一體化航天伺服機(jī)電組件用行星滾柱絲杠研究

彭之春，徐 克，孫耀程

(1.中國航天科工南京晨光集團(tuán)，南京 210012；2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

航天伺服機(jī)構(gòu)為滿足軍事設(shè)備的小型化、高可靠性、高強(qiáng)度、高剛度要求，采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方案，如滾柱絲杠與電機(jī)一體化、諧波減速器與電機(jī)一體化、行星齒輪傳動(dòng)與電機(jī)一體化，可以將行星滾柱絲杠與電機(jī)結(jié)合應(yīng)用到精密伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中[1-3]。根據(jù)需求，設(shè)計(jì)了電機(jī)與行星滾柱絲杠一體化的機(jī)電組件，如圖1所示。

圖1 機(jī)電組件

現(xiàn)階段，行星滾柱絲杠的性能指標(biāo)參照滾柱絲杠的參數(shù)指標(biāo)，主要有傳動(dòng)精度、動(dòng)載荷、靜載荷等，而這些參數(shù)指標(biāo)不能滿足對(duì)于航天一體化機(jī)電組件的行星滾柱絲杠的高可靠性要求。本文設(shè)計(jì)了一RV10×2行星滾柱絲杠副，并研究該行星滾柱絲杠副的綜合性能評(píng)價(jià)方法，對(duì)綜合性能進(jìn)行試驗(yàn)，探究航天用滾柱絲杠的性能評(píng)價(jià)方法的有效性。

1 RV10×2行星滾柱絲杠副設(shè)計(jì)

RV10×2行星滾柱絲杠副指標(biāo)：絲杠行程35 mm，額定推力3 000 N，傳動(dòng)精度0.02 mm，導(dǎo)程2 mm。

1.1 運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析

行星滾柱絲杠副的工作原理與行星齒輪機(jī)構(gòu)類似。典型行星齒輪機(jī)構(gòu)，如圖2所示，由作為主動(dòng)件的太陽輪、作為從動(dòng)件的行星架、行星輪以及固定的齒圈等組成。

圖2 行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

行星滾柱絲杠副的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖3所示，滾柱螺紋同時(shí)與絲杠外螺紋和螺母內(nèi)螺紋進(jìn)行嚙合，等效于行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，絲杠s是太陽輪，保持架H是系桿，滾柱r是行星輪，螺母n是齒圈。

圖3 行星滾柱絲杠副運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖

ds表示絲杠在接觸點(diǎn)的直徑，dr表示滾柱在接觸點(diǎn)的直徑，dn代表螺母在接觸點(diǎn)的直徑，dm表示滾柱的公轉(zhuǎn)直徑。當(dāng)絲杠作為主動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾柱沿螺母上的內(nèi)螺紋表面滾動(dòng)，猶如滾柱軸承的滾柱運(yùn)動(dòng)一樣。但是滾柱的運(yùn)動(dòng)需要滿足下列兩個(gè)要求：

(a)滾柱相對(duì)于螺母運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾柱不自行從螺母中旋出，而是使螺母隨滾柱沿絲杠作軸向移動(dòng)。

(b)滾柱繞絲杠既作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生相對(duì)于絲杠的軸向運(yùn)動(dòng)。

1.2 總體結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)型行星滾柱絲杠副的設(shè)計(jì)路線圖如圖4所示。首先選取絲杠、滾柱中徑，根據(jù)行星滾柱絲杠副的螺紋傳動(dòng)關(guān)系，計(jì)算出絲杠和螺母頭數(shù)；再根據(jù)行星運(yùn)動(dòng)關(guān)系和齒輪嚙合原理校核絲杠、滾柱、螺母的基本尺寸，計(jì)算滾柱兩端的行星齒輪及螺母上齒圈的基本參數(shù)；最后對(duì)絲杠副相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)過程

對(duì)絲杠、滾柱和螺母主體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算后，為了保證滾柱絲杠副的裝配和正常工作，滾柱絲杠副還必須包含銷釘、保持架和擋圈等附屬部件，在滾柱兩端還需要加工齒輪，與螺母的齒圈進(jìn)行嚙合。附屬部件是為適應(yīng)主要部件的結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的。RV10×2行星滾柱絲杠副的結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示。

