激光转台芯部结构动态特性研究与优化

　　现代跟踪设备不仅要具有复杂环境下的跟踪捕获功能,而且要求设备满足高精度、高灵敏度及高稳定性等要求.跟踪设备的跟踪架及转台等机械结构是各种仪器的基础平台,其性能的优劣对整个设备的工作精度有关键性影响.现在常用的跟踪架形式为地平式结构,其综合性能较好而得到广泛应用,但因不能实现垂直对顶跟踪而在某些情况下受到限制,而水平式跟踪架结构能够克服这种缺点.在水平式跟踪架结构中,芯部结构是搭载各种光学仪器的主要平台,其良好的力学与运动特性显得格外重要[1].

　　某水平式二轴转台激光跟踪系统的芯部结构既是激光扩束与发射结构、CCD探测接收结构、激光反射镜组等的支撑件,又是外部轴系的转动负载;而其静态、动态性能和稳定性对光学系统的变形精度、伺服系统的控制精度提供了保障,也直接影响到激光跟踪系统的精度.作为支撑件,要求芯部结构有足够的刚度,以满足光学系统的最大变形要求;而作为电机的负载,要求转动惯量较小,质量较轻且分布比较合理.结构优化是解决这一问题的有效途径之一,通过对结构进行动态特性的研究,找出结构动力特性中的缺陷并进行改进和结构优化,对于提高结构的整体动态性能是十分有效的[2-3].国内在光学仪器的结构设计方面,仍然处于静态设计阶段,对结构的动态性能考虑得不多[4].开展光学仪器结构的动态特性分析与优化研究对有效提高光机结构的整体性能有重要意义.

　　本文借助于传统结构设计方法,利用有限元分析、模态分析和结构优化理论,基于MSC.Patran &Nastran软件分析平台,对激光转台芯部结构进行了动态特性研究,并在此基础上进行了结构尺寸优化工作.

　　1　结构的有限元分析

　　1.1　模型简化及有限元模型建立

　　由于芯部结构的实际结构复杂,尺寸较多,为了适应有限元计算以及其后的优化工作,必须对其作简化处理,略去对芯部结构刚度和动态性能影响较小的细微特征,如小凸台、螺钉孔、小倒角和小圆角等.简化前后的芯部结构如图1、图2所示.

　　采用有限元对工程结构进行分析时,有限元模型的准确与否对整个有限元分析过程有关键性响.根据芯部结构的特点,对芯部结构有限元建模时可以采用中性面建立,通过单元属性赋给单元的厚度.首先对简化的三维模型在MSC.Patran中抽取其中性面,对各个中性面连接处进行适当的延展、缝合等处理.在网格划分时,对连接处与应力集中处进行撒种子点处理以细化网格,然后采用Paver方法进行网格自动划分,此时需适当控制曲线的曲率以防止出现畸形网格,并在网格划分完成后进行检查.对于芯部结构的外载荷,在UG装配图中提取外部结构的重心坐标和质量参数,将外载荷等效为集中质量点,通过Nastran的多点约束单元(MPC)与芯部结构连接.在整个建模过程中需保证每个单元与实际结构之间的几何类型、拓扑结构的一致性.最后,芯部结构共离散为2 345个Quad4单元、2 512个节点、3个质量单元和3个MPC单元,其有限元模型如图3.