某伺服跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,江蘇 南京 210016)

(2.中國航天科工集團(tuán)八五一一研究所,江蘇 南京 210007)

伺服系統(tǒng)是一種復(fù)雜的集機(jī)、光、電于一體的復(fù)雜設(shè)備[1],高性能伺服系統(tǒng)的發(fā)展受到世界各國的重視?？焖俜€(wěn)定的跟蹤伺服系統(tǒng)作為航天裝備的樞紐,正逐漸成為各國航天事業(yè)競相發(fā)展的一個(gè)戰(zhàn)略目標(biāo)[2-4]。美國等國家研制的伺服系統(tǒng)在定位精度、種類及自動(dòng)化控制程度等方面均處于領(lǐng)先地位[5],如Acutronic公司生產(chǎn)的單軸伺服系統(tǒng)、兩軸伺服系統(tǒng)、三軸伺服系統(tǒng)、五軸運(yùn)動(dòng)仿真伺服系統(tǒng)[6-9]。具有快速穩(wěn)定跟蹤性能的伺服系統(tǒng)在雷達(dá)、光電云臺(tái)、射電望遠(yuǎn)鏡等軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,成為目前研究的熱點(diǎn)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)由負(fù)載、機(jī)械臺(tái)體、俯仰軸系、方位軸系、底座等組成,內(nèi)環(huán)為俯仰軸,外環(huán)為方位軸。主要指標(biāo)要求如下:水平旋轉(zhuǎn)角度范圍為0～360°,俯仰旋轉(zhuǎn)角度范圍為 0～90°,承載能力≥700 kg,負(fù)載重心偏離負(fù)載幾何中心≤50 mm,伺服系統(tǒng)質(zhì)量≤800 kg(不包括天線載荷),功耗≤3 000 W,方位轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為0～50(°)/s,俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為0～50(°)/s,方位角轉(zhuǎn)動(dòng)加速度≥30(°)/s2,俯仰角轉(zhuǎn)動(dòng)加速度≥30(°)/s2。

1.1 俯仰軸系結(jié)構(gòu)

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(qū)動(dòng)組件、限位組件、單路水鉸鏈及負(fù)載轉(zhuǎn)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(fù)載轉(zhuǎn)接板等組成。其中驅(qū)動(dòng)組件由伺服電機(jī)、減速機(jī)、齒輪副等組成,支撐軸承選用ZKLDF200P5高精度伺服系統(tǒng)軸承。

負(fù)載用左、右軸系中的負(fù)載轉(zhuǎn)接板固定,左、右支撐軸承支撐在左、右框架上,由驅(qū)動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)其回轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)加上失電制動(dòng)器,能夠保證伺服系統(tǒng)在停止?fàn)顟B(tài)、掉電或異常情況下,俯仰軸系可以停留在當(dāng)前位置,而不會(huì)依照慣性大角度擺動(dòng),從而保證伺服系統(tǒng)和負(fù)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(jié)構(gòu)

方位軸系主要由方位底座、方位支撐軸承、方位驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)組件由伺服電機(jī)、減速機(jī)及齒輪副的主動(dòng)齒輪等組成。方位支撐軸承采用四點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)盤球軸承,軸承外圈配齒與驅(qū)動(dòng)組件中的主動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 俯仰驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)負(fù)載質(zhì)量為700 kg,重心偏離回轉(zhuǎn)中心50 mm。按三維模型測算,在伺服系統(tǒng)安裝載荷后,俯仰軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為190 kg·m2。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知,伺服系統(tǒng)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(jì)算得俯仰軸系的加速驅(qū)動(dòng)力矩為97 N·m,俯仰軸偏心力矩為350 N·m,預(yù)留伺服系統(tǒng)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(fēng)力矩為105 N·m,即俯仰軸系總的驅(qū)動(dòng)力矩為622 N·m。由于交流電機(jī)具有優(yōu)越的性能和較高的可靠性與可維護(hù)性,因此俯仰軸系選用交流伺服電機(jī)經(jīng)兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。

第一級(jí)減速機(jī)構(gòu)采用一套行星齒輪減速機(jī),參數(shù)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(dòng)效率為0.92。

第二級(jí)減速機(jī)構(gòu)采用一套齒輪副,其傳動(dòng)比為4.32。伺服電機(jī)選用480GM0330B,參數(shù)如下:額定力矩為3.2 N·m,額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min,工作溫度為-40～55 ℃。俯仰軸系總驅(qū)動(dòng)力矩M=(3.2-0.66)×432×0.92×0.9=908.5 N·m。

俯仰軸系輸出轉(zhuǎn)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(shè)俯仰軸最大角加速度為a,根據(jù)190×a×2π/360=158.5,得a=47.8(°)/s2。

2.2 方位驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按三維模型測算,在伺服系統(tǒng)安裝載荷后,方位軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為430 kg·m2。根據(jù)要求,伺服系統(tǒng)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(qū)動(dòng)力矩為225 N·m,預(yù)留伺服系統(tǒng)軸系摩擦力矩為15 N·m,水鉸鏈摩擦力矩為100 N·m,抗風(fēng)力矩為116 N·m,即方位軸系總的驅(qū)動(dòng)力矩為456 N·m。方位軸系選用交流伺服電機(jī)經(jīng)兩級(jí)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。

