CN113353290B - 一种小型化伺服系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小型化伺服系统，包括弹头伺服控制器、弹头伺服作动器以及伺服电缆网；所述的弹头伺服作动器包括伺服电机、由滚珠丝杠副及齿轮副组成的减速传动机构、线位移传感器、连杆组件；所述的线位移传感器采用双余度线位移传感器，其电刷组件安装在滚珠丝杠副上，双余度线位移传感器的左右电阻组件装在同一块板片上；伺服电缆网为一分二结构，一端连接弹头伺服控制器端，分出的两端分别与伺服电机和线位移传感器的电连接器连接；其中伺服电机的电连接器为强弱电混装电连接器，并安装在伺服电机的顶部。

Description

一种小型化伺服系统
技术领域
本发明涉及一种伺服系统，具体应用在航天飞行器、高超声速导弹武器等领域。
背景技术
随着现代航天技术的快速发展，出现了一大批以高超声速滑翔导弹为代表的现代飞行器，其中伺服机构是控制系统中重要的组成部分，其动特性复杂、质量大、温度高、工作环境恶劣。机电伺服机构通过接收飞控计算机的控制指令产生驱动力矩，从而实现对飞行器的飞行姿态控制。
机电伺服系统与气动及液压作动器相比，具有效率高、可靠性高、重量轻、易维护、等优点。机电伺服系统主要由伺服控制器、伺服作动器、伺服电缆网等组成。
欧美航空领域在多种型号的无人机、直升机、战斗机、以及固体燃料火箭等都采用了机电作动系统。在航空领域，美国最新型隐身战斗机F-22、联合攻击机F-35，以及F/A-18舰载战斗机、中远程客机B787均采用了机电作动系统。在航天领域，机电作动系统已被成功应用于航天飞机、主发动机及火箭发动机以及空天飞行器等临近空间高超声速飞行器的操纵舵面上，显著提升了飞行器的快速性和可靠性。
我国机电伺服系统的研究起步较晚但发展迅速。航天科技18所、航天科工33所、中航工业618所、西北工大、哈工大、清华、北航、南航等多个单位对机电伺服系统及其控制技术进行了大量和深入的研究工作，并应用于多个重点型号中。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种小型化伺服系统，适用于各种空间受限的场合。
本发明解决技术的方案是：一种小型化伺服系统，包括弹头伺服控制器、弹头伺服作动器以及伺服电缆网；所述的弹头伺服作动器包括伺服电机、由滚珠丝杠副及齿轮副组成的减速传动机构、线位移传感器、连杆组件；所述的线位移传感器采用双余度线位移传感器，其电刷组件安装在滚珠丝杠副上，双余度线位移传感器的左右电阻组件装在同一块板片上；伺服电缆网为一分二结构，一端连接弹头伺服控制器端，分出的两端分别与伺服电机和线位移传感器的电连接器连接；其中伺服电机的电连接器为强弱电混装电连接器，并安装在伺服电机的顶部。
进一步的，所述的弹头伺服作动器利用侧壁安装在弹头伺服舱内。
进一步的，线位移传感器的电连接器焊杯处将点定义相同的两点利用导线进行跨接。
进一步的，所述的导线线径不大于0.07mm2。
进一步的，所述的双余度位移传感器通过专用的调零工装实现调零；所述的专用调零工装包括不在同一水平面上的两个平面以及连接所述两个平面的垂直面；两个平面在同一平面上的投影长度为作动器的电气零位到线位移传感器板片安装的限位端面的距离。
进一步的，通过下述步骤完成双余度位移传感器的调零：
将双余度位移传感器的电刷组件安装在滚珠丝杠副上，调零工装与线位移传感器板片安装面重合；调零时，将调零工装中位于上方的平面的端面与线位移传感器板片安装的限位端面贴合，将刷握的前端面与调零工装另一平面的端面贴合；安装电阻组件时，将螺柱工装旋入安装线位移板片的螺纹孔内，再将线位移板片的腰形孔穿过螺柱，与线位移传感器板片安装面保持水平；再将螺柱沿对称方向依次更换为螺钉。
