彈載紅外相機靜態質量質心配平

張生全，趙勁松，何紅星，羅 敏，康麗珠，陶 亮，徐參軍，徐 瑞

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

0 引言

質量特性參數是導彈總體設計和飛行控制的重要參數，包括質量、質心、轉動慣量和慣性積大參數。其中，質量、質心是其他參數準確測量的前提，質心參數直接影響航空航天產品的飛控精度[1]。彈載紅外相機是搭載紅外導引頭導彈的核心器件之一，在總體單位要求下，精確設計彈載紅外相機的質量和質心對于準確分析導彈搭載能力、控制飛行姿態、提高彈道控制精度、提升作戰性能均具有重要意義[2]。質量特性參數設計技術研究，為彈體結構設計、艙內設備安裝、調整等工作提供重要可靠性支撐[3-4]。

針對傳統彈載紅外相機采用試配法對質量質心進行配平的周期長、通用性差等弊端[5-8]，本文從實際設計要求出發，利用三維設計軟件進行質量特性參數仿真分析，結合相關基本配平設計原則并運用力矩平衡的基本原理設計出配平負載及安裝位置，通過質量質心實測數據成功論證仿真分析結果，證明該方法切實有效。

1 紅外相機質心配平方案設計

1.1 相關技術要求

彈載紅外相機質量技術要求：3.5±0.2 kg；質心技術要求：①質心沿光軸方向距離安裝面26.3±5 mm；②相對于中心光軸不大于5 mm，偏第三象限不大于3 mm。結構象限分布如圖1所示，安裝基準面如圖2所示。

圖1 象限分布Fig.1 Quadrant distribution

圖2 安裝基準面Fig.2 Installation reference surface

1.2 系統方案設計

在總體單位給出的系統方案設計要求下，利用數字化設計軟件Creo 自頂向下設計出樣機三維模型，主要由主殼體、蓋板、支架、探測器組件、光學鏡頭、電路組件等組成。彈載紅外相機模型如圖3所示，光學鏡頭組成如圖4所示，模型內部布局如圖5所示。

圖3 整機結構模型Fig.3 Machine structure model

圖4 光學鏡頭結構模型Fig.4 Optical lens structure model

圖5 模型內部布局圖Fig.5 Internal layout of the model

2 原始樣機質量、質心仿真

利用Creo 對未添加配重負載的樣機模型進行質量、質心仿真計算。在進行質心仿真計算之前，需要對各個零、部件進行材料賦值，不同的零、部件賦值參數不盡相同。對于常規類單一均勻密度零、部件只需賦值材料密度，如主殼體、支架、鏡頭、鏡片、蓋板、調整墊圈等。對于復合材料零部件而言，需要通過實驗測出其具體質量以及質心位置，將實測的質量和質心數據賦值在零、部件三維模型上。具體參數如表1所示。

表1 材料參數賦值Table1 Assignment of material parameters

特別地，在進行質心仿真計算之前，需要將總體單位要求的質心數據賦值在樣機三維模型上，且將質心條件賦值為三維坐標原點，即(x,y,z)＝(0,0,0)。通過Creo 的仿真計算求得樣機質量M0＝3.13 kg，質心位置坐標：x0＝－16.84 mm，y0＝3.11 mm，z0＝－3.81 mm，可得|σx|＝16.84 mm，|σy|＝3.11 mm，|σz|＝3.81 mm，其中σx表示當前質心沿光軸相較于安裝基準面的距離；σy表示當前質心沿Y方向相較于光軸的距離；σz表示當前質心沿Z方向相較于光軸的距離。顯然，|σx|＞5 mm，|σz|＞3 mm，X、Z方向超出前文所提指標要求。通過計算與對比，未加配重負載的樣機質量、質心均不滿足總體方案要求，故需要設計配重方案。

3 設計配重方案

3.1 計算配重負載質量與安裝位置

根據提供的質量、質心條件以及未加配重負載整機的仿真結果，如圖6所示，在系統空間中兩剛性質點上，利用力矩平衡原理，計算配重負載質量與其質心應在位置的函數關系。所有零部件視為剛體，將整個杠桿系統視為整機系統，以條件要求最終質心的位置作為杠桿的支點，m為配重負載總質量，l為配重負載的質心與條件要求最終質心的距離，M為未添加配重負載的整機質量，L為未添加配重負載整機的質心與條件要求最終質心的距離。空間質心力矩平衡圖如圖7所示。

圖6 整機系統的力矩平衡示意圖Fig.6 Schematic diagram of torque balance of the whole system

圖7 空間質心力矩平衡Fig.7 Space centroid moment balance

根據力矩平衡原理：

根據空間兩點距離公式：

式中：x0＝－16.84，y0＝3.11，z0＝3.81，M0＝3.13，即L＝17.54 mm。

綜合解得：l＝56.64/m，其中，由于3.30≤M0＋m≤3.70，所以0.27＜m＜0.67。

考慮到紅外相機內部布線以及接插件的質量，通過簡單測算可引入質量冗余參數ε＝0.1。系統總質量若選定為M，則M＝M0＋m＋ε。若選擇M＝3.50 kg，即m＝0.37 kg，同時可得L＝148.37 mm。已知L的取值，即可確定配重質心大概應在的位置。

