輕量化二維指向調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

曲華杰，黎 明，張立華，曲建俊

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；2.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100086）

1 引言

目前各國(guó)正在研制新一代單體大孔徑角錐激光反射器，以減小測(cè)距誤差[1]。但是，當(dāng)進(jìn)行地月測(cè)距時(shí)，如果地面發(fā)射的激光入射角發(fā)生偏斜，就會(huì)造成激光回射功率的減小并產(chǎn)生附加光程差，因此研制新一代激光反射器用地月二維指向調(diào)整機(jī)構(gòu)十分必要[2]。中大型空間指向調(diào)整機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)外已有一些研究[3?4]。隨著微納衛(wèi)星發(fā)展，對(duì)小型輕量化指向機(jī)構(gòu)需求日益增加，各國(guó)開始選用新型電機(jī)來(lái)研究機(jī)構(gòu)的輕量化和小型化[5]，在滿足調(diào)整功能要求的前提下實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的高精度和輕量化設(shè)計(jì)成為重點(diǎn)研究方向[6]。拓?fù)鋬?yōu)化和有限元強(qiáng)度法是常用的機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法[7?8]，它們主要針對(duì)機(jī)構(gòu)本身的質(zhì)量和尺寸，以及支撐方式等進(jìn)行優(yōu)化[9]，很少涉及機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)源。為了設(shè)計(jì)一種直接驅(qū)動(dòng)高精度輕量化指向機(jī)構(gòu)，超聲電機(jī)是首選驅(qū)動(dòng)源。但是，如何利用小型的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)較大質(zhì)量的反射器是值得研究的。

這里以設(shè)計(jì)新一代激光反射器二維指向調(diào)整機(jī)構(gòu)為研究目標(biāo)，研究輕量化二維指向調(diào)整機(jī)構(gòu)質(zhì)心平衡設(shè)計(jì)法及評(píng)價(jià)指標(biāo)，推導(dǎo)2級(jí)調(diào)整機(jī)構(gòu)負(fù)載力矩表達(dá)式，確定質(zhì)心位置及變化域，研制原理性樣機(jī)，旨在實(shí)現(xiàn)二維指向調(diào)整機(jī)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。

2 二維指向調(diào)整機(jī)構(gòu)的質(zhì)心平衡設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法

提出以機(jī)構(gòu)的載重比Q作為機(jī)構(gòu)輕量化的衡量，定義為式（1），載重比為機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的質(zhì)量和機(jī)構(gòu)自身的質(zhì)量之比：

式中：mf—負(fù)載質(zhì)量；mj—機(jī)構(gòu)質(zhì)量。

Q的值越大代表機(jī)構(gòu)的越輕盈，經(jīng)計(jì)算很多空間指向調(diào)整機(jī)構(gòu)的Q值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，以中國(guó)科學(xué)院某設(shè)計(jì)的星載太陽(yáng)指向器為例，其載重比Q值為0.24。在這里不妨以Q值能否大于1作為機(jī)構(gòu)的輕量化分界標(biāo)準(zhǔn)。

指向調(diào)整機(jī)構(gòu)主要包括驅(qū)動(dòng)源和機(jī)構(gòu)，欲實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，就要盡可能減小每個(gè)組成部件的質(zhì)量，因此機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)源的選擇和構(gòu)型方案的設(shè)計(jì)就是關(guān)鍵技術(shù)。這里提出驅(qū)動(dòng)源（電機(jī)）的選擇原則為：在滿足驅(qū)動(dòng)性能要求的基礎(chǔ)上，選擇質(zhì)量最輕的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為機(jī)構(gòu)動(dòng)力源。在機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)中，提出二維指向機(jī)構(gòu)質(zhì)心平衡設(shè)計(jì)法，通過(guò)負(fù)載自身質(zhì)量的平衡，減小電機(jī)負(fù)載力矩的大小，從而選擇小尺寸型號(hào)電機(jī)以及優(yōu)化匹配部件尺寸，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的小型化和輕量化。

2.2 輕量化驅(qū)動(dòng)源的確定

選擇兩類驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其性能比較，如表1所示。從表1可見，在指向機(jī)構(gòu)要求的性能指標(biāo)上，超聲電機(jī)（USM）具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，選擇超聲電機(jī)作為機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)源。

超聲電機(jī)除具有表1優(yōu)點(diǎn)外，還具有電磁兼容性好、響應(yīng)快、適合太空環(huán)境等特點(diǎn)，可以很好地匹配機(jī)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，其斷電自鎖的性能避免增加鎖緊機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了整機(jī)復(fù)雜度，減輕了機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，如表1所示。

