光电平台无角位移减振装置设计研究

第25卷 第7期 计 算 机 仿 真 2008年7月 文章编号：1006—9348(2008)07—0298—04 光电平台无角位移减振装置研究 安源 ，张雷 ，金光 ，贾继强 (1．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2．中国科学院研究生院，北京 100039) 摘要：光电平台是一种利用光电载荷实现目标探测与监视的光电系统，为了获得高质量的图像，设计了一套减振装置来减小 振动对成像质量的影响，尤其是减小对图像质量影响较大的角振动。根据空间机构学原理和减振理论，尝试通过空间连杆 机构来实现无角位移振动 ，分析了无角位移减振装置的减振机理，建立了无角位移减振装置仿真模型，计算了不同激励下无 角位移减振装置的响应，并与目前普遍采用的隔振的角振动隔振效果进行了对比，角振动的隔振效果提高了2个数量 级，实现了无角位移振动。分析结果显示无角位移减振装置原理正确，设计合理，能够满足无角位移振动的使用要求。 关键词：光电平台；被动隔振；振动仿真；角振动 中图分类号：V241．02 文献标识码：A Research on the Device of Non—angular Vibration for Opto——electronic Platform AN Yuan ，ZHANG Lei ，JIN Guang ，JIA Ji—qiang (1．Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences， Changchun Jilin 130031，China；2．Graduate School Chiness Academy of Sciences，Beijing 100039，China) ABSTRACT：The opto—electronic platform is a major device for detecting and surveillance，and its purpose is to a- chieve h Jigh quality image．In order to decrease the effect of angular vibration on optics system，a new device of non— an gular vibration was designed．According to the theory of spatial machine and theory of isolation，the non—angular vibration device had been designed with spatial links，and the theory of device was analyzed．The model of device was built and the response Was calculated by inspi6ting it in three directions．The isolation ratio of the device of non—an- gular vibration is improved by 2 orders of magnitude contrast to the norm al method．All the work proved that the de- sign principle of the device is reasonable，and can meet the demand of isolating angular vibration． KEYW ORDS：Opto—electronic platform ；Isolation vibration；Vibration simulation；Angular vibration 1 引言 机载光电平台是航空侦察的主要设备，其任务就是获得 高质量的图像 ，除 CCD接收器、光学系统等任务载荷 自身的 品质外，制约成像质量的主要因素是载体的振动引起的物体 像在靶面上的位移⋯。文献[3]对焦距为 0．3m光学系统的 线振动和角振动对成像质量的影响进行了定量分析，当物距 为3000m时振幅 30”的角振动产生的像移是振幅为 lmm线 振动产生像移的436倍。由文献[2]可知，航空侦察时角振 动对成像系统的影响大于线振动对成像质量的影响，尤其是 在垂直于光轴的平面内尤为严重。 图1为目前机载光电平台普遍采用的隔振方案，将四个 三向等刚度减震器对称布局 ，但即使在完全相同的减震器也 不可避免线振动对角振动的耦合作用 ，图2为图 1所示隔振 收稿 日期：2007—04—09 修回日期：2007—06—29 · · - · — — 298 ··-·—— 减振器 动载体 图1 隔振系统示意图 方案下的振动情况，可以看出即使在理想的情况下最大角振 动也达到 144”。 