“三化”設(shè)計(jì)在機(jī)電作動(dòng)器中的應(yīng)用

樊蕊 賈兵 劉迎梅

（南京晨光集團(tuán)，南京，210000）

“三化” （通用化、系列化、組合化 （模塊化）），已成為各國(guó)發(fā)展武器裝備的一項(xiàng)重要原則。武器裝備的 “三化”水平是衡量武器裝備現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，實(shí)行 “三化”已成為許多國(guó)家，包括我國(guó)發(fā)展武器裝備的一項(xiàng)基本政策[1]。 “三化”是現(xiàn)代條件下標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)科向前發(fā)展的必然產(chǎn)物，是當(dāng)今發(fā)展武器裝備的現(xiàn)實(shí)需要[2]。美國(guó)把“通用化”作為其國(guó)防部關(guān)鍵技術(shù)三項(xiàng)選擇原則之一，并把 “模塊化”作為美國(guó)國(guó)防科學(xué)和技術(shù)戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。我國(guó)從上世紀(jì)90年代中期開(kāi)始在軍工系統(tǒng)中大力推廣 “三化”工作，并將其作為“九五”期間標(biāo)準(zhǔn)化工作六大任務(wù)之一[3]。

“三化”基本思想是按照系統(tǒng)工程的原理，運(yùn)用頂層設(shè)計(jì)，以通用互換和靈活的分解組合方式，對(duì)武器裝備進(jìn)行擴(kuò)展、更新和發(fā)展，按需求變換品種，從而滿(mǎn)足多樣化的要求[1]。從我國(guó)目前整個(gè)武器裝備體系看， “三化”工作開(kāi)展的力度不夠， “三化”的整體水平不高，產(chǎn)品規(guī)格品種多、接口標(biāo)準(zhǔn)化程度低，多數(shù)具有相同功能的產(chǎn)品難以通用和互換。推進(jìn) “三化”，不僅能夠適應(yīng)武器裝備發(fā)展多樣化的需求，而且有利于縮減武器裝備的品種、規(guī)格，穩(wěn)定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，提高制造的重復(fù)性，促進(jìn)新工藝、新設(shè)備的應(yīng)用和專(zhuān)業(yè)化水平的提高，解決武器裝備多樣化需求和批量生產(chǎn)之間的矛盾[2][4]。

電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)是我國(guó)乃至當(dāng)代國(guó)際武器裝備發(fā)展的趨勢(shì)，以其高可靠、輕小型、低成本、免維護(hù)的突出優(yōu)勢(shì)逐漸取代了傳統(tǒng)的電液及燃?xì)馑欧到y(tǒng)。但是，我國(guó)電動(dòng)伺服技術(shù)起步較晚、基礎(chǔ)薄弱、 “三化”水平較低，受社會(huì)環(huán)境與技術(shù)水平的制約，電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期以來(lái)存在著零部件規(guī)格繁多、通用性差、保障維修困難等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重制約了我軍現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，大力發(fā)展產(chǎn)品 “三化”迫在眉睫。

1 機(jī)電作動(dòng)器的組成、結(jié)構(gòu)與分類(lèi)

1.1 機(jī)電作動(dòng)器的組成

電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)由機(jī)電作動(dòng)器、伺服控制驅(qū)動(dòng)器及伺服電纜網(wǎng)等組成。機(jī)電作動(dòng)器作為電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)中最重要的單機(jī)設(shè)備，承擔(dān)著位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使命，機(jī)電作動(dòng)器主要由伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu) （齒輪副+絲杠副）、殼體組件、位移傳感器、機(jī)械接口等組成，如圖1所示。機(jī)電作動(dòng)器的工作原理：在飛行過(guò)程中，電機(jī)接受指令并按照一定的轉(zhuǎn)速和方向旋轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為機(jī)電作動(dòng)器作動(dòng)桿的伸縮，實(shí)現(xiàn)位移或角度動(dòng)作。

圖1 機(jī)電作動(dòng)器結(jié)構(gòu)組成

1.2 機(jī)電作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)層次

為實(shí)現(xiàn) “三化”設(shè)計(jì)的模塊化要求，機(jī)電作動(dòng)器以功能劃分其組成，將機(jī)電作動(dòng)器劃分成如圖2所示的若干零部組件形式，規(guī)范各組件接口，待形成系列化后，可以大大提高機(jī)電作動(dòng)器的研制效率以及產(chǎn)品梯度。

圖2 機(jī)電作動(dòng)器零部組件組成圖

1.3 機(jī)電作動(dòng)器的分類(lèi)

根據(jù)不同的分類(lèi)方式，機(jī)電作動(dòng)器主要分為：①根據(jù)輸出形式分為直推式、旋轉(zhuǎn)式；②根據(jù)安裝方式分為兩端支耳安裝、殼體固定安裝；③根據(jù)傳動(dòng)方式分為齒輪傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)、絲杠傳動(dòng)等。

