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一种扫描转镜的结构设计

发表时间：2020/8/4 来源：《基层建设》2020年第10期作者：何永红贾剑

[导读] 摘要：随着人类社会的发展和时代的进步，对天气状况的预测要求也越来越高，激光雷达使微波雷达的重要补充，可以高精度、实时测量大气风场。

        南京恩瑞特实业有限公司江苏南京 211100
        摘要：随着人类社会的发展和时代的进步，对天气状况的预测要求也越来越高，激光雷达使微波雷达的重要补充，可以高精度、实时测量大气风场。扫描转镜是激光雷达的重要组成部分，实现激光在伺服系统控制下按要求的方位和俯仰转动的机械装置。本文设计了一种结构紧凑、密封性好、重量轻的扫描转镜，文中详细描述了该扫描转镜的结构特征，计算了其传动系统的相关参数，并通过有限元软件对其主要结构件进行力学仿真分析。文中所述扫描转镜对激光雷达设计具有指导意义。
        关键词：扫描转镜；驱动力矩；传动系统；风力矩。
        One Structure Design Of Rotating Scan Mirror
        HE Yonghong，JIA Jian
        （Nanjing NRIET Industrial Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China）
        Abstract：With progress of human society and development of time，the demand of weather forecast is more and more exactitude.The laser radar can survey wind more exact in real time which is a most important complementarity of microwave radar.The rotating scan mirror is an important part of laser radar，which is a mechanical device to realize the required azimuth and elevation rotation of laser under the control of servo system.In this paper a rotating scan mirror with compact structure，good sealing and light weight is designed，the structural characteristics are described in detail，the relevant parameters of its transmission system are calculated，and the mechanical analysis of the main structural parts is carried out.
        Key words：rotating scan mirror；driving moment；transmission system；wind moment
        引言
        目前，由于微波雷达不具有晴空探测能力，而激光测风雷达由于相对于微波来说波长较短，大气的后向散射强。因此非常适合于晴空探测，并且可以用于测量气溶胶粒子或者大气分子的性质、大气能见度、云层的垂直分布以及云底高度等诸多气象学数据，为微波雷达提供强有力的数据补充和校正，已经成为国际上高精度、实时和全天候测量大气风场的重要手段之一。
        扫描转镜是激光雷达的重要组成部分，实现激光在伺服系统控制下按要求的方位和俯仰转动的机械装置。
        本文设计了一种结构紧凑、密封性好、重量轻的扫描转镜。
        1 扫描转镜结构组成
        扫描转镜结构组成及布局见图1所示，其主要组成部分为：底座、转台、俯仰支架、方位回转支承、俯仰回转支承、反射镜装置、盖板、透镜装置、传动组合、同步轮系等。

图1 扫描转镜结构布局
扫描转镜工作原理见图2所示。主转镜安装在转台上，转台可以作方位360°旋转，次转镜安装在俯仰支架上，俯仰支架可以相对于转台作-2°～ 182°旋转。向上的激光打到主转镜上，反射到次转镜上，再反射通过透镜发射出去；反射回来的光束穿过透镜打到次转镜上，反射到主转镜，再反射到光学望远镜上。

