一種新型的特種輕小型偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)技術(shù)研究

周蓓++黃玉平+張洪波++惠俊鵬++史銳

摘 要：針對(duì)大負(fù)載力矩和狹長(zhǎng)的安裝空間要求，本文提出了一種新型特種輕小的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)，可將旋轉(zhuǎn)的輸入運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿[動(dòng)的輸出運(yùn)動(dòng)，可用于直接驅(qū)動(dòng)舵面。并設(shè)計(jì)了原理樣機(jī)，進(jìn)行了初步試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)是合理可行的。

關(guān)鍵詞：偏心杠桿 伺服機(jī)構(gòu) 大負(fù)載 輕小型 原理樣機(jī)

中圖分類號(hào)：V44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0086-03

偏心杠桿是國(guó)際航空和航天工業(yè)中出現(xiàn)的一種新型伺服機(jī)構(gòu)。這種伺服機(jī)構(gòu)的提出者是美國(guó)的R.G.MUS-GROVE，1980年5月他發(fā)表了一篇題為《偏心杠桿（ECCENTUATOR）—伺服機(jī)構(gòu)的一種新概念》的論文，提出了一種打破傳統(tǒng)觀念的、新的控制面的操縱方法。

由于結(jié)構(gòu)上的合理安排，偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)所需要的控制功率是很小的。以往通常用的伺服機(jī)構(gòu)是直接驅(qū)動(dòng)舵面的，由空氣動(dòng)力形成的舵面鉸鏈力矩，全部傳遞到伺服機(jī)構(gòu)的輸出軸上，為了克服鉸鏈力矩、舵面的慣性力矩和摩擦力矩，伺服機(jī)構(gòu)的輸出力矩必須遠(yuǎn)大于鉸鏈力矩，才能帶動(dòng)舵面運(yùn)動(dòng)。

偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)所需要的輸出力矩遠(yuǎn)小于鉸鏈力矩，最大時(shí)也只是鉸鏈力矩的10%，最小時(shí)可以接近于零，這是因?yàn)橥ǔＫ玫乃欧C(jī)構(gòu)輸出力矩，是和舵面的旋轉(zhuǎn)軸線或稱鉸鏈線成垂直關(guān)系。然而，偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)的輸出力矩和鉸鏈力矩成平行關(guān)系。

鉸鏈力矩是導(dǎo)彈迎角和舵偏角的函數(shù)，隨著舵偏角的增加而加大。然而偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)的輸出力矩只需要平衡杠桿的旋轉(zhuǎn)力矩，而不必要平衡全部鉸鏈力矩。這是偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)閿[動(dòng)舵面的鉸鏈力矩主要是通過(guò)殼體傳遞到支撐偏心杠桿的結(jié)構(gòu)件上。因此伺服機(jī)構(gòu)必須平衡的僅僅是鉸鏈力矩的一個(gè)很小的部分。

對(duì)于較小的杠桿彎曲角度，例如θ=6 °，這樣伺服機(jī)構(gòu)可以產(chǎn)生±12 °的輸出角度，在杠桿上所需的驅(qū)動(dòng)力矩，大約僅僅是鉸鏈力矩的1/10，當(dāng)偏心杠桿離開(kāi)中間行程位置的時(shí)候，對(duì)于已經(jīng)給定的鉸鏈力矩來(lái)說(shuō)，杠桿上所需的驅(qū)動(dòng)力矩可以逐漸的減小，這種特性用來(lái)平衡隨舵面的轉(zhuǎn)角增大而變大的氣動(dòng)鉸鏈力矩是最合適的。

偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)用在臨近空間中的導(dǎo)彈上是很合適的，因?yàn)檫@種導(dǎo)彈的飛行時(shí)間很長(zhǎng)，現(xiàn)有的伺服機(jī)構(gòu)都很難勝任，而偏心杠桿所需要的驅(qū)動(dòng)力矩只是鉸鏈力矩的1/10，這就等于縮短了飛行時(shí)間，也就是加大了10倍的飛行距離。

偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)可用于空間飛行器姿態(tài)控制，在航天飛機(jī)再入大氣層的時(shí)候，采用偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)來(lái)控制飛機(jī)的姿態(tài)是最節(jié)省能源的。因?yàn)檫@時(shí)航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)關(guān)閉，靠慣性向下滑行，沒(méi)有能量的來(lái)源，靠飛機(jī)起飛時(shí)所帶的能源，這種能源越少越好，可以利用迎面氣流引入空氣渦輪泵，帶動(dòng)液壓泵產(chǎn)生液壓油源，從而推動(dòng)偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)來(lái)控制航天飛機(jī)的姿態(tài)。也可以采用由電機(jī)帶動(dòng)的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)方案，具有重量輕，維護(hù)方便的特點(diǎn)。

1 偏心杠桿原理

1.1 偏心杠桿運(yùn)動(dòng)學(xué)原理

偏心杠桿是具有折角的兩段直桿，如圖1所示。為敘述方便，對(duì)偏心杠桿各特征進(jìn)行定義如下：

O：偏心杠桿的折點(diǎn)；

D：偏心杠桿的驅(qū)動(dòng)端；

L：偏心杠桿的負(fù)載端；

LD：偏心杠桿驅(qū)動(dòng)段長(zhǎng)度；

LL：偏心杠桿負(fù)載段長(zhǎng)度。

按照驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)的伺服機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求，偏心杠桿折點(diǎn)O必須在舵面的舵軸上，為不動(dòng)點(diǎn)；為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載端L的線性運(yùn)動(dòng)，與普通杠桿不同，其驅(qū)動(dòng)端不是做線性運(yùn)動(dòng)，而是進(jìn)行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)。為對(duì)偏心杠桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，需要建立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。首先建立自轉(zhuǎn)坐標(biāo)系O-X1Y1Z1，如圖2所示。

X1：垂直于Y1Z1平面，指向按右手定則確定；

Y1：沿驅(qū)動(dòng)段軸線，指向驅(qū)動(dòng)端；

Z1：在偏心杠桿平面內(nèi)垂直于驅(qū)動(dòng)段軸線，指向折角方向。

偏心杠桿在外力作用下繞Y1軸自轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)載端在自轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)的軌跡為一個(gè)圓：

（1）

式中為自轉(zhuǎn)角，起點(diǎn)為Z1軸，按右手定則確定正方向。

為建立偏心杠桿的公轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，必須首先確定公轉(zhuǎn)軸線。負(fù)載端的運(yùn)動(dòng)特性要求不同，公轉(zhuǎn)軸線也會(huì)有所不同。對(duì)于要求對(duì)稱輸出特性的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，公轉(zhuǎn)軸線必須通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)處于零位時(shí)的偏心杠桿負(fù)載端，如圖3所示。因此，對(duì)偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，公轉(zhuǎn)坐標(biāo)系是絕對(duì)坐標(biāo)系。

X：垂直于YZ平面，指向按右手定則確定；

Y：沿負(fù)載段軸線，指向負(fù)載端；

Z：在偏心杠桿平面內(nèi)垂直于負(fù)載段軸線，背向折角方向。

偏心杠桿在外力作用下繞Y軸公轉(zhuǎn)時(shí)，自轉(zhuǎn)坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸在公轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)的方向矢量分別為：

（2）

式中為公轉(zhuǎn)角，起點(diǎn)為Z軸，按右手定則確定正方向。

當(dāng)公轉(zhuǎn)角為、自轉(zhuǎn)角為時(shí)，負(fù)載端在絕對(duì)坐標(biāo)系中的位置為：

（3）

在公轉(zhuǎn)角、自轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，（1-3）式可整理成：

（4）

下面分析當(dāng)公轉(zhuǎn)角、自轉(zhuǎn)角隨時(shí)間連續(xù)變化時(shí)負(fù)載端的運(yùn)動(dòng)軌跡。記：，，其中為自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)角速度之比，用一個(gè)機(jī)構(gòu)（如內(nèi)嚙合齒輪副）同時(shí)實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其角速度之比是一個(gè)常數(shù)，并且。用上述記號(hào)將（3）式重寫(xiě)為：