近年，机载光电平台以广泛应用于航空侦察、森林防火、 边防警备及灾害救治等领域。本文利用空间连杆机构的运 维普资讯 http://www.cqvip.com 墨 w f●d， w／(t~'l／i) w／(t~'l／s) 图2 光电平台在不同频率激励下的振动峰植曲线 ( ) 肥( ) 。( ’ (2) L Dl(t)= m(t)= o(t) 联立(1)(2)两式可知：卢(t)=0，y(t)=0，即上平台绕 l，轴和 z轴的无转动。 同理，由于连杆 G B 、I2F 分别通过转动副与下平台相 连，即在Y向上无移动自由度 ，所以G 和，2在Y向上的位移与 G 和 相等且下平台只有平动 ，即ayc2=ay， ：ay = ay 。G。、，I、G 、12为一平行四边形机构的四个顶点，所以有 ayG．=ay』l，ayc2=ay ，可以推出上平台绕 轴无转动，即 a(t)=0。因此，整个机构具有两个方向的移动 自由度，分别 为垂直于光轴的 YOZ面内的两个方向上的移动。 图像质量较大的角振动转化为其他方向上的线振动，分析了 3 无角位移减振装置的仿真模型 通过不同方向激励下的角振动响粤，分析譬量 示 位移 根据以上的原理分析，L~itT一套无角位移减振装置， 减振装置具有良好的角振动隔振效果 ，对提高航空成像质量 利用uG软件建立了无角位移减振装置的仿真模型(图4) 。 2 无角位移减振装置的原理 通过对目前机载光电平台隔振方案的研究可知，角振动 主要由线振动耦合产生，因此解除线振动与角振动之间的耦 合作用即可取得 良好的隔振效果。无角位移减振装置的作 用是使光电平台相对于载体只有平移运动 ，而不存在相对的 转动 自由度。本文提出利用空间连杆机构构成的并联机构 作为无角位移减振装置 ，利用空间连杆机构的运动特性抑制 和限制运动平台的转动 自由度，使得光电平台相对于载机始 终做平移运动 。其原理如图3所示。 图3 无角位移减振装置原理图 图3中， 轴方向为光轴方向，上平台各个方向的运动分 别为 x,y a 、y，根据刚体的运动方程可知 ： l(￡)= (￡)+y0o^l卢(￡)一Zoo~1y(￡) ，． 、 L Dl(t)= (t)+Yoool卢(t)一 0nDly(t) 其中y0o^l、 0o^。、Y0o。。、z。o口。分别代表两点间的 Y向和 Z 向距离。A。EA：、D HD 为辅助支承，辅助支承设计采用转动 副连接，所以上平台相对于下平台无 方向上的平动，当下 平台无转动时，可知 ： 图4 减振试验装置三维建模图 平行四边形组件和辅助支撑组件均为小尺寸连杆机 构，作为运动部件受力较小，所以忽略其变形。上、下底板为 主要承重部件，其变形情况将直接影响到整套装置的精度， 因此利用 Patran对其在 20Kg设计载荷下的变形进行了分 析 ，如图5所示。 图5 上、下底板 20Kg载荷下的变形图 由变形图中可以看出，各连接部位的变形一致，可作为 刚体处理，因此对无角位移减振试验装置精度的无影响。 4 无角位移减振装置的振动分析 任何一套减振装置是否具有减振作用首先取决于设计 时参数的选取是否正确，同时还需要通过各种试验来检测其 ． - - ． — — 299 ．--．—— 维普资讯 http://www.cqvip.com 减振作用是否达到其预期效果。对于减振装置的性能有一 套完整的检测试验方法 ，其中有一种重要的也是必要的检测 方法，就是正弦扫频试验。按照光电平台的使用环境和振动 试验大纲，以2g的加速度载荷作为激励，利用 MSC．Adams／ vibration分别从三个方向上对下平台施加激励，得到上平台 的响应情况。 将 UG建立的仿真模型导入 ADAMS中，并添加运动约 束，利用Adams／Vibration模块，对无角位移减振装置在不同 激励下各方向的响应情况作以下分析 ： 4．1 X向上 2g加速度激励时上平台质心处的响应 在 方向上施加 2g加速度激励，在 5Hz一500Hz的频率 范围内进行扫频的仿真分析 ，得到上平台各个方向上的响应 情况 。 一 m■_q_■_ - - ～ m m ■- _ ·■■●- m ； -"Iiilli~I!] ( 。 ； 枷 ” ● 10．0'啪 ID,0 t h■■ 口岫 啊 n 岫 ⋯ m■_q ■ ·- - ⋯ 啊 ■_斜 ■忡 ，●- ；锄 ；j w ● 100 ⅢI㈣ ∞LD I 图6 X向激励时的加速度响应 q--q■● 一-- ●- q--q■● 一·■■●■ ． 知 舯 ■忡 - ，●- ； 、 警⋯ 每 ＼ 奠 蠹：强§ 仰 t ≥ 3。 ， 。’