伺服電機(jī)系統(tǒng)在-45°低溫環(huán)境下的性能驗(yàn)證試驗(yàn)

摘要：為滿足在嚴(yán)酷環(huán)境條件下正常工作的能力需求，對(duì)機(jī)電伺服系統(tǒng)在-45°低溫環(huán)境下的性能進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行工藝流程改進(jìn)。首先研究了低溫環(huán)境對(duì)伺服控制驅(qū)動(dòng)部分的影響；其次對(duì)低溫狀態(tài)下線位移傳感器和電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器的工作狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)；最后對(duì)傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配質(zhì)量進(jìn)行量化分析。通過(guò)本次研究，掌握了制約機(jī)電伺服系統(tǒng)在嚴(yán)酷環(huán)境下工作的主要因素，通過(guò)工藝改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了其低溫工作性能的提升，提高了生產(chǎn)效率，確保了產(chǎn)品交付，研究成果具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)電伺服系統(tǒng)；低溫性能；工藝改進(jìn)

1引言

伺服系統(tǒng)是飛行器控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要作用是依據(jù)控制指令驅(qū)動(dòng)控制空氣舵負(fù)載，快速響應(yīng)位置指令，完成飛行器的姿態(tài)控制，達(dá)到使其穩(wěn)定飛行的目的。

通常機(jī)電伺服系統(tǒng)的使用環(huán)境溫度為20~30℃的室溫環(huán)境。然而實(shí)際航空航天的使用工況更加復(fù)雜多變，如寒冬室外或高空的低溫低氣壓嚴(yán)酷工作環(huán)境（-45°），對(duì)機(jī)電伺服系統(tǒng)的使用提出了更高的要求。

為擴(kuò)大其使用范圍，能夠滿足地/海/空等復(fù)雜條件寬溫域工況的使用需求，本課題針對(duì)機(jī)電伺服系統(tǒng)的低溫環(huán)境適應(yīng)性及批生產(chǎn)產(chǎn)能進(jìn)行工藝改進(jìn)研究，以實(shí)現(xiàn)其低溫工作能力的提升。

2低溫試驗(yàn)條件

某型伺服系統(tǒng)由伺服控制驅(qū)動(dòng)部分和作動(dòng)器部分組成，其中作動(dòng)器部分含電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、線位移傳感器等組件，其組成連接見(jiàn)圖1-1。

 

圖1-1伺服機(jī)構(gòu)組成連接簡(jiǎn)圖

該伺服系統(tǒng)需適應(yīng)-45℃的低溫環(huán)境并可靠地工作。在交付使用前必須經(jīng)過(guò)-45℃低溫工作試驗(yàn)的考核，伺服機(jī)構(gòu)在進(jìn)行-45℃低溫工作時(shí)，需將整套伺服機(jī)構(gòu)（1臺(tái)伺服控制驅(qū)動(dòng)器和2臺(tái)機(jī)電作動(dòng)器）放入低溫箱內(nèi)，并保溫4小時(shí)后，伺服機(jī)構(gòu)在-45℃低溫條件下啟機(jī)工作，進(jìn)行功能性能試驗(yàn)，低溫試驗(yàn)條件見(jiàn)表1-1。

表1-1低溫試驗(yàn)條件

 

目前該型伺服機(jī)構(gòu)即將進(jìn)入批產(chǎn)階段，而伺服機(jī)構(gòu)-45℃低溫試驗(yàn)合格率僅為90.1%，每批次均有伺服機(jī)構(gòu)在-45℃低溫環(huán)境下啟動(dòng)時(shí)發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象，異?，F(xiàn)象典型指令和反饋曲線見(jiàn)圖1-2a，其中黑色曲線jdB_sf(2)為指令曲線，紅色曲線wyB_sf(2)為位移反饋曲線。從曲線上可見(jiàn)，紅色反饋曲線有異常毛刺，伺服機(jī)構(gòu)無(wú)法準(zhǔn)確跟隨指令，造成異常抖動(dòng)，恢復(fù)至常溫后，該抖動(dòng)現(xiàn)象消失，正常的伺服機(jī)構(gòu)指令和反饋曲線件圖1-2b。

 

a）異常反饋曲線

 

b）正常反饋曲線

圖1-2伺服機(jī)構(gòu)低溫抖動(dòng)問(wèn)題示意圖

發(fā)生低溫抖動(dòng)問(wèn)題后，將造成交付周期延誤，產(chǎn)品報(bào)廢，嚴(yán)重影響了研制及批產(chǎn)進(jìn)度，基于此背景，以提高伺服機(jī)構(gòu)低溫工作試驗(yàn)一次交驗(yàn)合格率為目標(biāo)，進(jìn)一步分析伺服機(jī)構(gòu)低溫抖動(dòng)的成因，對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的組成單機(jī)伺服控制驅(qū)動(dòng)器和機(jī)電作動(dòng)器進(jìn)行調(diào)查分析，采用試驗(yàn)驗(yàn)證法，進(jìn)一步定位造成伺服機(jī)構(gòu)低溫工作抖動(dòng)問(wèn)題的位置。

