光电经纬仪的小型化研究与设计.pdf
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1、 分类号 密级 UDC 注1 学 位 论 文 光电经纬仪的小型化研究与设计 (题名和副题名) 王中科 (作者姓名) 指导教师姓名 肖峻 教 授 电子科技大学 成 都 张孟伟 研究员 光电技术研究所 成 都 (职务、职称、学位、单位名称及地址) 申请专业学位级别 硕士 专业学位类别 工 程 硕 士 工程领域名称 光 电 工 程 提交论文日期 2008.04 论文答辩日期 2008.05 学位授予单位和日期 电 子 科 技 大 学 答辩委员会主席 评阅人 2008 年 月 日 注 1:注明国际十进分类法 UDC的类号 独 立 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及
2、取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注 的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名: 日期: 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、 使用学位 论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学
3、位论文在解密后应遵守此规定) 签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 摘要 I 摘 要 光电经纬仪是利用光学测量设备对飞行目标进行摄影、测量和采集信息以 完成对目标轨迹和特性的记录。随着现代测量技术的发展和要求的提高,不仅 对光电经纬仪系统要求多功能、高定位精度、快速响应性等综合性能,而且对 系统体积、外形等方面提出了新的要求,要求研制小型化的新型光电经纬仪。 本文针对光电经纬仪的关键技术指标, 以模块化和小型化设计为指导思想, 设计一种地平式二轴 U 型结构的小型光电经纬仪。首先,介绍了光电经纬仪的 工作和测量原理,并分析其关键技术指标;其次,针对光电经纬仪小型化的设 计要求,重点对影响小型
4、光电经纬仪技术指标的光学性能和轴系精度等进行了 研究;重点是跟踪机架结构的设计,对结构设计所用的相关技术进行了介绍, 并对跟踪机架的关键部件-垂直轴系、水平轴系和力矩电机等进行了设计与计 算;最后,运用有限元分析理论和 ANSYS 软件对影响整机强度、刚度的关键 零件进行了静力学分析,从而设计出符合总体设计要求的小型光电经纬仪。 本文设计的小型光电经纬仪通过室内检测,已直接应用于靶场光测,并受 到了使用方的高度评价。本文的理论基础和分析结果可为同类型设备的研制提 供参考。 关键词:光电经纬仪,小型化,结构设计,轴系精度,有限元分析 ABSTRACT I ABSTRACT Photoelectr
5、ic theodolite is based on optical measurement equipment,could make record of the track and characteristics of flying objectives by taking phptography,measuring and gathering information from it .With the development of modern technology and higher requirements of photoelectric theodolite ,the new ph
6、otoelectric theodolite is required integrated performance such as ,not limited to multi-function, high positioning accuracy ,and prompt response. And also other aspects should be comply with new requirements, including size, shape etc. The new model of Photoelectric theodolite with above functions i
7、s strongly required to be developed in future. In this paper we introduces one new small design of photoelectric theodolite with altitude-azimuth & U-shaped structure, this new module includes all key technical requirements and represents guiding ideology of modularization and miniaturization. At fi