3.2 配重負載設計原則

設計配重負載應本著以下幾點原則[9-12]：

1）配重負載組合的數量盡可能少；由于前期設計時產品質心的不確定性，所以一般質心配平的負載往往是以組合的形式出現，采用組合形式的配重負載，不僅具有更好的靈活性，其互換性更是比單一的配重負載要好。但是，數量過多的配重負載也會導致紅外相機整機的可靠性降低，且裝配工作費時費力。

2）滿足整機重量要求的前提下，重量盡可能輕；對于航空航天類的產品，重量輕意味著運載成本更低，續航里程更遠。同時，產品重量的降低也會使生產成本降低，避免了不必要的浪費。

3）安裝方式簡潔方便；一方面，簡單快捷的安裝方式可以有效地節省整機裝配的時間。另一方面，特別是在做質心試驗時，不同樣機實物的質心數據可能有所異同，必要時會更換不同尺寸的配重負載來配平某單個產品的質心，所以簡潔的安裝方式可以為裝配、試驗節省很多不必要花費的時間。

4）互換性好；彈載紅外相機整機是在狹小空間內由眾多零件裝配而成，且對內部空間密封有嚴格要求，一般充入氮氣。如果配重負載裝配在紅外相機主殼體外部，將大大提高配重負載的互換性。

5）強度滿足使用環境要求；

6）制造成本低；

7）形狀簡易且盡可能采用共形設計。

3.3 配重負載方案設計

根據仿真計算出的質心范圍選取合適的質心位置，再結合以上幾點設計原則，彈載紅外相機配重負載方案如下：未添加配重的整機質心偏向第三、四象限，所以配重負載的質心應該在第一象限。根據計算出的配重負載質心位置l以及其安裝方式的考量，采用方案為半黃銅（Cu-Zn 合金）半硬鋁（Al）的組合式環形配重負載如圖8所示，通過增加配重厚度的方式達到平衡且其安裝方式為與整機的前鏡頭轉接座聯接。

圖8 配重組合方式Fig.8 Counterweight combination

由于黃銅的密度大約是硬鋁密度的3.25 倍，所以兩部分配重負載質量分配也為1:3.25，即黃銅部分的質量為0.283 kg，硬鋁部分0.087 kg。根據Creo 仿真，可以得出配重負載的厚度h，經計算h＝41 mm，如圖9所示。

圖9 質心配重三維模型Fig.9 3D model of the center of mass counterweight

4 加配重負載后的整機質量、質心仿真計算

裝有上述配重方案的光機系統，可以通過改變配重厚度h調節X向質心，增大h可使質心沿X負向偏移，反之正向偏移，如圖10所示。通過改變安裝角度θ可以調節YOZ平面的質心位置，如圖11所示。綜上所述，此方案理論上可以調節本光機系統空間上的質心位置。

圖10 X 向質心調節Fig.10 X-direction centroid adjustment

圖11 YOZ 面質心調節Fig.11 YOZ surface centroid adjustment

添加配重負載后的整機仿真計算，求得樣機質量M0＝3.486 kg，質心位置坐標：x0＝－1.956 mm，y0＝3.11 mm，z0＝－3.813 mm，可得|σx|＝1.956 mm，|σy|＝3.11 mm，|σz|＝3.81 mm。

5 質心測試

測試溫度12℃；相對濕度：80%RH；測試質量范圍：0.5～20 kg，測試精度：10 g；X方向測試精度：0.2 mm；Y方向測試精度：0.2 mm；Z方向測試精度：0.2 mm。單個整機質心需要不同安裝方式測試兩次，第一次測試X向質心數據，安裝方式如圖12所示。第二次更換工裝，調整整機擺放姿態測試Y、Z向質心數據，安裝方式如圖13所示。測試結果如表2所示，與基準值換算結果如表3所示。從與基準值換算后的數據可知，質心測試結果符合總體要求。

圖12 X 向質心測試Fig.12 X direction centroid test

圖13 Y、Z 向質心測試Fig.13 Y,Z direction centroid test

表2 質心測試數據Table 2 Centroid test data

表3 與基準值對比數據Table 3 Comparison data with reference value

6 結論

傳統質心配平方法還停留在依靠工程師的經驗感覺來判斷操作，耗時費力的同時還無法給出配平后具體的質心偏差量，不利于模型的優化。本文對配平過程進行系統化梳理，總結出一套高效實用的數字化配平方法，其意義在于不僅能夠提高配平效率，而且能夠提高配平精度，并最終以數字化的方式輸出配平結果，以利于精準建模，提高整機性能。質心測試結果表明，該方法切實有效。