进一步的，所述的螺柱工装由上下两部分组成，下部为与螺钉螺距相同的螺纹，上部为直径与螺纹外径相同的圆柱。
进一步的，所述的强弱电混装电连接器中的旋变信号线和电机动力线分别沿中心线对称分布，焊杯跨距需同时满足耐压等级和绝缘电阻要求，其范围为0.47-0.56mm。
进一步的，弹头伺服作动器中的连杆组件中的关节轴承采用径向游隙为0.015-0.030mm的GE8E；连杆内孔与关节轴承外径为过盈配合，为保证传动环节为非线性阻尼环节，连杆内孔和关节轴承外径的过盈量应满足0.003-0.02mm。
进一步的，测试时，在舵轴上安装一转接块，所述转接块上开腰形槽，角位移传感器球头轴的球头安装在所述的腰形槽内，球头轴的另一端通过螺纹连接安装在角位移传感器的主轴上。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提出了一种小型化伺服系统的创新方案，该方案提高了伺服系统的响应速度、可靠性和精度，且体积小、重量轻、比功率高、可承受大量级冲击，适用于各种空间受限的场合。本发明伺服系统可推动空气舵来实现导弹的姿态控制，从而达到稳定飞行的目的。
1)由于弹头伺服舱空间十分狭小，伺服系统安装空间有限，因此采用了侧壁安装方式，在作动器两侧面各有8个螺钉孔，在保证产品互换性的同时，可实现四个象限的侧壁安装。
2)弹头伺服作动器的永磁同步伺服电机端采用混装电连接器，通过增加焊杯跨距的方式，将旋变信号线(弱电信号)和电机动力线(强电信号)通过一个电连接器输出，避免强弱电相互干扰的同时，有效地解决了弹头伺服舱异形安装空间小和维护困难的问题。
3)伺服电缆网为“一分二”结构，分别连接了控制器端、电机端和线位移传感器端。在伺服作动器的线位移插头的焊杯处，用一根直径不大于0.07mm2的导线将接点定义相同的两点跨接，从而保证了当产品的一根导线发生断路故障时，仍然能够具有稳定输出的特点。
4)由于弹头伺服系统对精度、可靠性和小型化要求严格，采用了一种具有高精度、高可靠性、大量程的双余度线位移传感器，保证了单侧布局状态下，实现了执行机构位置信号反馈的可靠性。
5)由于舵轴的端面尺寸受限，因此将角位移传感器的球头轴安装方式进行了重新设计，将角位移传感器本体的转接块做了适应性调整，将其用螺钉紧固在伺服舱的舵轴端面上，将球头轴通过螺纹连接装在角位移主轴上，可保证产品适用于各种空间受限的场合。
6)由于控制系统高动态响应的要求，优化传动机构配合公差和对外接口尺寸，提高伺服作动器刚度和传动精度，以满足高动态响应的要求。
附图说明
图1本发明的伺服系统安装示意图；
图2本发明的机构原理框图；
图3本发明的作动器外形图；
图4(a)、4(b)本发明的调零工装示意图；
图5本发明的角位移传感器安装示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步阐述。
图1给出一种伺服系统的示例简图，在该示例中伺服系统由一台伺服控制驱动器、四台伺服作动器和一套伺服电缆网组成，伺服作动器由一台伺服电机、减速传动机构、线位移传感器、角位移传感器(测试时用)、输出轴、壳体组成；控制驱动器由控制电路、驱动电路组成，组成框图如图2所示。伺服作动器由一台永磁同步伺服电机作为动力源，驱动电机轴上销连接的小齿轮转动，通过过渡轮将转动传递到与滚珠丝杠副键连接的大齿轮上，从而将电机输出的扭转运动转换成丝杠螺母的直线运动。其中，导向部分由一个导向轴承和导向槽组成，限制了螺母的转动，从而使得丝杠螺母末端螺纹连接的螺栓只能沿轴向滑动，通过连杆和摇臂带动舵轴转动，从而实现对舵面的精确控制。飞行器在实际飞行过程中的环境十分复杂，要求舵面能够随时应对各种突发情况做出准确快速的动作，而伺服回路通过位置环、速度环、电流环的反馈控制使得伺服控制器输出准确的驱动信号，带动舵面对指令信号做出快速响应。
