北京:高等教育出版社,2006.
[3] 盧志輝,孫志揚(yáng),李祥云,薄悅,張磊樂.高精度質(zhì)心測量方法研究[J].兵工學(xué)報(bào),2009,30(12):1 748~1 752.
[4] 吳斌,王海峰,馬貴賢.大質(zhì)量飛行器質(zhì)心測量方法[J].宇航計(jì)測技術(shù),2007(6):28~30.
ResearchonMeasurementMethodofMassEccentricaboutServo-assistedRevolvingPlatformofInfraredSeeker
LIU Kai ZHAO Tian-cheng WANG Tao HE Suo-chun
(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology,Beijing 100076,China)
The generation for mass eccentric about servo-assisted revolving platform of infrared seeker is researched, and a new concise equivalent measurement algorithm is excogitated by building mechanical model.this measurement greatly simplified the former complex measuring process,and can be applied widely.
Platform Mass eccentric Equivalent Algorithm
2016-08-30,
2017-03-24
劉凱(1987-),男,碩士,工程師,主要研究方向:飛行器瞄準(zhǔn)定向技術(shù)。
1000-7202(2017) 04-0040-03
10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.09
TN216
A