“三化”设计在机电作动器中的应用

樊蕊 贾兵 刘迎梅

（南京晨光集团，南京，210000）

“三化” （通用化、系列化、组合化 （模块化）），已成为各国发展武器装备的一项重要原则。武器装备的 “三化”水平是衡量武器装备现代化的重要标志之一，实行 “三化”已成为许多国家，包括我国发展武器装备的一项基本政策[1]。 “三化”是现代条件下标准化学科向前发展的必然产物，是当今发展武器装备的现实需要[2]。美国把“通用化”作为其国防部关键技术三项选择原则之一，并把 “模块化”作为美国国防科学和技术战略重点之一。我国从上世纪90年代中期开始在军工系统中大力推广 “三化”工作，并将其作为“九五”期间标准化工作六大任务之一[3]。

“三化”基本思想是按照系统工程的原理，运用顶层设计，以通用互换和灵活的分解组合方式，对武器装备进行扩展、更新和发展，按需求变换品种，从而满足多样化的要求[1]。从我国目前整个武器装备体系看， “三化”工作开展的力度不够， “三化”的整体水平不高，产品规格品种多、接口标准化程度低，多数具有相同功能的产品难以通用和互换。推进 “三化”，不仅能够适应武器装备发展多样化的需求，而且有利于缩减武器装备的品种、规格，稳定产品的结构，提高制造的重复性，促进新工艺、新设备的应用和专业化水平的提高，解决武器装备多样化需求和批量生产之间的矛盾[2][4]。

电动伺服机构是我国乃至当代国际武器装备发展的趋势，以其高可靠、轻小型、低成本、免维护的突出优势逐渐取代了传统的电液及燃气伺服系统。但是，我国电动伺服技术起步较晚、基础薄弱、 “三化”水平较低，受社会环境与技术水平的制约，电动伺服机构长期以来存在着零部件规格繁多、通用性差、保障维修困难等诸多问题，严重制约了我军现代化建设的发展，大力发展产品 “三化”迫在眉睫。

1 机电作动器的组成、结构与分类

1.1 机电作动器的组成

电动伺服机构由机电作动器、伺服控制驱动器及伺服电缆网等组成。机电作动器作为电动伺服机构中最重要的单机设备，承担着位移执行机构的使命，机电作动器主要由伺服电机、传动机构 （齿轮副+丝杠副）、壳体组件、位移传感器、机械接口等组成，如图1所示。机电作动器的工作原理：在飞行过程中，电机接受指令并按照一定的转速和方向旋转，电机转动经传动机构转换为机电作动器作动杆的伸缩，实现位移或角度动作。

图1 机电作动器结构组成

1.2 机电作动器的结构层次

为实现 “三化”设计的模块化要求，机电作动器以功能划分其组成，将机电作动器划分成如图2所示的若干零部组件形式，规范各组件接口，待形成系列化后，可以大大提高机电作动器的研制效率以及产品梯度。

图2 机电作动器零部组件组成图

1.3 机电作动器的分类

根据不同的分类方式，机电作动器主要分为：①根据输出形式分为直推式、旋转式；②根据安装方式分为两端支耳安装、壳体固定安装；③根据传动方式分为齿轮传动、齿轮齿条传动、丝杠传动等。

2 开展机电作动器 “三化”设计的意义与作用

开展机电作动器 “三化”设计可以：①减少重复劳动，大大提高效率；②提高继承性，保证可靠性和产品质量；③缩短研制周期，减少研制成本；④提高互换性，实现一机多用；⑤提高整体效益，利于长远发展。

当代电动伺服技术的发展不仅需要继承性，更需要创新性。继承与创新是相辅相成的，继承是为了高效地选用已有的成果，降低成本并缩短时间，创新是为了达到更高的性能要求而对以往的设计做出改进与更新。两者的目的都是为了更好更快设计出高质量的产品。 “三化”设计是要解决电动伺服机构在一定范围内的共同要求，是对现有工作的总结与归纳，并适应性的制定规范，以便于后续型号在选型上有一定的参考。对于有共性的零部组件可以直接选型采用，使质量得以保证。但型号研制是具有特定战术指标的作战需求的，因此，必须既要满足其特殊要求，也要兼顾 “三化”的设计要求。同时，在 “三化”设计的方针指导下，型号研制中的具有共同性的问题及专业技术问题需要由专业设计师共同商讨并协调解决。

3 机电作动器 “三化”设计方案

多样化、多研制、少生产是电动伺服机构的特点，同时也是 “三化”设计所面临的挑战与追求的目标。机电作动器的特点非常有利于机电作动器的 “三化”设计的开展。在开展机电作动器研制过程中，要最大限度的提高型号产品的 “三化”水平，在规划和研制时应优先采用 “三化”的零部组件，尽量选用优先级器件。在满足产品性能的前提下，尽可能降低零部件的类型和数量，以降低产品的复杂程度，提高产品的可靠性，具体的 “三化”设计方案如下。

a）机电作动器作为具有独立功能的电动伺服系统单机，主要输出形式有旋转式和直线式，具体设计输入有最大输出负载 （力）、输出行程（角度）、有无制动功能等要求。对此，制定机电作动器产品代号的命名规则，将作动器典型参数通过特定组成，形成单机代号。

