伺服机构模拟负载系统设计与优化分析

王贺龙，姜玉峰，张国林，徐豪榜，魏泽宇，韩阳

（1.北京精密机电控制设备研究所，北京 100076；2.四川航天神坤科技有限公司，四川 成都 610100）

航天伺服机构作为控制系统的执行机构，其作用为推动舵面或者喷管负载动作，实现姿态稳定控制的目的，是全系统的重要组成部分，其工作原理为，伺服驱动控制器根据控制系统指令，驱动作动器执行机构产生轴向位移（伸、缩），驱动负载喷管（或舵面）动作，从而达到控制系统稳定飞行的目的。伺服产品在地面测试验收过程中，为测试方便，节约成本，通常通过地面模拟负载测试系统进行伺服机构的加载测试，因弹簧钢板具有使用寿命长、力矩特性好，在伺服模拟负载测试系统是最普遍采用的加载方式。在航天伺服产品的应用中，对传动精度要求较高，负载力矩的非线性会对负载的真实性以及产品性能测试的准确性带来影响，本文基于某型号的实际应用需求，设计了一款伺服机构模拟加载系统，以钢板弯曲变形加载的方式进行弹性力矩加载，对钢板的尺寸及夹持点位置进行优化，力求整个工作摆动范围内钢板力矩随摆角增大线性递增。

1 产品结构模型

本文设计的模拟负载系统为双工位加载方式，可实现两台机电作动器产品同时加载测试，模拟某型号一种FLAP舵的铰链力矩和负载惯量，实现作动器在地面验收的目的。

本文设计的双工位负载模拟系统运用模块化设计思路。总体设计结构简图如图1所示，主要包括主体支架、底盘、液压制动加载装置、主轴、扭矩传感器、联轴器、弹性力矩加载机构，惯量模拟加载盘、惯量调节盘、保护罩等几部分组成。其中主体支架、基座、钢板支座等用碳素钢板焊接而成，另外，通过筋板对其做了加强，最后通过大直径螺栓连接固定。

其中，液压制动加载装置实现制动力可调，并实施检测，机电作动器安装刚度可调，转动惯量可调。根据FLAP舵的飞行使用特点，通常力矩较大且为单方向受载作用，本负载模拟系统弹性力矩加载方式采用弹簧钢板弯曲的形式，上端采用螺栓与主轴力臂进行固定，下端采用滚动轴承进行夹持，夹持点可在一定范围内调整和固定。

2 弹性钢板线性加载优化

钢板材料选用 60Si2MnA，材料特性见表1。

弹簧钢板加载力矩简图如图2所示。

弹簧板截面的面积惯性矩I：

表1 弹簧钢板材料属性

式中，H为钢板的宽度；d为钢板的厚度。

根据钢板力矩加载要求，取 H=0.12m，d=0.01m； 得 到：I=0.12×（1×10-2）3/12=10-8

弹簧钢板刚度：

式中，E为弹簧板弹性模量；I为弹簧板截面的面积惯性矩；h为夹持点到上端固定点的距离。

其中：h=O-K；K=L×cosα；得到：h=O-L×cosα

图2 弹性力矩加载结构简图

弹性力矩计算：T=F弹×L

式中，α为主轴旋转角度；L为驱动力臂，单位mm；O为夹持点到主轴心距离,根据实际情况，暂定为518～800mm。

由力矩与转角的公式可以看出，负载的摆动角度与输出力矩并非呈线性关系，弹性钢板力矩存在非线性。容易预测，α值0°变化过程中转动弹性力矩T不一定按照递增的趋势发展，主要取决于变量：sinα/（O-L×cosα）3。因此将对此进行重点分析优化，确保转动力矩T值随α值的增加而线性递增。

由公式（4）容易预测：当α值增加时cosα值减小，（OL×cosα）3值增加，转矩值T减小，而根据要求，角度α值在递增过程中转矩T值必须也跟随递增，所以必须抑制分母中变量α对T值得影响。

假设当O值取无穷大时，角度α在公式（4）中对T值的影响最小。在O值确定的情况下，应当适当减小力臂L的数值，所以必然存在一个临界最大L值，超过这个值，弹性钢板加载系统不能满足弹性力矩递增的要求。

根据实际使用和安装情况，α取值范围为0°～30°，取O=500，L值从200mm到320mm范围变化，绘制曲线如图3所示。

从上图可以看出，当α值上升到23°以后，弹性力矩已经开始下降，不符合力矩随角度线性递增的要求；随着L减小，线性度趋好。

L值取200mm不变，通过变化O值大小进行计算，绘制弹性力矩与角度变化曲线如图4所示。

从图中可以看出，当L取值为200mm时，α值从0°到30°，随着O值变大，弹性力矩增大，力矩基本呈趋于线性递增。

4 结语

图3 O=500mm时弹性力矩随角度变化

图4 L=200mm时弹性力矩随角度变化

本文基于模块化设计思想，设计一款适用于某型号FLAP舵面负载使用要求的负载模拟系统，对负载模拟系统进行了介绍，采用弹簧钢板弯曲的加载方式，对钢板弯曲的加载方式进行分析，并进行详尽的计算。实际使用可根据力矩要求进行优化，选择合理的设计力臂h和夹持点到主轴轴心得距离O，确保弹性输出力矩随转角α线性递增，对此类产品设计具有一定指导意义。