李懷兵，劉 鵬，王阿萍，李 琦，聶振金

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

一種集成式高精度流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

李懷兵，劉 鵬，王阿萍，李 琦，聶振金

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

介紹了一種集成式高精度流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，針對(duì)固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊空間和精度要求，進(jìn)行了小型化、輕質(zhì)化設(shè)計(jì)。將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行集成式設(shè)計(jì)，有效利用空間尺寸；對(duì)末級(jí)直齒輪進(jìn)行扇形設(shè)計(jì)，減小調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)體積；采用特殊的花鍵連接和雙齒輪消隙結(jié)構(gòu)等連接方式，有效控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙，提高調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)合理、可行，并具有較高的傳動(dòng)精度和快速性，可以滿足固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)特殊空間和高精度的要求。

集成式；高精度；流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

0 引 言

隨著航天飛行器、導(dǎo)彈武器等系統(tǒng)對(duì)重量的要求越來(lái)越高，固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)以其比沖高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、儲(chǔ)存性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為未來(lái)航天飛行器等系統(tǒng)的首選動(dòng)力裝置，流量調(diào)節(jié)是固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1～5]。

傳統(tǒng)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，其低頻性能差、精度低、體積大，不能滿足小型化、高可靠性等要求。

機(jī)電伺服式流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由于其高精度、小型化、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，適宜應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)流量調(diào)節(jié)中。本文將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行集成式設(shè)計(jì)，并針對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，將常規(guī)諧波減速器用短杯諧波減速器進(jìn)行替代，并對(duì)直齒輪進(jìn)行異形扇形設(shè)計(jì)，有效減小調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的體積，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的異形空間要求；采用特殊花鍵連接、增大齒厚的非金屬材料的雙齒輪消隙結(jié)構(gòu)等連接方式，可有效控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)間隙，提高調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度，進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能。

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，該流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)集成化、小型化設(shè)計(jì)方案合理、可行，并具有較好的穩(wěn)定性、快速性和動(dòng)態(tài)特性，能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)小型化、輕質(zhì)化、高精度的要求。

1 流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和控制驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由無(wú)刷直流電機(jī)、齒輪減速器、諧波減速器、角位移傳感器等組成?？刂乞?qū)動(dòng)器主要由控制電路、控制軟件、外部A/D轉(zhuǎn)換電路、總線通訊專用芯片、復(fù)位電路、外部晶振、二次電源變換電路及其濾波電路、功率驅(qū)動(dòng)模塊等組成。流量調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的組成簡(jiǎn)圖如圖1所示[6,7]。

流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于燃?xì)獍l(fā)生器的前端，通過(guò)花鍵與流量調(diào)節(jié)閥連接，因此，流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)需要設(shè)計(jì)成異形結(jié)構(gòu)以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 集成一體式設(shè)計(jì)

針對(duì)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)小型化、輕質(zhì)化的要求，將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行一體式設(shè)計(jì)，使流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，減小占用空間尺寸。同時(shí)，為了達(dá)到輸出大負(fù)載能力的要求，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇兩級(jí)直齒輪前置+諧波減速器+末級(jí)異形齒輪傳動(dòng)的大減速比傳動(dòng)方案。末級(jí)異形齒輪采用大模數(shù)齒輪，用以承載大負(fù)載力矩。

控制驅(qū)動(dòng)器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的外形尺寸，設(shè)計(jì)成弧形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在匹配發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的基礎(chǔ)上，與伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行一體式設(shè)計(jì)，使整體結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，并利于提高整體可靠性。流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)外形如圖2所示。

控制驅(qū)動(dòng)器通過(guò)減振組件與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)連接，將外部振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境的影響衰減到可承受范圍內(nèi)；保證在惡劣環(huán)境條件下，控制驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的電子元器件連接可靠，工作正常。

