“三化”設計在機電作動器中的應用

樊蕊 賈兵 劉迎梅

（南京晨光集團，南京，210000）

“三化” （通用化、系列化、組合化 （模塊化）），已成為各國發展武器裝備的一項重要原則。武器裝備的 “三化”水平是衡量武器裝備現代化的重要標志之一，實行 “三化”已成為許多國家，包括我國發展武器裝備的一項基本政策[1]。 “三化”是現代條件下標準化學科向前發展的必然產物，是當今發展武器裝備的現實需要[2]。美國把“通用化”作為其國防部關鍵技術三項選擇原則之一，并把 “模塊化”作為美國國防科學和技術戰略重點之一。我國從上世紀90年代中期開始在軍工系統中大力推廣 “三化”工作，并將其作為“九五”期間標準化工作六大任務之一[3]。

“三化”基本思想是按照系統工程的原理，運用頂層設計，以通用互換和靈活的分解組合方式，對武器裝備進行擴展、更新和發展，按需求變換品種，從而滿足多樣化的要求[1]。從我國目前整個武器裝備體系看， “三化”工作開展的力度不夠， “三化”的整體水平不高，產品規格品種多、接口標準化程度低，多數具有相同功能的產品難以通用和互換。推進 “三化”，不僅能夠適應武器裝備發展多樣化的需求，而且有利于縮減武器裝備的品種、規格，穩定產品的結構，提高制造的重復性，促進新工藝、新設備的應用和專業化水平的提高，解決武器裝備多樣化需求和批量生產之間的矛盾[2][4]。

電動伺服機構是我國乃至當代國際武器裝備發展的趨勢，以其高可靠、輕小型、低成本、免維護的突出優勢逐漸取代了傳統的電液及燃氣伺服系統。但是，我國電動伺服技術起步較晚、基礎薄弱、 “三化”水平較低，受社會環境與技術水平的制約，電動伺服機構長期以來存在著零部件規格繁多、通用性差、保障維修困難等諸多問題，嚴重制約了我軍現代化建設的發展，大力發展產品 “三化”迫在眉睫。

1 機電作動器的組成、結構與分類

1.1 機電作動器的組成

電動伺服機構由機電作動器、伺服控制驅動器及伺服電纜網等組成。機電作動器作為電動伺服機構中最重要的單機設備，承擔著位移執行機構的使命，機電作動器主要由伺服電機、傳動機構 （齒輪副+絲杠副）、殼體組件、位移傳感器、機械接口等組成，如圖1所示。機電作動器的工作原理：在飛行過程中，電機接受指令并按照一定的轉速和方向旋轉，電機轉動經傳動機構轉換為機電作動器作動桿的伸縮，實現位移或角度動作。

圖1 機電作動器結構組成

1.2 機電作動器的結構層次

為實現 “三化”設計的模塊化要求，機電作動器以功能劃分其組成，將機電作動器劃分成如圖2所示的若干零部組件形式，規范各組件接口，待形成系列化后，可以大大提高機電作動器的研制效率以及產品梯度。

圖2 機電作動器零部組件組成圖

1.3 機電作動器的分類

根據不同的分類方式，機電作動器主要分為：①根據輸出形式分為直推式、旋轉式；②根據安裝方式分為兩端支耳安裝、殼體固定安裝；③根據傳動方式分為齒輪傳動、齒輪齒條傳動、絲杠傳動等。

2 開展機電作動器 “三化”設計的意義與作用

開展機電作動器 “三化”設計可以：①減少重復勞動，大大提高效率；②提高繼承性，保證可靠性和產品質量；③縮短研制周期，減少研制成本；④提高互換性，實現一機多用；⑤提高整體效益，利于長遠發展。

當代電動伺服技術的發展不僅需要繼承性，更需要創新性。繼承與創新是相輔相成的，繼承是為了高效地選用已有的成果，降低成本并縮短時間，創新是為了達到更高的性能要求而對以往的設計做出改進與更新。兩者的目的都是為了更好更快設計出高質量的產品。 “三化”設計是要解決電動伺服機構在一定范圍內的共同要求，是對現有工作的總結與歸納，并適應性的制定規范，以便于后續型號在選型上有一定的參考。對于有共性的零部組件可以直接選型采用，使質量得以保證。但型號研制是具有特定戰術指標的作戰需求的，因此，必須既要滿足其特殊要求，也要兼顧 “三化”的設計要求。同時，在 “三化”設計的方針指導下，型號研制中的具有共同性的問題及專業技術問題需要由專業設計師共同商討并協調解決。

3 機電作動器 “三化”設計方案

多樣化、多研制、少生產是電動伺服機構的特點，同時也是 “三化”設計所面臨的挑戰與追求的目標。機電作動器的特點非常有利于機電作動器的 “三化”設計的開展。在開展機電作動器研制過程中，要最大限度的提高型號產品的 “三化”水平，在規劃和研制時應優先采用 “三化”的零部組件，盡量選用優先級器件。在滿足產品性能的前提下，盡可能降低零部件的類型和數量，以降低產品的復雜程度，提高產品的可靠性，具體的 “三化”設計方案如下。

a）機電作動器作為具有獨立功能的電動伺服系統單機，主要輸出形式有旋轉式和直線式，具體設計輸入有最大輸出負載 （力）、輸出行程（角度）、有無制動功能等要求。對此，制定機電作動器產品代號的命名規則，將作動器典型參數通過特定組成，形成單機代號。