表1 兩種驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能比較Tab.1 Performance of Two Kinds of Drive Motors

以質(zhì)心平衡為設(shè)計(jì)理論，基于超聲電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)了機(jī)構(gòu)方案，選擇俯仰?方位型調(diào)整方式，用L板連接負(fù)載和電機(jī)，編碼器為角度檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)二維指向調(diào)整。設(shè)支架底平面與水平面夾角為β，考慮支架不水平放置的一般情況，二維指向調(diào)整機(jī)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 二維指向調(diào)整機(jī)構(gòu)模型Fig.1 Model of Two?Dimensional Pointing Adjustment Mechanism

該方案組成部件包括：俯仰超聲電機(jī)、方位超聲電機(jī)、俯仰L板、方位L板和兩個(gè)編碼器以及支架等。采用俯仰超聲電機(jī)和方位超聲電機(jī)分別對(duì)指向調(diào)整機(jī)構(gòu)的俯仰角和方位角進(jìn)行角度調(diào)整，充分利用超聲電機(jī)性能特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)所有功能。

該方案的特點(diǎn)是整機(jī)組成元件少，無(wú)需復(fù)雜機(jī)械裝配。在新一代激光反射器的負(fù)載條件下，根據(jù)質(zhì)心平衡設(shè)計(jì)方法，通過(guò)設(shè)計(jì)L板的放置位置，使各電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載質(zhì)心位置靠近電機(jī)回轉(zhuǎn)軸，減小了負(fù)載質(zhì)心距離電機(jī)回轉(zhuǎn)軸的距離，從而大大減小電機(jī)負(fù)載力矩的大小。

2.3 方位和俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩

電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩是選型的重要依據(jù)，必須克服負(fù)載力矩的最大值，負(fù)載力矩受電機(jī)俯仰角、方位角、傾斜角和負(fù)載質(zhì)心距回轉(zhuǎn)軸的距離等因素影響。

根據(jù)機(jī)構(gòu)調(diào)整角范圍，設(shè)俯仰電機(jī)俯仰角為θ1∈(?90,90)，方位電機(jī)轉(zhuǎn)角為θ2∈(0,360)，安裝支架傾斜角為β∈(?90,90)，指向機(jī)構(gòu)在月面安裝時(shí)可能因月貌環(huán)境的凹凸不平，使安裝支架的平面發(fā)生傾斜，為了保證機(jī)構(gòu)在所有情況都能可靠運(yùn)行，需要對(duì)所有工況進(jìn)行分析，分別設(shè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行俯仰角和方位角調(diào)整時(shí)電機(jī)的負(fù)載力矩為Mp和Ma，負(fù)載力距回轉(zhuǎn)軸距離為L(zhǎng)。由圖1中B方向可得重力在俯仰電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向分力為G1，在方位電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向分力為G2，分別從A、B所示方向觀察沿電機(jī)軸向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)受力，如圖2所示。

圖2 俯仰和方位電機(jī)受力示意圖Fig.2 Force Diagram of Pitch and Azimuth Motors

如圖2（a），在XO1Z坐標(biāo)系，其中O1為與俯仰電機(jī)回轉(zhuǎn)軸重合的坐標(biāo)系原點(diǎn)，設(shè)C1為俯仰電機(jī)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載質(zhì)心位置，G1=G·cosβ，為俯仰電機(jī)的負(fù)載力，r1為質(zhì)心與電機(jī)回轉(zhuǎn)軸間的距離，θ1為俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰角，m1為俯仰電機(jī)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載質(zhì)量。則可得考慮安裝支架傾斜的情況下俯仰電機(jī)的負(fù)載力矩為：

從式（2）可以看出，負(fù)載力矩大小與俯仰角度和支架傾斜角度有關(guān)，根據(jù)各角度變化范圍可得，當(dāng)機(jī)構(gòu)支架傾斜角β為0°，俯仰角θ1為90°時(shí)俯仰電機(jī)負(fù)載力矩最大。

如圖2（b），在XO2Y坐標(biāo)系，其中O2為與方位電機(jī)回轉(zhuǎn)軸重合的坐標(biāo)系原點(diǎn)，設(shè)C2為方位電機(jī)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載質(zhì)心位置，G2=G·sinβ，為方位電機(jī)的負(fù)載力，r2為負(fù)載質(zhì)心與電機(jī)回轉(zhuǎn)軸間的距離，θ2為方位電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角，m2為方位電機(jī)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載質(zhì)量。則可得考慮安裝支架傾斜的情況下方位電機(jī)的負(fù)載力矩為：

