高精度二轴跟踪系统四通结构的设计与分析

　　1　引　言

　　二轴跟踪系统的跟踪架作为系统的核心部件之一,是各种观测、发射及接收设备的基础平台,其性能优劣对整个系统的跟踪精度有重要影响。四通结构是跟踪架的三大精密大件之一,提高其结构刚度对提高跟踪架的整体刚度、降低经纬轴系的晃动误差具有非常重要的意义[1]。随着计算机技术的发展和有限元分析理论的完善,将有限元分析技术融入工程设计已成为一种新的趋势[2]。利用有限元法对光学仪器的机械结构做了大量研究,而根据结构变形计算分析光学组件的精度,可供参考的资料并不多。仪器的各项误差只能做理论上的估算并通过大量的实验加以验证,费时费力,且精确度不高。本文借助MSC.Patran/Nastran软件对跟踪架四通结构进行负载下的静力学分析,在此基础上完成了光学组件的精度计算,所得结果与实验数据基本吻合,表明结构设计合理、分析数据正确可靠,为同类设备的设计分析提供了有利的参考。

　　2　四通结构及其有限元模型的建立

　　应用UG软件建立四通实体模型并与跟踪架其他部件完好装配,如图1所示。系统采用水平式两轴转台结构:经轴对准南北,水平放置;纬轴指向东西,其上安装有探测器组件。大电机驱动经轴旋转,跟踪架可指向不同俯仰角;小电机驱动纬轴旋转,跟踪架可指向不同方位角。利用经纬轴伺服控制跟踪,对天顶目标有很高的跟踪精度。当经纬轴都在水平面内时,跟踪架可指向天顶。本文选定此姿态为0°俯仰角时的系统姿态。

　　由于系统工作时跟踪架俯仰角多处于0°左右,四通内部筋板设置如图2所示。除负载电机、光电编码器及纬轴上的探测器组件以外,四通结构还要支撑库德光路中的三个反射镜组件。图中放大区为反射镜Ⅰ组件图。反射镜Ⅰ由三点定位支撑在镜座上,并保证与经轴呈精确的45°夹角。镜座又由三点定位在镜架上,镜架用螺钉紧固在四通框架上,保证了各个部件的位置精度。反射镜Ⅱ,Ⅲ组件同此设计。根据系统精度要求,光束由左轴处沿经轴入射,经库德光路三次反射,出射光束光轴与纬轴偏角应不大于8″。

　　建立有限元模型时,忽略或简化了一些对整个结构变形和应力分布影响较小的细微特征。四通、左右轴与反射镜组件采用六节点五面体单元和八节点六面体单元接合而成;电机、编码器与纬轴探测器等组件则采用集中质量单元,通过多点约束与四通相连,其质点位置和质量通过UG建模时赋以各部件相应的材料密度计算生成。有限元模型如图3所示,X轴为经轴;Y轴代表纬轴;Z轴由右手定则确定[2]。