大型光電設(shè)備動(dòng)平臺(tái)用軸系設(shè)計(jì)

大型光電設(shè)備動(dòng)平臺(tái)用軸系設(shè)計(jì)

種動(dòng)平臺(tái)軸系結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)需求的提高，大型光學(xué)儀的觀察和測量工作從固定基礎(chǔ)開始，逐步發(fā)展為車輛、船只、飛機(jī)、衛(wèi)星等移動(dòng)平臺(tái)。機(jī)動(dòng)平臺(tái)較地基固定平臺(tái)的主要不同為其振動(dòng)環(huán)境,參考軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法國家軍用標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)早期大型地基固定式光電探測設(shè)備的垂直軸系由于軸承加工精度和裝配工藝的限制,為提高設(shè)備的軸系精度一般采用單向平面止推密珠軸系根據(jù)現(xiàn)有的軸承結(jié)構(gòu)形式及裝配工藝水平,本文給出了三種動(dòng)平臺(tái)軸系結(jié)構(gòu)形式,分析了軸系最關(guān)鍵部件軸承在垂向載荷、徑向載荷、搖擺載荷下的強(qiáng)度校核公式。并且采用模態(tài)測試系統(tǒng)對(duì)某大型動(dòng)載光測設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力學(xué)測試,分析了與軸承相關(guān)的各階模態(tài)。1軸系結(jié)構(gòu)形式的變化以光電設(shè)備垂直軸系為例進(jìn)行論述,為完整展現(xiàn)軸系結(jié)構(gòu)形式從地基到動(dòng)平臺(tái)的變化,首先給出地基式軸承結(jié)構(gòu)形式,然后給出適用動(dòng)平臺(tái)軸系結(jié)構(gòu)形式。1.1橫向軸系聚合軸系地基式設(shè)備垂直一般采用單向平面止推軸系,結(jié)構(gòu)如圖1所示。該軸系由單向平面止推軸承和徑向軸承組成,止推軸承決定旋轉(zhuǎn)軸線在空間的指向,徑向軸承約定旋轉(zhuǎn)軸在水平面內(nèi)的位置。這種軸系的兩個(gè)軸承的運(yùn)動(dòng)正交互不干擾,對(duì)相互位置的精度要求不高,便于加工裝配。固定地基式設(shè)備在工作時(shí)基本不存在外來作用力,因此這類軸系一般只對(duì)單向平面止推軸承中的鋼球按照赫茲接觸應(yīng)力進(jìn)行簡單校核即可。1.2旋轉(zhuǎn)自由度約束從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度講,1.1節(jié)所示垂直軸系對(duì)存在各個(gè)方向振動(dòng)的機(jī)動(dòng)平臺(tái)并不適用?；诂F(xiàn)有軸承結(jié)構(gòu)和裝配工藝,提出三種能適用于機(jī)動(dòng)平臺(tái)的軸系結(jié)構(gòu)形式如圖2所示圖2給出三種適應(yīng)機(jī)動(dòng)平臺(tái)的軸系結(jié)構(gòu)形式,這幾種結(jié)構(gòu)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸均可實(shí)現(xiàn)除旋轉(zhuǎn)自由度以外的其它五個(gè)自由度的約束,其中:圖2a中旋轉(zhuǎn)軸由關(guān)鍵部件雙排角接觸推力球軸承約束,軸承的外圈固定在機(jī)動(dòng)平臺(tái)上(圖中僅示意),即軸系除旋轉(zhuǎn)方向外其他自由度均被約束。圖2b中旋轉(zhuǎn)軸由關(guān)鍵部件兩個(gè)角接觸推力球軸承約束,兩個(gè)軸承的外圈按照一定的結(jié)構(gòu)形式固定在機(jī)動(dòng)平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸只有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。圖2c中旋轉(zhuǎn)軸由關(guān)鍵部件雙平面止推軸承約束,止推軸承的外圈固結(jié)在機(jī)動(dòng)平臺(tái)上,即可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)具體機(jī)動(dòng)平臺(tái)的特點(diǎn)及設(shè)備的功能要求選擇合理的軸系結(jié)構(gòu)形式。1.3軸系精度分析對(duì)于光電探測設(shè)備而言:首先,主要由垂直軸系和俯仰軸系構(gòu)成的跟蹤架承載了可見光電視、紅外電視、激光測距機(jī)等探測器及其電氣處理單元的重量;其次,軸系確定了經(jīng)緯儀旋轉(zhuǎn)的軸線,要求軸系在旋轉(zhuǎn)時(shí),軸線的指向晃動(dòng)要小,它的誤差不僅直接產(chǎn)生測量誤差,而且還影響水平方向的定向誤差和高低方向的定向誤差。綜合以上分析,軸系不但是整個(gè)設(shè)備穩(wěn)定、可靠工作的基礎(chǔ),而且軸系的精度還是整機(jī)探測精度的基礎(chǔ)。軸系的精度指標(biāo)主要為軸系晃動(dòng)、摩擦力矩。