超輕型無人機(jī)光電偵察平臺升降機(jī)構(gòu)設(shè)計

田素林

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033；2.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100039）

無人機(jī)由于體積小、航時長，為節(jié)省燃油增加續(xù)航能力，通常起飛重量較輕，對載荷的重量要求也比較嚴(yán)格，所以機(jī)載光電偵察設(shè)備在重量上受到嚴(yán)格限制。同時，為減少迎風(fēng)面積，外掛的光電偵察平臺外形一般為球形結(jié)構(gòu)。在實際飛行時，無人機(jī)從起飛點到工作區(qū)域或執(zhí)行完任務(wù)從工作區(qū)返回起飛點這一過程中，光電平臺停止工作，而這時外掛在機(jī)腹下的光電穩(wěn)定平臺所產(chǎn)生的風(fēng)阻力對飛機(jī)燃油的消耗影響甚大，所以在無人機(jī)未到達(dá)工作區(qū)域或完成任務(wù)返航時，為減少飛行阻力，一般要求光電平臺能夠收回機(jī)腹內(nèi)。為此設(shè)計光電平臺升降機(jī)構(gòu)來解決這一問題。升降機(jī)構(gòu)是無人機(jī)載光電偵察平臺的重要輔助設(shè)備，功能簡單，但卻是偵察平臺的重要一環(huán)。一般在無人機(jī)到達(dá)工作區(qū)域時將光電平臺放下，完成任務(wù)準(zhǔn)備返航時將光電平臺收起。如其失效，會給無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)帶來嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致整個飛行偵察工作無法展開，飛行任務(wù)失敗。因此設(shè)計的升降機(jī)構(gòu)要具有剛度高、重量輕、可靠性高、結(jié)構(gòu)盡量簡單的特點。

1 升降機(jī)構(gòu)的工作原理及實現(xiàn)方式

1.1 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的選擇

實現(xiàn)升降的結(jié)構(gòu)類型有連桿機(jī)構(gòu)、鏈輪機(jī)構(gòu)、絲杠絲母機(jī)構(gòu)或者復(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)，無人機(jī)機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性、穩(wěn)定性好，剛度強度高。機(jī)構(gòu)升降活動的動力可由直流電機(jī)通過多級減速后獲得的較大驅(qū)動力提供。通過以上幾種機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點比較。采用絲杠絲母機(jī)構(gòu)和梯形螺紋設(shè)計的升降結(jié)構(gòu)能夠獲得穩(wěn)定的升降，并且能夠保證結(jié)構(gòu)自鎖，其絲杠升降的原理圖如圖1所示。

圖1 絲杠升降原理圖Fig.1 Principle of ascending and descending structure

1.2 升降機(jī)構(gòu)的工作原理和工作流程

升降機(jī)構(gòu)如圖2所示，其基本工作原理及工作流程簡述如下：電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，電機(jī)軸上的齒輪一同轉(zhuǎn)動，帶動絲杠上的大齒輪轉(zhuǎn)動，絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠上的絲母沿著絲杠軸線做直線運動。而升降盤與絲母通過螺釘緊密聯(lián)結(jié)成一體，因而實現(xiàn)升降盤升降動作。升降機(jī)構(gòu)工作流程圖如圖3所示。

圖2 升降機(jī)構(gòu)Fig.2 Ascending and descending structure

1.3 升降機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)指標(biāo)

由于升降機(jī)構(gòu)作為機(jī)載光電平臺的輔助設(shè)備，其工作時間僅為光電平臺初始工作和即將結(jié)束階段，其余時間只要保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)固即可，因此升降機(jī)構(gòu)要求工作可靠、結(jié)構(gòu)堅固，同時由于無人機(jī)對重量要求嚴(yán)格，所以升降機(jī)構(gòu)重量應(yīng)盡量輕。升降機(jī)構(gòu)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）負(fù)載重量：70kg

（2）升降行程：240mm

（3）升降時間：小于1min

（4）升降機(jī)構(gòu)重量：12kg

2 超輕型升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由升降機(jī)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)可以看出，升降機(jī)構(gòu)承重大，自身重量輕，自身重量約為承重重量的0.17，同時剛度好，穩(wěn)定性高，因此需要采用特殊的設(shè)計方法設(shè)計此結(jié)構(gòu)。

設(shè)計的升降機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，直流電機(jī)通過齒輪減速帶動絲杠軸轉(zhuǎn)動，并由同步齒形帶帶動其余三根絲杠同步轉(zhuǎn)動，使升降盤作上下直線運動，從而帶動升降盤上的光電平臺上下運動。四根絲杠同時轉(zhuǎn)動使每根絲杠既起到承力作用，又起到導(dǎo)向作用。按照傳統(tǒng)設(shè)計方法，應(yīng)該為絲杠增加導(dǎo)桿，最初設(shè)計時考慮使用兩根絲杠兩根導(dǎo)桿的方式，運動比較平穩(wěn)，但要求升降盤的剛度要好，這樣會增加升降盤的重量。采用四根絲杠則增加了2個支撐點，增強了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減輕了支撐板（升降盤）的重量。取消導(dǎo)桿而增加兩根絲杠，由于結(jié)構(gòu)過定位，又要求升降盤運動平穩(wěn)，對結(jié)構(gòu)裝調(diào)提出了較高要求。實驗表明，經(jīng)過精心裝調(diào)的四根絲杠的升降機(jī)構(gòu)，運動平穩(wěn)，與具有兩根導(dǎo)桿的升降機(jī)構(gòu)運動平穩(wěn)性相當(dāng)。表1為兩根絲杠的升降機(jī)構(gòu)與四根絲杠的升降機(jī)構(gòu)的比較表。通過比較，可以看出，兩根絲杠+兩根導(dǎo)桿的升降機(jī)構(gòu)較四根絲杠的升降機(jī)構(gòu)重量重了約2.4kg，而結(jié)構(gòu)的剛度與穩(wěn)定性卻不如四根絲杠的升降機(jī)構(gòu)。此外，為了減輕重量，結(jié)構(gòu)的上下支撐盤之間沒有連接，安裝時由上、下盤上的各四個安裝螺孔與飛機(jī)相連，在安裝升降機(jī)構(gòu)時上下盤分別與飛機(jī)框架連在一起，構(gòu)成一體。表1為兩根絲杠的升降機(jī)構(gòu)與四根絲杠的升降機(jī)構(gòu)的比較表