2.2 雙齒輪消隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高對(duì)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置的采集精度，在輸出軸和角位移傳感器之間增加一級(jí)齒輪傳動(dòng)，對(duì)輸出軸的運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行放大，以提高對(duì)輸出位置的采集精度。為了消除用來(lái)進(jìn)行角度放大的齒輪傳動(dòng)間隙對(duì)輸出精度的影響，在輸出軸與角位移傳感器之間，設(shè)計(jì)雙齒輪消隙結(jié)構(gòu)，將角位移傳感器齒輪材料變更為非金屬材料，并增大齒輪齒厚。對(duì)輸出軸角度進(jìn)行放大的同時(shí)，消除齒輪嚙合時(shí)帶來(lái)的間隙。

該措施提高了位置檢測(cè)精度同時(shí)減小齒輪嚙合間隙對(duì)檢測(cè)精度的影響，可以極大地提高對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)輸出軸角度采集精度，提高位置控制精度。

2.3 短杯諧波減速器的設(shè)計(jì)

諧波減速器是利用柔輪、剛輪和波發(fā)生器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，特別是柔輪的可控彈性變形（形狀改變）來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞。在這3個(gè)基本構(gòu)件中可任意固定一個(gè)，其余一個(gè)為主動(dòng)件，一個(gè)為從動(dòng)件。目前中國(guó)生產(chǎn)的諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪長(zhǎng)徑比一般為0.8～1.0。諧波減速器軸向尺寸的減小會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，柔輪長(zhǎng)徑比較小的短杯諧波齒輪在波發(fā)生器裝入柔輪后，短杯柔輪在波發(fā)生器長(zhǎng)軸方向上較正常柔輪的張角變得更大（見(jiàn)圖3）；柔輪所受應(yīng)力也劇烈增加；同時(shí)，隨著張角的增大，柔輪輪齒和剛輪輪齒間的嚙合面積也將變小，導(dǎo)致諧波減速器承載能力降低。

為解決上述問(wèn)題，對(duì)柔輪輪齒齒形、柔輪筒體壁厚、筒底壁厚、過(guò)渡圓半徑等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出長(zhǎng)徑比為0.5的短杯諧波齒輪，該短杯諧波齒輪與普通諧波齒輪承載能力幾乎一致，應(yīng)用在流量調(diào)節(jié)伺服機(jī)構(gòu)中可極大地降低機(jī)構(gòu)的軸向尺寸，如圖4所示。

2.4 異形直齒輪設(shè)計(jì)

根據(jù)流量調(diào)節(jié)伺服機(jī)構(gòu)的輸出力矩和輸出速度要求，通過(guò)理論計(jì)算，得出末級(jí)齒輪的齒數(shù)為 Z1，模數(shù)為m，相應(yīng)的齒輪齒頂圓的直徑為D，而根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的空間要求，得出流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)寬度不能超過(guò)74 mm。

為滿足空間要求，根據(jù)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的有效工作行程θ，進(jìn)行異形扇形直齒輪的設(shè)計(jì)。異形扇形在齒輪結(jié)構(gòu)如圖5所示，異形扇形在齒輪的包絡(luò)角度為θ1，殼體限位空間為θ2（見(jiàn)圖6）。扇形齒輪滿足輸出角度范圍要求的同時(shí)，減小了流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的尺寸空間，并且對(duì)殼體內(nèi)部空間進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到對(duì)輸出軸最大、最小角度進(jìn)行機(jī)械限位的目的，防止輸出軸角度過(guò)大或過(guò)小時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部壓力異常而產(chǎn)生爆炸。異形齒輪在殼體中的安裝情況如圖6所示。

2.5 可定位的特殊花鍵設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)的壓力對(duì)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)間隙較為敏感，需要控制流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與外載荷之間的連接間隙；同時(shí)，為了傳遞較大的負(fù)載力矩，連接形式需要能夠承受足夠大的力矩。

