本發(fā)明涉及一種新型機(jī)載多軸隔振系統(tǒng)，屬于結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)今，航空產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，無(wú)論民用或軍用，利用搭載光電載荷的飛機(jī)進(jìn)行大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的巡航偵察已成為主要的航空活動(dòng)之一。光電載荷的穩(wěn)定精度和成像質(zhì)量直接影響著獲取的信息量，而其受到的振動(dòng)是制約上述兩者的最主要因素。

機(jī)載光電載荷主要受到內(nèi)部振源和外部振源的影響。前者包括光學(xué)系統(tǒng)調(diào)焦和變倍機(jī)構(gòu)以及飛機(jī)自身的轉(zhuǎn)子及結(jié)構(gòu)撓性等引起的振動(dòng)，后者主要包括氣動(dòng)載荷所引起的震顫。這些振動(dòng)會(huì)通過(guò)飛機(jī)結(jié)構(gòu)傳遞到光電載荷，降低成像質(zhì)量和跟蹤精度，嚴(yán)重時(shí)可能丟失目標(biāo)。故需要對(duì)光電載荷設(shè)計(jì)專門(mén)的隔振裝置，將其與振源隔離，以提高光電載荷工作性能。

對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，主要應(yīng)用的減振產(chǎn)品為航空減振支座。在不影響視場(chǎng)的情況下，傳統(tǒng)減振器只能偏心布局于光電載荷上方。對(duì)于垂向振動(dòng)，由于減振器布局的幾何中心過(guò)方位軸，減振效果尚佳；對(duì)于切向振動(dòng)，系統(tǒng)重心在減振器幾何中心下方，會(huì)不可避免的產(chǎn)生角擾動(dòng)，影響視軸穩(wěn)定。對(duì)于經(jīng)常變換視角、振動(dòng)擾動(dòng)情況復(fù)雜的機(jī)載光電載荷，使用這類產(chǎn)品難以滿足高質(zhì)量成像的要求。

本發(fā)明提出一種基于Hexapod構(gòu)型的機(jī)載多軸隔振系統(tǒng)及其優(yōu)化方法，能較好地解決上述問(wèn)題。機(jī)載多軸隔振系統(tǒng)包括安裝平臺(tái)、載荷平臺(tái)和六根沿圓周均布于平臺(tái)間的阻尼支桿。本發(fā)明的主要特點(diǎn)是以Hexapod自身的結(jié)構(gòu)特性和阻尼支桿的物理特性對(duì)振動(dòng)擾動(dòng)進(jìn)行隔離。當(dāng)安裝平臺(tái)受到擾動(dòng)時(shí)，各桿通過(guò)線性運(yùn)動(dòng)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行隔離，保持載荷平臺(tái)的穩(wěn)定。隔振系統(tǒng)的頻率特性與整體構(gòu)型和阻尼支桿的剛度有關(guān)：構(gòu)型決定前六階主模態(tài)頻率分散程度，支桿的剛度系數(shù)直接影響隔振系統(tǒng)最低模態(tài)頻率的大小。因此需要對(duì)構(gòu)型和剛度系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證隔振系統(tǒng)的前六階主模態(tài)頻率在避開(kāi)內(nèi)、外部擾動(dòng)頻率的同時(shí)減小頻率的分散度，以實(shí)現(xiàn)良好的隔振效果。因此，該隔振系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：可調(diào)整結(jié)構(gòu)以改變自身頻率特性；可在隔離垂直向振動(dòng)的同時(shí)具備抗剪切向和角振動(dòng)擾動(dòng)的能力；可根據(jù)載荷的大小和頻率要求進(jìn)行隔振系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)和阻尼支桿的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)；可根據(jù)飛機(jī)的空間要求對(duì)隔振系統(tǒng)的大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，本發(fā)明能同時(shí)滿足提高航空隔振穩(wěn)定精度和多機(jī)型適應(yīng)兩方面的需求。

同時(shí)，普遍考察光電載荷相對(duì)飛機(jī)機(jī)架的位置關(guān)系、機(jī)架常見(jiàn)設(shè)計(jì)形式和多軸并聯(lián)隔振系統(tǒng)的構(gòu)型，隔振系統(tǒng)的安裝布局空間通常需要考慮避讓出可能發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉的位置(如機(jī)架結(jié)構(gòu)中的斜梁式突出掛點(diǎn)等)。本發(fā)明提出一種優(yōu)化方法并應(yīng)用于機(jī)載多軸隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，旨在以更完善的優(yōu)化策略高效的解決隔振系統(tǒng)幾何構(gòu)型設(shè)計(jì)與優(yōu)化問(wèn)題，使隔振系統(tǒng)的前六階主模態(tài)頻率在避開(kāi)內(nèi)、外部擾動(dòng)頻率的同時(shí)減小頻率的分散度，以實(shí)現(xiàn)良好的隔振效果。這一優(yōu)化方法避免了手動(dòng)多次調(diào)整迭代的繁瑣，簡(jiǎn)單快速的得到優(yōu)化后的構(gòu)型設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在提供一種基于Hexapod構(gòu)型的機(jī)載多軸隔振系統(tǒng)及其優(yōu)化方法，為航空光電載荷提供一個(gè)穩(wěn)定的工作環(huán)境。