圖3 升降機(jī)構(gòu)工作流程Fig.3 Flowchar of ascending and descending structure

表1 兩根絲杠與四根絲杠的升降機(jī)構(gòu)的比較表Tab.1 Comparison of two screws and four screws of ascending and descending structure

2.1 絲杠的設(shè)計

絲杠的螺紋采用強度和對中性優(yōu)異的梯形螺紋，可以消除因磨損而造成的間隙。由于要保證結(jié)構(gòu)的自鎖性能，需要采用單頭螺紋而不能用多頭螺紋或滾珠絲杠。粗算絲杠參數(shù)如下：

通過計算來保證絲桿強度和穩(wěn)定性，其強度計算公式如下。

對于受壓且具有較大柔度的絲杠，在工作時螺桿可能由于失穩(wěn)而產(chǎn)生側(cè)向撓曲，所以應(yīng)對絲杠進(jìn)行穩(wěn)定性校驗，按照歐拉公式（2）進(jìn)行計算。

2.2 支撐板的設(shè)計

決定升降機(jī)構(gòu)重量的是上、中、下三塊支撐盤的重量，因為絲杠絲母是通過穩(wěn)定性計算并留有一定裕度后確定其直徑和長短的。在保證結(jié)構(gòu)剛度與強度的前提下，上、中、下三支撐盤的重量應(yīng)盡量輕。因此采用碳纖維復(fù)合材料作為三塊支撐盤的主體材料以減輕重量。圖4為采用碳纖維復(fù)合材料的升降機(jī)構(gòu)安裝盤及升降盤。

圖4 碳纖維復(fù)合材料的支撐盤及升降盤Fig.4 Support boards and lift board made of carbon fiber

碳纖維復(fù)合材料具體結(jié)構(gòu)由鋁蜂窩夾層板、鈦合金預(yù)埋件、鈦合金加強件組成。蜂窩板結(jié)構(gòu)為Ⅱ類鋁型材，公稱密度53kg/m3，厚度為16mm；上下蒙皮采用 T700碳纖維，蒙皮厚均為1.5mm，在四個開口處用鈦合金金屬件加強。在夾層板四角連接孔處加鈦合金預(yù)埋件，角耳板立面處寬度為30mm，厚度為3mm，T700/環(huán)氧單板性能參數(shù)如表2所示，鋁蜂窩性能參數(shù)如表3所示。

表2 T700環(huán)氧單板性能參數(shù)表Tab.2 Parameter of T700/epoxy

表3 鋁蜂窩性能參數(shù)表Tab.3 Parameter of aluminum beehive

2.3 支撐盤的受力理論及有限元分析

由于不同于金屬材料的各向同性，碳纖維/鋁蜂窩復(fù)合板的材料特性是線彈性各向異性的，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系按照廣義胡克定律（4）進(jìn)行計算：其中為材料在應(yīng)力為時的應(yīng)變，矩陣為材料的柔順矩陣。

節(jié)點位移與單元應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)平衡方程（5）：

按照有限元應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及結(jié)構(gòu)平衡方程，應(yīng)用有限元分析軟件，對上盤及升降盤進(jìn)行分析，模型圖采用實際的結(jié)構(gòu)圖，如圖5及圖6。

圖5 上盤的模型圖Fig.5 FEM of up support board

圖6 升降盤的模型圖Fig.6 FEM of lift board

圖7是施加100kg力之后上安裝盤的位移圖；圖8是施加100kg力之后的升降盤位移圖。上盤最大變形量發(fā)生在安裝孔的位置，最大變形量0.005mm；升降盤最大變形量發(fā)生在四個支撐點附近，最大變形量 0.0032mm。變形量小于指標(biāo)要求，能夠滿足機(jī)載設(shè)備的裕度設(shè)計要求。

圖7 上盤的計算結(jié)果Fig.7 Displacement of support board

圖8 升降盤的計算結(jié)果Fig.8 Displacement of up lift board

3 結(jié)論

系統(tǒng)的可靠性要求無人機(jī)載光電平臺升降機(jī)構(gòu)設(shè)計要簡單，重量要輕，采用四根絲杠的結(jié)構(gòu)以及碳纖維鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用的上、下安裝盤以及升降盤，相對于傳統(tǒng)設(shè)計方法與鋁合金材料，不僅使強度增強，同時實現(xiàn)減重要求。通過對分別采用經(jīng)過輕量化設(shè)計鋁合金材料和碳纖維復(fù)合材料制成的升降結(jié)構(gòu)，進(jìn)行多架次飛行試驗。試驗結(jié)果表明，在承載重量為70kg的光電偵察平臺工作時，兩套升降機(jī)機(jī)構(gòu)雖然均能正常工作，但飛行試驗也表明，碳纖維鋁蜂窩夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)制備的升降機(jī)構(gòu)在剛度、強度方面優(yōu)于鋁合金材料制備的升降機(jī)構(gòu)，同時重量減輕4.5kg，從而增強了無人機(jī)的續(xù)航能力和飛行時間。

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