球形照准架系统的研究

杨立保

（1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

常见的地平式光电经纬仪的水平轴系分U型和T型两种结构，但是随着光电经纬仪应用领域的不断扩大，水平轴系的结构形式发生了很大的变化。对设计本身也提出了更高的要求。比如在海洋环境条件下，需要仪器具有防盐雾、防腐蚀、防潮湿等性能。球形结构能够很好的满足这种需求，其在仪器的防护方面具有其他结构形式不可比拟的优势。我们知道，作为一个球体容易实现密封，从而保证内部重要部件不受环境侵蚀。

同时球形结构为安装更多的传感器提供了尽可能大的空间。

通过以上的需求引领，有必要对球形照准架系统进行研究。本文将提出一种新型的照准架结构形式，即球形四通结合弧形立柱结构的照准架形式，简称Q型。该文从水平轴系、球形四通、有限元分析和弧形立柱设计等方面对球形照准架进行详细研究。

1 球形照准架的设计

球形照准架也就是球形水平轴系。包括水平轴系的结构设计、球形四通的分割形式、弧形立柱的设计三个部分。

1.1 水平轴系结构设计

在水平轴系的设计过程中，通常需要考虑的首先是通过对载荷分布的分析确定轴系结构的布局，再根据具体的载荷设计轴系的刚度最终确定结构。

在大多数情况下水平轴并不是一根完整独立的轴，而是由左轴、四通和右轴三部分组成，左轴用于安装编码器等测角元件。四通用于承载各种传感器系统［1］。右轴用于安装力矩电机等驱动元件，还有轴系限位组件等。

因此水平轴是由左轴、四通、右轴、弧形立柱、及转台等几部分组成。如图1所示。

图1 水平轴的组成Fig.1 Horizontal axis compositions

左右轴的同轴性取决于组合装配精度。而采用什么样的装配形式直接影响到同轴精度。根据经验，我们采用带止口的结构形式进行设计，

而较长的跨距和四通的刚度也影响左右同轴的稳定性。同时水平轴左右立柱轴承座的同轴也影响同轴性。对于水平轴系的晃动指标而言轴系同轴性是关键指标。

在光学测量的这种精密仪器中，轴一般采用双支撑结构，每个支撑由1-2个轴承组成。我们设计的这种结构也采用双支撑结构。其中一端采用背对背角接触球轴承结构，另一端采用深沟球轴承结构［2-3］。

图2 轴承配置形式示意图Fig.2 Bearing disposition form schematic drawing

轴承配置形式如图2所示，这种结构有以下优点：

左端两列角接触球轴承背对背使用能够承受较大的径向和轴向载荷。同时悬臂端刚性好，满足编码器安装时对轴的径跳重复性和端跳的精度要求。

右端采用深沟球轴承能够具有较好的环境温度适应性，因为深沟球轴承的轴向游隙较大，在环境温度变化时轴和轴承内环一起相对轴承外环沿轴向移动，不至于卡死而影响轴系转动的舒适性。

1.2 球形四通的设计

前文提到球形四通的主要优点是其具有足够大的封闭空间，使得各种传感器都能够较好的适应海洋环境。

球形四通在满足总体结构要求的前提下，重点解决的问题是球形四通的刚度。也就是在球形四通体积增大的情况下，不等量的增加重量。因此首先考虑的是如何减轻重量。

我们的设计思想是在球体的封闭区域全部采用薄壁结构，只有在与轴系连接部位和球体分割部位以及传感器安装部位采用局部加厚或密布加强筋的结构形式。

按照以上思想设计了球形四通。并且进行了如图3形式的分割。

图3 球体分割图Fig.3 Spheroid division diagram

即将球体分割成四通本体、前盖、后盖、上盖等四个部分。四通本体的左右两端分别与左右轴相连。

各部分分别承担以下作用：

a.四通本体作为球体四通的主体是各传感器的安装平台，同时与左右轴连接起到刚性支撑作用。是负载的承载主体。但是其前后方向均开有较大尺寸的开口。为的是方便内部的载荷从前后和上部安装。

