基于牛頓反射式紅外系統的二維轉臺的結構設計與有限元分析

王瑾　柳鳴　安志勇

摘要： 針對輕武器紅外光學瞄具穩定性檢測的需求，設計了一種基于牛頓反射式紅外系統進行工作的電動二維精密轉臺。利用CATIA建立了電動二維精密轉臺的三維模型，該二維精密轉臺采用小型二維U形轉臺結構形式，采用直流力矩伺服電機直接驅動和24位絕對式軸角編碼器進行角度測量。通過有限元分析軟件PATRAN對轉臺的關鍵部件進行熱力學分析與模態分析，獲取轉臺的應力分布云圖。云圖結果表明，其設計方案可行，結構合理。

關鍵詞： 反射式紅外系統； 二維精密轉臺； 熱力學分析； 模態分析

中圖分類號： TH122 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.016

Abstract： For light-arm infrared optical sight stability testing requirements， we design a two-dimensional electrical-turntable platform based on Newton′s reflex infrared system. Electrical control was established based on CATIA three-dimensional model of two-dimensional precision turntable model. The two-dimensional precision turntable model was using small two-dimensional U turntable structure， driven by a DC servo motor directly. 24-level axial angle encoder was used for angle measurement. Through finite element analysis software PATRAN on the turntable platform， key components of the thermodynamic analysis and modal analysis were conducted， obtaining the turntable stress distribution nephogram. The results show that the design scheme is feasible and reasonable.

Keywords： reflex infrared system； the two-dimensional turntable； thermodynamic analysis； modal analysis

用于紅外光學瞄具瞄準基線變化量測量的高精度二維精密轉臺，由于其有方位轉臺和俯仰轉臺等部件組成，同時平面反射鏡又是安裝在二維精密轉臺上，通常處在溫差變化較大的環境下工作，因此需要二維轉臺的結構具有足夠的抵抗溫度變形的能力。只有合理進行二維轉臺的結構設計，才能保證整個紅外系統既可以滿足體積重量的要求，又可以滿足抗溫度特性，從而保證測量結果正確。

本文給出了二維精密轉臺的結構設計，方位軸系和俯仰軸系等重要部件以及驅動部件的結構設計，并對二維轉臺的關鍵部件平面鏡的溫度特性進行了分析和試驗。

1 牛頓反射式紅外系統的組成及工作原理

紅外反射式平行光管系統是用來模擬紅外目標，進行瞄準基線變化量和裝表量的測量。它由拋物面反射鏡、平面反射鏡、紅外窗口、二維精密轉臺、黑體及靶標、瞄具安裝座、光楔夾持座、底座、溫控器件、殼體及支架等部分組成，紅外系統工作原理示意圖如圖1所示。

牛頓反射式紅外平行光管由黑體、靶標、拋物面反射鏡和平面反射鏡組成，它是用來模擬無窮遠紅外目標的，被測瞄具是通過紅外窗口來觀察無窮遠的靶標。電控二維精密轉臺上安裝有平面反射鏡，轉臺的兩個轉軸均配有軸角編碼器，可測量方位和俯仰轉動角位移。二維調整架上安裝有被測瞄具的瞄準鏡，二維調整架具有水平方向的平動和垂直方向的俯仰二維姿態，可以用來實現瞄準鏡的位置調整。

當紅外系統在低溫環境下工作時，在試驗室開始降溫時便開啟溫控器組件，始終保持封閉式箱體內溫度在20 ℃左右。測試時，將紅外被測瞄具安裝在二維調整架上，調整二維調整架使被測瞄具大致對準靶標，然后調節黑體的溫度，使得被測瞄具的紅外十字分劃線清晰可見。通過控制電動二維精密轉臺，使被測瞄具的十字分劃線與靶標的十字分劃線重合，記錄此時二維精密轉臺的兩軸角度值。取下被測瞄具去進行力學、高低溫等各種試驗；被測瞄具經過一些試驗應力后，再將紅外瞄具重新安裝在二維調整架上；通過控制二維精密轉臺的平面鏡的轉動，使得紅外瞄具的十字分劃線與靶標的十字分劃線再次出現重合，記下此時二維精密轉臺的兩軸角度值。根據二維精密轉臺前后位置的變化，經計算機處理得到紅外瞄具的瞄準基線的變化量。

2 電控二維精密轉臺

2.1 二維精密轉臺主要技術指標：

二維精密轉臺主要技術指標如表1所示。

2.2 二維精密轉臺的結構組成

二維精密轉臺主要完成水平方向和豎直方向的轉動，其包括方位轉臺和俯仰轉臺兩部分。方位轉臺

包括：底座、非標準滾動軸承、力矩電機和編碼器以及方位電限位和機械限位等組件，其中底座、非標準滾動軸承起支撐作用，它們的精度直接影響轉臺的測量精度。

轉臺的轉動是通過力矩電機的驅動來實現的，編碼器是用于轉臺轉角的測量，從而滿足方位位置調整的需要，方位電限位和機械限位限制方位調整范圍在±10°。俯仰轉臺具有5 kg的負載能力，俯仰轉臺的轉動是靠直流力矩電機的驅動來完成的，軸承結構采用傳統的固定方式，即一端固定，一端游動的方式，同時保證了在溫度變化時軸系精度的穩定性。二維精密轉臺的結構如圖2所示，本文的二維轉臺的工作狀態采用的是右邊的臥式結構。

