某伺服跟蹤系統的機械結構設計和仿真

祝軍生,方志耕,劉曉俊,劉連義,張靖如

(1.南京航空航天大學經濟與管理學院,江蘇 南京 210016)

(2.中國航天科工集團八五一一研究所,江蘇 南京 210007)

伺服系統是一種復雜的集機、光、電于一體的復雜設備[1],高性能伺服系統的發展受到世界各國的重視。快速穩定的跟蹤伺服系統作為航天裝備的樞紐,正逐漸成為各國航天事業競相發展的一個戰略目標[2-4]。美國等國家研制的伺服系統在定位精度、種類及自動化控制程度等方面均處于領先地位[5],如Acutronic公司生產的單軸伺服系統、兩軸伺服系統、三軸伺服系統、五軸運動仿真伺服系統[6-9]。具有快速穩定跟蹤性能的伺服系統在雷達、光電云臺、射電望遠鏡等軍事和民用領域具有廣泛的應用前景,成為目前研究的熱點。

1 總體結構設計

伺服系統機械結構由負載、機械臺體、俯仰軸系、方位軸系、底座等組成,內環為俯仰軸,外環為方位軸。主要指標要求如下:水平旋轉角度范圍為0～360°,俯仰旋轉角度范圍為 0～90°,承載能力≥700 kg,負載重心偏離負載幾何中心≤50 mm,伺服系統質量≤800 kg(不包括天線載荷),功耗≤3 000 W,方位轉動角速度為0～50(°)/s,俯仰轉動角速度為0～50(°)/s,方位角轉動加速度≥30(°)/s2,俯仰角轉動加速度≥30(°)/s2。

1.1 俯仰軸系結構

俯仰軸系主要由俯仰左、右軸系及俯仰底座組成。俯仰左軸系由俯仰左框架、支撐軸承、驅動組件、限位組件、單路水鉸鏈及負載轉接板等組成,俯仰右軸系由俯仰右框架、支撐軸承、測角組件、單路水鉸鏈及負載轉接板等組成。其中驅動組件由伺服電機、減速機、齒輪副等組成,支撐軸承選用ZKLDF200P5高精度伺服系統軸承。

負載用左、右軸系中的負載轉接板固定,左、右支撐軸承支撐在左、右框架上,由驅動組件驅動其回轉。伺服電機加上失電制動器,能夠保證伺服系統在停止狀態、掉電或異常情況下,俯仰軸系可以停留在當前位置,而不會依照慣性大角度擺動,從而保證伺服系統和負載的安全。俯仰軸系剖視圖如圖1所示。

圖1 俯仰軸系剖視圖

1.2 方位軸系結構

方位軸系主要由方位底座、方位支撐軸承、方位驅動組件、方位限位組件、測角組件及方位雙路水鉸鏈等組成。方位驅動組件由伺服電機、減速機及齒輪副的主動齒輪等組成。方位支撐軸承采用四點接觸轉盤球軸承,軸承外圈配齒與驅動組件中的主動齒輪形成齒輪副。方位軸系剖視圖如圖2所示。

圖2 方位軸系剖視圖

2 機械結構設計

2.1 俯仰驅動結構設計

伺服系統負載質量為700 kg,重心偏離回轉中心50 mm。按三維模型測算,在伺服系統安裝載荷后,俯仰軸系轉動慣量為190 kg·m2。根據設計要求可知,伺服系統俯仰軸系角速度范圍為0～50(°)/s,俯仰軸系角加速度要求不小于30 (°)/s2,由此計算得俯仰軸系的加速驅動力矩為97 N·m,俯仰軸偏心力矩為350 N·m,預留伺服系統軸系摩擦力矩為10 N·m,兩套水鉸鏈摩擦力矩為60 N·m,抗風力矩為105 N·m,即俯仰軸系總的驅動力矩為622 N·m。由于交流電機具有優越的性能和較高的可靠性與可維護性,因此俯仰軸系選用交流伺服電機經兩級減速機構驅動。

第一級減速機構采用一套行星齒輪減速機,參數如下:減速比為100,額定輸出力矩為230 N·m,最大輸出力矩為410 N·m,空載力矩為0.66 N·m,工作溫度為-40～55 ℃,最大回程間隙為6弧分,傳動效率為0.92。

第二級減速機構采用一套齒輪副,其傳動比為4.32。伺服電機選用480GM0330B,參數如下:額定力矩為3.2 N·m,額定轉速為4 000 r/min,工作溫度為-40～55 ℃。俯仰軸系總驅動力矩M=(3.2-0.66)×432×0.92×0.9=908.5 N·m。

俯仰軸系輸出轉速r=4 000/432=55.6 r/min,滿足要求。俯仰軸最大加速力矩M=908.5-(622-97)/0.7=158.5 N·m,設俯仰軸最大角加速度為a,根據190×a×2π/360=158.5,得a=47.8(°)/s2。

2.2 方位驅動結構設計

按三維模型測算,在伺服系統安裝載荷后,方位軸系轉動慣量為430 kg·m2。根據要求,伺服系統方位軸系角速度范圍為0～50(°)/s,方位軸系角加速度要求不小于30(°)/s2,可算得方位軸系的加速驅動力矩為225 N·m,預留伺服系統軸系摩擦力矩為15 N·m,水鉸鏈摩擦力矩為100 N·m,抗風力矩為116 N·m,即方位軸系總的驅動力矩為456 N·m。方位軸系選用交流伺服電機經兩級減速機構驅動。

第一級減速機構采用一套行星齒輪減速機,參數如下:減速比為80,額定輸出力矩為165 N·m,最大輸出力矩為297 N·m,空載力矩為0.35 N·m,工作溫度為-40～55 ℃,最大回程間隙為4弧分,傳動效率為0.92。