3伺服控制驅(qū)動(dòng)器驗(yàn)證試驗(yàn)

使用伺服控制驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電纜連接兩臺(tái)作動(dòng)器，伺服控制驅(qū)動(dòng)器放置于低溫箱中，作動(dòng)器放置于低溫箱外，-45℃低溫條件下保溫4h，然后啟動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)，進(jìn)行30°位置特性試驗(yàn)，其測(cè)試曲線如圖2-1。

 

圖2-1伺服機(jī)構(gòu)位移反饋圖（測(cè)試儀顯示曲線的照片）

使用伺服控制驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電纜連接兩臺(tái)作動(dòng)器，作動(dòng)器放置于低溫箱中，伺服控制驅(qū)動(dòng)器放置于低溫箱外，-45℃低溫條件下保溫4h，然后啟動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)，進(jìn)行30°位置特性試驗(yàn)，其測(cè)試曲線如圖2-2。

 

圖2-2伺服機(jī)構(gòu)位移反饋圖（測(cè)試儀顯示曲線的照片）

通過(guò)以上對(duì)比試驗(yàn)可見(jiàn)，-45℃低溫條件下，伺服控制驅(qū)動(dòng)器對(duì)低溫不敏感，當(dāng)機(jī)電作動(dòng)器單獨(dú)處于低溫環(huán)境下工作時(shí)出現(xiàn)了異常抖動(dòng)，表現(xiàn)為位置反饋曲線未正常跟蹤指令曲線，產(chǎn)生大量毛刺，因此-45℃低溫條件下機(jī)電作動(dòng)器異常抖動(dòng)是造成伺服機(jī)構(gòu)低溫工作試驗(yàn)一次交驗(yàn)合格率低的癥結(jié)所在。

4原因分析

針對(duì)-45℃低溫條件下機(jī)電作動(dòng)器異常抖動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析，確認(rèn)可能產(chǎn)生該問(wèn)題的原因有以下幾點(diǎn)：

1、機(jī)電作動(dòng)器線位移傳感器電阻板片損傷，導(dǎo)致線位移傳感器電刷與電阻板片之間斷續(xù)不導(dǎo)通。

2、機(jī)電作動(dòng)器線位移傳感器電阻板片與電刷之間存在多余物，造成電刷與電阻片之間斷續(xù)不導(dǎo)通。

3、機(jī)電作動(dòng)器裝配過(guò)程中存在軸向間隙，由于低溫應(yīng)力作用，間隙放大，導(dǎo)致機(jī)電作動(dòng)器產(chǎn)生較大軸向間隙。

4、伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器低溫條件下性能異常，導(dǎo)致角度、速度測(cè)量出現(xiàn)偏差。

針對(duì)機(jī)電作動(dòng)器在-45℃低溫環(huán)境下異常抖動(dòng)問(wèn)題運(yùn)用頭腦風(fēng)暴，利用因果圖進(jìn)行原因分析，見(jiàn)圖3-1。

 

圖3-1機(jī)電作動(dòng)器低溫異常抖動(dòng)原因分析因果圖

5驗(yàn)證試驗(yàn)

線位移是機(jī)電作動(dòng)器重要的位置反饋傳感器之一，線位移組件異常受損將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)伺服機(jī)構(gòu)無(wú)法完成閉環(huán)控制，造成作動(dòng)器無(wú)法準(zhǔn)確響應(yīng)指令甚至是開(kāi)環(huán)損壞。因此，針對(duì)工作過(guò)程中線位移板片電阻膜局部受損的模式，拆開(kāi)異常機(jī)電作動(dòng)器線位移蓋板和線位移板片，觀察線位移板片上的電阻膜，發(fā)現(xiàn)在低溫工作試驗(yàn)時(shí)發(fā)生抖動(dòng)的位置均有深色粘稠多余物，為潤(rùn)滑脂，如圖4-1所示；對(duì)線位移板片和電刷進(jìn)行清洗后，如圖4-2所示觀察雙側(cè)線位移板片均比較平滑，電刷刷絲狀態(tài)也較完好，均沒(méi)有受損現(xiàn)象。將線位移板片及電刷表面使用酒精清洗后，線位移電阻膜表面較光滑，只有輕微電刷劃過(guò)的痕跡，未發(fā)現(xiàn)劃傷、凹坑等明顯損傷，認(rèn)為線位移局部受損對(duì)機(jī)電作動(dòng)器低溫抖動(dòng)的影響較小。

