高度集成分段電阻膜位移測量裝置設(shè)計

徐佳佳，李夢雪，李丹佳，郭薇妮，熊偉

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

0 前言

位移測量裝置是伺服系統(tǒng)的重要反饋裝置，主要用于伺服機(jī)構(gòu)位移測量并參與反饋。位移測量裝置種類繁多，包括電位計式、電容式、磁致伸縮式等，其中電位計式位移測量裝置以結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等特點被廣泛應(yīng)用于航空航天伺服系統(tǒng)。

電位計式位移測量裝置是將位移轉(zhuǎn)換為與之呈線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓作為輸出量的裝置。由于航天伺服技術(shù)的飛速發(fā)展，對位移測量裝置各方面的需求越來越多，通常需要在安裝空間緊湊、嚴(yán)格限制輸入電壓幅值的條件下，還要保證輸出電壓滿足系統(tǒng)使用要求。傳統(tǒng)電位計式位移測量裝置多為一段式電阻膜結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)形式的限制，系統(tǒng)中需額外設(shè)計電源變換電路，增加了設(shè)計的復(fù)雜性，也提高了成本，不利于系統(tǒng)的使用。因此，為解決系統(tǒng)給定的輸入電壓與測量裝置所需的電源電壓不匹配問題，在既不增加多余的電源變換電路，又滿足空間尺寸要求的條件下，提出一種高度集成分段電阻膜位移測量裝置。

該裝置采用在有效電氣行程外串聯(lián)印制同系列不同方阻配方比電阻膜的設(shè)計方案，通過分壓原理實現(xiàn)電壓變換功能，進(jìn)而在嚴(yán)格限制空間尺寸和輸入電壓時滿足系統(tǒng)輸出特性要求。該測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、集成化程度高，適合系列化設(shè)計和生產(chǎn)，同時便于與伺服機(jī)構(gòu)集成化設(shè)計，能夠滿足系統(tǒng)更為嚴(yán)格的使用條件。

1 高度集成分段電阻膜位移測量裝置原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 高度集成分段電阻膜位移測量裝置工作原理

文中所述高度集成分段電阻膜位移測量裝置原理如圖1所示。以電壓零點(位移零點)為中心，左側(cè)為負(fù)向電氣行程電阻膜和負(fù)向電源變換電阻膜，右側(cè)為正向電氣行程電阻膜和正向電源變換電阻膜，正向電阻膜與負(fù)向電阻膜對稱。負(fù)/正向電氣行程為，該電阻膜的電阻率為；負(fù)/正向電源變換電阻膜長度為，該電阻膜的電阻率為；該裝置給定輸入電壓為-～+，所需輸出電壓為-～+。當(dāng)測量裝置的電刷位移為時，其對應(yīng)的輸出電壓為。

圖1 高度集成分段電阻膜位移測量裝置原理

根據(jù)基爾霍夫定律可知：

(1)

其中:、、分別為負(fù)/正電氣行程電阻值、負(fù)/正電源變換電阻值、位移對應(yīng)電阻膜對應(yīng)的電阻值。則有輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系如下：

(2)

由于：

(3)

則公式(2)可變化為

(4)

根據(jù)公式(4)可知，當(dāng)伺服機(jī)構(gòu)配套位移測量裝置安裝空間緊湊、輸入電壓幅值有嚴(yán)格限制時，通過控制兩段電阻膜的電阻率和電阻膜的長度可在給定輸入電壓下，得到系統(tǒng)所需的輸出電壓。由于安裝空間的限制直接影響電阻膜長度，分段電阻膜位移測量裝置設(shè)計為>，相比于傳統(tǒng)一段式電阻膜產(chǎn)品=的情況，該分段電阻膜位移測量裝置所需的總行程較小，減小了產(chǎn)品的機(jī)械尺寸。因此，此設(shè)計方法既能解決系統(tǒng)給定的輸入電壓和測量裝置輸出電壓不匹配問題，又滿足空間尺寸要求。

1.2 高度集成分段電阻膜位移測量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

高度集成分段電阻膜位移測量裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由電阻組件和電刷組件組成。其中，電阻組件安裝于伺服機(jī)構(gòu)作動器的殼體上；電刷組件安裝于滾珠絲杠上，通過滾珠絲杠帶動電刷運動拾取與伺服作動器位移一致的電壓，反饋給系統(tǒng)控制器，從而實現(xiàn)位移的測量及反饋功能。