本發(fā)明為一種基于Hexapod構(gòu)型的機(jī)載多軸隔振系統(tǒng)，它包括機(jī)械接口部分、減振機(jī)構(gòu)部分及優(yōu)化方法。位置連接關(guān)系為：機(jī)械接口部分通過(guò)關(guān)節(jié)軸承與減振機(jī)構(gòu)部分相連。減振機(jī)構(gòu)部分通過(guò)機(jī)械接口部分實(shí)現(xiàn)與機(jī)架的連接關(guān)系，作為中介對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)傳至光電載荷的振動(dòng)進(jìn)行隔離。

所述機(jī)械接口部分包括：安裝平臺(tái)、載荷平臺(tái)和軸承支座。它們之間的位置連接關(guān)系是：安裝平臺(tái)與機(jī)架固定，位于下方的載荷平臺(tái)與光電載荷固定，根據(jù)光電載荷的尺寸與重心位置要求設(shè)計(jì)載荷平臺(tái)接口形式。每只軸承支座通過(guò)4只M4螺釘與平臺(tái)固定，以確定安裝角度和安裝位置。該安裝平臺(tái)和載荷平臺(tái)為L(zhǎng)Y12材料制造，根據(jù)機(jī)架和載荷的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。安裝平臺(tái)根據(jù)安裝要求和機(jī)架的機(jī)械接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。載荷平臺(tái)根據(jù)光電載荷機(jī)械接口的形式可設(shè)計(jì)為環(huán)形或由用戶自主設(shè)計(jì)。該軸承支座為40Cr調(diào)制材料制造。

所述減振機(jī)構(gòu)部分包括：六根阻尼支桿和支桿兩端的關(guān)節(jié)軸承。每根阻尼支桿包括：阻尼器和兩端的關(guān)節(jié)軸承接頭。它們之間的位置連接關(guān)系是：阻尼器通過(guò)兩端的接口與關(guān)節(jié)軸承接頭進(jìn)行螺紋連接，可通過(guò)調(diào)整接頭在兩端的旋入深度對(duì)阻尼器在阻尼支桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)的位置進(jìn)行調(diào)整，并配以螺母和彈簧墊圈進(jìn)行位置鎖定。該關(guān)節(jié)軸承可以承受徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷或徑向、軸向同時(shí)存在的聯(lián)合負(fù)荷，用于速度較低的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和低速旋轉(zhuǎn)。該關(guān)節(jié)軸承以雙面單三個(gè)沖點(diǎn)的形式嵌入關(guān)節(jié)軸承接頭。關(guān)節(jié)軸承接頭與軸承支座通過(guò)穿過(guò)軸承支座立面通孔和關(guān)節(jié)軸承內(nèi)環(huán)的鉸制孔螺栓進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)軸承接頭相對(duì)軸承座的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)。每根阻尼支桿均通過(guò)該連接關(guān)系分別與安裝平臺(tái)和載荷平臺(tái)相連，并與平臺(tái)平面成一定的設(shè)計(jì)角度，六桿以Hexapod構(gòu)型分布在平臺(tái)的高度空間內(nèi)，作為中介對(duì)由安裝平臺(tái)傳至載荷平臺(tái)的振動(dòng)在六自由度方向上進(jìn)行衰減，實(shí)現(xiàn)載荷平臺(tái)的穩(wěn)定。該阻尼器型號(hào)是美國(guó)ITT Enidine公司的Wire Mesh Isolator金屬阻尼器，為市購(gòu)產(chǎn)品，由伸桿、外殼和金屬阻尼材料組成，雙向受載。靜剛度、動(dòng)剛度與阻尼比根據(jù)光電載荷的頻率要求和阻尼器的放大率進(jìn)行設(shè)計(jì)。該關(guān)節(jié)軸承為自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承，型號(hào)為SKF GE6C，是市購(gòu)產(chǎn)品。該關(guān)節(jié)軸承接頭為40Cr調(diào)制材料制造，自主設(shè)計(jì)，接口尺寸根據(jù)阻尼器接口和關(guān)節(jié)軸承外環(huán)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的優(yōu)化方法部分建立了避免空間位置干涉的構(gòu)型優(yōu)化模型，旨在以更完善的優(yōu)化策略高效的解決隔振系統(tǒng)幾何構(gòu)型設(shè)計(jì)與優(yōu)化問(wèn)題，可以在短時(shí)間內(nèi)得到一組同時(shí)滿足頻率要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的多軸隔振系統(tǒng)構(gòu)型參數(shù)，避免了手動(dòng)迭代調(diào)整的繁瑣性。在頻率要求部分，以前六階主頻率分散度最小為優(yōu)化目標(biāo)，選擇方差為目標(biāo)函數(shù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求部分，考慮了多軸隔振系統(tǒng)的安裝布局空間受限，且須避讓出可能發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉的位置(如機(jī)架結(jié)構(gòu)中的斜梁式突出掛點(diǎn)等)的情況。優(yōu)化方法為：以遺傳算法為優(yōu)化工具對(duì)多軸隔振系統(tǒng)構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)楣怆娸d荷相關(guān)物理參數(shù)(質(zhì)量，質(zhì)心位置，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)確定，設(shè)計(jì)變量是Hexapod構(gòu)型多軸隔振系統(tǒng)幾何構(gòu)型參數(shù)和阻尼器的統(tǒng)一剛度系數(shù)。幾何構(gòu)型參數(shù)包括：安裝平臺(tái)軸承支座安裝鉸圓半徑、載荷平臺(tái)軸承支座安裝鉸圓半徑、兩平臺(tái)之間高度、安裝平臺(tái)一組相鄰軸承支座安裝鉸點(diǎn)對(duì)應(yīng)圓心角和載荷平臺(tái)一組相鄰軸承支座安裝鉸點(diǎn)對(duì)應(yīng)圓心角。通過(guò)對(duì)可能發(fā)生干涉的器件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的方法建立非線性約束，保證了優(yōu)化結(jié)果的有效性。由此優(yōu)化目標(biāo)得到最優(yōu)構(gòu)型的幾何特征為：各阻尼支桿與載荷平臺(tái)的夾角近似45度，兩平臺(tái)之間高度較小。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，阻尼器應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，可靠性高。