8、rst, the paper includes a detailed description on working & measuring principle of the new model and technical requirements. Secondly,To the design requirements of photoelectric theodolite,It researches optical performance and precision of a shaft which shall affect technical performance of this new
9、 model.This research focus on drawing of struction,describe the relevant technologies of design.and calculate and design the key components of the rack-vertical shaft, the shaft and levels. Finally,this paper analyse strength and stiffness of the key parts of the finite element against Finite Elemen
10、t Analysis Theory and the impact on the complete machine ANSYS software .Thereby it is proved that this new model Photoelectric theodolite will meet the general design requirements. This new small photoelectric theodolite has been passed indoor interior detection and directly applied to optical meas
11、urement range and got highly appreciated from final user. The theory and the analysis results of this paper could supply references to the same type of equipment. Key words: photoelectric theodolite, miniature, structural design, shafting precision, FEA 目录 I 目录 第一章 绪 论 . 1 1.1. 引言 . 1 1.2. 光电经纬仪结构模式
12、 . 1 1.3. 国内外靶场光测发展现状 . 3 1.3.1. 国外光电经纬仪测量系统的发展现状 3 1.3.2. 国内光电经纬仪测量系统的发展现状 4 1.4. 研究重点、解决的问题及论文内容 . 4 第二章 光电经纬仪基本原理及关键技术指标 . 6 2.1. 跟踪机架工作原理 . 6 2.2. 光电经纬仪测量原理 . 7 2.2.1. 综合测量法 7 2.2.2. 交汇测量法 8 2.2.3. 最小二乘法 14 2.3. 系统技术指标 . 15 2.3.1. 作用距离 15 2.3.2. 测角精度 17 第三章 小型光电经纬仪的设计要求 20 3.1. 总体要求 . 20 3.2. 技术
13、指标 . 20 3.3. 指标分解 . 21 3.3.1. 光学系统性能参数 21 3.3.2. 光学系统方案 22 3.3.3. 跟踪机架轴系精度 23 3.4. 技术难点 . 26 第四章 跟踪机架结构设计 . 27 4.1. 总体结构设计 . 27 4.1.1. 结构设计指标 27 4.1.2. 结构设计技术 27 4.2. 关键部件设计 . 30 4.2.1. 垂直轴系 30 4.2.2. 水平轴系设计 34 4.2.3. 驱动电机设计 35 第五章 跟踪机架有限元分析 . 38 目录 II 5.1. 有限元分析基本理论 . 38 5.1.1. 机械结构分析的基本内容12 38 5.1
14、.2. ANSYS 软件简介 38 5.2. 跟踪机架关键零部件 . 39 5.3. 关键零件静态有限元分析 . 40 5.3.1. 结构简化 40 5.3.2. 材料属性 41 5.3.3. 有限单元网格划分 41 5.3.4. 载荷及边界条件 43 5.3.5. 计算结果及分析 44 第六章 系统研制及检测结果 . 50 6.1. 研制结果 . 50 6.2. 室内检测结果 . 50 6.3. 外场检测与试验 . 51 第七章 结束语 52 致谢 . 53 参考文献 . 54 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1.1. 引言 靶场光测是利用光学测量设备对飞行目标进行摄影、测量和采集信息以完
15、 成目标轨迹和实现记录的简称。靶场光测设备包括电影经纬仪、弹道相机、 红 外激光雷达和判读仪等,其中电影经纬仪是应用最早的测量设备,也是最基本 的测量手段之一。早在1940年,德国就研制了第一台电影经纬仪并应用于靶场 光测,60年后,随着电视技术、激光技术和光电子技术、计算机技术的发展, 电影经纬仪已发展成为光电经纬仪,并且不断更新换代,现已成为具有多功能、 定位精度高、响应速度快、实时性强的综合性测量系统1。 现代靶场上广泛配备的光电经纬仪主要有两种工作状态,一种是固定站形 式,一种是活动站形式,国内的光电经纬仪大都采用固定地基式。但是,靶场 光测对光电经纬仪的精度要求越来越高,机动性能要求