（5）

負(fù)載端在X方向的運(yùn)動(dòng)是偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，負(fù)載段在XY平面上的投影與Y軸的夾角就是舵偏角，如忽略負(fù)載端在Z軸方向上的偏移，則舵偏角為：

（6）

當(dāng)偏心杠桿折角較小時(shí)，舵偏角與公轉(zhuǎn)近似同步。

負(fù)載端在Z向上的位置變化要盡可能小，而實(shí)現(xiàn)這些要求的可調(diào)參數(shù)只有一個(gè)：角速度之比。

編制MATLAB程序計(jì)算（5）式，自變量為，可變參量為，不失一般性，取，取=1，，°計(jì)算主要結(jié)果如下：endprint

當(dāng)k依次取1.2，1.4，1.6，………，10時(shí)，在時(shí)間為10秒內(nèi)，Z向最大位移如圖4，圖5。

可見(jiàn)當(dāng)k取2時(shí)，Z向位移最小且呈規(guī)律性變化，最大z向位移為。所以當(dāng)即自轉(zhuǎn)角速度是公轉(zhuǎn)角速度2倍時(shí)，Z向位移接近于零，可實(shí)現(xiàn)偏心杠桿在X-Y平面內(nèi)的擺動(dòng)。

1.2 偏心杠桿動(dòng)力學(xué)原理

按上節(jié)的定義，畫(huà)出偏心杠桿受力分析圖如圖6所示。下面以傳動(dòng)比2：1的內(nèi)嚙合斜錐齒輪副、自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)為例，分析驅(qū)動(dòng)力矩與舵面鉸鏈力矩的關(guān)系。

當(dāng)飛行器攻角為零時(shí)，任意時(shí)刻作用在舵面上的氣動(dòng)力對(duì)舵軸形成的鉸鏈力矩與舵偏角近似成正比，即有：

（7）

此時(shí)，偏心杠桿負(fù)載端承受的負(fù)載力為：

（8）

該力需要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力平衡：

（9）

如前所述，驅(qū)動(dòng)端的公轉(zhuǎn)軌跡形成一個(gè)半徑為的圓。將沿此圓周進(jìn)行分解，如圖7所示。圖中徑向力由行星架即支撐作用，而切向力即驅(qū)動(dòng)力：

（10）

則所需的驅(qū)動(dòng)力矩為：

（11）

式中為驅(qū)動(dòng)齒輪的半徑。

綜合（1）～（5）式，有：

（12）

考慮到（1）式，驅(qū)動(dòng)力矩還可以寫(xiě)成：

（13）

現(xiàn)在來(lái)分析典型的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。

所需驅(qū)動(dòng)力矩與公轉(zhuǎn)角成余弦關(guān)系，當(dāng)時(shí)，所需驅(qū)動(dòng)力矩為零。結(jié)合式（6），當(dāng)時(shí)，可以通過(guò)機(jī)構(gòu)布局設(shè)計(jì)使，此時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力矩仍為零。按這種設(shè)計(jì)，結(jié)合（6）將舵偏角寫(xiě)成，則對(duì)于負(fù)載力矩梯度為、最大舵偏角為的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩為：

（14）

所需最大驅(qū)動(dòng)力矩為：

（15）

2、偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)樣機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)偏心杠桿工作原理，開(kāi)展偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)樣機(jī)設(shè)計(jì)。

2.1 虛擬樣機(jī)