從式（3）可見，方位電機(jī)負(fù)載力矩隨支架傾斜角和方位角而改變，注意到，r2也是隨俯仰角變化的，因此方位電機(jī)負(fù)載力矩一共受3個(gè)因素的影響。

經(jīng)分析當(dāng)傾斜角β為90°，方位角θ2為0°，俯仰角θ1為90°時(shí)出現(xiàn)方位電機(jī)負(fù)載力矩的最大值，選用的方位電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力必須大于該力矩值。

由式（2）、式（3）可以得出，無(wú)論是俯仰電機(jī)還是方位電機(jī)的負(fù)載力矩，都與負(fù)載質(zhì)心到回轉(zhuǎn)軸距離r密切相關(guān)，減小r可以從根本上減小負(fù)載力矩的大小，進(jìn)而選擇小尺寸型號(hào)超聲電機(jī)和部件尺寸，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。

3 質(zhì)心位置設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確控制電機(jī)負(fù)載力矩，需要確定機(jī)構(gòu)的質(zhì)心。對(duì)不規(guī)則物體，需要對(duì)機(jī)構(gòu)合理簡(jiǎn)化，利用質(zhì)心位置計(jì)算公式確定質(zhì)心的位置[10]。根據(jù)指向調(diào)整機(jī)構(gòu)使用環(huán)境和技術(shù)要求，選取高性能鋁合金鋼7075等為機(jī)構(gòu)材料，分別推導(dǎo)出方位和俯仰電機(jī)負(fù)載質(zhì)心位置。

3.1 俯仰電機(jī)負(fù)載質(zhì)心位置

俯仰電機(jī)負(fù)載主要包括俯仰L板和反射器，需要確定俯仰L板和反射器的質(zhì)心位置。根據(jù)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，如圖3所示。分別在俯仰L板彎折面上建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系O1和反射器底面中心建立坐標(biāo)系O2，坐標(biāo)系O2相對(duì)O1平移了（80+t，0，b）。其中t和b值含義，如圖4所示。

圖3 俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件基準(zhǔn)坐標(biāo)系O1和O2Fig.3 Reference Coordinates of Driving Components of Pitch Motor

把俯仰L板和反射器組成的整體分為m1、m2和m3三個(gè)質(zhì)量部分，俯仰L板被分為m1和m2，反射器看成整體質(zhì)量單元m3，如圖4所示。

圖4 俯仰電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件Fig.4 Components Driven by Pitch Motor

利用轉(zhuǎn)換矩陣建立俯仰L板和反射器在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的質(zhì)心位置求解式，求解整體質(zhì)心位置Pc的坐標(biāo)，如式（4）～式（6）所示。

利用質(zhì)心計(jì)算式（4）～式（6），可求出俯仰電機(jī)回轉(zhuǎn)軸放置位置。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合電機(jī)連接尺寸，選取俯仰L板板厚b為6mm，反射器位置距離t=20mm，圓心高度h=52mm，半徑為R=27.5mm，z1為41.334mm，m1質(zhì)量塊質(zhì)量為111.5g，質(zhì)量塊m2質(zhì)量為486g，反射器質(zhì)量m3為5.5kg，質(zhì)心高度Z3為51mm。帶入式（4）～式（6），可得三個(gè)質(zhì)量塊整體在基準(zhǔn)坐標(biāo)系O1下的質(zhì)心位置為（97.43mm，0，52.43mm），則可設(shè)計(jì)俯仰電機(jī)回轉(zhuǎn)軸軸心位置高度為52mm。

3.2 方位電機(jī)負(fù)載質(zhì)心位置

方位電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將驅(qū)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)大部分部件運(yùn)動(dòng)，主要包括反射器、俯仰L板、俯仰電機(jī)、編碼器、方位L板等部件。同理，可按俯仰電機(jī)負(fù)載質(zhì)心確定法計(jì)算出各部件在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的質(zhì)心位置，再求得整體質(zhì)心位置。

但因方位電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，俯仰電機(jī)也會(huì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致方位電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部分部件的質(zhì)心位置發(fā)生改變，則需在不同極限位置處求得所有部件的質(zhì)心域，確保選擇的方位電機(jī)可以滿足使用要求。

首先，將方位電機(jī)負(fù)載進(jìn)行拆分，分別求得在不同坐標(biāo)系下的質(zhì)心位置。

然后，利用交換矩陣將質(zhì)心位置換算到同一坐標(biāo)系下，最后，利用質(zhì)心位置公式求解質(zhì)心位置。根據(jù)方位電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立坐標(biāo)系O3和O4，如圖5所示。

