某伺服跟踪系统的机械结构设计和仿真

祝军生,方志耕,刘晓俊,刘连义,张靖如

(1.南京航空航天大学经济与管理学院,江苏 南京 210016)

(2.中国航天科工集团八五一一研究所,江苏 南京 210007)

伺服系统是一种复杂的集机、光、电于一体的复杂设备[1],高性能伺服系统的发展受到世界各国的重视。快速稳定的跟踪伺服系统作为航天装备的枢纽,正逐渐成为各国航天事业竞相发展的一个战略目标[2-4]。美国等国家研制的伺服系统在定位精度、种类及自动化控制程度等方面均处于领先地位[5],如Acutronic公司生产的单轴伺服系统、两轴伺服系统、三轴伺服系统、五轴运动仿真伺服系统[6-9]。具有快速稳定跟踪性能的伺服系统在雷达、光电云台、射电望远镜等军事和民用领域具有广泛的应用前景,成为目前研究的热点。

1 总体结构设计

伺服系统机械结构由负载、机械台体、俯仰轴系、方位轴系、底座等组成,内环为俯仰轴,外环为方位轴。主要指标要求如下:水平旋转角度范围为0～360°,俯仰旋转角度范围为 0～90°,承载能力≥700 kg,负载重心偏离负载几何中心≤50 mm,伺服系统质量≤800 kg(不包括天线载荷),功耗≤3 000 W,方位转动角速度为0～50(°)/s,俯仰转动角速度为0～50(°)/s,方位角转动加速度≥30(°)/s2,俯仰角转动加速度≥30(°)/s2。

1.1 俯仰轴系结构

俯仰轴系主要由俯仰左、右轴系及俯仰底座组成。俯仰左轴系由俯仰左框架、支撑轴承、驱动组件、限位组件、单路水铰链及负载转接板等组成,俯仰右轴系由俯仰右框架、支撑轴承、测角组件、单路水铰链及负载转接板等组成。其中驱动组件由伺服电机、减速机、齿轮副等组成,支撑轴承选用ZKLDF200P5高精度伺服系统轴承。

负载用左、右轴系中的负载转接板固定,左、右支撑轴承支撑在左、右框架上,由驱动组件驱动其回转。伺服电机加上失电制动器,能够保证伺服系统在停止状态、掉电或异常情况下,俯仰轴系可以停留在当前位置,而不会依照惯性大角度摆动,从而保证伺服系统和负载的安全。俯仰轴系剖视图如图1所示。

图1 俯仰轴系剖视图

1.2 方位轴系结构

方位轴系主要由方位底座、方位支撑轴承、方位驱动组件、方位限位组件、测角组件及方位双路水铰链等组成。方位驱动组件由伺服电机、减速机及齿轮副的主动齿轮等组成。方位支撑轴承采用四点接触转盘球轴承,轴承外圈配齿与驱动组件中的主动齿轮形成齿轮副。方位轴系剖视图如图2所示。

图2 方位轴系剖视图

2 机械结构设计

2.1 俯仰驱动结构设计

伺服系统负载质量为700 kg,重心偏离回转中心50 mm。按三维模型测算,在伺服系统安装载荷后,俯仰轴系转动惯量为190 kg·m2。根据设计要求可知,伺服系统俯仰轴系角速度范围为0～50(°)/s,俯仰轴系角加速度要求不小于30 (°)/s2,由此计算得俯仰轴系的加速驱动力矩为97 N·m,俯仰轴偏心力矩为350 N·m,预留伺服系统轴系摩擦力矩为10 N·m,两套水铰链摩擦力矩为60 N·m,抗风力矩为105 N·m,即俯仰轴系总的驱动力矩为622 N·m。由于交流电机具有优越的性能和较高的可靠性与可维护性,因此俯仰轴系选用交流伺服电机经两级减速机构驱动。

第一级减速机构采用一套行星齿轮减速机,参数如下:减速比为100,额定输出力矩为230 N·m,最大输出力矩为410 N·m,空载力矩为0.66 N·m,工作温度为-40～55 ℃,最大回程间隙为6弧分,传动效率为0.92。

第二级减速机构采用一套齿轮副,其传动比为4.32。伺服电机选用480GM0330B,参数如下:额定力矩为3.2 N·m,额定转速为4 000 r/min,工作温度为-40～55 ℃。俯仰轴系总驱动力矩M=(3.2-0.66)×432×0.92×0.9=908.5 N·m。

俯仰轴系输出转速r=4 000/432=55.6 r/min,满足要求。俯仰轴最大加速力矩M=908.5-(622-97)/0.7=158.5 N·m,设俯仰轴最大角加速度为a,根据190×a×2π/360=158.5,得a=47.8(°)/s2。

2.2 方位驱动结构设计

按三维模型测算,在伺服系统安装载荷后,方位轴系转动惯量为430 kg·m2。根据要求,伺服系统方位轴系角速度范围为0～50(°)/s,方位轴系角加速度要求不小于30(°)/s2,可算得方位轴系的加速驱动力矩为225 N·m,预留伺服系统轴系摩擦力矩为15 N·m,水铰链摩擦力矩为100 N·m,抗风力矩为116 N·m,即方位轴系总的驱动力矩为456 N·m。方位轴系选用交流伺服电机经两级减速机构驱动。

第一级减速机构采用一套行星齿轮减速机,参数如下:减速比为80,额定输出力矩为165 N·m,最大输出力矩为297 N·m,空载力矩为0.35 N·m,工作温度为-40～55 ℃,最大回程间隙为4弧分,传动效率为0.92。

