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      大型車載搜索與跟蹤轉(zhuǎn)臺U型架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

      2022-08-25 08:44:40宋煜明
      電視技術(shù) 2022年8期
      關(guān)鍵詞:型架公差沖擊

      張 戈,劉 芬,宋煜明

      (1.中國電子科技集團公司第三研究所,北京 100015;2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400039)

      0 引 言

      光電搜索與跟蹤(以下簡稱搜跟)系統(tǒng)在偵察、制導(dǎo)與防空等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用[1]。近年來,隨著無人機技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用,對各種小型空中目標(biāo)進行光電探測的需求逐漸增加[2]。為了探測到更小的目標(biāo),搜跟轉(zhuǎn)臺需要搭載更大口徑的鏡頭和更高分辨率的光學(xué)傳感器。相應(yīng)地,轉(zhuǎn)臺的體積和重量也就隨之增大,大型搜跟轉(zhuǎn)臺的需求不斷被提出。U型轉(zhuǎn)臺的光學(xué)負載布置緊湊,并且集中在轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸附近。因此,U型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)臺負載轉(zhuǎn)動慣量小,有利于整體結(jié)構(gòu)的輕量化,在相同重量下有更快的相應(yīng)速度[3]。因此,大型搜跟轉(zhuǎn)臺經(jīng)常采用U型的結(jié)構(gòu)形式。

      如圖1所示,一個典型的U型轉(zhuǎn)臺由方位旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、U型架及負載三部分組成。其中,U型架是U型轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件,對結(jié)構(gòu)強度、尺寸公差及輕量化設(shè)計的要求較高。中小型的U型架多采用整塊材料一體式加工的形式滿足以上要求。但大型U型架如果采用一體式設(shè)計,則會導(dǎo)致加工成本過高以及加工時間難以控制的問題。而且,一體式設(shè)計的U型架加工成型后難以修改,不利于產(chǎn)品的后續(xù)升級與改進。因此,本文提出一種組合式的大型U型架設(shè)計方案,能在滿足結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上降低加工材料成本與時間成本,并且提高結(jié)構(gòu)的靈活性。

      圖1 U型轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)組成

      1 組合式U型架結(jié)構(gòu)設(shè)計

      圖2為本文設(shè)計的組合式U型架的結(jié)構(gòu)示意圖。U型架主體結(jié)構(gòu)由U型架橫梁、U型架側(cè)支架1以及U型架側(cè)支架2三部分組成。三個部分通過橫梁上的凹槽和支架上的凸臺進行定位,并通過螺釘進行緊固。U型架側(cè)支架1上布置角度傳感器、電磁制動器以及配套的相關(guān)軸系。U型架側(cè)支架2上布置俯仰驅(qū)動電機和配套的相關(guān)軸系。

      圖2 組合式U型架結(jié)構(gòu)示意圖

      這種U型架的驅(qū)動、測量、制動裝置都處于同一軸線上,具有旋轉(zhuǎn)精度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊的特點。采用組合式設(shè)計后,U型架主體不需要一整塊大材料加工,而是使用三塊相對較小的材料加工而成,減少了材料損耗,節(jié)約了加工時間。若是需要更改傳感器、制動器或是驅(qū)動電機的選型,只需要加工新的U型架側(cè)支架進行更換,而不需要重新加工整個U型架,降低了產(chǎn)品升級改進的成本。

      2 組合式U型架強度校核

      設(shè)計要求U型臺負載質(zhì)量為50 kg,能夠承受三軸六向峰值加速度為50 g,持續(xù)時間為11 ms的半正弦波沖擊。本文使用ANSYS Workbench軟件對U型架主體結(jié)構(gòu)進行仿真分析。

      如圖3所示,將U型架主體結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件,設(shè)置材料為T6狀態(tài)的6061鋁合金。為簡化模型,設(shè)置point mass(點質(zhì)量)為50 kg,連接到側(cè)支架來模擬負載質(zhì)量。

      圖3 U型架仿真負載質(zhì)量設(shè)置

      ANSYS Workbench軟件的Transient Structural(瞬態(tài)響應(yīng))模塊可以在載荷不斷隨時間變化的情況下計算結(jié)構(gòu)隨時間變化的力學(xué)響應(yīng)[4]。因此,可以利用該模塊進行U型架的沖擊響應(yīng)分析。

      峰值加速度為50 g,持續(xù)時間為11 ms的半正弦波的加速度表達式為

      在Transient Structural模塊中設(shè)置模型的夾具的加速度為式(1)即可模擬沖擊工況。但軟件中,夾具只可直接設(shè)置速度與位移,故本文采用設(shè)置速度等效加速度的方法來模擬沖擊工況。