圖5 方位電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件基準(zhǔn)坐標(biāo)系O3和O4Fig.5 Reference Coordinates of Azimuth Motor Drive Components

可以推導(dǎo)出方位電機(jī)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載質(zhì)心位置在坐標(biāo)系O3下的質(zhì)心坐標(biāo)，如式（7）～式（9）所示。

式中：θ1—俯仰電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰角；mi—代表拆分的各部分質(zhì)量；xi、yi、zi—分別代表拆分的各部分質(zhì)心位置坐標(biāo)。利用式（7）～式（9），可以在O3坐標(biāo)系下設(shè)計(jì)出方位電機(jī)回轉(zhuǎn)軸位置為（103，0，58）。

已知俯仰電機(jī)的角度轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為（?90～90）°，方位電機(jī)的角度調(diào)整范圍為（0～360）°，以及機(jī)構(gòu)安裝支架傾斜角度最大變化范圍為（?90～90）°。利用質(zhì)心坐標(biāo)公式求得其質(zhì)心相對(duì)底座中心的變化為一曲面，可得在安裝支架水平時(shí)機(jī)構(gòu)整體質(zhì)心位置所在曲面，如圖6所示。

圖6 安裝支架水平時(shí)機(jī)構(gòu)質(zhì)心位置曲面Fig.6 Surface of Centroid Position of Mechanism on Horizontal State of Mounting Bracket

可以得出，俯仰電機(jī)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載質(zhì)心位置是固定的，容易選擇電機(jī)。但是，方位電機(jī)所驅(qū)動(dòng)負(fù)載質(zhì)心位置會(huì)發(fā)生變化，這是難以通過(guò)減小質(zhì)心與方位電機(jī)回轉(zhuǎn)軸距離來(lái)消除的，因此所選用的方位電機(jī)應(yīng)保證在整個(gè)質(zhì)心變化域范圍內(nèi)都可以驅(qū)動(dòng)和鎖緊機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)質(zhì)心位置分析，可以設(shè)計(jì)出電機(jī)回轉(zhuǎn)軸位置，考慮減小負(fù)載力矩，根據(jù)負(fù)載條件要求，經(jīng)計(jì)算得出，選用60型超聲電機(jī)可以可靠驅(qū)動(dòng)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)。

4 機(jī)構(gòu)質(zhì)心平衡實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)原理的正確性，制作了指向調(diào)整機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)，設(shè)計(jì)了模擬質(zhì)心調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器主要由質(zhì)心調(diào)節(jié)螺母，螺桿和螺桿座組成，其質(zhì)量設(shè)計(jì)為反射器質(zhì)量的極大值，并且外形尺寸和反射器近似，采用與反射器相同的安裝方法。其中指向機(jī)構(gòu)部件總質(zhì)量為1.526kg，滿足了機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和外形尺寸的技術(shù)指標(biāo)要求，模擬反射器（質(zhì)心調(diào)節(jié)器）部分總質(zhì)量為5.412kg。通過(guò)質(zhì)心調(diào)節(jié)螺母可以調(diào)節(jié)負(fù)載質(zhì)心位置，經(jīng)計(jì)算，每旋轉(zhuǎn)一圈質(zhì)心位置改變1.234mm，通過(guò)改變質(zhì)心位置可以檢驗(yàn)樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)、自鎖性能，驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性。

樣機(jī)所用超聲電機(jī)鎖緊力矩為1.5N·m，裝配完成后調(diào)整螺母至設(shè)計(jì)的質(zhì)心位置處，當(dāng)俯仰角為90°時(shí)機(jī)構(gòu)處于鎖緊力矩最大狀態(tài)，若此位置可以鎖緊，則可保障機(jī)構(gòu)任意位置可靠鎖緊，結(jié)果表明，機(jī)構(gòu)可在任意位置鎖緊。機(jī)構(gòu)能否驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)大范圍角度調(diào)整也是關(guān)鍵的性能，在電機(jī)安裝前，測(cè)量了電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)力矩，電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)力矩隨頻率變化，如圖7所示?？梢?，60型超聲電機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)力矩可達(dá)1.05Nm，隨頻率變化呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。

圖7 電機(jī)空載驅(qū)動(dòng)力矩隨頻率變化Fig.7 Variation of No?Load Driving Torque of Motor with Frequency