本發(fā)明構(gòu)型變化豐富，適應(yīng)性大。

本發(fā)明在隔離垂直向振動(dòng)的同時(shí)具備抗剪切向和角振動(dòng)擾動(dòng)的能力，性能優(yōu)于現(xiàn)有航空隔振支座。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)頻率可設(shè)計(jì)，避開(kāi)內(nèi)外部擾動(dòng)頻率。

本發(fā)明隔振系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)過(guò)程由程序計(jì)算優(yōu)化得到，快速有效。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的三視圖

圖2是本發(fā)明的簡(jiǎn)化模型

圖3是本發(fā)明的阻尼支桿部分半剖平面圖

圖4是本發(fā)明的約束函數(shù)設(shè)計(jì)方法示意圖

圖5是本發(fā)明的優(yōu)化方法流程示意圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明提出了一種基于Hexapod構(gòu)型的機(jī)載多軸隔振系統(tǒng)及其優(yōu)化方法，為安裝的光電載荷提供一個(gè)穩(wěn)定的工作環(huán)境，如圖1所示。它包括機(jī)械接口部分、減振機(jī)構(gòu)部分及優(yōu)化方法。位置連接關(guān)系為：如圖2和圖3所示，減振機(jī)構(gòu)部分通過(guò)關(guān)節(jié)軸承10與機(jī)械接口部分相連。關(guān)節(jié)軸承接頭(定子)8和關(guān)節(jié)軸承接頭(動(dòng)子)9通過(guò)關(guān)節(jié)軸承10和鉸制孔螺栓與軸承支座11連接，關(guān)節(jié)軸承10的內(nèi)環(huán)與鉸制孔螺栓的光軸部分為過(guò)盈配合，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)軸承接頭(定子)8和關(guān)節(jié)軸承接頭(動(dòng)子)9相對(duì)軸承支座11的轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)。通過(guò)以上的連接關(guān)系實(shí)現(xiàn)載荷平臺(tái)3相對(duì)安裝平臺(tái)1的六自由度運(yùn)動(dòng)，減振機(jī)構(gòu)部分作為中介對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)傳至光電載荷的振動(dòng)進(jìn)行隔離。

所述機(jī)械接口部分包括：安裝平臺(tái)1、載荷平臺(tái)3和軸承支座11。它們之間的位置連接關(guān)系是：安裝平臺(tái)1與機(jī)架固定，位于下方的載荷平臺(tái)3與光電載荷固定，根據(jù)光電載荷的尺寸與重心位置要求設(shè)計(jì)載荷平臺(tái)接口形式。每只軸承支座11通過(guò)4只M4螺釘與平臺(tái)固定，以確定安裝角度和安裝位置。該安裝平臺(tái)1和載荷平臺(tái)3為L(zhǎng)Y12材料制造，根據(jù)機(jī)架和載荷的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。安裝平臺(tái)根據(jù)安裝要求和機(jī)架的機(jī)械接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。載荷平臺(tái)根據(jù)光電載荷機(jī)械接口的形式可設(shè)計(jì)為環(huán)形或由用戶自主設(shè)計(jì)。