对于实现通用化的机电作动器单机，后续编写机电作动器设计流程、设计规范、技术条件模板等标准性文件。待形成一定体量后，编制机电作动器型谱，设计人员可根据总体需求，择优选取现有产品，实现机电作动器的通用化，以此降低设计、生产和管理成本。

b）将机电作动器按照不同的功能划分为不同的模块：电机模块、传动组件模块、接口组件模块、直线位移传感器模块。

“电机模块”作为能源转换装置，把电池的电能转化成机械能，是机电作动器的驱动装置。针对已有型号采用的电机，将机械接口进行统计并形成型谱，方便后续选用；固化电气接口，实现电气接口的通用化；制定电机机械外形图模板，明确关注的尺寸和公差。

“传动组件模块”又分为齿轮副组件模块和滚珠丝杠副组件模块。其中， “齿轮副模块”作为一个独立的单元进行设计、生产以及试验，有利于研究齿轮副对机电作动器零位偏差、回程间隙、控制精度的影响。以齿轮副模数、减速比、承载能力等重要参数为基准，形成系列化和模块化，规范齿轮副的接口，实现与其它组件的快速选配。 “滚珠丝杠副模块”作为外购件，亟需制定详细规范的技术要求，并规范丝杠副与齿轮、轴承的接口，既可实现高效准确完整的对外沟通，又能实现丝杠副的通用化使用。

“接口组件模块”分为固定支耳组件模块和螺栓件组件模块。这两部分组件模块也可根据接口进行规范化，统一尺寸和规格，达到稳定质量、降低成本的目的。机电作动器接口按功能分为机械接口、电气接口，按位置关系分为外部接口、内部接口。针对机电作动器接口的系列化、模块化设计，需要收集整理现有型号作动器的外部机械接口、内部机械接口形成系列，制定接口设计模板，并制定相关的设计规范。

“直线位移传感器模块”用于测量机电作动器的直线行程，是机电作动器不可或缺的部件。把传感器作为通用件进行设计和管理，形成选型目录，制定技术要求模板及规范。

c）机电作动器物料包括直属件、标准件、外购件、辅料等。其中， “直属件”包括壳体、作动筒、固定支耳件、螺栓件、齿轮等； “标准件”包括螺钉、钢丝螺套、平垫、弹垫、螺母等； “外购件”包括电机、滚珠丝杠副、电位器、轴承、连接器等； “辅料”包括润滑脂、螺纹胶、硅橡胶、热缩管、漆、不锈钢丝等。对于机电作动器各物料的标准、技术要求等信息，统一规范，形成选用目录，减少物料种类，实现快速设计和快速采购的目的。

4 做好机电作动器 “三化”管理工作

机电作动器是电动伺服机构中的重要单机设备，而电动伺服机构又是未来武器装备的发展趋势，其 “三化”工作势在必行。电动伺服机构正朝着多平台、多用途、系列化、模块化、低成本、高效率、高可靠的方向发展，同时要求降低研制风险、缩短研制周期、节省研制经费，全面提升其可靠性、维修性和保障性等综合性能。但 “三化”设计是一个循序渐进的过程，不可能一蹴而就，需要在工程实践中不断更新和完善。

在对产品进行 “三化”实施的过程中，除了要求设计师对 “三化”工作的思考和设计外，也需要加强管理部门对 “三化”过程的监督管理。

a）要充分发挥质量部门对体系的监督管理与实施落地的作用，在研制的各个环节中，按标准化、质量等有关规定对设计文件进行 “三化”审查，对不符合规定的，一律驳回并按 “三化”要求进行修改。

b）组织多种形式的 “三化”培训，尤其是“三化”的基本概念、 “三化”的重要性和必要性、 “三化”如何落实等相关文件的宣贯等，内容需要多方面、全方位，让参与产品研制的所有设计人员和管理人员从深层次上认识到 “三化”设计的精髓。

c）发挥 “三化”设计人员的作用，除制定“三化”方案、编制 “三化”规范外，还应在研制阶段参与方案的评审及设计文件的会签，监督“三化”的落实情况，确保 “三化”设计不是空洞的形式，而是实在的行动。

我们肩负着关系国家命脉的电动伺服机构的研制生产任务，为了更快更好地加快国家发展以及赶超国际水平的需要， “三化”设计是电动伺服型号研制中的一个必不可少的环节，“三化”工作的好坏将直接影响型号产品的质量，只有全体设计人员、管理人员将 “三化”工作贯穿到整个研制过程，才能创造出最优的 “三化”设计成果，研制出军方满意的电动伺服机构。