—抽 ，¨ 1∞m ，呻 I'nlmll~ mlm m ■，●● 一 F - -_ ， ●● I'nlmll~ mlm m ·■ ，●● ∞。 ∞ L二 。 j Ⅲ 巨蟊 汁 ； ； 矗 i ● ^ ll n 叠 曩 I m ，¨ ，∞口 ，㈣ ，彻 1∞口 1嘲 口 ●_ O目 图7 向激励时的位移响应 由图6、图7可以看出，由于 X向为刚性连接，所以加速 度响应与激励相同，其他各方向上的加速度响应是由弹性支 撑的耦合作用产生的，但由于存在机构约束，所 以没有产生 角位移。 4．2 Y向上2g加速度激励时上平台质心处的响应 在低频激励时，由于频率低作用时问长，所以弹簧的响 应也缓慢，导致低频时减振作用不明显，当激励频率与系统 的固有频率接近时，发生共振，此时的响应最大，所以有如图 8所示的Y向加速度响应曲线，其它方向的加速度响应由弹 性支撑的耦合作用产生。从图9中可以看出，无角位移产生。 ． ． ． — — 300 ．．．—— 一 mm ___ ·■ __ 一 啊-_斜_．柏·· ^ ‘ 。 ： m Ⅲ IⅢ i兰 ；邶¨ I砌 ” I抽 I啪 I姗 D 啊■n 口岫 R■ 口∞ 一 m-_q_．¨ ··■ ^- ⋯ _I" _．¨●·_ ^ ～ 啊 -_斜 _ __ _恤 ．雕。 互墨_-_一 } J∞m 爱 √墨I ～{巨 ；兽 ； 一。 I ～ 一■_ 习 ；： —f0一～ 1 一躺 一 ⋯事一 前j ： 9 一 一～—竹 ， 一 0 叠0j 1 ∥ 曩l m 鼬 ’嗽 ● R■ 口∞ R■ 口∞ R■ 口∞ 圈8 y向激励时的加速度响应 ～ mm _ __ ·■ - 闻 毒牟 譬_潮 。 誓曩 囔 三霸。 ； 。。 i *1 蔷 ● ％ 100 1000 l加" 一 ． 啊-_斜_ __ ‘ 山- 一 啊 -_斜 _ -f- ’ 山 - ～ m _研 ___ - _恤 一 1 ● 围ili!ii¨li l 一1● 一 r r L二 专 篓鬟 ； 一_簪 0 ． ； ： ； ；}_ 曩 ⋯ I_ ● ： ^ ● 10 I¨ 10¨ 啪0 1D t¨ 1000 I姗J 伽 1000 '埘D F_ 口∞ 图9 Y向激励时的位移响应 ～ 啊 ■_斜 ■ 忡 · ，岫 ～ 啊 ■_斜 ■ -柏 ●·■ ■●- qw 啊 ■_斜 ■忡 ·■ ■●- ； 垂 一 1_ IOa ，啪 10哪 D I¨ D m D 一 ÷簪÷謦 ●■ 口目 ～ l*nl,Ul~,l - ^● ⋯ l*nl,Ul~,m lml。-_●● R●■_ l -W 岳 辱 Ⅲ 嘲 ； ⋯ I仙 ，咖 10000 。 m t们 埘 口 IO~0D ∞^m ●■ O ∞ t 图10 Z向激励时的加速度响应 ■ _崎 ^ ■-- ·■ ■■^ _ _ ■■-I ·-■●^ ■^ ■q ■■_噍 -■■●^ ∞ 0 ㈣ l 柚 ； rfl¨ r r 。。： ：l 蠖 ■黼 一譬 ●。 d ．~ 1o0 ㈡ i ‘㈣ }㈦： rm 8 m 恤 n ● 0 t们 two 1御 D ●_ Oq ●■ ■●啊 ■，●● ●-斜 ■_ _ - ●● I'nlm ll~ mlm m -■，●● _ 一 ㈡0 j 9 。瑚_= t-： 湖 ； 嚣～*辞；糍 ； 一 外 j；㈦ ㈡ i r JI J r J I too 1∞ 1Ⅲ I ●■ 0q ●■ D∞ 图11 Z向激励时的位移响应 维普资讯 http://www.cqvip.com 4．3 Z向上2g加速度激励时上平台质心处的响应 同系统受 Y向激励时一样，z向加速度激励下加速度响 应曲线中除z向外，其它方向的加速度为耦合产生且影响很 小，无角位移产生。 通过分别在三个方向上的分别施加激励可以看出，无角 位移减振装置在各个方向上均具有 良好的抑制角振动作用。 5 结论 本文根据航空成像对图像质量的要求，从机械隔振的方 法入手，通过减小角振动来提高图像质量。利用空间连杆机 构设计了一套无角位移减振装置，利用 Adams／vibration对其 角振动情况进行了分析，从结果可以看出，无角位移减振装 置具有良好的抑制角振动的效果 ，对比目前普遍采用隔振方 案的响应情况(图2)，无角位移减振试验装置的角振动隔振 效果明显，满足了使用要求。综上所述，无角位移减振装置 的原理正确，结构设计合理 ，实现了无角位移的减振 目标，为 今后的试验和工程应用奠定了基础。 参考文献： [1] 贾平，张葆．航空光电侦察平台关键技术及其发展[J]．光学 精密工程，2003，11(1)：82—88． 赵鹏，杨牧 ，张葆．航空机载光学设备的振动分析及座架减震 器的设计[J]．光学 精密工程 1997，7(3)：58—63． 张葆，贾平 ，黄猛，田素林．动载体成像系统底座无角位移减振 器的设计[J]．光学技术，July．2003，29(4)：464一P472． 陈立平等．