李凌杰,于昊鉦,溫慶榮

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

穩(wěn)定平臺[1]通過搭載不同的光電載荷應(yīng)用到各種環(huán)境中:醫(yī)療搜救、電力檢修、消防滅火等。穩(wěn)定平臺在受到的沖擊、振動時,可以有效地降低外界擾動帶來影響。而對于小型無人機(jī)的帶載能力,就需要對穩(wěn)定平臺的質(zhì)量、體積、剛度進(jìn)行著重考慮,針對上述問題,本文采用模塊化、輕量化設(shè)計(jì),通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析相結(jié)合的方式,設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定平臺。

2 穩(wěn)定平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 穩(wěn)臺框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)某型無人機(jī)的運(yùn)載能力及對穩(wěn)定精度的要求:穩(wěn)定平臺的俯仰運(yùn)動范圍為+30° ～-90°,方位為360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)；俯仰最大角加速度60°/s2,方位的最大角加速度90°/s2；整個穩(wěn)定平臺直徑≤140 mm,質(zhì)量≤5 kg；穩(wěn)臺的穩(wěn)定精度0.1 mrad。選擇了兩軸兩框架的結(jié)構(gòu)形式[2],外觀采用球形設(shè)計(jì)降低風(fēng)阻。兩軸即方位軸和俯仰軸,穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定精度與軸系的回轉(zhuǎn)精度有很大影響,是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時關(guān)鍵的因素之一。兩框架指的是外框架和內(nèi)框架(負(fù)載框架),外框架構(gòu)成了穩(wěn)定平臺的骨架,并實(shí)現(xiàn)方位旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；內(nèi)框架主要用于承接負(fù)載安裝,并通過俯仰驅(qū)動使得內(nèi)框架在一定角度內(nèi)可以旋轉(zhuǎn)。三軸陀螺通過測量角速度來判斷自身的姿態(tài),這可用于穩(wěn)定平臺的穩(wěn)像功能,以上為兩軸穩(wěn)定平臺的整體架構(gòu),如圖1所示。

圖1 兩軸穩(wěn)臺架構(gòu)Fig.1 Two-axis platform stabilizing structure

2.2 軸系設(shè)計(jì)

穩(wěn)定平臺的軸系精度直接影響到最終產(chǎn)品的性能,在滿足尺寸要求的狀態(tài)下,方位軸系和俯仰軸系布置應(yīng)緊湊。方位軸系通過一對軸承與方位座連接,上軸承壓蓋一端壓緊軸承內(nèi)圈,另一端與U型架相連,從而使得U型架可以旋轉(zhuǎn)。方位軸系主要承擔(dān)軸向載荷,同時又要保證旋轉(zhuǎn)的精度,因此,此處選擇一對角接觸球軸承采用背對背安裝[3],通過內(nèi)圈外圈壓緊的方式,消除軸系竄動。

由于無人機(jī)安裝尺寸要求,穩(wěn)定平臺的高度要盡可能降低,在方位軸系設(shè)計(jì)時,采用了直流力矩電機(jī)與軸承的嵌套連接,力矩電機(jī)通過結(jié)構(gòu)安裝在軸承的內(nèi)圈中,進(jìn)一步降低方位軸系的高度。為了實(shí)現(xiàn)方位軸系的360°連續(xù)旋轉(zhuǎn),在電機(jī)中心處安裝電器滑環(huán),方位測角采用了光電式編碼器[4],可以實(shí)現(xiàn)無接觸測角。方位組件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 方位組件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Azimuth component structure diagram

俯仰軸系分為兩個組件分別是俯仰左軸系和俯仰右軸系,其中左軸系作為負(fù)載俯仰運(yùn)動的動力輸入端,采用直流力矩電機(jī)直接套軸的方式來減少由于多級傳動帶來的精度誤差；左軸系的軸承采用四點(diǎn)壓緊方式,保證軸向和徑向的竄動,俯仰軸中間為空心軸,利于內(nèi)部負(fù)載的走線與編碼器選型,俯仰左軸系的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 俯仰左軸系結(jié)構(gòu)Fig.3 Pitching left shafting structure