對于實現通用化的機電作動器單機，后續編寫機電作動器設計流程、設計規范、技術條件模板等標準性文件。待形成一定體量后，編制機電作動器型譜，設計人員可根據總體需求，擇優選取現有產品，實現機電作動器的通用化，以此降低設計、生產和管理成本。

b）將機電作動器按照不同的功能劃分為不同的模塊：電機模塊、傳動組件模塊、接口組件模塊、直線位移傳感器模塊。

“電機模塊”作為能源轉換裝置，把電池的電能轉化成機械能，是機電作動器的驅動裝置。針對已有型號采用的電機，將機械接口進行統計并形成型譜，方便后續選用；固化電氣接口，實現電氣接口的通用化；制定電機機械外形圖模板，明確關注的尺寸和公差。

“傳動組件模塊”又分為齒輪副組件模塊和滾珠絲杠副組件模塊。其中， “齒輪副模塊”作為一個獨立的單元進行設計、生產以及試驗，有利于研究齒輪副對機電作動器零位偏差、回程間隙、控制精度的影響。以齒輪副模數、減速比、承載能力等重要參數為基準，形成系列化和模塊化，規范齒輪副的接口，實現與其它組件的快速選配。 “滾珠絲杠副模塊”作為外購件，亟需制定詳細規范的技術要求，并規范絲杠副與齒輪、軸承的接口，既可實現高效準確完整的對外溝通，又能實現絲杠副的通用化使用。

“接口組件模塊”分為固定支耳組件模塊和螺栓件組件模塊。這兩部分組件模塊也可根據接口進行規范化，統一尺寸和規格，達到穩定質量、降低成本的目的。機電作動器接口按功能分為機械接口、電氣接口，按位置關系分為外部接口、內部接口。針對機電作動器接口的系列化、模塊化設計，需要收集整理現有型號作動器的外部機械接口、內部機械接口形成系列，制定接口設計模板，并制定相關的設計規范。

“直線位移傳感器模塊”用于測量機電作動器的直線行程，是機電作動器不可或缺的部件。把傳感器作為通用件進行設計和管理，形成選型目錄，制定技術要求模板及規范。

c）機電作動器物料包括直屬件、標準件、外購件、輔料等。其中， “直屬件”包括殼體、作動筒、固定支耳件、螺栓件、齒輪等； “標準件”包括螺釘、鋼絲螺套、平墊、彈墊、螺母等； “外購件”包括電機、滾珠絲杠副、電位器、軸承、連接器等； “輔料”包括潤滑脂、螺紋膠、硅橡膠、熱縮管、漆、不銹鋼絲等。對于機電作動器各物料的標準、技術要求等信息，統一規范，形成選用目錄，減少物料種類，實現快速設計和快速采購的目的。

4 做好機電作動器 “三化”管理工作

機電作動器是電動伺服機構中的重要單機設備，而電動伺服機構又是未來武器裝備的發展趨勢，其 “三化”工作勢在必行。電動伺服機構正朝著多平臺、多用途、系列化、模塊化、低成本、高效率、高可靠的方向發展，同時要求降低研制風險、縮短研制周期、節省研制經費，全面提升其可靠性、維修性和保障性等綜合性能。但 “三化”設計是一個循序漸進的過程，不可能一蹴而就，需要在工程實踐中不斷更新和完善。

在對產品進行 “三化”實施的過程中，除了要求設計師對 “三化”工作的思考和設計外，也需要加強管理部門對 “三化”過程的監督管理。

a）要充分發揮質量部門對體系的監督管理與實施落地的作用，在研制的各個環節中，按標準化、質量等有關規定對設計文件進行 “三化”審查，對不符合規定的，一律駁回并按 “三化”要求進行修改。

b）組織多種形式的 “三化”培訓，尤其是“三化”的基本概念、 “三化”的重要性和必要性、 “三化”如何落實等相關文件的宣貫等，內容需要多方面、全方位，讓參與產品研制的所有設計人員和管理人員從深層次上認識到 “三化”設計的精髓。

c）發揮 “三化”設計人員的作用，除制定“三化”方案、編制 “三化”規范外，還應在研制階段參與方案的評審及設計文件的會簽，監督“三化”的落實情況，確保 “三化”設計不是空洞的形式，而是實在的行動。

我們肩負著關系國家命脈的電動伺服機構的研制生產任務，為了更快更好地加快國家發展以及趕超國際水平的需要， “三化”設計是電動伺服型號研制中的一個必不可少的環節，“三化”工作的好壞將直接影響型號產品的質量，只有全體設計人員、管理人員將 “三化”工作貫穿到整個研制過程，才能創造出最優的 “三化”設計成果，研制出軍方滿意的電動伺服機構。