机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M]．北 京：清华大学出版社，2005—1． Steve Hadden，Torey Davis，Paul Buchele，Jim Boyd，Tim Hintz． Heavy load vibration isolation system for airborne payloads[J]． SPIE 2001，4332：171—182． Conor D Johnson，Paul S Wilke．The whole—spacecraft vibration isolation system[J]．AIAA Space Technology Conference，Albu- querque，NM，Sept．1999．1—11． [作者简介] 安 源(1980一)，男(汉族)，黑龙江人，博士生，研 究方向：机载光电平台隔振设计研究； 张 雷(1982一)，男(汉族)，山东人，博士研究生， 研究方向：空间相机设计研究 ； 金 光(1958一)，男(朝鲜族)，吉林人，博士，长春 光机所新技术室主任，研究员、博导，研究方向：空间光学成像技术； 贾继强(1966一)，男(汉族)，吉林人，硕士，研究员、硕导，研究方 向：光电平台设计、航空相机等。 (上接第 293页) 6 结束语 本文设计了一种可用于各种离散事件仿真的仿真平台 类库，该平台库采用了完全模块化的设计思想 ，具备使用简 单有效 ，代码重用性和扩展性强，易于集成和进行二次开发 等特性，能应用于不同规模和复杂度的仿真需求 ，笔者已将 其应用于宝钢一个带有复杂调度规则的大型冶金物流仿真 程序的开发中，并已取得初步效果。物流仿真程序的进一步 开发，平台库图形用户界面 GUI的开发以及功能和通用性的 继续完善将是之后的主要工作。 参考文献： [1] M C Little．D L McCue．Construction and use of a simulation package in C++[R]．Technical Repoa，Department of Com- puter Science，University of Newcastle upon Tyne，U．K． [2] Gilbea Chen，Boleslaw K Szymanski．COST：A Component Often， ted Discrete Event Simulator[C]．In Proceedings of the 2002 Win， ter Simulation Conference，eds．E．Yucesan，C．一 H．Chen ． J． L．SnowDon，and J．M．Charnes．2002． [3] 冯允成，邹志红，周泓．离散事件仿真[M]．北京：机械工业出版 社 ．1998—12． [4] [5] [6] J6rfme Darmont．DESP —C+ +：A discrete—event simulation packagefor C++[J]．Software--Practice＆Expeftenee，2000， 30(1)：37—60． R Baeza—Yates，M Marin and P Cordero．Analysis of all Improved Priority Queue for Discrete Event Simulation of Many Moving Ob- jects[C]．XIV International Conference of the Chilean Computer Science Society，Concepcion，1994，11：29—41． M Matsumoto and T Nishimura．Mersenne Twister：A 623一dimen— sionaUy equidistributed uniform pseudorandom number generator[J]． ACM Trans．on Modelingand Computer Simulation，1998，8(1)． [作者简介] 何 骏(1983．9一)，男(汉族)，湖北天门人，上海 交通大学控制理论与控制工程专业硕士研究生，研 究方向为离散事件仿真，生产计划调度等； 杜 斌(1957．4一)，男(汉族)，江西吉安人，教授 级高工，上海交通大学博士生导师，宝钢研究院自动 化所所长，研究方向为工业系统的建模与优化，大型连续离散混合型 工业生产计划优化及工业应用等； 李 聪(1982．1一)，男(汉族)，安徽宿州人，上海交大控制理论与 控制工程专业硕士研究生，研究方向为生产调度优化等。 一 301— 1 j 1J 1J 维普资讯 http://www.cqvip.com