夏元杰，劉宇，陳靜，李磊，張向陽

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065）

T 型光電轉(zhuǎn)塔是由多種光電傳感器和兩軸穩(wěn)定平臺組成的光電設(shè)備，廣泛應(yīng)用在車載、艦載等多種武器平臺，實現(xiàn)對目標(biāo)的搜索、識別、定位和跟蹤等功能［1-2］。隨著精密傳動技術(shù)、隨動控制技術(shù)、光電技術(shù)、傳感器技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，光電轉(zhuǎn)塔朝著高精度、高分辨率和智能化的方向發(fā)展［3-4］。T 型光電轉(zhuǎn)塔的優(yōu)點是便于更換、升級光電傳感器，有利于偵察系統(tǒng)的能力提升，因而成為車載平臺上的常用設(shè)備［5］。

一種典型的T 型光電轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該光電轉(zhuǎn)塔由方位組件和俯仰組件組成，俯仰組件兩側(cè)安裝左、右光具座組件和左、右傳感器罩部件，其左、右光具座上分別安裝有電視攝像機、紅外熱像儀、激光測距機和陀螺部件等光電傳感器，前后各配置一個電子箱。 該光電轉(zhuǎn)塔能夠?qū)崿F(xiàn)光電傳感器繞方位和俯仰方向旋轉(zhuǎn)，具有隔離載體擾動，保持光電傳感器光軸在慣性空間穩(wěn)定的功能［6-8］。

圖1 T 型光電轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)

T型光電轉(zhuǎn)塔左、右光具座上安裝多個光電傳感器，要求光具座結(jié)構(gòu)體積小、重量輕、剛度高、承受載荷后彈性變形小，才能保證T 型光電轉(zhuǎn)塔滿足測角精度和多光軸平行性等性能指標(biāo)要求，實現(xiàn)對地面目標(biāo)和空中目標(biāo)的高精度瞄準(zhǔn)和跟蹤，使武器系統(tǒng)達到精確打擊的目的［9-10］。

1 T 型光電轉(zhuǎn)塔光具座結(jié)構(gòu)研究

1.1 光具座初始結(jié)構(gòu)

1.1.1 光具座板狀結(jié)構(gòu)及存在問題

圖1 所示的T 型光電轉(zhuǎn)塔，其俯仰組件兩側(cè)的左、右光具座上分別安裝光電傳感器，左、右傳感器罩分別固定在左、右光具座上，隔離外部水、汽、塵土和細菌，對傳感器起密封保護作用。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是裝拆、換裝傳感器方便，多光軸平行性檢測、調(diào)校時也相對快捷。

該T 型光電轉(zhuǎn)塔右側(cè)的光具座組件如圖2所示，該光具座為板狀結(jié)構(gòu)，其側(cè)面安裝有紅外熱像儀（6 kg）和陀螺部件（3 kg）；傳感器罩如圖3 所示，為框狀結(jié)構(gòu)。其左側(cè)光具座和傳感器罩與右側(cè)結(jié)構(gòu)相似，這里不再贅述。

圖2 板狀結(jié)構(gòu)光具座組件

圖3 傳感器罩

當(dāng)利用大口徑反射式平行光管裝置對光電轉(zhuǎn)塔進行多光軸平行性調(diào)校時，需要先拆下光電轉(zhuǎn)塔左、右傳感器罩，以左光具座上激光發(fā)射光軸為基準(zhǔn)，分別調(diào)整電視攝像機小視場和紅外熱像儀小視場俯仰和方位位置，使其對激光發(fā)射光軸的平行度誤差滿足技術(shù)指標(biāo)；然后再分別把左、右傳感器罩裝配到左、右光具座，并用螺釘緊固；最后利用大口徑反射式平行光管進行多光軸平行性復(fù)檢時，卻發(fā)現(xiàn)測角誤差和多光軸平行度誤差均超差。

由于光具座和傳感器罩的安裝接觸面平面度設(shè)計和制造的公差等級都是7，且表面粗糙度都達到1.6，也就是說，安裝接觸面的平面度和表面粗糙度對光軸平行度誤差超差影響很小，因此多光軸平行性超差主要是由光具座的結(jié)構(gòu)變形引起的。

1.1.2 板狀結(jié)構(gòu)光具座有限元靜力分析

為了量化板狀光具座在負載作用下的結(jié)構(gòu)變形情況，需要對該光具座進行有限元線性靜力仿真分析。這里以T型光電轉(zhuǎn)塔右側(cè)的光具座（該側(cè)光具座上的紅外熱像儀負載較重、對光具座變形影響較大）為例進行仿真分析，該光具座材料為鎂合金，材料屬性如表1 所示。

表1 光具座材料屬性

在有限元分析前處理階段，對光具座實體模型進行簡化，得到理想化模型。 紅外熱像儀（6 kg）和陀螺部件（3 kg）這兩個載荷作為質(zhì)量單元施加在光具座上：光具座通過8 個過孔用螺釘固定在光電轉(zhuǎn)塔俯仰軸上，因此約束施加在8個過孔內(nèi)圓柱面；用四面體單元對光具座理想化模型進行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 板狀光具座網(wǎng)格圖