圖5 RV10×2行星滾柱絲杠副結(jié)構(gòu)尺寸圖

2 行星滾柱絲杠綜合性能評(píng)價(jià)方法研究

行星滾柱絲杠是航天伺服機(jī)電組件的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換[4-5]。依據(jù)航天舵機(jī)系統(tǒng)工作需求和行星滾柱絲杠副的特點(diǎn)，提出行星滾柱絲杠綜合性能的測試項(xiàng)目及要求，為行星滾柱絲杠副的綜合性能評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

行星滾柱絲杠副性能測試主要有四個(gè)方面：行星滾柱絲杠副的精度特性測試，包含滾柱絲杠的定位精度、重復(fù)定位精度及反向間隙測試[6]；行星滾柱絲杠副的傳動(dòng)特性測試，包含滾柱絲杠副的傳動(dòng)效率、摩擦力矩的檢測；行星滾柱絲杠副的承載特性檢測，包括額定靜載荷試驗(yàn)及剛性檢測；行星滾柱絲杠副的運(yùn)動(dòng)特性檢測，包括振動(dòng)及溫升。

航天伺服機(jī)電組件具有傳動(dòng)精度要求高、傳動(dòng)效率高、承載能力大的特點(diǎn)。傳動(dòng)精度直接影響航天飛行器的飛行姿態(tài)及運(yùn)行軌跡，是航天飛行器用機(jī)電組件的關(guān)鍵參數(shù)之一；傳動(dòng)效率關(guān)系到航天伺服機(jī)電組件克服負(fù)載的能力，是航天飛行器用機(jī)電組件的重要參數(shù)；行星滾柱絲杠副的承載能力是機(jī)電組件的基本參數(shù)，也是機(jī)電組件功能實(shí)現(xiàn)的必備性能。當(dāng)行星滾柱絲杠副在大負(fù)載工況下工作后，行星滾柱絲杠副綜合性能的檢驗(yàn)條件為螺紋精度，主要包括單牙誤差、全程誤差、牙底倒角。航天伺服機(jī)電組件工作時(shí)間短、傳動(dòng)精度高，行星滾柱絲杠副的運(yùn)動(dòng)特性如振動(dòng)、溫升不是機(jī)電組件功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素，所以運(yùn)動(dòng)特性不作為行星滾柱絲杠副的必須檢測指標(biāo)。

因此，傳動(dòng)精度、傳動(dòng)效率、承載能力是航天伺服機(jī)電組件用行星滾柱絲杠副的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 行星滾柱絲杠性能試驗(yàn)

根據(jù)行星滾柱絲杠綜合性能評(píng)價(jià)方法的研究，對(duì)某型機(jī)電組件用RV10×2行星滾柱絲杠的傳動(dòng)精度、傳動(dòng)效率、承載能力進(jìn)行檢測。

3.1 行星滾柱絲杠傳動(dòng)精度試驗(yàn)

傳動(dòng)間隙是航天伺服舵機(jī)用行星滾柱絲杠的重要參數(shù)之一，直接關(guān)系到航天飛行器的飛行軌跡，因此，傳動(dòng)精度為該型滾柱絲杠的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

傳動(dòng)間隙是指行程內(nèi)以某位置為基準(zhǔn)位置向同一方向運(yùn)行一段距離后，再反向運(yùn)行同樣的距離，螺母最后停止位置與基準(zhǔn)位置的差值。

利用綜合性能試驗(yàn)臺(tái)和激光干涉儀測量滾柱絲杠的定位精度。在定位精度和重復(fù)定位精度測量時(shí)，對(duì)每個(gè)目標(biāo)位置分別正反向各趨近1次，測量原理如圖6所示。選擇激光干涉儀內(nèi)置的國標(biāo)精度算法，可直接得出行星滾柱絲杠副的定位精度、重復(fù)定位精度和反向間隙，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 行星滾柱絲杠副精度檢測原理

表1 傳動(dòng)精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 (單位：mm)

3.2 行星滾柱絲杠承載能力試驗(yàn)

載荷試驗(yàn)臺(tái)由液壓加載系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)三部分組成。載荷試驗(yàn)裝置如圖7所示，主要包括伺服電機(jī)、絲杠連接工裝、螺母連接工裝、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、拉壓力傳感器和液壓缸等。

圖7 載荷試驗(yàn)臺(tái)