2 開(kāi)展機(jī)電作動(dòng)器 “三化”設(shè)計(jì)的意義與作用

開(kāi)展機(jī)電作動(dòng)器 “三化”設(shè)計(jì)可以：①減少重復(fù)勞動(dòng)，大大提高效率；②提高繼承性，保證可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量；③縮短研制周期，減少研制成本；④提高互換性，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用；⑤提高整體效益，利于長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

當(dāng)代電動(dòng)伺服技術(shù)的發(fā)展不僅需要繼承性，更需要?jiǎng)?chuàng)新性。繼承與創(chuàng)新是相輔相成的，繼承是為了高效地選用已有的成果，降低成本并縮短時(shí)間，創(chuàng)新是為了達(dá)到更高的性能要求而對(duì)以往的設(shè)計(jì)做出改進(jìn)與更新。兩者的目的都是為了更好更快設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。 “三化”設(shè)計(jì)是要解決電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)在一定范圍內(nèi)的共同要求，是對(duì)現(xiàn)有工作的總結(jié)與歸納，并適應(yīng)性的制定規(guī)范，以便于后續(xù)型號(hào)在選型上有一定的參考。對(duì)于有共性的零部組件可以直接選型采用，使質(zhì)量得以保證。但型號(hào)研制是具有特定戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的作戰(zhàn)需求的，因此，必須既要滿(mǎn)足其特殊要求，也要兼顧 “三化”的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在 “三化”設(shè)計(jì)的方針指導(dǎo)下，型號(hào)研制中的具有共同性的問(wèn)題及專(zhuān)業(yè)技術(shù)問(wèn)題需要由專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)師共同商討并協(xié)調(diào)解決。

3 機(jī)電作動(dòng)器 “三化”設(shè)計(jì)方案

多樣化、多研制、少生產(chǎn)是電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)也是 “三化”設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)與追求的目標(biāo)。機(jī)電作動(dòng)器的特點(diǎn)非常有利于機(jī)電作動(dòng)器的 “三化”設(shè)計(jì)的開(kāi)展。在開(kāi)展機(jī)電作動(dòng)器研制過(guò)程中，要最大限度的提高型號(hào)產(chǎn)品的 “三化”水平，在規(guī)劃和研制時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用 “三化”的零部組件，盡量選用優(yōu)先級(jí)器件。在滿(mǎn)足產(chǎn)品性能的前提下，盡可能降低零部件的類(lèi)型和數(shù)量，以降低產(chǎn)品的復(fù)雜程度，提高產(chǎn)品的可靠性，具體的 “三化”設(shè)計(jì)方案如下。

a）機(jī)電作動(dòng)器作為具有獨(dú)立功能的電動(dòng)伺服系統(tǒng)單機(jī)，主要輸出形式有旋轉(zhuǎn)式和直線式，具體設(shè)計(jì)輸入有最大輸出負(fù)載 （力）、輸出行程（角度）、有無(wú)制動(dòng)功能等要求。對(duì)此，制定機(jī)電作動(dòng)器產(chǎn)品代號(hào)的命名規(guī)則，將作動(dòng)器典型參數(shù)通過(guò)特定組成，形成單機(jī)代號(hào)。

對(duì)于實(shí)現(xiàn)通用化的機(jī)電作動(dòng)器單機(jī)，后續(xù)編寫(xiě)機(jī)電作動(dòng)器設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)規(guī)范、技術(shù)條件模板等標(biāo)準(zhǔn)性文件。待形成一定體量后，編制機(jī)電作動(dòng)器型譜，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)總體需求，擇優(yōu)選取現(xiàn)有產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)機(jī)電作動(dòng)器的通用化，以此降低設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理成本。

b）將機(jī)電作動(dòng)器按照不同的功能劃分為不同的模塊：電機(jī)模塊、傳動(dòng)組件模塊、接口組件模塊、直線位移傳感器模塊。

“電機(jī)模塊”作為能源轉(zhuǎn)換裝置，把電池的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，是機(jī)電作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)裝置。針對(duì)已有型號(hào)采用的電機(jī)，將機(jī)械接口進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并形成型譜，方便后續(xù)選用；固化電氣接口，實(shí)現(xiàn)電氣接口的通用化；制定電機(jī)機(jī)械外形圖模板，明確關(guān)注的尺寸和公差。

“傳動(dòng)組件模塊”又分為齒輪副組件模塊和滾珠絲杠副組件模塊。其中， “齒輪副模塊”作為一個(gè)獨(dú)立的單元進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及試驗(yàn)，有利于研究齒輪副對(duì)機(jī)電作動(dòng)器零位偏差、回程間隙、控制精度的影響。以齒輪副模數(shù)、減速比、承載能力等重要參數(shù)為基準(zhǔn)，形成系列化和模塊化，規(guī)范齒輪副的接口，實(shí)現(xiàn)與其它組件的快速選配。 “滾珠絲杠副模塊”作為外購(gòu)件，亟需制定詳細(xì)規(guī)范的技術(shù)要求，并規(guī)范絲杠副與齒輪、軸承的接口，既可實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確完整的對(duì)外溝通，又能實(shí)現(xiàn)絲杠副的通用化使用。