b.其他的前后盖以及上盖的作用除了密封作用外主要作用是使之成为一封闭球体，这样的封闭球体有利于增强刚度。这一点从下面的有限元分析可以得到验证。

图4 四通本体图Fig.4 Spherical four-way main body chart

四通本体的左右两侧分别与左右轴连接，为了尽可能的增大接触刚度，在本体两侧密布了加强筋并且适当增大壁厚到10mm。为了减轻重量，球形四通的绝大部分厚度不超过6mm。同时中间保留贯通的横隔板，并且四通本体边缘采用翻边的形式，这些措施有利于提高本体抗弯能力。

前后盖本身是穹顶形式，并且边缘采用翻边结构，自身强度较好，与四通本体固联后将增大四通球体的刚度及承载能力。

采用如此分割的形式，在保证本体相对封闭的的情况下，能够最大限度的方便内部系统的装配与拆卸。

球体直径550mm，封闭后的球体重量是19kg，负载是40kg。

该结构易于装配，容易密封，可有效防护盐雾等的侵蚀［4、6］。

1.3 球形四通的有限元分析

以四通本体与左右轴连接的两端作为固定端，在球体内部按实际状态模拟施加载荷力，其中横隔板上下两面分别施加10kgf和15kgf的载荷；在下部四个支撑板综合施加15kgf。

下图5-图8分别是四通本体和封闭后的球形四通内部应力分布图和受力变形图。

图5 四通本体内部应力图Fig.5 Spherical four-way main body interior stress diagram

图6 四通本体受力变形图Fig.6 Spherical four-way main body stress distortion diagram

图7 球形四通组合后内部应力图Fig.7 Spherical four-way combination internal stress diagram

图8 球形四通受力变形图Fig.8 Spherical four-way stress distortion diagram

通过以上图5-图8可以看出四通本体和球形四通的内部应力和受力变形。四通本体内部应力为5.2×105帕，受力变形3.3μm，均分布在前壁的镜头缺口处，由此可见封闭的前后壁对整体刚度是有利的。封闭后的球形四通内部应力为4.6×105帕，受力变形2μm。

从以上数据分析可以看出，四通本体和球形四通的内部应力和受力变形均很小。同时封闭后的内部应力和受力变形比单独的四通本体要小。这也验证了封闭的球形四通的刚度更强的猜测。

1.4 弧形立柱设计

关于弧形立柱，我们知道从球体负载到支撑的受力点而言，只要负载的重心在两个立柱支撑跨距中间即可保证系统的稳定性，之所以采用束腰形式也考虑到减小垂直轴的体积和重量。如图9所示。

图9 结构受力分析图Fig.9 Structural stress analysis Figure

由图9可知，设球体及负载总重为G，每个立柱分担提供的支撑力分别为G1和G2，

其中A、B、C、D分别代表左右立柱的受力点和底面支撑点，A、B连线的距离大于C、D连线的距离，因此在同等负载情况下降低了对转台刚度的要求，同时增大了立柱的承载能力。

支撑力G1可分别分解为沿A、C连线的分力G1⋅cosγ1和垂直A、C连线的分力 G1⋅sinγ1。同理支撑力G2可分别分解为沿B、D连线的分力G2⋅cosγ2和垂直B、D连线的分力G2⋅sinγ2。这两组分力就如同张开的双手捧起了球体。使得结构最稳定。

经过实际验证轴系精度小于2秒。

2 结论

本文详细介绍了球形四通结合弧形立柱结构的照准架形式。同时经过受力分析及有限元分析确定了球形四通的分割方式以及弧形立柱的结构形式。装配之后检测轴系精度小于2″，说明球形照准架的设计完全满足需要。

［1］杜俊峰，李正周.GD-220光电经纬仪轴系的静度分析［J］.光学精密工程，2002，10（4）：416-419.

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