16、越来越好,固定站的光 测设备受到时域与空域的限制。因此一批机动性强、小型化的光电设备得以出 现。其特点是系统集成度高,结构紧凑、重量轻、尺寸小,适应车载、舰载、 机载。由于此种光电设备传感器采样频率高,相应的伺服带宽较宽,响应快。 因此要求跟踪机架应有高刚度,低惯量,大储备力矩。本课题中所设计的小型 光电经纬仪充分具备了上述特点,且技术指标基本达到了同类大型光电经纬仪 的水平,具有推广的积极意义! 1.2. 光电经纬仪结构模式 从工程上讲,光电经纬仪是指跟踪空间某一机动目标的仪器,而跟踪架是 光电经纬仪系统承载光电测量传感器的机电一体化平台。跟踪架技术是材料科 学、机械加工工艺和控制技术三要素
17、的最佳结合。对于光电跟踪系统而言,跟 踪架的结构设计是至关重要的,它将影响整个跟踪系统的跟踪精度和快速性。 随着国防事业的发展和技术的进步,多种新结构、新工艺的光电跟踪架相继出 现,其总的目标都是减少基座转动惯量和增加结构刚度,以获得高机械谐振频 率,确保控制系统的高带宽速度回路和高精度的位置回路。在此,主要介绍光 电子科技大学工程硕士毕业论文 2 电经纬仪跟踪机架的两种结构模式地平式U型机架和地平式T型机架及其主 要特点。 1.2.1. 地平式 U 型光电经纬仪 地平式跟踪架结构又称俯仰-方位(E-A)机架, 是两轴地基式结构, 由绕水平 线和垂直线旋转的高低轴和方位轴组成,是跟踪架的标准形
18、式。望远镜筒安装 在俯仰轴上,当方位旋转0360时,带有望远镜的俯仰轴可转动090,从 而实现全半球面跟踪。它的综合性能指标(体积、重量、回转半径、跟踪性能等) 较高,因此,是精密跟踪系统跟踪架的首选结构。 地平式跟踪机架的控制系统软、硬件成熟度高、工作可靠。它的最大缺点 是在天顶角l5附近有个天顶跟踪盲区,原因是在天顶盲区内,由于望远镜视轴 与方位轴可能重合,由跟踪架跟踪的目标方位角速度AxvA 2 0 cos ,由于此 时0很小,故目标方位角速度接近无穷大,而跟踪架的跟踪方位角速度不可能 达到无穷大,不能平滑跟踪目标,这样造成了目标丢失,所以这一区域称为天 顶盲区2。 地平式U型机架的两个
19、水平轴头相离较远, 水平轴的基线可以做得较长, 因 此水平轴和垂直轴的不垂直度误差和水平轴的晃动误差可以控制的更严。这对 于跟踪和测量高低角非常大(即非常接近天顶)的目标特别有意义。由于用于 靶场光测的光电经纬仪首先要求的是高测量精度,因此,首选U型配置。U型架 结构如图1-1。 图 1-1 U 型架示意图 第一章 绪论 3 1.2.2. 地平式 T 型光电经纬仪 对于火控系统中的光电跟踪仪,由于其对测量精度的要求相对比较低(比 靶场光测设备通常低12个数量级) ,常采用T型结构,如图1-2所示。这种结构 重量轻,体积小,属于小转动惯量和高刚度跟踪机架,可以有效地提高跟踪角 速度和角加速度。这
20、类结构也叫“挑式”结构,可允许左右轴头挂更多的测量传 感器,现役的舰载光电火控系统多用这种结构。 图 1-2 T 型架示意图 1.3. 国内外靶场光测发展现状 1.3.1. 国外光电经纬仪测量系统的发展现状 国外的导弹试验与航天器发射配备的光测设备种类齐全,数量多,测量精 度高,更新换代快。除了大量使用的陆基型光学测量设备外,还有舰载、机载、 星载型设备。 国外靶场光学测量系统中的弹道测量设备有电影经纬仪、弹道相机、激光 雷达等多种设备。 其中电影经纬仪有KT-50、 RA-SUM、 EOTS、 ASKANIA、 K400、 SKYTRACK、RADOT、KINETO、MAST等型号。 从几十
21、年的发展演变来看,国外靶场光学测量系统的发展具有以下特点3。 第一是老测量设备和新型号研制相结合; 到20世纪90年代初, Contraves公司美国CGC分公司已为美国靶场改造了100 多台(套)电影经纬仪,同时还新研制了几十台(套)KINETO跟踪测量系统。 电子科技大学工程硕士毕业论文 4 第二是新技术和新测量体制的不断采用; 美国于80年代中期装备靶场的超级数字式光学自动跟踪记录仪(Super RADOT) ,能探测和跟踪1000多公里的再入目标,实时测角精度为1“;KINETO 跟踪测量系统除配有红外跟踪器、电视跟踪器、激光测距仪外,还可配装Ka频 段测距雷达,这就出现了光学-无线电
22、相结合的测量体制,在测量中可充分发挥 各自的优点。 第三是功能不断完美,性能不断提高。 70年代前电影经纬仪的测角精度(RMS)一般为15“20“,而目前光电经 纬仪的测角精度可达到10“以内,有的甚至高于5“。在光电经纬仪上加装测距功 能后,可进行单站定位。实时测量精度的不断提高,实时测量处理有望取代事 后数据处理,大大提高靶场光学测量设备的自动化程度和实时输出能力。 1.3.2. 国内光电经纬仪测量系统的发展现状 我国的弹道试验光学测量系统的建设始于 20 世纪 50 年代末。最初都是靠 引进国外的电影经纬仪,60 年代,我国自行成功研制了光学弹道测量系统(代 号 150 工程),开创了我
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