俯仰右軸系由軸承座、軸承、旋轉(zhuǎn)軸、軸承端蓋和編碼器組成,如圖4所示。軸承單端固定,另一端游動,軸承座與U型架相連,空心軸與負(fù)載框架相連接,實(shí)現(xiàn)俯仰旋轉(zhuǎn)。

圖4 俯仰右軸系Fig.4 Pitching right shafting structure

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)計(jì)算力矩電機(jī)所需的最小力矩(方位角加速度90°/s2,俯仰角加速度60°/s2),需要計(jì)算旋轉(zhuǎn)的慣性力矩和方位、俯仰的摩擦力矩,對于俯仰電機(jī)還應(yīng)計(jì)算風(fēng)阻力矩。方位電機(jī)計(jì)算如表1所示,俯仰電機(jī)計(jì)算如表2所示。

表1 方位電機(jī)所需力矩計(jì)算Tab.1 Torque calculation of azimuth motor

表2 俯仰電機(jī)所需力矩計(jì)算Tab.2 Calculation of required torque of pitch motor

2.3 穩(wěn)臺外形設(shè)計(jì)

整個穩(wěn)臺采用柱形設(shè)計(jì)如圖5所示。U型架是連接方位組件與俯仰組件的紐帶,U型架的結(jié)構(gòu)剛度直接影響了整個穩(wěn)定平臺的剛度,U型架采用一體式加工,這樣既可以保證穩(wěn)臺的剛度又可以保證左右軸系的同軸度與方位的垂直度,即兩個正交軸的垂直度。另一方面此柱形穩(wěn)定平臺的氣動性能好,相比于叉型穩(wěn)臺可以降低更多的風(fēng)阻,提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 穩(wěn)臺支撐結(jié)構(gòu)Fig.5 Support structure of platform stabilization

3 關(guān)重件的仿真分析

穩(wěn)定平臺的負(fù)載主要由U型架的左右軸系支撐,因此需要軸系及U型架進(jìn)行仿真分析,根據(jù)總體指標(biāo)U型架最大變形不超過0.005 mm,左右俯仰軸系組件變形不超過0.003 mm,首先對俯仰軸系及U型架進(jìn)行簡化處理,將材料添加到模型中,俯仰左、右軸采用材料為鋼,其余采用鋁合金,將負(fù)載框架及最大可更換的負(fù)載重量用質(zhì)量點(diǎn)代替,便于分析計(jì)算,接著劃分網(wǎng)格,采用多級網(wǎng)格劃分得到質(zhì)量優(yōu)秀的網(wǎng)格[5],將U型架底端固定,設(shè)定重力方向進(jìn)行仿真分析。

如圖6所示,整個U型架的最大變形為0.0028 mm,位置在U型架下端,安裝軸系組件位置的變形為0.0019 mm,小于總體指標(biāo)要求,滿足使用性能。

圖6 U型架變形分析Fig.6 Analysis of U-frame degeneration

如圖7所示,左右兩個俯仰軸系組件的最大位移為0.0023 mm,同樣小于總體要求指標(biāo),滿足系統(tǒng)剛度。

圖7 俯仰軸系變形分析Fig.7 Analysis of shafting deformation

4 結(jié) 論

根據(jù)某型無人機(jī)提出的指標(biāo),設(shè)計(jì)了一種小型的穩(wěn)定平臺,整體采用兩軸兩框架結(jié)構(gòu)。采用了模塊化設(shè)計(jì),方便后期裝調(diào)與維護(hù),并且采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真相結(jié)合的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過仿真驗(yàn)證關(guān)重件的力學(xué)性能,確保設(shè)計(jì)合理符合要求,希望通過本文的設(shè)計(jì)與分析可以為以后的機(jī)載穩(wěn)定平臺提供設(shè)計(jì)思路與幫助。