為了驗(yàn)證質(zhì)心設(shè)計(jì)原理，利用質(zhì)心調(diào)節(jié)器改變負(fù)載質(zhì)心到回轉(zhuǎn)軸的距離，可以找到不同驅(qū)動(dòng)信號(hào)下可靠驅(qū)動(dòng)負(fù)載的最大質(zhì)心偏移距離。因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的負(fù)載力矩隨俯仰角變化，當(dāng)俯仰角為90°時(shí)產(chǎn)生的負(fù)載力矩最大，需在此位置檢驗(yàn)樣機(jī)能否驅(qū)動(dòng)負(fù)載，確定最大質(zhì)心變化范圍。根據(jù)安裝前測(cè)量的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩可以計(jì)算出機(jī)構(gòu)可驅(qū)動(dòng)質(zhì)心范圍的理論值。俯仰電機(jī)的負(fù)載為質(zhì)心調(diào)節(jié)器和俯仰L板，其質(zhì)量為F=6.012kg，取重力加速度g=9.8m/s2，則不同驅(qū)動(dòng)力矩M下的可驅(qū)動(dòng)質(zhì)心范圍理論值Pt可按照式（10）計(jì)算。

這里用質(zhì)心調(diào)節(jié)螺母旋進(jìn)深度h來(lái)表示質(zhì)心位置變化情況，負(fù)載質(zhì)心與回轉(zhuǎn)軸重合時(shí)理論設(shè)計(jì)值h為51.3mm，h的值與51.3mm相差越大，質(zhì)心變化也越大，需要的驅(qū)動(dòng)力矩也就越大。h值每變化一個(gè)螺距（4mm），質(zhì)心改變1.234mm，通過(guò)測(cè)量h值，可以用式（11）計(jì)算質(zhì)心位置實(shí)際值Pe。

質(zhì)心位置的試驗(yàn)值和理論計(jì)算值比較，如圖8所示。

圖8 超聲電機(jī)可驅(qū)動(dòng)質(zhì)心范圍隨頻率變化Fig.8 Variation of Driving Center Range of Motor with Frequency

從圖8 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在選定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率范圍內(nèi)，當(dāng)機(jī)構(gòu)質(zhì)心從?8.7mm到+12.4mm變化時(shí)，所選擇的超聲電機(jī)可以可靠驅(qū)動(dòng)負(fù)載，電機(jī)可驅(qū)動(dòng)質(zhì)心范圍隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率變化而變化，其變化趨勢(shì)與試驗(yàn)測(cè)量的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩變化相同，如圖7所示。驅(qū)動(dòng)力矩越大，質(zhì)心變化范圍就越大。同時(shí)可以看出，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率改變時(shí)，試驗(yàn)測(cè)量出的可驅(qū)動(dòng)質(zhì)心范圍和理論計(jì)算值的變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩減小時(shí)，可驅(qū)動(dòng)質(zhì)心范圍也變小，反過(guò)來(lái)，如果減小質(zhì)心位置到回轉(zhuǎn)軸距離，就可以有效減小負(fù)載力矩大小，就可以選擇驅(qū)動(dòng)力矩小，質(zhì)量輕的超聲電機(jī)，從而驗(yàn)證了質(zhì)心平衡設(shè)計(jì)原理的正確性。

但實(shí)際測(cè)量得到的可驅(qū)動(dòng)負(fù)載質(zhì)心范圍和理論計(jì)算值存在誤差，產(chǎn)生誤差主要有以下原因：（1）用理論公式計(jì)算負(fù)載質(zhì)心位置時(shí)進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，比如對(duì)質(zhì)量和負(fù)載外形進(jìn)行簡(jiǎn)化處理；（2）本設(shè)計(jì)為電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，當(dāng)加上負(fù)載（模擬質(zhì)心調(diào)節(jié)器）后，負(fù)載使電機(jī)軸產(chǎn)生了微小變形，這一方面使電機(jī)定轉(zhuǎn)子間接觸狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致電機(jī)輸出力矩發(fā)生改變，另一方面造成了質(zhì)心位置的偏差。目前所用超聲電機(jī)為購(gòu)置產(chǎn)品，今后需要開展提高轉(zhuǎn)子軸的剛度研究。

5 結(jié)論

提出了基于質(zhì)心平衡的二維指向機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法，定義的載重比可以用來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的輕量化程度。設(shè)計(jì)出一款超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二維指向調(diào)整機(jī)構(gòu)的輕量化構(gòu)型方案，得到了機(jī)構(gòu)質(zhì)心位置變化域，制作出原理樣機(jī)，完成了樣機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，機(jī)構(gòu)整機(jī)質(zhì)量為1.526kg，按反射器5.4kg計(jì)算，載重比可達(dá)3.5，可實(shí)現(xiàn)任意位置自鎖和大范圍角度調(diào)整，驗(yàn)證了這里提出的質(zhì)心平衡設(shè)計(jì)原理的有效性。