红外跟踪仿真系统传动机构设计.docx

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红外跟踪仿真系统传动机构设计

红外跟踪仿真系统

传动机构设计

11级光电信息工程1班

姓名：

廖承润

学号：

100105031112

日期：

2012年12月

一、项目意义

红外制导空空导弹，要求对大范围、超视距的飞行物进行精确的跟踪打击，要求尽早的发现目标。

红外制导空空导弹的研制过程中，需要对导弹的各种特性进行测试。

过去，对它的性能和毁伤程度的评估主要要靠在靶场的打靶实验和飞行实验来确定。

然而飞行实验技术复杂、规模大、时间长、成本高限制了打靶的次数，无法半实物仿真，就是在实验室内模拟出一个与武器使用状况相近似的环境，用以对武器的性能进行测试。

通过计算机技术和物理模型相结合在仿真平台上尽可能接入实物，以取代相应部分的数学模型，这样更接近实际情况，从而得到更确切的信息。

得到足够多的数据对导弹性能进行改进。

半实物仿真，就是在实验室内模拟出一个与武器使用状况相近似的环境，用以对武器的性能进行测试。

通过计算机技术和物理模型相结合在仿真平台上尽可能接入实物，以取代相应部分的数学模型，这样更接近实际情况，从而得到更确切的信息。

对军事武器进行仿真，是武器研发的重要手段，是研制、集成开发的关键步骤，在现代战争中有着相当重大的意义。

二、课题内容与原理

1，跟踪原理

导弹跟踪是根据目标在跟踪器上光斑大小和光能量大小来进行的，仿真也以此原理为依据.。

飞行目标尾喷口喷出红外光波（等效于一个黑体光源），物高为尾喷口大小

。

物距为尾喷口到接收透镜的距离

。

像高

为尾喷口通过接收透镜后在接收面上的高度。

像距

’可由成像公式计算得出。

如图1所示。

图中

为焦点到像点的距离。

图1导弹跟踪光学系统简图

这里物方介质和象方介质都为空气，折射率均为1。

2，成像位置

设接收透镜的焦距为

=50mm，

高斯物距l=-（40000～2×107）mm

由于焦距相对于物距很小，

≈x,牛顿物距亦为x=-（60000～2×107）mm

根据牛顿公式：

=

牛顿象距：

代入焦距和物距得：

=0.05～0.000125mm

也是象点的离焦量。

不论目标距是20000m还是40m，离焦量

是很小的，它们的象距差是很小的。

实际上我们把CCD接收面置在接收透镜的焦面上，CCD定位精度也只是0.05mm。

因此，可以认为目标距在20000m-40m变化时，象面不变，都位于接收透镜的焦面。

3，像光斑与视场角大小

从上面分析可知，目标距变化时，物距变化，但象距不变。

由象高公式：

可得：

因为物高和象距都为常数

由此可知象高与物距成反比。

即目标距变化时，接收面上的像光斑大小与目标距成反比。

可以用光斑大小来反映目标距。

已知物距（目标距）和物高（尾喷口直径），而探测器在透镜焦面上，因此可以计算物面对孔径光阑的张角，即视场角。

视场角2和目标距离的关系为：

光斑大小也反应了视场角大小。

如图2。

图2红外目标的视场角

4，仿真原理

目标仿真要求在接收物镜的像面上光斑大小和能量与实际跟踪系统相符。

它实际是让一光源照明一物体，该物通过光学系统成像在接收镜的焦面上，其光斑大小和能量与实际相符，而且能够控制光斑大小及能量发生变化，反映目标距的变化。

物体成像在接收物镜焦面上，则物体在无限远，位于一个准直透镜的物方焦面上。

仿真器的光学系统如图3。

由电机控制视场光阑的大小变化。

图3仿真器光学系统图

1光源2聚光镜3视场光阑4准直物镜5接收镜6光敏面

5，目标仿真方案

目标仿真的设计思想：

目标仿真要求在接收物镜的像面上光斑大小和能量与实际跟踪系统相符。

它实际是让一光源照明一物体，该物通过光学系统成像在接收物镜的焦面上，其光斑大小和能量与实际相符，而且能够控制光斑大小及能量发生变化，反映目标距的变化。

物体成像在接收物镜焦面上，则物体在无限远，位于一个准直透镜的物方焦面上。

.系统要求入射光束充满接收物镜口径，出瞳为接收物镜，而它的直径为90mm。

通过一个望远系统扩束，使光束大小能充满出瞳。

当然亦可以直接用一个大孔径的准直镜，使光束充满出瞳，而不加望远镜。

但是，照明光束的波段、能量、孔径角的约束、光学系统像差的校正、体积重量限制以及其它功能要求我们必须考虑。

例如仿真器要模拟干扰弹的横跨通过视场，用平行光束偏摆来实现，大孔径平行光束摆动是不现实的，只能用小孔径平行光束。

所以采用两级，将物面设在一焦距较小、直径较小的透镜焦面上，再采用一个倒置望远系统扩束。

改变此物面大小可实现目标距仿真。

此物面限制了成像范围，是视场光阑。

三、技术指标

尾喷口直径1.5m

目标距离40m~1000m

准直物镜焦距400mm，中心高80mm

飞行速度:

略

起燃时间:

<0.2s

传动机构大小:

长（光轴方向）X宽X高<100mmX60mmX100mm

传动机构重量轻

抗冲击力

电机长度>72mm,参数见附录

静态稳定性:

优于5%

光阑形状允许不呈园形，但通光面积大小要与实际跟踪时相同。

实际系统中

在仿真器中,设光阑直径为d,d/f为视场角

d=400*（0.0375~0.0015）=15~0.6mm

⏹正方形光阑对角线长a:

aa/2=π（d/2）（d/2）

⏹a=1.253d

⏹a=18.8~0.752mm

四、设计方案

1，传动方案

采用齿轮齿条传动的移动式正方形光阑。

一个齿轮，上下各一条齿条。

齿轮转动时，上下齿条等速的相对移动，带动两个有开口的光阑片相对移动，开口大小变化，实现了视场光阑大小变化。

图视场光阑机构的三维图

传动机构装配示意图

为了减轻重量，此机构曾拟采用硬聚氯乙烯材料，它的密度为1.4g/cm3，经

有限元分析，抗冲击不够理想，改用硬铝后满足要求。

图光阑架

2，光阑片设计图

光阑片实际尺寸设计图

光阑片开口形状采用正方形，它的形状不随开口大小改变。

虽然像光斑与实际光斑形状不同，但项目对光斑形状未作要求，允许用方形斑代替园光斑。

光阑片由两个相同的零件组成。

每个都是一对相互垂直的直角边。

如图3-7。

当两者相对移动时，有效直角边长短变化，通光面积变化。

厚度t=0.2mm。

设正方形光阑最大有效边长为a，我们要求光阑的开口面积与该距离处的圆面积相等。

在目标距为50m时，光阑直径为8mm，面积为π42=a2，a=7.1mm，取最大开口高度为6mm，则最大边长为6

，即8.4mm，在50mm远处光阑面上的像的直径为1.414a=10mm。

在目标距为2000m时，π0.12=a2,a=0.18mm，所对应的光源在光阑面上的像的直径为1.414a=0.25mm。

单个光阑片的移动范围应大于5mm。

零件加工时要注意的是要清根。

加工的园角不能超过0.03mm。

如果用二刀片迭加成直角来实现，可以没有加工的园角，但是每个光阑片两层，两个光阑片共有四层，而且还有铆钉，厚度较大，不采用。

它的优点是结构简单，通光面积计算方便，运动系统容易实现。

选性能好的材料，如钢8A，淬火，增加其硬度，使其耐磨。

3，齿轮齿条设计

齿轮设计的主要参数是模数[32-33]。

而齿轮卤条机构中影响齿条运动的是模数和齿轮的齿数与转速。

齿轮采用标准直齿园柱齿轮，齿形角为20，加工方便，容易达到高精度。

电机采用日本松下的MINAS－A4，由于其转速高，且可调，因此，齿轮的大小由结构确定，在保证强度的条件下，齿数可以比较小。

保证不产生根切，齿数取20，模数取1。

齿轮参数设计如下：

（1）分度圆直径d：

d＝Zm

d＝20mm

（2）齿顶高系数h1：

标准直齿圆柱齿轮h1=1

（3）齿顶圆直径d顶：

d顶＝d＋2mh1

d顶＝22mm

（4）齿根高系数h2：

标准直齿圆柱齿轮h2=1.25

（5）齿根圆直径d根：

d根＝d－2mh2

d根＝17.5mm

（6）周节P：

P＝πm

P＝3.14mm

齿轮与齿条结构图如下：

齿轮结构简

齿条结构简图

齿轮齿条材料为硬铝，均选用7级精度。

齿轮强度核算如下：

齿轮强度计算主要是核定齿轮模数m，取本项目中最可能破坏的情况计算。

本装置的齿轮传动系统是开式传动，齿轮轮齿破坏的主要型式是磨损或是由于多次重复弯曲而引起的轮齿折断，可进行弯曲强度计算。

直齿圆柱齿轮模数m按如下公式计算：

式中：

Km-系数，Km=1.4。

T-作用在所计算齿轮上的转矩，由质量、加速度、摩擦系数、效率及力臂决定。

Kβ-作用在齿宽方向上的载荷不均匀系数，取K=1.2

YF-齿形系数，由下表选取：

表4-3-1直齿圆柱齿轮的齿形系数

齿数Z

17

18

20

25

30

35

40

60

80

100

200

齿形系数YF

4.8

4.2

4.15

3.98

3.88

3.80

3.77

3.73

3.73

3.7

3.3

齿轮取4.15，齿条取3.3。

Kv-动载荷系数,一般取1～1.3,因本系统要抗强冲击，我们取3。

Z-所计算齿轮齿数,Z=D/mD为所计算齿轮直径，为24mm。

.

Ψbm-齿宽系数，一般3～16，

，b-齿宽，我们取5mm。

[σF]-许用弯曲应力，硬铝的强度极限为324Mpa,我们取[σF]为其0.4倍即

[σF]=128N/mm2

上式可变为：

代入数据可得：

m≧0.75

现m=1，满足强度要求。

为了减轻重量，此机构曾拟采用硬聚氯乙烯材料，它的密度为1.4g/cm3，经有限元分析，抗冲击不够理想，改用硬铝后满足要求。

5.附录

5.1电机参数

5.2参考文献

（1）马军,何煦,韩冰.新型动态多光学目标模拟装置研究.应用光学,2008,29

（2）常虹.基于DMD的双色红外成像制导仿真系统研究:

[硕士学位论文].哈尔滨:

哈尔滨工业大学,2006.

（3）郁道银,谈恒英.工程光学.北京:

机械工业出版社,1994

（4）庞振基.精密机械设计,北京：

机械工业出版社

（5）机械制图

（6）精密机械零件设计手册,北京：

机械工业出版社

（7）常明画法几何级机械制图武汉：

华中科技大学出版社,2009