圖2 位移測量裝置結(jié)構(gòu)示意

如圖2所示，電阻組件主要由骨架、電氣行程電阻膜、電源變換電阻膜、導(dǎo)電條等組成。其中，電阻膜分為兩部分，負(fù)向電氣行程電阻膜、正向電氣行程電阻膜為電氣行程電阻膜，負(fù)向電源變換電阻膜、正向電源變換電阻膜為電源變換電阻膜。兩段電阻膜為印制導(dǎo)電塑料成型，采用同系列不同方阻配方比的漿料分段印制到骨架上，電阻膜之間通過連接銀帶連接，確保電阻膜間良好的導(dǎo)通性。為減小位移測量裝置體積并保證無多余浮動導(dǎo)線，與電阻膜平行印制導(dǎo)電條。

電刷組件由刷握和電刷組成，電刷通過螺釘固定在刷握上。其中，電刷采用鈀銥合金絲電阻點焊而成，富有彈性，在受振動、沖擊的情況下，能可靠地與電阻膜接觸。最佳電刷壓縮量的選取既能在各種力學(xué)環(huán)境下穩(wěn)定地拾取輸出電壓又能確保電阻膜具有足夠的使用壽命。

為適應(yīng)伺服系統(tǒng)不同采集范圍的需求，在嚴(yán)格限制機(jī)械尺寸時，通過改變電源變換電阻膜漿料的方阻配方比來滿足系統(tǒng)輸出需求，產(chǎn)品適應(yīng)性更強(qiáng)。

1.3 高度集成分段電阻膜印制及修刻工藝設(shè)計

對于分段電阻膜位移測量裝置，電阻膜印制和修刻工藝直接影響測量裝置的電阻值、線性度及精度等性能指標(biāo)以及制造效率。本文作者對所涉及的高度集成分段電阻膜位移測量裝置的電阻膜印制及修刻工藝進(jìn)行設(shè)計。采用電氣行程電阻膜和電源變換電阻膜兩次印制、兩次修刻的方法，分別滿足測量裝置有效行程內(nèi)的性能指標(biāo)和分壓需求。首先，進(jìn)行測量裝置電阻膜兩次印制。電氣行程電阻膜印制是位移測量裝置的重要組成部分，其方阻應(yīng)滿足測量裝置初始阻值及初始線性度要求，初始印制質(zhì)量為測量裝置最終性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)使用要求打下基礎(chǔ)；然后，進(jìn)行電源變換電阻膜印制，為不同方阻電阻膜分壓，主要為滿足電壓變換需求，為實現(xiàn)電源變換打下基礎(chǔ)。

為進(jìn)一步確保測量裝置的各項參數(shù)指標(biāo)滿足系統(tǒng)的測試、反饋精度要求，電阻膜印制完成后，進(jìn)行電阻膜兩次修刻。電氣行程電阻膜修刻，確保測量裝置最終電阻值、線性度等滿足系統(tǒng)使用要求；電源變換電阻膜修刻，實現(xiàn)準(zhǔn)確的電源電壓變換功能，進(jìn)而保證所需輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖3所示為文中設(shè)計的測量裝置電阻膜分段印制和修刻工藝主要路線。在絕緣板機(jī)體上進(jìn)行位置測量裝置骨架區(qū)域劃分和基本特征加工，為后續(xù)批量印制打下基礎(chǔ)，以提高位移測量裝置的批量生產(chǎn)效率。骨架機(jī)加成形后，配置銀漿，銀漿主要由銀粉、石墨、樹脂等構(gòu)成。通過銀帶印制模具印制銀帶，銀帶印制部位如圖4(a)所示，主要包括銀端頭、連接銀帶、中心抽頭和導(dǎo)電條等部位，經(jīng)125 ℃預(yù)聚合后銀帶印制完成。配置電阻漿料1用于電氣行程電阻膜的印制，印制部位如圖4(b)所示，考慮到電阻膜的修刻，初始阻值一般低于最終要求阻值，經(jīng)230 ℃主聚合后電氣行程電阻膜印制完成。配置電阻漿料2，用于電源變換電阻膜的印制，印制部位如圖4(c)所示，電阻漿料2采用與電阻漿料1同系列不同方阻配方比的漿料。一般情況下，由于安裝空間的限制，設(shè)計為>。由公式(4)可知，在已知、、、的情況下，通過系統(tǒng)要求的輸出電壓即可確定分壓電阻，進(jìn)而確定漿料的方阻配方。同樣，經(jīng)230 ℃主聚合后電源電源變換電阻膜印制完成。進(jìn)行導(dǎo)電條電阻膜印制，主要用于提高導(dǎo)電條的耐磨性。