“接口組件模塊”分為固定支耳組件模塊和螺栓件組件模塊。這兩部分組件模塊也可根據(jù)接口進(jìn)行規(guī)范化，統(tǒng)一尺寸和規(guī)格，達(dá)到穩(wěn)定質(zhì)量、降低成本的目的。機(jī)電作動(dòng)器接口按功能分為機(jī)械接口、電氣接口，按位置關(guān)系分為外部接口、內(nèi)部接口。針對(duì)機(jī)電作動(dòng)器接口的系列化、模塊化設(shè)計(jì)，需要收集整理現(xiàn)有型號(hào)作動(dòng)器的外部機(jī)械接口、內(nèi)部機(jī)械接口形成系列，制定接口設(shè)計(jì)模板，并制定相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范。

“直線位移傳感器模塊”用于測(cè)量機(jī)電作動(dòng)器的直線行程，是機(jī)電作動(dòng)器不可或缺的部件。把傳感器作為通用件進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理，形成選型目錄，制定技術(shù)要求模板及規(guī)范。

c）機(jī)電作動(dòng)器物料包括直屬件、標(biāo)準(zhǔn)件、外購(gòu)件、輔料等。其中， “直屬件”包括殼體、作動(dòng)筒、固定支耳件、螺栓件、齒輪等； “標(biāo)準(zhǔn)件”包括螺釘、鋼絲螺套、平墊、彈墊、螺母等； “外購(gòu)件”包括電機(jī)、滾珠絲杠副、電位器、軸承、連接器等； “輔料”包括潤(rùn)滑脂、螺紋膠、硅橡膠、熱縮管、漆、不銹鋼絲等。對(duì)于機(jī)電作動(dòng)器各物料的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)要求等信息，統(tǒng)一規(guī)范，形成選用目錄，減少物料種類(lèi)，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)和快速采購(gòu)的目的。

4 做好機(jī)電作動(dòng)器 “三化”管理工作

機(jī)電作動(dòng)器是電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)中的重要單機(jī)設(shè)備，而電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)又是未來(lái)武器裝備的發(fā)展趨勢(shì)，其 “三化”工作勢(shì)在必行。電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)正朝著多平臺(tái)、多用途、系列化、模塊化、低成本、高效率、高可靠的方向發(fā)展，同時(shí)要求降低研制風(fēng)險(xiǎn)、縮短研制周期、節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)，全面提升其可靠性、維修性和保障性等綜合性能。但 “三化”設(shè)計(jì)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，不可能一蹴而就，需要在工程實(shí)踐中不斷更新和完善。

在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行 “三化”實(shí)施的過(guò)程中，除了要求設(shè)計(jì)師對(duì) “三化”工作的思考和設(shè)計(jì)外，也需要加強(qiáng)管理部門(mén)對(duì) “三化”過(guò)程的監(jiān)督管理。

a）要充分發(fā)揮質(zhì)量部門(mén)對(duì)體系的監(jiān)督管理與實(shí)施落地的作用，在研制的各個(gè)環(huán)節(jié)中，按標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量等有關(guān)規(guī)定對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行 “三化”審查，對(duì)不符合規(guī)定的，一律駁回并按 “三化”要求進(jìn)行修改。

b）組織多種形式的 “三化”培訓(xùn)，尤其是“三化”的基本概念、 “三化”的重要性和必要性、 “三化”如何落實(shí)等相關(guān)文件的宣貫等，內(nèi)容需要多方面、全方位，讓參與產(chǎn)品研制的所有設(shè)計(jì)人員和管理人員從深層次上認(rèn)識(shí)到 “三化”設(shè)計(jì)的精髓。

c）發(fā)揮 “三化”設(shè)計(jì)人員的作用，除制定“三化”方案、編制 “三化”規(guī)范外，還應(yīng)在研制階段參與方案的評(píng)審及設(shè)計(jì)文件的會(huì)簽，監(jiān)督“三化”的落實(shí)情況，確保 “三化”設(shè)計(jì)不是空洞的形式，而是實(shí)在的行動(dòng)。

我們肩負(fù)著關(guān)系國(guó)家命脈的電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的研制生產(chǎn)任務(wù)，為了更快更好地加快國(guó)家發(fā)展以及趕超國(guó)際水平的需要， “三化”設(shè)計(jì)是電動(dòng)伺服型號(hào)研制中的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，“三化”工作的好壞將直接影響型號(hào)產(chǎn)品的質(zhì)量，只有全體設(shè)計(jì)人員、管理人員將 “三化”工作貫穿到整個(gè)研制過(guò)程，才能創(chuàng)造出最優(yōu)的 “三化”設(shè)計(jì)成果，研制出軍方滿(mǎn)意的電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)。