按照現(xiàn)有的加工及工藝水平,1.2節(jié)中所示三種軸系結(jié)構(gòu)形式均能滿足軸系的精度要求,軸系精度分析方法和地基固定式設(shè)備基本一致,因此不再詳細(xì)論述。針對(duì)機(jī)動(dòng)平臺(tái)的振動(dòng)環(huán)境詳細(xì)對(duì)軸系進(jìn)行力學(xué)分析。2軸類鋼球應(yīng)力方向的力學(xué)分析由上述機(jī)動(dòng)平臺(tái)軸系結(jié)構(gòu)形式可知:整個(gè)軸系中的關(guān)鍵部件為軸承,因此主要校核該軸系的軸承。對(duì)1.2節(jié)中所示機(jī)動(dòng)平臺(tái)軸系結(jié)構(gòu)形式,機(jī)動(dòng)平臺(tái)的振動(dòng)經(jīng)軸承傳遞到設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸,機(jī)動(dòng)平臺(tái)存在線振動(dòng)和角振動(dòng),因此對(duì)機(jī)動(dòng)平臺(tái)軸承的力學(xué)也相應(yīng)的分為線方向和角方向,如圖3所示。圖3所示F為計(jì)算方便進(jìn)行如下假設(shè):(1)由于軸承內(nèi)外圈、軸承軸套、設(shè)備基座的剛度較高,因此認(rèn)為三者在受力時(shí)是不發(fā)生應(yīng)變的,只有鋼球發(fā)生應(yīng)變;(2)由于實(shí)際光測設(shè)備鋼球的滾道圈或者鋼球的止推面加工精度非常高,因此認(rèn)為二者為標(biāo)準(zhǔn)圓或標(biāo)準(zhǔn)平面。在計(jì)算過程中引入了以上假定,所以理論計(jì)算值與實(shí)際值存在一定的誤差,但以上假設(shè)不影響分析原理的正確性及分析結(jié)果的趨勢(shì)性。2.1雙角接觸軸的軸系2.1.1m軸系承載質(zhì)量雙排角接觸推力球軸承軸系加載軸向載荷,受力如圖4所示。鋼球與其軌道弧為近似點(diǎn)接觸,易知鋼球?yàn)樵撦S系中最薄弱環(huán)節(jié),因此僅校核鋼球。圖4中軸向力F其中,m軸系承載質(zhì)量;a軸系承受軸向加速度;N單排鋼球個(gè)數(shù);α為軸承的接觸角;則鋼球應(yīng)力σ由赫茲接觸中球和圓弧凹面接觸公式其中,R查表的得到鋼球許用應(yīng)力[σ],帶入公式(2),計(jì)算得到P,再將P帶入公式(1)即可得到軸系可承受最大軸向靜壓載荷F2.1.2徑向載荷分布雙排角接觸推力球軸承軸系加載徑向載荷時(shí),受力如圖5所示。圖5中徑向力F當(dāng)軸承承載如圖6a為軸承受徑向載荷鋼球變形分布,徑向載荷F其中,ψ為兩鋼球夾角。因此徑向載荷F即單個(gè)鋼球最大支反力為則承力最大鋼球應(yīng)力σ查表的得到鋼球許用應(yīng)力[σ],帶入公式(2),計(jì)算得到P2.1.3側(cè)傾力及鋼球受力雙排角接觸推力球軸承軸系加載側(cè)傾力矩M圖7所示,當(dāng)機(jī)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生角運(yùn)動(dòng)時(shí),相當(dāng)于在旋轉(zhuǎn)軸上加載側(cè)傾力矩M在側(cè)傾力矩作用下,鋼球力分布規(guī)律與圖6所示相同,每個(gè)鋼球的力臂長度根據(jù)幾何關(guān)系容易得到,得到側(cè)傾力矩與鋼球受力關(guān)系式其中,R查表的得到鋼球許用應(yīng)力[σ],帶入公式(2),計(jì)算得到P2.2承載校核的推導(dǎo)方法關(guān)于兩個(gè)角接觸推力球軸承組合軸系的軸向承載校核、徑向承載校核、側(cè)傾方向承載校核的推導(dǎo)方法及公式均與2.1節(jié)中雙排角接觸推力球軸承一致,不再展開論述。2.3雙表面啟動(dòng)軸系2.3.1最大軸向靜壓載荷雙平面止推軸系加載軸向載荷,受力如圖8所示。圖8中軸向力F則鋼球應(yīng)力σ由赫茲接觸中球和平面接觸公式查表的得到鋼球許用應(yīng)力[σ],帶入公式(8),計(jì)算得到P,再將P帶入公式(7)即可得到軸系可承受最大軸向靜壓載荷F2.3.2最大鋼球應(yīng)力與徑向載荷雙平面止推軸系加載徑向載荷時(shí),受力如圖9所示。圖9中徑向力F因此徑向載荷F即鋼球支反力為則承力最大鋼球應(yīng)力σ其中,R查表得到鋼球許用應(yīng)力[σ],帶入公式(11),計(jì)算得到P2.3.3側(cè)傾力及側(cè)傾力雙平面止推軸承軸系加載側(cè)傾力矩M圖10所示,當(dāng)機(jī)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生角運(yùn)動(dòng)時(shí),相當(dāng)于在旋轉(zhuǎn)軸上加載側(cè)傾力矩M在側(cè)傾力矩作用下,鋼球力分布規(guī)律與圖6所示相同,每個(gè)鋼球的力臂長度根據(jù)幾何關(guān)系容易得到,得到側(cè)傾力矩與鋼球受力關(guān)系式查表的得到鋼球許用應(yīng)力[σ],帶入公式(11),計(jì)算得到P3方向承載受拉壓情況本文針對(duì)機(jī)動(dòng)平臺(tái)存在各向振動(dòng)的特點(diǎn),對(duì)三種機(jī)動(dòng)平臺(tái)用旋