1)最大靜載荷測試

在載荷試驗(yàn)臺(tái)上，測試絲杠副的最大靜載荷。測試流程：通過液壓缸沿行星滾柱絲杠副軸向施加最大靜載荷，根據(jù)拉壓力傳感器讀取絲杠副軸向負(fù)載數(shù)據(jù)，當(dāng)軸向力達(dá)到施加載荷設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行壓力卸載。加載試驗(yàn)結(jié)束后，檢測絲杠副的螺紋變形量及絲杠的行程誤差。滾柱絲杠副的最大靜載荷數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 行星滾柱絲杠副最大靜載荷數(shù)據(jù)表 單位:N

檢測結(jié)果顯示，行星滾柱絲杠副在不同位置的最大靜載值均超過6 000N，能夠滿足額定推力3 000N的設(shè)計(jì)要求。

2)動(dòng)載效率試驗(yàn)

在動(dòng)載效率試驗(yàn)中，同時(shí)記錄絲杠副功率輸入端的輸入轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值和功率輸出端的載荷數(shù)值，可以計(jì)算得到絲杠副的傳動(dòng)效率。行星滾柱絲杠動(dòng)載效率試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)均需要做拉力承載和壓力承載試驗(yàn)。

式中：η為效率，T為轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)a為拉力或壓力，Ph為絲杠導(dǎo)程。

測試中，通過拉壓力傳感器與力矩傳感器的讀數(shù)可以得到載荷Fa和轉(zhuǎn)矩T的測試結(jié)果，代入上述公式即可計(jì)算該絲杠的傳動(dòng)效率η，數(shù)據(jù)如表1所示。

表3 行星滾柱絲杠副動(dòng)載效率數(shù)據(jù)表

行星滾柱絲杠承載能力試驗(yàn)結(jié)束后，絲杠副運(yùn)動(dòng)靈活、無卡滯現(xiàn)象。

3.3 行星滾柱絲杠螺紋精度檢測

一般來講，行星滾柱絲杠的精度特性檢測只是傳動(dòng)精度，為行星滾柱絲杠副的宏觀精度，但對(duì)于行星滾柱絲杠副螺紋的微觀精度性能沒有過多關(guān)注。

用萬能工具顯微鏡，如圖8所示，對(duì)絲杠副的螺紋牙型及行程誤差進(jìn)行檢測。行星滾柱絲杠副的負(fù)載主要由螺紋副傳遞，對(duì)行星滾柱絲杠副傳動(dòng)精度檢測的同時(shí)，檢測行星滾柱絲杠副的螺紋牙及行程誤差，可以更好地評(píng)價(jià)行星滾柱絲杠副的綜合性能。

圖8 萬能工具顯微鏡

對(duì)負(fù)載試驗(yàn)后的絲杠螺紋進(jìn)行檢測，結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)后牙形無塑性變形(壓痕)，絲杠單牙及全程誤差均滿足要求，絲杠和螺母間的運(yùn)動(dòng)無明顯卡滯現(xiàn)象，符合設(shè)計(jì)要求。

表4 絲杠螺紋檢測結(jié)果數(shù)據(jù)表

檢測結(jié)果顯示，絲杠螺紋的單牙及全程誤差最大不超過0.005mm，遠(yuǎn)小于整體傳動(dòng)精度0.02mm的指標(biāo)要求，對(duì)傳動(dòng)精度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供有力的支撐。

4 結(jié) 語

(1)根據(jù)行星滾柱絲杠副的運(yùn)動(dòng)關(guān)系、總體結(jié)構(gòu)匹配，設(shè)計(jì)了RV10×2行星滾柱絲杠副。

(2)根據(jù)航天舵機(jī)的實(shí)際工況，對(duì)航天舵機(jī)機(jī)電組件用行星滾柱絲杠的綜合性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，行星滾柱絲杠的傳動(dòng)精度、傳動(dòng)效率、承載能力為航天伺服機(jī)電組件用行星滾柱絲杠副的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(3)對(duì)RV10×2行星滾柱絲杠副性能進(jìn)行檢測，符合設(shè)計(jì)要求；另外，應(yīng)用RV10×2型行星滾柱絲杠的機(jī)電組件已通過總體的各項(xiàng)試驗(yàn)，絲杠行程達(dá)到35 mm，額定推力超過3 000 N，組件整體重復(fù)定位精度小于0.02 mm,滿足要求。