對網(wǎng)格劃分后的光具座施加約束和載荷，進行有限元線性靜力求解，得到其單元應(yīng)力分布如圖5 所示，最大應(yīng)力為4.680 MPa，遠小于屈服強度。

圖5 板狀光具座單元應(yīng)力云圖

其節(jié)點位移云圖如圖6 所示，最大節(jié)點位移為0.016 2 mm

圖6 板狀光具座節(jié)點位移云圖

1.2 光具座改進結(jié)構(gòu)

1.2.1 光具座改進方案-框狀結(jié)構(gòu)

為了提高光具座剛性，減少光具座變形，一般是通過增加光具座厚度實現(xiàn)，但是增加光具座厚度，必然會增加光電轉(zhuǎn)塔的總重量；同時俯仰軸的負載也隨之增加，因此，該方案不可行。

在保持光電轉(zhuǎn)塔總重量基本不變的前提下，改進光具座組件設(shè)計方案，如圖7 所示，將光具座與傳感器罩重新結(jié)構(gòu)分解，使板狀光具座四周像城墻一樣圍成一周，設(shè)計為框狀結(jié)構(gòu)（圖8）；傳感器罩則簡化為蓋板（圖9）。

圖7 框狀結(jié)構(gòu)光具座組件

圖8 框狀光具座

圖9 傳感器蓋板

1.2.2 框狀光具座有限元靜力分析

為了量化光具座結(jié)構(gòu)改進效果，也需要對框狀結(jié)構(gòu)光具座進行有限元靜力仿真。加固后的框狀光具座同樣承受紅外熱像儀（6 kg）和陀螺部件（3 kg）兩個載荷，作為兩個質(zhì)量單元施加在光具座上；約束也同樣施加在光具座8 個過孔內(nèi)圓柱面；用四面體單元對框狀光具座理想化模型進行網(wǎng)格劃分，如圖10 所示。

圖10 框狀光具座網(wǎng)格

進行有限元線性靜力求解，得到其單元應(yīng)力如圖11 所示，此時光具座最大應(yīng)力為0.694 MPa，遠小于屈服強度。

圖11 框狀光具座單元應(yīng)力云圖

其節(jié)點位移云圖如圖12 所示，此時光具座最大節(jié)點位移不大于0.003 8 mm。

圖12 框狀光具座節(jié)點位移云圖

1.3 兩種結(jié)構(gòu)光具座有限元分析結(jié)果比較

對板狀結(jié)構(gòu)和框狀結(jié)構(gòu)光具座的最大應(yīng)力值（即單元馮氏應(yīng)力）和最大變形值（即節(jié)點位移）進行對比，如表2 所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)光具座的應(yīng)力和變形對比

可見，通過優(yōu)化光具座部件結(jié)構(gòu)，將原來只承擔(dān)傳感器密封保護、不承受負載的傳感器罩，調(diào)整為平板；同時在板狀光具座周圍增加邊框結(jié)構(gòu)，即圓周加強筋，從而使光具座最大應(yīng)力值降低了85.2%，最大變形量減少了76.5%，極大地提高了光具座剛度。

1.4 光具座結(jié)構(gòu)變形對測角誤差和多光軸平行度誤差的影響

設(shè)紅外熱像儀的有效長度為l mm，對應(yīng)光具座安裝位置沿方位或者俯仰方向的最大有效變形量為d，則因光具座變形可能引起的紅外熱像儀方位或者俯仰方向的測角誤差為：

可見，在不考慮其他因素影響的情況下，光具座結(jié)構(gòu)變形越大，紅外熱像儀的測角誤差越大，其對基準(zhǔn)光軸的平行度誤差也越大。

1.5 實驗驗證

把按照框狀結(jié)構(gòu)設(shè)計加工的光具座和對應(yīng)的傳感器蓋板更換到T 型光電轉(zhuǎn)塔上，裝調(diào)完畢后，對T 型光電轉(zhuǎn)塔進行測角誤差和多光軸平行度誤差復(fù)檢，發(fā)現(xiàn)其誤差均在指標(biāo)要求范圍內(nèi)。

2 結(jié)論

光具座結(jié)構(gòu)變形是影響T型光電轉(zhuǎn)塔測角誤差和多光軸平行度誤差的重要因素之一，通過分別對承載光電傳感器的初始光具座和改進光具座建立有限元模型，進行網(wǎng)格劃分，施加約束和載荷，利用有限元分析軟件進行求解，在后處理器中提取其單元應(yīng)力和節(jié)點位移，通過對比最大單元應(yīng)力值和最大節(jié)點位移值以及實驗驗證發(fā)現(xiàn)，在不增加光電轉(zhuǎn)塔總重量的前提下，改進后的光具座結(jié)構(gòu)更加合理，能夠有效減少光具座變形，顯著提高光具座剛度，充分保證T型光電轉(zhuǎn)塔的測角精度和多光軸一致性。