第二級減速機構采用一套齒輪副,其傳動比為5.77,伺服電機選用480GM0330B。方位軸系總驅動力矩M=(3.2-0.35)×461.2×0.92×0.9=1 088.3 (N·m),滿足驅動力矩要求。方位軸系輸出轉速n=4 000/461.6=8.674 (r/min),滿足要求。俯仰軸最大加速力矩Mmax為:

Mmax=1 088.3-(456-225)/0.7=758.3(N·m)

根據430×a×2π/360=758.3,得a=101 (°)/s2。

3 設計仿真分析

3.1 結構件動力學及模態分析

結構的固有頻率與其相應的模態振型形狀在伺服系統遭遇振動沖擊時能提供重要參考,對線性體系而言,系統自由振動滿足:

x(t)=φicos(ωit)

(1)

式中:x(t)為有限元模型中節點的位移向量,φi為第i階模態振型特征向量,ωi為第i階自振頻率,t為時間。

(2)

(3)

從式(3)可得結構振動特征方程為:

(4)

本文的模態分析是基于ANSYS實現的,包括前處理、加載和求解、擴展模態、查看結果和后處理4個步驟。

俯仰左右支架前6階固有頻率分別為142.68、158.66、340.89、341.00、385.23、488.40 Hz。俯仰左右支架1階和6階振型圖如圖3所示。

圖3 俯仰左右支架1階和6階振型圖

俯仰底座前6階固有頻率分別為177.48、211.62、255.45、270.14、332.84、362.75 Hz。俯仰底座1階和6階振型如圖4所示。

圖4 俯仰底座1階和6階振型圖

底座前6階固有頻率分別為843.09、924.43、941.23、1 069.30、1 231.00、1 261.70 Hz。底座1階和6階振型如圖5所示。

圖5 底座1階和6階振型圖

3.2 結構件強度及剛度仿真結果分析

3.2.1俯仰左右支架仿真結果分析

俯仰左右支架是承載負載及俯仰軸系的關鍵部件,為有效提高其剛度、減小框架質量,支架材料選用ZL114A,并采用全封閉的矩形截面框架形式。經過多次去應力退火熱處理可以消除應力,保證精度的穩定性,確保伺服系統正常工作。ZL114A的抗拉強度為290 MPa、伸長率≥3%、硬度≥95 HB;熱處理為固溶處理(535±5 ℃,10～14 h);常溫處理時間大于8 h,在160±5 ℃時,4～8 h;鑄造方法為砂型鑄造加變質處理。俯仰左右支架主要載荷及說明見表1,俯仰左右支架材料的許用應力根據表2計算。

表1 俯仰左右支架主要載荷及說明

表2 俯仰左右支架強度安全系數與材料許用應力[σ]對應關系

由圖6可知,最大應力為1.354 MPa,小于許用應力156.8 MPa,結構強度滿足力學性能要求。

圖6 俯仰左右支架應力云圖

由圖7可知,最大變形發生在框架端部,最大變形值為0.03 mm,即最大變形量滿足使用要求,結構設計滿足要求。

3.2.2俯仰底座仿真結果分析

俯仰底座是承載俯仰軸系的關鍵部件,采用的材料和處理工藝與俯仰左右支架相同。俯仰底座主要載荷及說明見表3。

表3 俯仰底座主要載荷及說明

由圖8可知,最大應力為4.9 MPa,小于許用應力156.8 MPa,結構強度滿足力學性能要求。由圖9可知,最大變形發生在框架端部,最大變形值為0.074 mm,即最大變形量滿足使用要求,結構設計滿足要求。

圖8 俯仰底座應力云圖

3.2.3方位底座仿真結果分析

方位底座是承載整個臺體的關鍵部件,為有效提高其剛度、減小框架尺寸,底座材料采用HT250,結構形式為全封閉的環形截面框架形式,并通過多次去應力退火熱處理消除應力,保證精度的穩定性,確保伺服系統正常工作。采用ANSYS軟件對底座進行分析。HT250的硬度≥230 HB;固溶處理的溫度為535±5 ℃,時長為10～14 h;時效處理,常溫處理時間大于8 h,160±5 ℃時,4～8 h;鑄造方法為砂型鑄造。底座主要載荷及說明見表4,底座基本許用應力根據表5計算。

表4 底座主要載荷及說明

表5 底座強度安全系數與材料許用應力[σ]對應關系

由圖10可知,最大應力為9.3 MPa,小于許用應力168.9 MPa,結構強度滿足力學性能要求。由圖11可知,最大變形發生在框架端部,最大變形值為0.03 mm,即最大變形量滿足使用要求,結構設計滿足要求。

圖10 底座應力云圖

4 試驗驗證

伺服系統歷時1年多時間研制成功,具體實物如圖12所示,該伺服系統先后經過常溫檢測、高低溫存儲試驗、高低溫工作試驗、振動試驗、沖擊試驗、跑車試驗等環境適應性試驗驗證。經第三方試驗機構驗收合格,多項指標優于設計要求,具體見表6。

表6 主要指標測試結果

圖12 伺服系統及組成實物圖

5 結束語

本文采用協同設計的方法設計快速穩定跟蹤伺服系統的機械結構和電氣測控系統。機械結構設計時進行應力分析,確保結構剛性滿足精度要求;而采用模塊化設計,使得每個模塊都具有相對獨立的功能,結構緊湊,可靠性高;機械結構和電氣控制系統可通過計算機遠程控制和外引導控制,通過外引導,伺服系統可以實現快速穩定跟蹤。