為保證原理樣機(jī)研制一次成功，我們建立了虛擬樣機(jī)（如圖8），進(jìn)行多輪的仿真分析。虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)正常，輸出軌跡如圖9。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如上圖10所示，該機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)二級(jí)行星錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)（包括2#、3#、4#、5#、6#齒輪）帶動(dòng)偏心杠桿（主要由6、7、8、9、10、11零件構(gòu)成）使其公轉(zhuǎn)角速度是其自轉(zhuǎn)角速度一半且方向相反，從而實(shí)現(xiàn)右偏心杠桿在X-Y平面內(nèi)擺動(dòng)。

6#齒輪軸線和X軸相交角等于偏心杠桿折角，5#齒輪與6#齒輪齒數(shù)之比為2∶1。球面副中心落在各錐齒輪的公共錐頂上。

該機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部分是二級(jí)行星錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造。高強(qiáng)度、小模數(shù)、小齒數(shù)的錐齒輪和內(nèi)錐齒輪的設(shè)計(jì)及加工是難點(diǎn)。為了配湊整齒數(shù)，更加提高齒輪承載能力及傳動(dòng)質(zhì)量，應(yīng)用了錐齒輪角度變位原理將分度圓與節(jié)圓分離。

附上偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)實(shí)物樣機(jī)圖，如圖11。

3 結(jié)語(yǔ)

偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)體積小，承受負(fù)載力矩大，性能優(yōu)良。該文研究了偏心杠桿工作原理，給出了樣機(jī)設(shè)計(jì)。目前樣機(jī)研制已完成負(fù)載試驗(yàn)，輸出端運(yùn)動(dòng)軌跡符合原理，其它精度指標(biāo)也基本符合要求。

參考文獻(xiàn)

[1] Robert G.THE ECCENTUATOR-A NEW CONCEPT IN ACTUATION[M].Musgrove，Vought Corporation，1980.

[2] ECCENTRIC ACTUATOR[P].Musgrove，Arington，Tex.United States Patent，apply No.92，970

[3] Robert G.APPARATUS FOR PRODUCING PIVOTAL MOVEMENT[P].Musgrove，Arington，Tex. United States Patent，apply No.481，290.

[4] 朱忠惠，主編.推力矢量控制伺服系統(tǒng)[M].宇航出版社，1995

[5] 熊有倫，主編.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].華中理工大學(xué)出版社，1992.

[6] MSC.SoftwareMSC.ADAMS FSP基礎(chǔ)培訓(xùn)教程[M].李軍，陶永忠，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2004.endprint

當(dāng)k依次取1.2，1.4，1.6，………，10時(shí)，在時(shí)間為10秒內(nèi)，Z向最大位移如圖4，圖5。

可見(jiàn)當(dāng)k取2時(shí)，Z向位移最小且呈規(guī)律性變化，最大z向位移為。所以當(dāng)即自轉(zhuǎn)角速度是公轉(zhuǎn)角速度2倍時(shí)，Z向位移接近于零，可實(shí)現(xiàn)偏心杠桿在X-Y平面內(nèi)的擺動(dòng)。

1.2 偏心杠桿動(dòng)力學(xué)原理

按上節(jié)的定義，畫(huà)出偏心杠桿受力分析圖如圖6所示。下面以傳動(dòng)比2：1的內(nèi)嚙合斜錐齒輪副、自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)為例，分析驅(qū)動(dòng)力矩與舵面鉸鏈力矩的關(guān)系。

當(dāng)飛行器攻角為零時(shí)，任意時(shí)刻作用在舵面上的氣動(dòng)力對(duì)舵軸形成的鉸鏈力矩與舵偏角近似成正比，即有：

（7）

此時(shí)，偏心杠桿負(fù)載端承受的負(fù)載力為：

（8）

該力需要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力平衡：

（9）

如前所述，驅(qū)動(dòng)端的公轉(zhuǎn)軌跡形成一個(gè)半徑為的圓。將沿此圓周進(jìn)行分解，如圖7所示。圖中徑向力由行星架即支撐作用，而切向力即驅(qū)動(dòng)力：

