姜旭伦 曹国华

(长春理工大学，吉林 长春 130022)

一、引言

精密伺服转台是激光导航仪中的基本驱动部件。激光、红外等多种跟踪测量设备均需装载在伺服转台上，依靠转台运动来完成系列的运动、定位及测量工作。随着导航技术的不断进步与创新，对激光导航仪的定位、测量精度要求及稳定性要求在不断提升，这对精密伺服转台的运动响应速度、精度和工作稳定性均提出了更高要求。

传统上，精密伺服转台的设计及校核方法大多基于公式计算和工程经验。对于结构复杂、零部件众多的伺服转台来说，很难进行较为精确的力学特性、热特性分析求解。引入有限元仿真方法，可以求解精密伺服转台主要结构件的谐振频率及模态，可以模拟转台经受工作载荷或环境温度变化后的结构应力应变情况，从而对现有转台设计方案进行校核乃至改进，以达到校核或优化转台结构设计，提升转台静、动力学性能和热稳定性的目的。

二、精密伺服转台的初步设计方案

笔者针对某技术指标要求，采用基于公式计算及工程经验的设计和选型方法，作出了一款精密伺服转台的初步设计方案。该方案如图1示意，转台采用地平式U型结构的设计，整体结构由两大部分组成：（1）上方平行于水平面的俯仰摆动轴系，即水平轴系，包含四通、U型照准架、左右半轴及轴承等主要结构件；（2）下方垂直于水平面的方位旋转轴系，即垂直轴系，包含垂直轴及轴承、底座、调平机构、基座等主要结构件。将来的激光导航设备即安装在上方水平轴系四通的通孔内。

图1 精密伺服转台整体结构图

上述转台初步设计方案，是依据计算公式及工程经验来选型和设计的，参考了成熟的结构方案，基本可满足技术指标要求。接下来，本文将采用有限元方法对该结构方案进行力学特性、热特性的仿真分析，以校核结构是否合理可行，并丰富和积累伺服转台的设计经验。

三、精密伺服转台的静力学特性研究

在仿真分析时，采用常用的成熟商用有限元分析软件——ANSYS，版本12.1。一个完整的分析操作流程分为：（1）建立几何模型；（2）划分有限元网格；（3）添加约束和载荷；（4）选择合理的求解方法并进行求解；（5）查看并分析结果。其中在几何建模时，还需对模型进行适当简化。

依次对水平轴系的U型架、左右半轴，垂直轴系的垂直轴、基座等重要的承载结构件进行静力学仿真研究。模拟真实工况施加载荷，观察其受载后的应力和变形情况，校核其强度和刚度。

以U型架为例，求解计算后，得出最大应力出现在U型架下方连接水平轴系的通孔壁处，数值为0.55Mpa。该应力小于U型架材料（铝合金）的许用应力，且安全系数合格，因此结构强度满足要求。U型架应力云图如图2所示。最大变形出现在U型架水平轴系通孔的上方边缘处，最大变形量为1.0629×10-3mm，同时通孔圆周处的变形量约为0.9×10-3mm～0.7×10-3mm范围，相对于结构尺寸，该变形量较小可忽略，因此设计方案的静刚度满足要求。

图2 U型架受载后的应力云图

四、精密伺服转台的动力学特性研究

从模态分析角度，研究精密伺服转台的动力学特性。隔离出转台的主要运动部件，分别进行有限元模态分析，求解其各阶固有频率和模态振型，以期发现和修改结构上的薄弱之处，预防谐振等现象发生。依次对四通、U型架等运动件，以及对伺服转台整体装配件进行了模态分析。

以四通为例，求解得出其二到六阶模态的固有频率为1159.4Hz到2270.2Hz。主要的振型特征是在竖直平面内，通孔框架壁的受拉的、受压或受剪的形变，直观表现为中心通孔变形为椭圆或不规则形状，最大振幅出现在四阶模态（2167.8Hz）时，上方框架壁竖直向上位移约12.4mm。图3为四通的四阶模态振型。上述模态信息表明，一方面四通固有频率较高，高于电机工作等频率，因此正常情形下不会产生谐振，动刚度符合要求；另一方面四通的薄弱结构应为其中心通孔，后续设计时可用肋板、筋板等结构进一步加强孔壁。

图3 四通的四阶模态振型

五、精密伺服转台的热特性研究

激光导航仪及其精密伺服转台长期运行服役于户外，经受环境温度变化的考验，引起一定的机械变形，可能导致测量误差。因此，有必要对精密伺服转台的热特性进行分析校核。从时间角度，热特性分析可以分为瞬态热特性分析和稳态热特性分析。从空间角度，热特性分析可分为不均匀热场的热特性分析和均匀热场的热特性分析。对于在户外不受太阳直射、已稳定工作一段时间的精密伺服转台来说，其热特性接近稳态、均匀热场的情形，因此选取开展稳态、均匀热场的热特性分析，最高/最低环境温度分别设定为+40℃/-40℃，依次考察四通、U型架、水平半轴、垂直轴、基座等重要结构件的冷热变形情况。仿真结果求出，这些结构件在+40℃/-40℃区间的“热胀冷缩”最大变形量已达10-1mm量级，相较于受静载变形量（10-3mm）大两个数量级。这提醒我们在后续进行转台结构细节设计和装配设计时，一定要把热变形的因素考虑进来。

接下来，对精密伺服转台整体装配件也进行高/低温度下（+40℃/-40℃）的热特性分析。由于是装配情形下，且转台多处连接方式（如轴与轴承）为过盈连接，因此零件边界受约束，受热不能自由变形膨胀。此时热特性以热应力为主。求解可知，在+40℃时，转台整体结构的热应力最大应力值为3.5×107N/m2。转台整体结构所用材料（铝合金，合金钢）的屈服强度范围大约为3.0×108N/m2～6.0×108N/m2。因此最大热应力值大致为材料屈服强度的1/9至1/17，因此结构强度满足要求，但应优化结构设计以减小最大热应力值。环境温度+40℃时转台整体结构的热应力云图如图4所示。

图4 +40℃下的转台整体结构热应力云图

六、结论

对精密伺服转台的重要承载结构件和运动结构件开展了有限元静力学特性分析和有限元模态分析。定性和定量地观察到了转台结构件的应力应变特征及结构的模态特征。校核和验证了转台结构的初步设计方案符合刚度和强度要求。丰富了对精密伺服转台结构设计的直观认识，积累了转台工程设计经验。

对精密伺服转台重要结构件及转台整体装配件进行了有限元热特性分析和校核。求解了热变形和热应力的量值及其空间分布情况。对转台结构件及整体装配件的热特性有了直观了解和认识。

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