传统的作动器通常采用端面安装的方式，由于弹头伺服舱空间十分狭小，因此采用了侧壁安装的方式。用8个M6螺钉将作动器紧固在安装板上，再用螺钉将安装板紧固在伺服舱壁上，作动器外形图如图3所示。由于作动器两侧均有对称的螺钉孔，因此可保证了各工位的作动器的互换性和一致性。同时，由于整个侧壁安装接触面大，可提高作动器的径向承载能力。电机轴和齿轮副采用销连接，齿轮副和丝杠副采用键连接，键与键槽的过盈配合可提高机构的扭转静刚度。随着过盈量的增加，扭转静刚度逐渐增加，当过盈量为0.001-0.005mm时，扭转静刚度显著增加，当到达一定程度后，过盈量继续增加，扭转静刚度没有明显增加。丝杠螺母与螺栓采用螺纹连接，由锁紧螺母锁紧，伺服机构的负载特性复杂多变，因此伺服机构螺纹连接处常承受高速变化的拉力作用。由于丝杠螺母的右侧平动自由度是释放的，同时还是轴向拉力的作用点，且距离轴向拉力的施加位置较近，因此采用电渣重熔的不锈钢可大大提高丝杠的使用寿命。因此，该伺服机构具有体积小、重量轻、高刚度、高比功率、可承受大量级冲击等优点。
现代及未来战争对军用电子设备提出了小型化、集成化和模块化的要求，国外的先进武器系统许多部件都实现了集成化和模块化，可对其进行整体更换，节省了空间尺寸和维护时间。本发明伺服电机的电连接器为强弱电混装电连接器，并安装在伺服电机的顶部。混装电连接器的旋变信号线和电机动力线分别沿中心线对称分布，增大焊杯跨距，保证产品耐压性能。焊杯跨距需同时满足耐压等级和绝缘电阻要求，其范围为0.47-0.56mm。采用镀铬金属外壳，可承受霉菌、盐雾、高低温、湿热等条件，EMI设计，可靠性高。绝缘安装板采用PPS材料，可承受200度高温。产品进行组装时使用硅橡胶灌封，用以阻断气隙通路，保证产品可承受1500V电压。
伺服电缆网的线位移端电连接器焊杯处采用细导线跨接，将点定义相同的两点跨接。当电缆网中的任意一根导线断路时，由于焊杯处跨接的细导线(线径不大于0.07mm2)将另一路点定义相同的点引过来，因此可保证断路的点和另一路电压相等。由于线位移传感器采用双点双线制，若输出导线中一根发生断路，则输出导线中另一根导线可保证线位移正常工作。若两根导线均断路，此时跨接的细导线将保证双余度线位移传感器正常工作。
由于双余度线位移传感器的左右电阻组件装在同一块板片上，因此要满足零位偏差的要求十分困难，为了克服双余度线位移传感器调零困难的问题，设计了专用调零工装，如图4(a)、4(b)所示。电刷组件安装在滚珠丝杠副上，调零工装与线位移传感器板片安装面重合；调零时，将调零工装中位于上方的平面的端面与线位移传感器板片安装的限位端面贴合，将刷握的前端面与调零工装另一平面的端面贴合；安装电阻组件时，将螺柱工装旋入安装线位移板片的螺纹孔内，再将线位移板片的腰形孔穿过螺柱，与线位移传感器板片安装面保持水平；再将螺柱沿对称方向依次更换为螺钉。保证了线位移板片和电刷组件的安装精度，大大减小了双余度线位移传感器安装时的人为操作误差，提高了装配效率，避免了调零调不出来的问题。
由于舵轴端面尺寸受限，因此，将角位移传感器锁紧栓装在舵轴上，球头轴部分固连在角位移传感器本体上。将角位移传感器电缆插座与测试仪相连,用手转动角位移传感器的刷轴,当单元测试仪角位移传感器的零位在±30mV之间时,将球头轴的球头卡紧在锁紧栓的槽口内,并将角位移本体用螺钉安装在舵轴上。该方法操作简单、互换性好、空间安装位置不受约束，角位移安装示意图如图5所示。
