姜旭倫 曹國(guó)華

(長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022)

一、引言

精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)是激光導(dǎo)航儀中的基本驅(qū)動(dòng)部件。激光、紅外等多種跟蹤測(cè)量設(shè)備均需裝載在伺服轉(zhuǎn)臺(tái)上，依靠轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成系列的運(yùn)動(dòng)、定位及測(cè)量工作。隨著導(dǎo)航技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，對(duì)激光導(dǎo)航儀的定位、測(cè)量精度要求及穩(wěn)定性要求在不斷提升，這對(duì)精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度、精度和工作穩(wěn)定性均提出了更高要求。

傳統(tǒng)上，精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及校核方法大多基于公式計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件眾多的伺服轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)說，很難進(jìn)行較為精確的力學(xué)特性、熱特性分析求解。引入有限元仿真方法，可以求解精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)主要結(jié)構(gòu)件的諧振頻率及模態(tài)，可以模擬轉(zhuǎn)臺(tái)經(jīng)受工作載荷或環(huán)境溫度變化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況，從而對(duì)現(xiàn)有轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核乃至改進(jìn)，以達(dá)到校核或優(yōu)化轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升轉(zhuǎn)臺(tái)靜、動(dòng)力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的目的。

二、精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的初步設(shè)計(jì)方案

筆者針對(duì)某技術(shù)指標(biāo)要求，采用基于公式計(jì)算及工程經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和選型方法，作出了一款精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的初步設(shè)計(jì)方案。該方案如圖1示意，轉(zhuǎn)臺(tái)采用地平式U型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)由兩大部分組成：（1）上方平行于水平面的俯仰擺動(dòng)軸系，即水平軸系，包含四通、U型照準(zhǔn)架、左右半軸及軸承等主要結(jié)構(gòu)件；（2）下方垂直于水平面的方位旋轉(zhuǎn)軸系，即垂直軸系，包含垂直軸及軸承、底座、調(diào)平機(jī)構(gòu)、基座等主要結(jié)構(gòu)件。將來(lái)的激光導(dǎo)航設(shè)備即安裝在上方水平軸系四通的通孔內(nèi)。

圖1 精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖

上述轉(zhuǎn)臺(tái)初步設(shè)計(jì)方案，是依據(jù)計(jì)算公式及工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)選型和設(shè)計(jì)的，參考了成熟的結(jié)構(gòu)方案，基本可滿足技術(shù)指標(biāo)要求。接下來(lái)，本文將采用有限元方法對(duì)該結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行力學(xué)特性、熱特性的仿真分析，以校核結(jié)構(gòu)是否合理可行，并豐富和積累伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

三、精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的靜力學(xué)特性研究

在仿真分析時(shí)，采用常用的成熟商用有限元分析軟件——ANSYS，版本12.1。一個(gè)完整的分析操作流程分為：（1）建立幾何模型；（2）劃分有限元網(wǎng)格；（3）添加約束和載荷；（4）選擇合理的求解方法并進(jìn)行求解；（5）查看并分析結(jié)果。其中在幾何建模時(shí)，還需對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

依次對(duì)水平軸系的U型架、左右半軸，垂直軸系的垂直軸、基座等重要的承載結(jié)構(gòu)件進(jìn)行靜力學(xué)仿真研究。模擬真實(shí)工況施加載荷，觀察其受載后的應(yīng)力和變形情況，校核其強(qiáng)度和剛度。

以U型架為例，求解計(jì)算后，得出最大應(yīng)力出現(xiàn)在U型架下方連接水平軸系的通孔壁處，數(shù)值為0.55Mpa。該應(yīng)力小于U型架材料（鋁合金）的許用應(yīng)力，且安全系數(shù)合格，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。U型架應(yīng)力云圖如圖2所示。最大變形出現(xiàn)在U型架水平軸系通孔的上方邊緣處，最大變形量為1.0629×10-3mm，同時(shí)通孔圓周處的變形量約為0.9×10-3mm～0.7×10-3mm范圍，相對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸，該變形量較小可忽略，因此設(shè)計(jì)方案的靜剛度滿足要求。

圖2 U型架受載后的應(yīng)力云圖

四、精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性研究

從模態(tài)分析角度，研究精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性。隔離出轉(zhuǎn)臺(tái)的主要運(yùn)動(dòng)部件，分別進(jìn)行有限元模態(tài)分析，求解其各階固有頻率和模態(tài)振型，以期發(fā)現(xiàn)和修改結(jié)構(gòu)上的薄弱之處，預(yù)防諧振等現(xiàn)象發(fā)生。依次對(duì)四通、U型架等運(yùn)動(dòng)件，以及對(duì)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)整體裝配件進(jìn)行了模態(tài)分析。