綜合考慮各種連接方式，由于花鍵齒數(shù)較多，總接觸面積較大，可承受較大的載荷，并且較簡(jiǎn)單的平鍵連接可有效減小間隙，因此采用花鍵的連接方式。在流量調(diào)節(jié)伺服機(jī)構(gòu)輸出軸上加工有內(nèi)花鍵，在外載荷的滑盤(pán)軸上加工有外花鍵。

為達(dá)到輸出軸定位和調(diào)零的目的，對(duì)花鍵進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)定位基準(zhǔn)，將花鍵中的兩個(gè)齒合為一個(gè)，形成方形鍵槽，用來(lái)進(jìn)行定位，特殊花鍵的結(jié)構(gòu)如圖5所示；定位和調(diào)零過(guò)程如圖7所示，通過(guò)工裝保證裝配時(shí)的初始零位。

3 控制方案

控制算法采用位置閉環(huán)+電流限流的控制方案，位置閉環(huán)用來(lái)進(jìn)行位置控制，保證位置精度；電流限流對(duì)控制驅(qū)動(dòng)器中的母線電流進(jìn)行控制，避免流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中電流過(guò)大損壞控制驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部元器件和在堵轉(zhuǎn)條件下對(duì)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，避免在堵轉(zhuǎn)或者大負(fù)載狀情況下?lián)p壞流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)。流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制方式如圖8所示。

控制程序，主要包括：主程序和定時(shí)中斷程序兩部分。主程序主要用來(lái)完成對(duì)單片機(jī)和相關(guān)變量的初始化；定時(shí)中斷程序主要用來(lái)完成對(duì)角度指令的限幅、角位移傳感器模擬量的采集、位置閉環(huán)控制和電流限流處理等功能。各程序流程如圖9～11所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制方案，搭建流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的負(fù)載測(cè)試系統(tǒng)，并建立流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)仿真模型[8]。在最大負(fù)載條件（負(fù)載為240 N·m）下對(duì)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的帶載能力、快速性、精度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真分析，位置特性和階躍響應(yīng)曲線分別如圖12、圖13所示。

通過(guò)加載試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真分析顯示，該流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真分析結(jié)果一致性較好，在最大負(fù)載下的穩(wěn)態(tài)誤差不大于 0.2°，角速度不小于60 (°)/s，滿足穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.4°，角速度不小于20 (°)/s的技術(shù)指標(biāo)要求，具有較高的精度和快速性。

5 結(jié) 論

本文為適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)特殊的空間尺寸要求和對(duì)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)輕質(zhì)化、快速性和高精度的要求，將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行集成一體式設(shè)計(jì)，采用短杯諧波減速器、異形直齒輪、雙齒輪消隙結(jié)構(gòu)和可定位的特殊花鍵設(shè)計(jì)，適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊安裝要求，提高流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置精度和帶載能力。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，該流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)特殊空間安裝要求，并滿足大負(fù)載、快速性、高精度的技術(shù)要求。

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Design of Integrated and High Precision Flow Regulation Mechanism

Li Huai-bing, Liu Peng, Wang A-ping, Li Qi, Nie Zhen-jin
(Beijing Research Institute of Precise Mechatronic and Controls, Beijing, 100076)

An integrated and high precision flow regulation mechanism is introduced. For the special space and high precision requirement of the solid ramjet, a miniaturization and light-weight flow regulation mechanism is designed. The electronic control driver are integrated into the regulation mechanism, effectively accommodating the installed space. To reduce the volume, the final straight gear is designed to be fan-shaped. By using the special spline connection and double-gear eliminating backlash structure,transmission clearances are well controlled and the transmission accuracy improved. The experimental result shows that the design is reasonable and feasible, having high transmission accuracy and speed and meeting the requirements.

Integrated; High precision; Flow regulation mechanism

V435

A

1004-7182(2017)05-0067-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170516

2016-12-15；

2017-02-05

李懷兵（1985-），男，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電伺服系統(tǒng)