圖3 高度集成分段電阻膜印制及修刻工藝主要路線

圖4 電阻膜分段印制過程

電阻膜印制完成后，產(chǎn)品進(jìn)入修刻工藝。對電氣行程電阻膜進(jìn)行線性修刻，如圖5(a)所示，主要通過自動修刻機(jī)完成；對電源變換電阻膜進(jìn)行修刻，如圖5(b)所示，保證輸出電壓的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

圖5 電阻膜修刻過程

電阻膜修刻完成后，經(jīng)過導(dǎo)線連接和修整，即可進(jìn)行綜合測試，包括電阻值、線性度等指標(biāo)。

2 高度集成分段電阻膜位移測量裝置試驗與分析

2.1 試驗約束條件

某設(shè)備配套移傳感器需安裝于長75 mm、寬32 mm的空間內(nèi)，輸入電壓為±15 V，電氣行程為±(30±0.5) mm，線性度不大于0.5%，總阻值為(3 000±300) Ω，則要求電刷移動到機(jī)械行程±28 mm處的輸出電壓為±(10±0.05) V。

2.2 高度集成分段電阻膜位移測量裝置設(shè)計

根據(jù)上述約束條件，若采用傳統(tǒng)一段式電阻膜結(jié)構(gòu)，±15 V輸入電壓在沒有電源變換的情況下直接施加在測量裝置的電阻組件上，則在±28 mm機(jī)械行程外需分別增加約14 mm的相同配方比的電阻膜，則總電阻膜長度約84 mm，而總安裝長度約75 mm，基本無法滿足機(jī)械安裝長度。因此，采用文中所述的高度集成分段電阻膜位移測量裝置設(shè)計方法，若在有效電氣行程電阻膜兩端串聯(lián)印制5 mm的高電阻率電阻膜進(jìn)行分壓，需將±15 V電壓直接轉(zhuǎn)換成測量裝置所需的±10 V電源電壓，這樣通過自身的分壓作用，實現(xiàn)電壓變換功能，既滿足系統(tǒng)輸出電壓±(10±0.05)V的要求，又能解決產(chǎn)品安裝空間問題。其中，通過電阻值(3 000±300)Ω和分壓阻值即可確定有效電氣行程電阻膜和電源變換電阻膜的漿料配方比進(jìn)行印制，印制完成后進(jìn)行修刻以保證產(chǎn)品最終電阻值、線性度等指標(biāo)滿足系統(tǒng)使用要求。圖6所示為按文中方法所設(shè)計的高度集成分段電阻膜位移測量裝置實物。

圖6 高度集成分段電阻膜位移測量裝置實物及修刻痕跡放大圖

2.3 測試結(jié)果及分析

為驗證文中所述分段電阻膜位移測量裝置的有效性，從中心抽頭向兩側(cè)滑動，每間隔2 mm采集一次輸出電壓，記錄下整個有效行程內(nèi)每點的電壓值，結(jié)果如表1所示?？梢姡灰茰y量裝置有效行程內(nèi)兩端點輸出電壓分別為-9.98、10.01 V，在±15 V輸入電壓下已實現(xiàn)電壓變換功能。其變換后兩端點輸出電壓與理想電壓相比最大偏差為20 mV，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)給定的50 mV偏差的設(shè)計要求。

表1 產(chǎn)品各點電壓值統(tǒng)計

電阻膜印制后得到的初始線性度約為1%～1.5%，采用線性修刻的方法，對電阻膜逐點(2 mm一點)進(jìn)行修刻，實現(xiàn)電阻膜電位輸出隨產(chǎn)品電刷位移距離呈線性函數(shù)變化，從而使產(chǎn)品線性度控制在0.5%以內(nèi)。通過實測值分析，其線性度良好，且最大線性度為0.33%。圖7所示為實際測量數(shù)據(jù)絕對線性示意圖。

圖7 實際測量數(shù)據(jù)絕對線性示意

該設(shè)計克服了傳統(tǒng)一段式位移測量裝置采用線性增加電阻膜長度導(dǎo)致產(chǎn)品過長無法正常安裝而額外增加電源變換電路的難題，為系統(tǒng)的使用提供了極大的便利。

3 結(jié)束語

本文作者通過理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及工藝設(shè)計，設(shè)計了一種高度集成分段式位移測量裝置，并通過試驗證明了設(shè)計的有效性。

該設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、電壓變換簡便，具有良好的線性度等特性，克服了傳統(tǒng)位移測量裝置的局限性，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。