光电经纬仪垂直轴系优化设计

　　光电经纬仪是对飞行物体进行外弹道测量的重要设备,随着科技的发展,经纬仪在我国靶场上应用越来越多,目前已成为靶场上装备最多、功能最全的设备之一.现代的经纬仪与传统的经纬仪相比在功能方面有了很大的改进,高精度、高灵敏度(响应快)以及高稳定性等已成为新一代经纬仪的特征.这就要求在分析设计时就应该设计出比较理想的结构.传统上,设计人员在分析设计时,往往是凭借设计经验设计某一参数,为了保证安全,通常设计较大的安全系数,这不仅浪费材料而且使得经纬仪显得比较笨重,不利于高性能的发挥[1].

　　经纬仪中垂直轴系由于转动惯量大、传动链长、环节多,更需特别关注,因为其性能好坏将直接影响方位传动的谐振频率和随动系统的带宽,进而影响光电经纬仪随动系统的跟踪平稳性和跟踪精度[2].并且研究光电经纬仪结构刚度的目的是为了在结构设计过程中能够比较准确地确定轴系刚度和谐振频率的数值,避免设计的盲目化.通过对经纬仪垂直轴系的模态分析,能够得出经纬仪垂直轴系的结构设计是否合理,分析结果能显示垂直轴系各部分的结构刚度强弱分布,为结构的优化设计工作提供参考依据[3].作者用UG NX4·0构造垂直轴系的实体模型,然后利用其集成的高级仿真模块进行模态分析,得出垂直轴系前三阶固有频率及其振型.针对仿真分析结果,利用有限元软件Ansys对其进行优化设计,设计出一套结构更好、更经济实用的设计方案.

　　1　垂直轴系模态分析

　　以地平式经纬仪进行分析.经纬仪的整体结构已经成形,垂直轴系的机械固有频率主要与转动惯量和刚度有关系,所以对经纬仪的垂直轴系进行简化并建模,并对模型进行模态分析以求解垂直轴系固有频率.以100帧/s,口径D=280 mm某型号的中型红外跟踪经纬仪为例进行分析.

　　经纬仪垂直轴系主要由水平推力轴承、径向轴承、旋转轴承座、基座、方位转台、方位力矩电机、编码器、导电环及人工操作台等部件组成.基座承受转台及水平轴系的质量,旋转轴承座固定在基座上起径向定位作用,导电环和编码器通过螺栓连接固定于旋转轴承座上,力矩电机直接驱动方位转台旋转.

　　在考虑质量及转动惯量对模型影响的基础上,对垂直轴系进行了结构简化,以对分析起影响作用的基座、旋转轴承座、转台、水平推力轴承及径向定位轴承为对象进行建模,去掉一些对分析影响作用小的结构,如轴承保护架、盖板和方位编码器等,缩短了分析时间,提高了分析效率.其中对分析起较大影响作用的人工操作台及其配重进行特别考虑,对水平和径向轴承进行简化处理.

　　基座是用来承载的部件,用于安放水平推力轴承和力矩电机的定子,其内凹部分与旋转轴承座连接在一起.它是由HT300直接铸造而成,内部共有12条筋板,6条长筋板,6条短筋板,平均分布于圆周方向,用于加强基座刚度.其三维实体模型如图1所示.