 

圖4-1線位移板片原始狀態(tài)

 

圖4-2線位移板片清洗后狀態(tài)

線位移板片電阻膜上局部堆積潤(rùn)滑脂將形成多余物，在低溫下其流動(dòng)性（粘度）和導(dǎo)電性下降，將造成線位移電刷與導(dǎo)電膜的斷續(xù)不導(dǎo)通，該問(wèn)題將導(dǎo)致該機(jī)電作動(dòng)器抖動(dòng)甚至是開(kāi)環(huán)損壞。拆開(kāi)異常機(jī)電作動(dòng)器后，可見(jiàn)線位移板片電阻膜上局部堆積潤(rùn)滑脂。機(jī)電作動(dòng)器的滾珠絲杠副上涂有低溫寬溫域潤(rùn)滑脂7014，若潤(rùn)滑脂涂抹過(guò)多或不均勻，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)甩出，若濺到線位移板片的電阻膜上，形成局部堆積，成為多余物；低溫時(shí)潤(rùn)滑脂粘度增加且導(dǎo)電性降低，運(yùn)動(dòng)中線位移電刷無(wú)力推開(kāi)該多余物，造成線位移電刷與導(dǎo)電膜的斷續(xù)不導(dǎo)通狀態(tài)，從而造成低溫下的抖動(dòng)；當(dāng)溫度升高，潤(rùn)滑脂粘度降低且導(dǎo)電性升高，線位移電刷與導(dǎo)電膜恢復(fù)導(dǎo)通狀態(tài)，抖動(dòng)現(xiàn)象消失。為了驗(yàn)證機(jī)電作動(dòng)器低溫抖動(dòng)問(wèn)題是由于潤(rùn)滑脂飛濺到線位移板片上形成多余物導(dǎo)致的，將機(jī)電作動(dòng)器產(chǎn)品配套的線位移使用酒精清理后重新裝配至機(jī)電作動(dòng)器，重新進(jìn)行三次-45℃低溫工作試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4-3，在每次試驗(yàn)中，機(jī)電作動(dòng)器工作正常，未發(fā)生過(guò)低溫抖動(dòng)現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)生低溫抖動(dòng)問(wèn)題的機(jī)電作動(dòng)器，當(dāng)把其線位移表面的潤(rùn)滑脂擦除后再進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)不再發(fā)生低溫抖動(dòng)想象，因此可以確認(rèn)，線位移板片電阻膜表面存在多余物（潤(rùn)滑脂）是造成機(jī)電作動(dòng)器低溫抖動(dòng)的主要因素。

 

圖4-3線位移板片清洗后試驗(yàn)數(shù)據(jù)（測(cè)試儀顯示曲線的照片）

機(jī)電作動(dòng)器是一種精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其主要原理是電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)滾珠絲杠副旋轉(zhuǎn)，將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠直線運(yùn)動(dòng)，機(jī)電作動(dòng)器進(jìn)行裝配時(shí)，其傳動(dòng)間隙是影響控制精度、穩(wěn)定性的重要因素，傳動(dòng)間隙大，同樣會(huì)造成機(jī)電作動(dòng)器抖動(dòng)，低溫條件下更加明顯。因此，針對(duì)作動(dòng)器合攏過(guò)程中軸向間隙不合格的模式進(jìn)行分解檢查。滾珠絲杠裝配置機(jī)電作動(dòng)器后結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4-4所示，其軸向間隙控制是決定機(jī)電作動(dòng)器傳動(dòng)精度的重要因素之一。間隙調(diào)整時(shí)，需要選擇合適的調(diào)整墊片，保證其有0.04-0.08mm的過(guò)盈量，如果選擇調(diào)整墊片尺寸不滿足上述要求，可能會(huì)造成機(jī)電作動(dòng)器產(chǎn)生軸向間隙，導(dǎo)致其低溫抖動(dòng)。隨機(jī)抽取同批次生產(chǎn)的41臺(tái)低溫性能正常的機(jī)電作動(dòng)器和7臺(tái)低溫抖動(dòng)的機(jī)電作動(dòng)器，匯總其調(diào)整墊片厚度及其過(guò)盈量值，對(duì)比分析差異。分布詳見(jiàn)圖4-5，藍(lán)色線段為低溫合格產(chǎn)品的過(guò)盈配合量，紅色線段為低溫不合格產(chǎn)品的過(guò)盈配合量。圖中可見(jiàn)所有產(chǎn)品的過(guò)盈量均在許用范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，低溫正常工作和低溫抖動(dòng)產(chǎn)品軸向過(guò)盈量在0.04mm~0.07mm內(nèi)均有分布，認(rèn)為作動(dòng)器合攏過(guò)程中軸向間隙不合格對(duì)機(jī)電作動(dòng)器低溫抖動(dòng)的影響較小。