（10）

則所需的驅(qū)動(dòng)力矩為：

（11）

式中為驅(qū)動(dòng)齒輪的半徑。

綜合（1）～（5）式，有：

（12）

考慮到（1）式，驅(qū)動(dòng)力矩還可以寫(xiě)成：

（13）

現(xiàn)在來(lái)分析典型的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。

所需驅(qū)動(dòng)力矩與公轉(zhuǎn)角成余弦關(guān)系，當(dāng)時(shí)，所需驅(qū)動(dòng)力矩為零。結(jié)合式（6），當(dāng)時(shí)，可以通過(guò)機(jī)構(gòu)布局設(shè)計(jì)使，此時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力矩仍為零。按這種設(shè)計(jì)，結(jié)合（6）將舵偏角寫(xiě)成，則對(duì)于負(fù)載力矩梯度為、最大舵偏角為的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩為：

（14）

所需最大驅(qū)動(dòng)力矩為：

（15）

2、偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)樣機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)偏心杠桿工作原理，開(kāi)展偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)樣機(jī)設(shè)計(jì)。

2.1 虛擬樣機(jī)

為保證原理樣機(jī)研制一次成功，我們建立了虛擬樣機(jī)（如圖8），進(jìn)行多輪的仿真分析。虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)正常，輸出軌跡如圖9。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如上圖10所示，該機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)二級(jí)行星錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)（包括2#、3#、4#、5#、6#齒輪）帶動(dòng)偏心杠桿（主要由6、7、8、9、10、11零件構(gòu)成）使其公轉(zhuǎn)角速度是其自轉(zhuǎn)角速度一半且方向相反，從而實(shí)現(xiàn)右偏心杠桿在X-Y平面內(nèi)擺動(dòng)。

6#齒輪軸線和X軸相交角等于偏心杠桿折角，5#齒輪與6#齒輪齒數(shù)之比為2∶1。球面副中心落在各錐齒輪的公共錐頂上。

該機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部分是二級(jí)行星錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造。高強(qiáng)度、小模數(shù)、小齒數(shù)的錐齒輪和內(nèi)錐齒輪的設(shè)計(jì)及加工是難點(diǎn)。為了配湊整齒數(shù)，更加提高齒輪承載能力及傳動(dòng)質(zhì)量，應(yīng)用了錐齒輪角度變位原理將分度圓與節(jié)圓分離。

附上偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)實(shí)物樣機(jī)圖，如圖11。

3 結(jié)語(yǔ)

偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)體積小，承受負(fù)載力矩大，性能優(yōu)良。該文研究了偏心杠桿工作原理，給出了樣機(jī)設(shè)計(jì)。目前樣機(jī)研制已完成負(fù)載試驗(yàn)，輸出端運(yùn)動(dòng)軌跡符合原理，其它精度指標(biāo)也基本符合要求。

參考文獻(xiàn)

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[4] 朱忠惠，主編.推力矢量控制伺服系統(tǒng)[M].宇航出版社，1995

[5] 熊有倫，主編.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].華中理工大學(xué)出版社，1992.

[6] MSC.SoftwareMSC.ADAMS FSP基礎(chǔ)培訓(xùn)教程[M].李軍，陶永忠，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2004.endprint

當(dāng)k依次取1.2，1.4，1.6，………，10時(shí)，在時(shí)間為10秒內(nèi)，Z向最大位移如圖4，圖5。

可見(jiàn)當(dāng)k取2時(shí)，Z向位移最小且呈規(guī)律性變化，最大z向位移為。所以當(dāng)即自轉(zhuǎn)角速度是公轉(zhuǎn)角速度2倍時(shí)，Z向位移接近于零，可實(shí)現(xiàn)偏心杠桿在X-Y平面內(nèi)的擺動(dòng)。