第一級(jí)減速機(jī)構(gòu)采用一套行星齒輪減速機(jī),參數(shù)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(dòng)效率為0.92。

第二級(jí)減速機(jī)構(gòu)采用一套齒輪副,其傳動(dòng)比為5.77,伺服電機(jī)選用480GM0330B。方位軸系總驅(qū)動(dòng)力矩M=(3.2-0.35)×461.2×0.92×0.9=1 088.3 (N·m),滿足驅(qū)動(dòng)力矩要求。方位軸系輸出轉(zhuǎn)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(jù)430×a×2π/360=758.3,得a=101 (°)/s2。

3 設(shè)計(jì)仿真分析

3.1 結(jié)構(gòu)件動(dòng)力學(xué)及模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)的固有頻率與其相應(yīng)的模態(tài)振型形狀在伺服系統(tǒng)遭遇振動(dòng)沖擊時(shí)能提供重要參考,對(duì)線性體系而言,系統(tǒng)自由振動(dòng)滿足:

x(t)=φicos(ωit)

(1)

式中:x(t)為有限元模型中節(jié)點(diǎn)的位移向量,φi為第i階模態(tài)振型特征向量,ωi為第i階自振頻率,t為時(shí)間。

(2)

(3)

從式(3)可得結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征方程為:

(4)

本文的模態(tài)分析是基于ANSYS實(shí)現(xiàn)的,包括前處理、加載和求解、擴(kuò)展模態(tài)、查看結(jié)果和后處理4個(gè)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(jié)構(gòu)件強(qiáng)度及剛度仿真結(jié)果分析

3.2.1俯仰左右支架仿真結(jié)果分析

俯仰左右支架是承載負(fù)載及俯仰軸系的關(guān)鍵部件,為有效提高其剛度、減小框架質(zhì)量,支架材料選用ZL114A,并采用全封閉的矩形截面框架形式。經(jīng)過多次去應(yīng)力退火熱處理可以消除應(yīng)力,保證精度的穩(wěn)定性,確保伺服系統(tǒng)正常工作。ZL114A的抗拉強(qiáng)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(shí)間大于8 h,在160±5 ℃時(shí),4～8 h;鑄造方法為砂型鑄造加變質(zhì)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(yīng)力根據(jù)表2計(jì)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(qiáng)度安全系數(shù)與材料許用應(yīng)力[σ]對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖6可知,最大應(yīng)力為1.354 MPa,小于許用應(yīng)力156.8 MPa,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足力學(xué)性能要求。

圖6 俯仰左右支架應(yīng)力云圖

由圖7可知,最大變形發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

3.2.2俯仰底座仿真結(jié)果分析

俯仰底座是承載俯仰軸系的關(guān)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(yīng)力為4.9 MPa,小于許用應(yīng)力156.8 MPa,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足力學(xué)性能要求。由圖9可知,最大變形發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

圖8 俯仰底座應(yīng)力云圖

3.2.3方位底座仿真結(jié)果分析

方位底座是承載整個(gè)臺(tái)體的關(guān)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(jié)構(gòu)形式為全封閉的環(huán)形截面框架形式,并通過多次去應(yīng)力退火熱處理消除應(yīng)力,保證精度的穩(wěn)定性,確保伺服系統(tǒng)正常工作。采用ANSYS軟件對(duì)底座進(jìn)行分析。HT250的硬度≥230 HB;固溶處理的溫度為535±5 ℃,時(shí)長為10～14 h;時(shí)效處理,常溫處理時(shí)間大于8 h,160±5 ℃時(shí),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(yīng)力根據(jù)表5計(jì)算。

表4 底座主要載荷及說明

表5 底座強(qiáng)度安全系數(shù)與材料許用應(yīng)力[σ]對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖10可知,最大應(yīng)力為9.3 MPa,小于許用應(yīng)力168.9 MPa,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足力學(xué)性能要求。由圖11可知,最大變形發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

圖10 底座應(yīng)力云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

伺服系統(tǒng)歷時(shí)1年多時(shí)間研制成功,具體實(shí)物如圖12所示,該伺服系統(tǒng)先后經(jīng)過常溫檢測、高低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、高低溫工作試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、跑車試驗(yàn)等環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)第三方試驗(yàn)機(jī)構(gòu)驗(yàn)收合格,多項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求,具體見表6。

表6 主要指標(biāo)測試結(jié)果

圖12 伺服系統(tǒng)及組成實(shí)物圖

5 結(jié)束語

本文采用協(xié)同設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)快速穩(wěn)定跟蹤伺服系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣測控系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行應(yīng)力分析,確保結(jié)構(gòu)剛性滿足精度要求;而采用模塊化設(shè)計(jì),使得每個(gè)模塊都具有相對(duì)獨(dú)立的功能,結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高;機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)可通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制和外引導(dǎo)控制,通過外引導(dǎo),伺服系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定跟蹤。