一種艦載伺服穩定平臺的結構設計

毛雨輝，張進

（光學輻射重點實驗室，北京100854）

0 引言

本文設計一種艦載的伺服穩定平臺結構，如圖1所示。該平臺可將負載加裝于伺服平臺并完成指向精度標校的功能，在船體航行和系泊狀態下可隔離船搖影響、穩定負載指向功能[1]。該伺服平臺采用地平式雙軸轉臺的結構?？紤]到負載偏心力矩及風載荷等特點，穩定平臺的方位和俯仰軸系均采用大型蝸輪蝸桿副作為末級傳動，進口高精度行星齒輪減速器作為初級傳動，具有較高的結構剛度和可靠性，保證了負載指向、跟蹤精度和總體結構的回轉穩定性。伺服系統主要由方位回轉機構、俯仰回轉機構和伺服控制單元組成。

1 穩定平臺總體結構設計

穩定平臺是負載的支撐結構，又是負載驅動系統的執行機構，故要求它具有良好的力學性能、較高的軸系及傳動精度和運動穩定性[2]。

穩定平臺為地平式雙軸伺服系統座，由方位軸系、俯仰軸系、光電編碼器、導電環（包括光纖滑環）、蝸輪蝸桿副、減速器、伺服電動機、陀螺儀和俯仰軸外掛平臺等部分組成。它是負載的安裝承載平臺，主要完成系統的視軸指向和穩定隔離船搖等功能，方位軸限位機構包括軟件限位和電限位，俯仰軸限位機構包括電限位、軟件限位和緩沖阻尼機械限位機構，穩定平臺雙軸在工作角范圍內安全轉動。其三維視圖如圖2所示。

圖1 伺服穩定平臺組成框圖

2 穩定平臺方位軸系設計

其方位轉動機構采用四點角接觸的轉盤軸承為主要承力結構，這種結構形式承載能力大、剛度好、精度高[3]。為保證光電編碼器能夠可靠良好地工作，在光電編碼器安裝軸與底座安裝有一對P4級精度的角接觸球軸承，保證光電編碼器安裝處的變形量滿足工作要求；陀螺安裝在方位旋轉部分；俯仰軸電器電路電纜通過滑環傳輸到底座。方位軸設計有基準平臺，為系統提供方位、俯仰角度基準，平臺平面度好，并通過加工和裝調保證臺面與安裝基座的平行度要求；在軸系的相對運動部分設計了安裝O形圈的密封結構，如圖3、圖4所示。

圖2 穩定平臺三維視圖

圖3 方位軸三維視圖

圖4 方位軸剖視圖

在設計中將方位大蝸輪和軸承座做成一體，使結構布置更加緊湊、合理，且軸向尺寸小。采用這種設計方式可以保證安裝慣導的局部基準平臺可以安裝到方位底座內部，這樣既提高了整個系統的一體化設計，又保證了慣導等的防護，如圖5所示。

圖5 方位傳動示意圖

3 穩定平臺俯仰軸系設計

俯仰軸采用U形架設計的方式（如圖6、圖7），軸由一對P4級角接觸球軸承和一個同等級圓柱滾子軸承支撐，左側軸端安裝光電碼盤，右側支柱中裝有陀螺。驅動部分為蝸輪蝸桿副，兩側伸出軸頭安裝有外掛平臺，用于安裝檢測伺服俯仰部件設計的檢測平臺。在俯仰軸轉動部分設計有安裝O形圈的結構形式。俯仰回轉機構基于一件扇形蝸輪，如圖8所示。

4 穩定平臺有限元分析

使用ANSYS對穩定平態進行有限元分析，ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發，技術成熟、應用廣泛，同時也得到普遍認可，其已經被廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶、電子、核能等領域，在中國幾乎覆蓋了航空航天領域所有的科研院所、設計部門、生產廠家及各高等院校，并得到了全面應用。ANSYS擁有良好的用戶界面，使用方便，功能強大，具有高度的集成能力和良好的適用性，以及強大的幾何造型功能、計算效率高等特點[4]。

針對穩定平臺的結構，分析校核穩定平臺結構在不同海況下的變形、靜強度。根據設計指標要求，穩定平臺在4級海況下正常工作。載船航速最大為20 kn，換算為風速度為(20×1852)/3600=10.3 m/s，負載正迎風施加風載荷，該風載荷為海況和航速的疊加值。4級海況載荷與航速疊加后，風速為18.2 m/s。

圖6 俯仰軸三維視圖

圖7 方位軸剖視圖

圖8 俯仰傳動示意圖

穩定平臺主要件為鋁合金材料，俯仰軸、方位軸及軸承材料選用為鋼各個材料屬性如表1所示。

基于如實反映穩定平態結構的幾何形狀、構造型式、材料特性、承載方式和邊界條件等因素的原則，用Creo軟件對模型進行處理，簡化模型導入ANSYS軟件，進行仿真分析的前處理和運算。將穩定平臺離散化為一個有限元分析模型。分析模型采用彈性模型，單元類型是實體四面體單元或者六面體單元，穩定平態網格劃分模型如圖9所示，單元數為209 870個，節點數為391 765個。所有結構件之間接觸類型為綁定接觸。

穩定平臺外部載荷包括重力載荷，負載迎風面施加8級風壓。固定底座8個螺釘孔的位移，進行靜力學仿真分析，從分析結果可以看出整個穩定平臺的強度和剛度可以滿足使用 要 求：4 級 海況，航速為20 kn時，穩定平臺最大應力為8.9 MPa，如圖10所示；最大變形為穩定平臺的頂部（如圖11），變形量為0.21 mm。

5 結語

本文設計了一種艦載穩定平臺的結構，給出了該平臺的地平式雙軸轉臺的結構形式，并對平臺的方位軸系和俯仰軸系的布局和組成進行了詳細描述；最后根據穩定平臺的實際使用條件對其進行了有限元分析，驗證了整個平臺的結構強度和剛度，保證了平臺結構設計的合理性和可靠性。

表1 材料屬性

圖9 穩定平臺網格劃分

圖10 穩定平臺應力分布圖

圖11 穩定平臺變形分布圖