1.2 偏心杠桿動(dòng)力學(xué)原理

按上節(jié)的定義，畫(huà)出偏心杠桿受力分析圖如圖6所示。下面以傳動(dòng)比2：1的內(nèi)嚙合斜錐齒輪副、自轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)為例，分析驅(qū)動(dòng)力矩與舵面鉸鏈力矩的關(guān)系。

當(dāng)飛行器攻角為零時(shí)，任意時(shí)刻作用在舵面上的氣動(dòng)力對(duì)舵軸形成的鉸鏈力矩與舵偏角近似成正比，即有：

（7）

此時(shí)，偏心杠桿負(fù)載端承受的負(fù)載力為：

（8）

該力需要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力平衡：

（9）

如前所述，驅(qū)動(dòng)端的公轉(zhuǎn)軌跡形成一個(gè)半徑為的圓。將沿此圓周進(jìn)行分解，如圖7所示。圖中徑向力由行星架即支撐作用，而切向力即驅(qū)動(dòng)力：

（10）

則所需的驅(qū)動(dòng)力矩為：

（11）

式中為驅(qū)動(dòng)齒輪的半徑。

綜合（1）～（5）式，有：

（12）

考慮到（1）式，驅(qū)動(dòng)力矩還可以寫(xiě)成：

（13）

現(xiàn)在來(lái)分析典型的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。

所需驅(qū)動(dòng)力矩與公轉(zhuǎn)角成余弦關(guān)系，當(dāng)時(shí)，所需驅(qū)動(dòng)力矩為零。結(jié)合式（6），當(dāng)時(shí)，可以通過(guò)機(jī)構(gòu)布局設(shè)計(jì)使，此時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力矩仍為零。按這種設(shè)計(jì)，結(jié)合（6）將舵偏角寫(xiě)成，則對(duì)于負(fù)載力矩梯度為、最大舵偏角為的偏心杠桿伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩為：

（14）

所需最大驅(qū)動(dòng)力矩為：

（15）

2、偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)樣機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)偏心杠桿工作原理，開(kāi)展偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)樣機(jī)設(shè)計(jì)。

2.1 虛擬樣機(jī)

為保證原理樣機(jī)研制一次成功，我們建立了虛擬樣機(jī)（如圖8），進(jìn)行多輪的仿真分析。虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)正常，輸出軌跡如圖9。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如上圖10所示，該機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)二級(jí)行星錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)（包括2#、3#、4#、5#、6#齒輪）帶動(dòng)偏心杠桿（主要由6、7、8、9、10、11零件構(gòu)成）使其公轉(zhuǎn)角速度是其自轉(zhuǎn)角速度一半且方向相反，從而實(shí)現(xiàn)右偏心杠桿在X-Y平面內(nèi)擺動(dòng)。

6#齒輪軸線和X軸相交角等于偏心杠桿折角，5#齒輪與6#齒輪齒數(shù)之比為2∶1。球面副中心落在各錐齒輪的公共錐頂上。

該機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部分是二級(jí)行星錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造。高強(qiáng)度、小模數(shù)、小齒數(shù)的錐齒輪和內(nèi)錐齒輪的設(shè)計(jì)及加工是難點(diǎn)。為了配湊整齒數(shù)，更加提高齒輪承載能力及傳動(dòng)質(zhì)量，應(yīng)用了錐齒輪角度變位原理將分度圓與節(jié)圓分離。

附上偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)實(shí)物樣機(jī)圖，如圖11。

3 結(jié)語(yǔ)

偏心杠桿式伺服機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)體積小，承受負(fù)載力矩大，性能優(yōu)良。該文研究了偏心杠桿工作原理，給出了樣機(jī)設(shè)計(jì)。目前樣機(jī)研制已完成負(fù)載試驗(yàn)，輸出端運(yùn)動(dòng)軌跡符合原理，其它精度指標(biāo)也基本符合要求。

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