 

圖4-4滾珠絲杠副裝配圖

 

圖4-5過(guò)盈量點(diǎn)分布圖

旋轉(zhuǎn)變壓器是檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、位置的重要傳感器，是伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電流、速度、位置三環(huán)控制的重要傳感器之一，低溫條件下，旋變的正常工作是保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定輸出的必要條件。因此，針對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角產(chǎn)生偏差的模式進(jìn)行分解檢查。將異常機(jī)電作動(dòng)器配套的伺服電機(jī)分別拆下，更改伺服控制驅(qū)動(dòng)器軟件，使用電機(jī)旋變閉環(huán)的方式控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使用伺服控制驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電纜連接兩臺(tái)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)放置于低溫箱中，伺服控制驅(qū)動(dòng)器放置于低溫箱外，-45℃低溫條件下保溫4h，然后啟動(dòng)伺服，通過(guò)電機(jī)旋變閉環(huán)的方式進(jìn)行30°位置特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4-6。可知，兩臺(tái)電機(jī)位置曲線完全重合，電流平穩(wěn)未見(jiàn)異常，可以判斷在低溫-45℃條件下，電機(jī)可以正常工作，低溫未對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器正常工作造成影響。

 

圖4-6伺服電機(jī)位置反饋曲線（測(cè)試儀顯示曲線的照片）

6工藝改進(jìn)

通過(guò)上述驗(yàn)證試驗(yàn)，識(shí)別出造成機(jī)電作動(dòng)器異常抖動(dòng)的主要原因?yàn)椋壕€位移板片電阻膜表面存在多余物，該多余物為7014潤(rùn)滑脂，該潤(rùn)滑脂在常溫狀態(tài)下不影響線位移反饋功能，在-45℃低溫狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致線位移反饋出現(xiàn)毛刺異常。因此，針對(duì)滾珠絲杠副潤(rùn)滑脂涂抹工藝進(jìn)行改進(jìn)改變工藝對(duì)滾珠絲杠副的清洗流程，由浸泡在酒精進(jìn)行清洗后重新填充潤(rùn)滑脂更改為不再進(jìn)行換脂，清洗時(shí)使用綢布蘸酒精擦拭絲杠表面。避免由于人工二次換脂造成的潤(rùn)滑脂用量過(guò)多和潤(rùn)滑不均勻，保證絲杠在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)不將潤(rùn)滑脂甩到線位移板片上，從根本上解決低溫抖動(dòng)問(wèn)題。

對(duì)工藝改進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)：取兩根新的滾珠絲杠副，其中一根按照舊工藝流程進(jìn)行清洗和換脂，另一根按照新工藝流程進(jìn)行擦拭，將兩根滾珠絲杠副分別裝配至兩臺(tái)機(jī)電作動(dòng)器上，進(jìn)行位置特性、速度特性試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后拆開(kāi)機(jī)電作動(dòng)器線位移，對(duì)比使用新舊工藝兩臺(tái)產(chǎn)品線位移上潤(rùn)滑脂飛濺情況。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下圖5-1和5-2。

 

圖5-1舊工藝流程的滾珠絲杠配套的線位移板片

 

圖5-2新工藝流程的滾珠絲杠配套的線位移板片

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，新的工藝流程可以有效避免潤(rùn)滑脂的飛濺，能夠有效解決機(jī)電作動(dòng)器低溫抖動(dòng)問(wèn)題，。

對(duì)改進(jìn)工藝后的第一組20套批生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行檢查，全部通過(guò)了低溫工作試驗(yàn)，隨機(jī)抽取3臺(tái)機(jī)電作動(dòng)器拆開(kāi)線位移后的結(jié)果顯示，線位移電阻膜上干凈整潔，無(wú)潤(rùn)滑脂多余物。合格率達(dá)到了100%，對(duì)該型伺服系統(tǒng)工藝文件進(jìn)行更改，并對(duì)伺相關(guān)裝配及檢測(cè)規(guī)范進(jìn)行了修訂并發(fā)布。

7結(jié)論

通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)和分析改進(jìn)，總結(jié)出得出了滾珠絲杠副裝配的改進(jìn)工藝，后續(xù)將基于此成果，繼續(xù)開(kāi)展關(guān)于機(jī)電作動(dòng)器低溫性能提升的技術(shù)攻關(guān)，對(duì)滾珠絲杠副增加密封結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上規(guī)避潤(rùn)滑脂溢出風(fēng)險(xiǎn)，并深入調(diào)研其他高性能低溫潤(rùn)滑脂，進(jìn)一步提升機(jī)電作動(dòng)器環(huán)境適應(yīng)能力。

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