如圖3所示，所述減振機(jī)構(gòu)部分包括：阻尼支桿2(6根)和支桿兩端的關(guān)節(jié)軸承10。阻尼支桿2包括：阻尼器4、關(guān)節(jié)軸承接頭(定子)8和關(guān)節(jié)軸承接頭(動(dòng)子)9。阻尼器4包括：伸桿5、金屬阻尼材料6和外殼7。它們之間的位置連接關(guān)系是：阻尼器4兩端設(shè)計(jì)有M6的螺紋接口，關(guān)節(jié)軸承接頭(定子)8和關(guān)節(jié)軸承接頭(動(dòng)子)9在桿端加工有M6螺紋。關(guān)節(jié)軸承接頭(定子)8的螺紋端與外殼7底部的螺紋接口聯(lián)接，關(guān)節(jié)軸承接頭(動(dòng)子)9的螺紋端與伸桿5的螺紋接口聯(lián)接，可通過(guò)調(diào)整關(guān)節(jié)軸承接頭(定子)8和關(guān)節(jié)軸承接頭(動(dòng)子)9的旋入深度調(diào)整阻尼支桿2的整體長(zhǎng)度和阻尼器4在整體長(zhǎng)度范圍內(nèi)的位置，并由彈簧墊圈和螺母鎖定。關(guān)節(jié)軸承接頭(定子)8和關(guān)節(jié)軸承接頭(動(dòng)子)9的非螺紋端均嵌入關(guān)節(jié)軸承10，關(guān)節(jié)軸承10的外環(huán)與關(guān)節(jié)軸承接頭(定子)8和關(guān)節(jié)軸承接頭(動(dòng)子)9的軸承嵌入端以雙面單三個(gè)沖點(diǎn)的形式固定。

本發(fā)明的優(yōu)化方法流程為：首先，以機(jī)載多軸隔振系統(tǒng)構(gòu)型參數(shù)為設(shè)計(jì)變量完成對(duì)多軸隔振系統(tǒng)的幾何建模，建模參數(shù)即為設(shè)計(jì)變量和光電載荷已知相關(guān)物理參數(shù)，得出前六階主模態(tài)頻率和方差，將方差函數(shù)作為遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)。其次，對(duì)可能與隔振系統(tǒng)中各阻尼支桿干涉的飛機(jī)器件進(jìn)行幾何建模，依次求解與可能發(fā)生干涉的阻尼支桿的空間最小距離，將此函數(shù)作為遺傳算法的非線性約束函數(shù)，如圖4所示。然后，根據(jù)飛機(jī)總體設(shè)計(jì)要求，對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行上下界的設(shè)定。最后，總結(jié)出優(yōu)化模型，以模態(tài)頻率分散度最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)，在分別對(duì)前六階主模態(tài)頻率的平均值和空間最小距離進(jìn)行約束的情況下快速得到滿足條件的最優(yōu)構(gòu)型參數(shù)，如圖5所示。因此，每一次進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，只需要輸入幾何構(gòu)型參數(shù)的上下界要求、前六階主模態(tài)頻率方差的數(shù)值要求以及與干涉零件距離要求，即可在短時(shí)間內(nèi)得到滿足所有條件的最優(yōu)構(gòu)型。

本發(fā)明工作過(guò)程為：當(dāng)有直接干擾(例如由機(jī)架橫向振動(dòng)引起的橫向力)作用于安裝平臺(tái)1時(shí)，位于干擾力方向一側(cè)的阻尼器4會(huì)發(fā)生變形并產(chǎn)生一個(gè)壓縮量，同時(shí)位于另一側(cè)的阻尼器4會(huì)發(fā)生變形并產(chǎn)生一個(gè)伸長(zhǎng)量。兩側(cè)阻尼器會(huì)對(duì)光電載荷趨于干擾方向的運(yùn)動(dòng)提供阻力，耗減運(yùn)動(dòng)能量。同理，當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)自由度方向的混合干擾時(shí)，呈Hexapod構(gòu)型的六只阻尼器會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變形對(duì)干擾進(jìn)行減弱，同時(shí)通過(guò)關(guān)節(jié)軸承的作用實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷的穩(wěn)定。這樣機(jī)架通過(guò)安裝平臺(tái)1傳遞至載荷平臺(tái)3的干擾就會(huì)大大衰減，從而滿足了高精密設(shè)備對(duì)安裝結(jié)構(gòu)隔振性能的要求。