由于控制系统对于伺服系统的灵敏度和动态特性要求高，因此，伺服机构传动环节的公差配合和尺寸精度显得非常重要。连杆组件中的关节轴承采用特殊定制的GE8E/U，其径向游隙为0.015-0.030mm，而普通关节轴承GE8E的径向游隙为0.032-0.068mm。通过传动关系计算可知，采用普通关节轴承带来的间隙量约为定制关节轴承的2.27倍，选用定制关节轴承可以大大减少连杆与销轴之间的传动间隙。同时，合理地选取连杆内孔与和关节轴承的配合尺寸公差，对于提高伺服系统的动态特性具有十分重要的作用；为保证传动环节为非线性阻尼环节，连杆内孔和关节轴承外径的过盈量应满足0.003-0.02mm。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (7)

1.一种小型化伺服系统，包括弹头伺服控制器、弹头伺服作动器以及伺服电缆网；所述的弹头伺服作动器利用侧壁安装在弹头伺服舱内；所述的弹头伺服作动器包括伺服电机、由滚珠丝杠副及齿轮副组成的减速传动机构、线位移传感器、连杆组件；其特征在于：所述的线位移传感器采用双余度线位移传感器，其电刷组件安装在滚珠丝杠副上，双余度线位移传感器的左右电阻组件装在同一块板片上；线位移传感器的电连接器焊杯处将点定义相同的两点利用导线进行跨接；伺服电缆网为一分二结构，一端连接弹头伺服控制器端，分出的两端分别与伺服电机和线位移传感器的电连接器连接；其中伺服电机的电连接器为强弱电混装电连接器，并安装在伺服电机的顶部；所述的强弱电混装电连接器中的旋变信号线和电机动力线分别沿中心线对称分布，焊杯跨距需同时满足耐压等级和绝缘电阻要求，其范围为0.47-0.56mm。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的导线线径不大于0.07mm2。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的双余度线 位移传感器通过专用的调零工装实现调零；所述的专用调零工装包括不在同一水平面上的两个平面以及连接所述两个平面的垂直面；两个平面在同一平面上的投影长度为作动器的电气零位到线位移传感器板片安装的限位端面的距离。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：通过下述步骤完成双余度线 位移传感器的调零：
将双余度线 位移传感器的电刷组件安装在滚珠丝杠副上，调零工装与线位移传感器板片安装面重合；调零时，将调零工装中位于上方的平面的端面与线位移传感器板片安装的限位端面贴合，将刷握的前端面与调零工装另一平面的端面贴合；安装电阻组件时，将螺柱工装旋入安装线位移板片的螺纹孔内，再将线位移板片的腰形孔穿过螺柱，与线位移传感器板片安装面保持水平；再将螺柱沿对称方向依次更换为螺钉。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述的螺柱工装由上下两部分组成，下部为与螺钉螺距相同的螺纹，上部为直径与螺纹外径相同的圆柱。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：弹头伺服作动器中的连杆组件中的关节轴承采用径向游隙为0.015-0.030mm的GE8E；连杆内孔与关节轴承外径为过盈配合，为保证传动环节为非线性阻尼环节，连杆内孔和关节轴承外径的过盈量应满足0.003-0.02mm。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：测试时，在舵轴上安装一转接块，所述转接块上开腰形槽，角位移传感器球头轴的球头安装在所述的腰形槽内，球头轴的另一端通过螺纹连接安装在角位移传感器的主轴上。
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