3 機械結構中的關鍵部件的設計

3.1 U型架的設計

U型架是整個二維轉臺承受動力學載荷的主要環節之一，由于要考慮體積、重量的要求，因此選用硬鋁作為U形支架的制造材料，其機械結構形式為中空框架。U型架包括24位俯仰編碼器、俯仰軸、俯仰力矩電機、方位軸、標準軸承、側蓋等部件，其具體的結構形式如圖3所示。

3.2 軸系的設計

二維精密轉臺軸系的設計包括方位軸系和俯仰軸系兩部分。方位軸系包括：底座、非標準的滾動軸承、方位軸、方位力矩電機、24位方位編碼器等部件。俯仰軸系包括：標準軸承、俯仰軸、俯仰力矩電機、24位俯仰編碼器等部件。方位軸系與俯仰軸系的回轉運動是通過力矩電機的驅動來完成的，其具體的結構形式如圖3所示。

方位、俯仰軸都由方位、俯仰編碼器和直流力矩電機來驅動。二維轉臺的鎖定是由電限位和機械限位組件來實現。轉臺采用長春光學精密機械與物理研究所研制的24位絕對式編碼器，其精度為2″，分辨率為360°/224×3 600=0.08″，并采用軸系、直流力矩電機和軸角編碼器一體化設計，使其結構緊湊，運行平穩。

4 有限元分析

4.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立包括三維模型的簡化和單元網格的劃分，對二維轉臺中的部件進行有限元分析時，需要考慮一些特殊件的有限元分析，比如軸承和電機等。為了進行準確的模擬，必須先對軸承和電機的三維模型進行簡化和處理。

（1） 軸承模型的簡化

本文所研究的軸承，其滾珠的受力情況和內外圈的邊界條件都很難確定。哈爾濱工業大學顧東[1]在利用ANSYS對微型機床主軸系統進行模態分析時，得出這樣一個結論：采用間隙單元COMBIN40對軸承進行等效處理效果較好，而COMBIN14是可以用來模擬軸承的徑向和軸向剛度的。所以本文中的軸承可以采用間隙單元COMBIN40和彈簧單元COMBIN14結合來處理。

（2） 驅動電機和測量元件的建模處理

驅動電機的轉子和定子可以分別用兩個實體來進行模型的簡化，這樣簡化處理的電機和實際的電機結構基本上是一樣的。材料的彈性模量和泊松比可選取為230 GPa和0.3。絕對式軸角編碼器是用來進行角度測量的，其模型的簡化同樣用一個實體來進行等效處理，其材料的彈性模量和泊松比可選取為130 GPa和0.3。

4.2 單元網格的劃分

本文所研究的二維轉臺的單元網格包括實體單元和彈簧單元兩部分。常用的實體單元有SOLID45，SOLID92和SOLID95單元[2]，其中SOLID45是線性的六面體單元，單個單元上的應力狀態是不變的[3-6]，而SOLID92和SOLID95的應力狀態呈線性變化。綜上分析，采用手動劃分和自由劃分相結合的方式對二維轉臺進行單元網格的劃分，實體單元選擇SOLID95，彈簧單元選擇COMBIN14。現將二維轉臺的關鍵部件平面鏡做有限元分析，網格的劃分如圖4所示。

4.3 平面鏡的熱力學和模態分析

（1） 熱力學分析

熱力學分析是指具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結構應力之間的熱結構耦合分析能力。熱力學分析有線性和非線性之分，本文采用線性分析，關鍵部件平面鏡的熱力學分析云圖如圖5所示。

由溫度應力云圖可以看出，溫度在-40～20 ℃ 和20～50 ℃范圍時，最大熱應力都發生在平面鏡橢圓孔短半軸的兩個邊緣部分。

（2） 模態分析

通過數據結果來觀察平面鏡的振動頻率，現取其前6階的模態，得到相應的振型云圖，二維轉臺的關鍵件平面鏡的各階模態振型云圖如圖6所示。

由模態云圖可以看出：1，2階的模態最大的變形發生在平面鏡的邊緣部分，3，4階的模態最大的變形發生在平面鏡的4個45°角的位置，5階模態變形開始向中心孔擴散，而6階模態，平面鏡的中心孔部分變形相對較大。平面鏡的6階模態的數據如表2所示，由表2可以看出1階模態的固有頻率是805 Hz，這遠遠大于設計要求的頻率范圍（100 Hz以上的頻率）。

5 結 論

有限元分析結果表明，二維精密轉臺的俯仰、方位軸系設計合理，能保證二維精密轉臺平穩、可靠、順暢的運轉。本文通過對二維轉臺的軸承、電機進行模型簡化處理，從而保證了轉臺的精度要求，達到了所要求的技術指標。

參考文獻：

[1] 顧東.微型機床的結構分析及微切削仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2002.

[2] 劉濤，楊鳳鵬.精通PATRAN[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3] 李國洪.OUT三軸仿真轉臺結構分析及優化設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，1997.

[4] 孫長明.光學儀器工業發展動向和趨勢[J].光學儀器，1994，16（2）：34-40.

[5] 袁安富，陳俊.ANSYS模態分析中的應用[J].制造技術與機床，2007（8）：79-82.

[6] 程坤.PCR-80冷輾擴機模態分析及整機剛度多目標優化[D].合肥：合肥工業大學，2005.

（編輯：劉鐵英）