      對式(1)進行積分,可以得到峰值加速度為50 g,持續(xù)時間為11 ms的半正弦波的速度表達式為

      根據(jù)式(2),設(shè)置夾具如圖4所示。

      圖4 U型架仿真夾具設(shè)置

      調(diào)整夾具速度方向,分別進行±X軸、±Y軸、±Z軸6個方向的仿真,得到U型架產(chǎn)生最大應(yīng)力的工況如圖5所示。當(dāng)沖擊方向為Y軸正向時,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力最大,為214 MPa,小于材料的許用應(yīng)力290 MPa,符合強度要求。

      圖5 U型架仿真最大應(yīng)力工況

      3 關(guān)鍵尺寸與公差分析

      相較于一體式的U型架,由于誤差在多個零件間傳遞與積累,組合式U型架更容易產(chǎn)生整體尺寸的偏差。因此,需要對組成U型架主體結(jié)構(gòu)的主要尺寸與公差進行計算,以保證整體公差的合格。如圖2所示,U型架的主體結(jié)構(gòu)由U型架橫梁、U型架側(cè)支架1與U型架側(cè)支架2三個零件組成。因此,將U型架結(jié)構(gòu)簡化為3個零件進行公差分析,簡化模型如圖6所示。

      圖6 U型架尺寸分析簡化模型示意圖

      如圖6所示,軸1和軸2共同組成了U型架的俯仰軸。這兩個軸的同軸度對整個U型臺的受力情況與旋轉(zhuǎn)精度影響很大,因此要做重點分析[5]。要分析軸1和軸2的尺寸偏差,需要構(gòu)建跨越3個零件的包含尺寸與形位公差的立體尺寸鏈。對于這種復(fù)雜的尺寸鏈,傳統(tǒng)理論計算難以進行,多使用軟件進行仿真計算[6]。本文使用Solidworks軟件的TolAnalyst工具對兩個軸的偏差進行分析,設(shè)計要求兩軸的統(tǒng)計平方差公差在最大實體要求下為0.05 mm。

      如圖7所示,選取U型架橫梁底部的圓柱面與平面為公差基準(zhǔn),并設(shè)置兩端的定位凹槽的尺寸公差與形位公差。

      圖7 U型架橫梁公差設(shè)置

      如圖8所示,選取U型架側(cè)支架1與U型架側(cè)支架2底部的三個定位平面為公差基準(zhǔn),并設(shè)置圓孔的尺寸公差與形位公差。

      圖8 U型架支架公差設(shè)置

      設(shè)置完成后,在TolAnalyst工具中計算軸1與軸2的偏差,結(jié)果如圖9所示。

      圖9 U型架軸偏差分析結(jié)果

      由分析結(jié)果可知,影響軸1與軸2偏差的尺寸與公差有U型架側(cè)支架1與U型架側(cè)支架2的圓孔的位置度與直徑公差,以及U型架橫梁兩端凹槽的尺寸公差。當(dāng)設(shè)置上述公差為如表1所示的數(shù)值時,軸1與軸2的統(tǒng)計平方差(Root Sum Squares,RSS)公差為0.046 mm,符合0.05 mm的設(shè)計要求。

      表1 U型架關(guān)鍵尺寸設(shè)置

      4 實驗測試

      根據(jù)設(shè)計制造出樣機,并進行了各項測試。沖擊試驗現(xiàn)場如圖10所示。

      圖10 U型臺沖擊實驗現(xiàn)場

      按照如圖11所示的曲線對U型臺施加三軸六向的沖擊載荷。沖擊試驗完成后,U型架的結(jié)構(gòu)完整,功能正常。整個U型臺的結(jié)構(gòu)與功能均未受影響。

      圖11 沖擊試驗載荷曲線

      完成試驗后,U型臺與運載車輛進行了安裝調(diào)試,調(diào)試現(xiàn)場如圖12所示。

      在實際運行中,組合式U型架能夠搭載50 kg的負載,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,旋轉(zhuǎn)精度與響應(yīng)速度符合設(shè)計要求。

      圖12 U型臺調(diào)試現(xiàn)場

      5 結(jié) 語

      本文為一種大型車載U型搜跟轉(zhuǎn)臺設(shè)計了一種組合式U型架。相對于一體式U型架,組合式U型架可以有效降低加工成本、縮短加工時間,并且具有更高的結(jié)構(gòu)靈活性。為驗證這種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度,本文使用ANSYS Workbench軟件的Transient Structural模塊對U型架結(jié)構(gòu)進行了沖擊仿真,仿真結(jié)果符合設(shè)計要求。為確定U型架的加工精度,本文使用Solidworks軟件的TolAnalyst工具計算出了影響U型架兩側(cè)軸偏差的關(guān)鍵尺寸及其具體數(shù)值。最后對樣機進行了沖擊試驗與整體測試,結(jié)果證明組合式U型架能夠滿足設(shè)計與使用需求。

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