以四通為例，求解得出其二到六階模態(tài)的固有頻率為1159.4Hz到2270.2Hz。主要的振型特征是在豎直平面內(nèi)，通孔框架壁的受拉的、受壓或受剪的形變，直觀表現(xiàn)為中心通孔變形為橢圓或不規(guī)則形狀，最大振幅出現(xiàn)在四階模態(tài)（2167.8Hz）時(shí)，上方框架壁豎直向上位移約12.4mm。圖3為四通的四階模態(tài)振型。上述模態(tài)信息表明，一方面四通固有頻率較高，高于電機(jī)工作等頻率，因此正常情形下不會(huì)產(chǎn)生諧振，動(dòng)剛度符合要求；另一方面四通的薄弱結(jié)構(gòu)應(yīng)為其中心通孔，后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)可用肋板、筋板等結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加強(qiáng)孔壁。

圖3 四通的四階模態(tài)振型

五、精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的熱特性研究

激光導(dǎo)航儀及其精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)長(zhǎng)期運(yùn)行服役于戶外，經(jīng)受環(huán)境溫度變化的考驗(yàn)，引起一定的機(jī)械變形，可能導(dǎo)致測(cè)量誤差。因此，有必要對(duì)精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的熱特性進(jìn)行分析校核。從時(shí)間角度，熱特性分析可以分為瞬態(tài)熱特性分析和穩(wěn)態(tài)熱特性分析。從空間角度，熱特性分析可分為不均勻熱場(chǎng)的熱特性分析和均勻熱場(chǎng)的熱特性分析。對(duì)于在戶外不受太陽(yáng)直射、已穩(wěn)定工作一段時(shí)間的精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)說，其熱特性接近穩(wěn)態(tài)、均勻熱場(chǎng)的情形，因此選取開展穩(wěn)態(tài)、均勻熱場(chǎng)的熱特性分析，最高/最低環(huán)境溫度分別設(shè)定為+40℃/-40℃，依次考察四通、U型架、水平半軸、垂直軸、基座等重要結(jié)構(gòu)件的冷熱變形情況。仿真結(jié)果求出，這些結(jié)構(gòu)件在+40℃/-40℃區(qū)間的“熱脹冷縮”最大變形量已達(dá)10-1mm量級(jí)，相較于受靜載變形量（10-3mm）大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這提醒我們?cè)诤罄m(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)時(shí)，一定要把熱變形的因素考慮進(jìn)來(lái)。

接下來(lái)，對(duì)精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)整體裝配件也進(jìn)行高/低溫度下（+40℃/-40℃）的熱特性分析。由于是裝配情形下，且轉(zhuǎn)臺(tái)多處連接方式（如軸與軸承）為過盈連接，因此零件邊界受約束，受熱不能自由變形膨脹。此時(shí)熱特性以熱應(yīng)力為主。求解可知，在+40℃時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力最大應(yīng)力值為3.5×107N/m2。轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)所用材料（鋁合金，合金鋼）的屈服強(qiáng)度范圍大約為3.0×108N/m2～6.0×108N/m2。因此最大熱應(yīng)力值大致為材料屈服強(qiáng)度的1/9至1/17，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，但應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以減小最大熱應(yīng)力值。環(huán)境溫度+40℃時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 +40℃下的轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力云圖

六、結(jié)論

對(duì)精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的重要承載結(jié)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)件開展了有限元靜力學(xué)特性分析和有限元模態(tài)分析。定性和定量地觀察到了轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變特征及結(jié)構(gòu)的模態(tài)特征。校核和驗(yàn)證了轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案符合剛度和強(qiáng)度要求。豐富了對(duì)精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的直觀認(rèn)識(shí)，積累了轉(zhuǎn)臺(tái)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)重要結(jié)構(gòu)件及轉(zhuǎn)臺(tái)整體裝配件進(jìn)行了有限元熱特性分析和校核。求解了熱變形和熱應(yīng)力的量值及其空間分布情況。對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)件及整體裝配件的熱特性有了直觀了解和認(rèn)識(shí)。

[1]潘健.三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性分析與動(dòng)力學(xué)仿真[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[2]李秋紅.三軸轉(zhuǎn)臺(tái)有限元結(jié)構(gòu)分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[3]張軼偉.基于Pro/E 與ANSYS 的雙軸精密轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[4]謝濤，陳在禮，劉軍考.飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2004.16(10)：2228-2229.

[5]史魁.激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析與熱分析[D].北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2013.