伺服機(jī)構(gòu)模擬負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化分析

王賀龍，姜玉峰，張國林，徐豪榜，魏澤宇，韓陽

（1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076；2.四川航天神坤科技有限公司，四川 成都 610100）

航天伺服機(jī)構(gòu)作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其作用為推動舵面或者噴管負(fù)載動作，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定控制的目的，是全系統(tǒng)的重要組成部分，其工作原理為，伺服驅(qū)動控制器根據(jù)控制系統(tǒng)指令，驅(qū)動作動器執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生軸向位移（伸、縮），驅(qū)動負(fù)載噴管（或舵面）動作，從而達(dá)到控制系統(tǒng)穩(wěn)定飛行的目的。伺服產(chǎn)品在地面測試驗(yàn)收過程中，為測試方便，節(jié)約成本，通常通過地面模擬負(fù)載測試系統(tǒng)進(jìn)行伺服機(jī)構(gòu)的加載測試，因彈簧鋼板具有使用壽命長、力矩特性好，在伺服模擬負(fù)載測試系統(tǒng)是最普遍采用的加載方式。在航天伺服產(chǎn)品的應(yīng)用中，對傳動精度要求較高，負(fù)載力矩的非線性會對負(fù)載的真實(shí)性以及產(chǎn)品性能測試的準(zhǔn)確性帶來影響，本文基于某型號的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計了一款伺服機(jī)構(gòu)模擬加載系統(tǒng)，以鋼板彎曲變形加載的方式進(jìn)行彈性力矩加載，對鋼板的尺寸及夾持點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，力求整個工作擺動范圍內(nèi)鋼板力矩隨擺角增大線性遞增。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型

本文設(shè)計的模擬負(fù)載系統(tǒng)為雙工位加載方式，可實(shí)現(xiàn)兩臺機(jī)電作動器產(chǎn)品同時加載測試，模擬某型號一種FLAP舵的鉸鏈力矩和負(fù)載慣量，實(shí)現(xiàn)作動器在地面驗(yàn)收的目的。

本文設(shè)計的雙工位負(fù)載模擬系統(tǒng)運(yùn)用模塊化設(shè)計思路。總體設(shè)計結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要包括主體支架、底盤、液壓制動加載裝置、主軸、扭矩傳感器、聯(lián)軸器、彈性力矩加載機(jī)構(gòu)，慣量模擬加載盤、慣量調(diào)節(jié)盤、保護(hù)罩等幾部分組成。其中主體支架、基座、鋼板支座等用碳素鋼板焊接而成，另外，通過筋板對其做了加強(qiáng)，最后通過大直徑螺栓連接固定。

其中，液壓制動加載裝置實(shí)現(xiàn)制動力可調(diào)，并實(shí)施檢測，機(jī)電作動器安裝剛度可調(diào)，轉(zhuǎn)動慣量可調(diào)。根據(jù)FLAP舵的飛行使用特點(diǎn)，通常力矩較大且為單方向受載作用，本負(fù)載模擬系統(tǒng)彈性力矩加載方式采用彈簧鋼板彎曲的形式，上端采用螺栓與主軸力臂進(jìn)行固定，下端采用滾動軸承進(jìn)行夾持，夾持點(diǎn)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整和固定。

2 彈性鋼板線性加載優(yōu)化

鋼板材料選用 60Si2MnA，材料特性見表1。

彈簧鋼板加載力矩簡圖如圖2所示。

彈簧板截面的面積慣性矩I：

表1 彈簧鋼板材料屬性

式中，H為鋼板的寬度；d為鋼板的厚度。

根據(jù)鋼板力矩加載要求，取 H=0.12m，d=0.01m； 得 到：I=0.12×（1×10-2）3/12=10-8

彈簧鋼板剛度：

式中，E為彈簧板彈性模量；I為彈簧板截面的面積慣性矩；h為夾持點(diǎn)到上端固定點(diǎn)的距離。

其中：h=O-K；K=L×cosα；得到：h=O-L×cosα

圖2 彈性力矩加載結(jié)構(gòu)簡圖

彈性力矩計算：T=F彈×L

式中，α為主軸旋轉(zhuǎn)角度；L為驅(qū)動力臂，單位mm；O為夾持點(diǎn)到主軸心距離,根據(jù)實(shí)際情況，暫定為518～800mm。

由力矩與轉(zhuǎn)角的公式可以看出，負(fù)載的擺動角度與輸出力矩并非呈線性關(guān)系，彈性鋼板力矩存在非線性。容易預(yù)測，α值0°變化過程中轉(zhuǎn)動彈性力矩T不一定按照遞增的趨勢發(fā)展，主要取決于變量：sinα/（O-L×cosα）3。因此將對此進(jìn)行重點(diǎn)分析優(yōu)化，確保轉(zhuǎn)動力矩T值隨α值的增加而線性遞增。

由公式（4）容易預(yù)測：當(dāng)α值增加時cosα值減小，（OL×cosα）3值增加，轉(zhuǎn)矩值T減小，而根據(jù)要求，角度α值在遞增過程中轉(zhuǎn)矩T值必須也跟隨遞增，所以必須抑制分母中變量α對T值得影響。

假設(shè)當(dāng)O值取無窮大時，角度α在公式（4）中對T值的影響最小。在O值確定的情況下，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小力臂L的數(shù)值，所以必然存在一個臨界最大L值，超過這個值，彈性鋼板加載系統(tǒng)不能滿足彈性力矩遞增的要求。

根據(jù)實(shí)際使用和安裝情況，α取值范圍為0°～30°，取O=500，L值從200mm到320mm范圍變化，繪制曲線如圖3所示。

從上圖可以看出，當(dāng)α值上升到23°以后，彈性力矩已經(jīng)開始下降，不符合力矩隨角度線性遞增的要求；隨著L減小，線性度趨好。

L值取200mm不變，通過變化O值大小進(jìn)行計算，繪制彈性力矩與角度變化曲線如圖4所示。

從圖中可以看出，當(dāng)L取值為200mm時，α值從0°到30°，隨著O值變大，彈性力矩增大，力矩基本呈趨于線性遞增。

4 結(jié)語

圖3 O=500mm時彈性力矩隨角度變化

圖4 L=200mm時彈性力矩隨角度變化

本文基于模塊化設(shè)計思想，設(shè)計一款適用于某型號FLAP舵面負(fù)載使用要求的負(fù)載模擬系統(tǒng)，對負(fù)載模擬系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，采用彈簧鋼板彎曲的加載方式，對鋼板彎曲的加載方式進(jìn)行分析，并進(jìn)行詳盡的計算。實(shí)際使用可根據(jù)力矩要求進(jìn)行優(yōu)化，選擇合理的設(shè)計力臂h和夾持點(diǎn)到主軸軸心得距離O，確保彈性輸出力矩隨轉(zhuǎn)角α線性遞增，對此類產(chǎn)品設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。