第二级减速机构采用一套齿轮副,其传动比为5.77,伺服电机选用480GM0330B。方位轴系总驱动力矩M=(3.2-0.35)×461.2×0.92×0.9=1 088.3 (N·m),满足驱动力矩要求。方位轴系输出转速n=4 000/461.6=8.674 (r/min),满足要求。俯仰轴最大加速力矩Mmax为:

Mmax=1 088.3-(456-225)/0.7=758.3(N·m)

根据430×a×2π/360=758.3,得a=101 (°)/s2。

3 设计仿真分析

3.1 结构件动力学及模态分析

结构的固有频率与其相应的模态振型形状在伺服系统遭遇振动冲击时能提供重要参考,对线性体系而言,系统自由振动满足:

x(t)=φicos(ωit)

(1)

式中:x(t)为有限元模型中节点的位移向量,φi为第i阶模态振型特征向量,ωi为第i阶自振频率,t为时间。

(2)

(3)

从式(3)可得结构振动特征方程为:

(4)

本文的模态分析是基于ANSYS实现的,包括前处理、加载和求解、扩展模态、查看结果和后处理4个步骤。

俯仰左右支架前6阶固有频率分别为142.68、158.66、340.89、341.00、385.23、488.40 Hz。俯仰左右支架1阶和6阶振型图如图3所示。

图3 俯仰左右支架1阶和6阶振型图

俯仰底座前6阶固有频率分别为177.48、211.62、255.45、270.14、332.84、362.75 Hz。俯仰底座1阶和6阶振型如图4所示。

图4 俯仰底座1阶和6阶振型图

底座前6阶固有频率分别为843.09、924.43、941.23、1 069.30、1 231.00、1 261.70 Hz。底座1阶和6阶振型如图5所示。

图5 底座1阶和6阶振型图

3.2 结构件强度及刚度仿真结果分析

3.2.1俯仰左右支架仿真结果分析

俯仰左右支架是承载负载及俯仰轴系的关键部件,为有效提高其刚度、减小框架质量,支架材料选用ZL114A,并采用全封闭的矩形截面框架形式。经过多次去应力退火热处理可以消除应力,保证精度的稳定性,确保伺服系统正常工作。ZL114A的抗拉强度为290 MPa、伸长率≥3%、硬度≥95 HB;热处理为固溶处理(535±5 ℃,10～14 h);常温处理时间大于8 h,在160±5 ℃时,4～8 h;铸造方法为砂型铸造加变质处理。俯仰左右支架主要载荷及说明见表1,俯仰左右支架材料的许用应力根据表2计算。

表1 俯仰左右支架主要载荷及说明

表2 俯仰左右支架强度安全系数与材料许用应力[σ]对应关系

由图6可知,最大应力为1.354 MPa,小于许用应力156.8 MPa,结构强度满足力学性能要求。

图6 俯仰左右支架应力云图

由图7可知,最大变形发生在框架端部,最大变形值为0.03 mm,即最大变形量满足使用要求,结构设计满足要求。

3.2.2俯仰底座仿真结果分析

俯仰底座是承载俯仰轴系的关键部件,采用的材料和处理工艺与俯仰左右支架相同。俯仰底座主要载荷及说明见表3。

表3 俯仰底座主要载荷及说明

由图8可知,最大应力为4.9 MPa,小于许用应力156.8 MPa,结构强度满足力学性能要求。由图9可知,最大变形发生在框架端部,最大变形值为0.074 mm,即最大变形量满足使用要求,结构设计满足要求。

图8 俯仰底座应力云图

3.2.3方位底座仿真结果分析

方位底座是承载整个台体的关键部件,为有效提高其刚度、减小框架尺寸,底座材料采用HT250,结构形式为全封闭的环形截面框架形式,并通过多次去应力退火热处理消除应力,保证精度的稳定性,确保伺服系统正常工作。采用ANSYS软件对底座进行分析。HT250的硬度≥230 HB;固溶处理的温度为535±5 ℃,时长为10～14 h;时效处理,常温处理时间大于8 h,160±5 ℃时,4～8 h;铸造方法为砂型铸造。底座主要载荷及说明见表4,底座基本许用应力根据表5计算。

表4 底座主要载荷及说明

表5 底座强度安全系数与材料许用应力[σ]对应关系

由图10可知,最大应力为9.3 MPa,小于许用应力168.9 MPa,结构强度满足力学性能要求。由图11可知,最大变形发生在框架端部,最大变形值为0.03 mm,即最大变形量满足使用要求,结构设计满足要求。

图10 底座应力云图

4 试验验证

伺服系统历时1年多时间研制成功,具体实物如图12所示,该伺服系统先后经过常温检测、高低温存储试验、高低温工作试验、振动试验、冲击试验、跑车试验等环境适应性试验验证。经第三方试验机构验收合格,多项指标优于设计要求,具体见表6。

表6 主要指标测试结果

图12 伺服系统及组成实物图

5 结束语

本文采用协同设计的方法设计快速稳定跟踪伺服系统的机械结构和电气测控系统。机械结构设计时进行应力分析,确保结构刚性满足精度要求;而采用模块化设计,使得每个模块都具有相对独立的功能,结构紧凑,可靠性高;机械结构和电气控制系统可通过计算机远程控制和外引导控制,通过外引导,伺服系统可以实现快速稳定跟踪。