        图2 扫描转镜工作原理
        扫描转镜安装于方舱顶部，考虑到车辆的通行能力及方舱顶的承载能力，转镜的设计必须结构紧凑、轻巧，并具有足够的可靠性，易于维护，在结构工艺上应尽量简化，降低成本，所以扫描转镜的方位采用转台式的结构。
        为减轻扫描转镜的总体质量，主要结构件均采用铝板加工而成，俯仰支架选用铸铝 ZL114A铸造而成。
        根据激光雷达的工作要求，扫描转镜的设计采用双轴转镜、单窗口、全密封的结构形式，以适应于野外的工作环境。
        窗口采用密封保护，其它部分采用轴向迷宫式的密封结构，减少外部环境对反射镜的损坏。
        方位采用转台式的结构，回转支承采用带外齿的圆弧面四点接触球轴承，这样内部空间大，有利于汇流环在径向方向上做大，满足通光口径Φ240mm的要求。
        俯仰传动也采用带外齿的回转支承，以满足Φ240mm的通光口径要求，同时也简化扫描转镜的内部结构，提高了光路的精度。
        方位减速箱和俯仰减速箱均采用速比为10的单级行星减速箱。方位和俯仰旋变均采用光电编码器GES60-RE10，通过同步轮系实现旋变的1：1输出。
        考虑到扫描转镜的外型美观，转台和俯仰支架设计成正八边形，并切45°斜角。在主要零件的边上倒角，螺钉连接处采用沉孔，在感官上更有力量。
        转镜的主反射镜与水平面呈45°，固定于方位通光孔的上方，次镜安装于俯仰支架上，通过双反射镜对光的反射实现激光的发射和接收。同时反射镜采用细牙螺栓顶，粗牙螺栓拉的方案，实现反射镜角度的调整。
        2 传动系统参数计算
        2.1 设计要求：
        工作范围：
        方位：0°～ 360°（连续扫描），
        俯仰：-2°～ 182°。
        工作角速度：
        方位：30°/s，
        俯仰：30°/s。
        工作角加速度：
        方位：εA=10°/s2，
        俯仰：εE=10°/s2。
        风阻力系数Cs=1.4（均方根），
        风力矩系数Cm=0.16（均方根），
        平稳风速 ≤20m/s（无冰）能工作；
        平稳风速 ≤35m/s（无冰）不受破坏。
        2.2 风力矩计算
        风力矩估算：

风力估算：

经计算风力矩为：

风力为：

2.3 负载惯性力矩
方位旋转惯量按

考虑，负载惯性力矩：

2.4 摩擦力矩
摩擦力矩：

2.5 功率计算
方位的总扭矩

方位电机功率：

        通过计算可知俯仰扭矩小于方位扭矩，为了统一，俯仰和方位采用同一电机，这里就不再一一计算。
        3 主要结构件受力分析
        用分析软件进行对扫描转镜中主要承力件（转台、底座）进行了静力学分析，在不破坏风速下，对其进行刚强度校核，有限元分析主要工况条件如下：
        3.1 底座
        底座采用铝板5A05（H112），屈服强度大于105MPa。承受重力1610N，风速35m/s状态下，径向风力为429N，倾覆力矩：386N.m。
        利用Ansys有限元分析软件计算结果如下：应力和变形云图如下所示：

图3 底座应力云图

        图4 底座变形云图
        分析结果
        最大应力：15.244 MPa
        最大变形：0.1mm
        3.2 转台
        转台形状比较复杂，采用铸铝ZL114A（T5）铸造成型，抗拉强度不低于290MPa。与俯仰轴承安装面承受垂直向下重力680N，斜面承受垂直向下重力200N，径向风力为429N，倾覆力矩：386N.m。
        有限元分析结果如下：变形和应力云图如下所示：

图5 转台应力云图

        图6 转台变形云图
        分析结果
        最大应力：7.16MPa
        最大变形：0.03mm
        通过以上分析计算，该结构满足在风速35m/s状态下不破坏。
        4 结束语
        本文设计了一种结构紧凑、密封性好、重量轻的扫描转镜，重视可靠性、维修性设计，其生产、装配工艺简单，成本低廉，适合批量生产。另外通过有限元软件对其主要结构件进行力学仿真分析，验证了其结构合理性。
        参考文献：
        [1] 平丽浩，黄普庆，张润逵等.雷达结构与工艺[M].电子工业出版社，2007.4
        [2] 闻邦椿.机械设计手册第5版第3册[M].机械工业出版社，2010.1
        [3] 吴凤高.天线座结构设计[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1975
        作者简介：
        何永红，出生日期：1980年2月，性别：男，籍贯：内蒙古呼和浩特市，民族：汉，学历：硕士，职称：工程师，研究方向：雷达结构。
        贾剑（1983-），男，工程师，硕士，主要从事雷达结构总体设计。