CN107289823A - 一种低刚度执行装置以及弹上位置伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低刚度执行装置以及位置伺服系统，属于执行装置技术领域，在保证响应快速准确以及足够的结构强度和负载能力的前提下，解决了现有技术中由于执行装置的刚度过高、执行装置的扭转频率易与弹体其它频率或伺服系统的弯曲频率耦合而产生伺服系统振幅不衰减的破坏性气动颤振的问题。该低刚度执行装置包括拨叉、电机、与电机的输出轴连接的丝杠轴以及与丝杠轴套合的丝杠螺母，低刚度执行机构还包括与丝杠螺母固接的支承套；支承套位于拨叉的叉脚内，叉脚通过叉脚弹性层和叉脚金属层与支承套滑动接触；使用时，拨叉的轴套与舵翼固定接触。本发明提供的低刚度执行装置可用于弹上位置伺服系统的位置传动。

Description

一种低刚度执行装置以及弹上位置伺服系统

技术领域

本发明涉及一种执行装置，尤其涉及一种低刚度执行装置以及弹上位置伺服系统。

背景技术

执行装置(例如，圆柱齿轮、滚珠丝杠、行星齿轮、涡轮蜗杆和谐波减速齿轮等)是弹上位置伺服系统(以下简称伺服系统)重要的组成单元，其在工作中实时接收上位机给出的位置信号，并通过伺服电机驱动传动机构响应位置信号。

在伺服系统中，不仅执行装置需要快速、准确地响应位置信号，还应具有足够的结构强度、负载能力以及较高的功率质量比。因此，为了满足结构强度和负载能力的要求，通常的执行装置的刚度较高，使得执行装置一般处于不可调节的状态。

但是，随着导弹性能的提升，在飞行中的气动力、弹性力及惯性力的耦合作用下，执行装置的扭转刚度过高，使得伺服系统的扭转频率易与弹体其它频率或伺服系统弯曲频率耦合，从而产生振幅不衰减的破坏性气动颤振。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种低刚度执行装置以及弹上位置伺服系统，在保证响应快速准确以及足够的结构强度和负载能力的前提下，解决了现有技术中由于执行装置的刚度过高、执行装置的扭转频率易与弹体其它频率或伺服系统的弯曲频率耦合而产生伺服系统振幅不衰减的破坏性气动颤振的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种低刚度执行装置，其包括拨叉、电机、与电机的输出轴连接的丝杠轴以及与丝杠轴套合的丝杠螺母，其特征在于，低刚度执行机构还包括与丝杠螺母固接的支承套；支承套位于拨叉的叉脚内，叉脚通过叉脚弹性层和叉脚金属层与支承套滑动接触；使用时，拨叉的轴套与舵翼固定接触。

进一步地，叉脚弹性层和叉脚金属层依次形成在叉脚与支承套相对的表面，叉脚金属层与支承套接触；或者，叉脚弹性层和叉脚金属层依次形成在支承套与叉脚相对的表面，叉脚金属层与叉脚接触。

进一步地，拨叉的轴套通过轴套弹性层和轴套金属层与舵翼接触。

进一步地，轴套弹性层和轴套金属层依次形成在轴套与舵翼相对的表面，轴套金属层与舵翼接触；或者，轴套弹性层和轴套金属层依次形成在舵翼与轴套相对的表面，轴套金属层与轴套接触。

进一步地，叉脚弹性层的厚度为0.5mm～2mm，叉脚金属层的厚度为0.5mm～2mm；轴套弹性层的厚度为0.5mm～2mm，轴套金属层的厚度为0.5mm～2mm；。

进一步地，叉脚弹性层的弹性模量为3GPa～4GPa；轴套弹性层的弹性模量为3GPa～4GPa。

进一步地，叉脚弹性层由聚氨酯或聚酰亚胺制成；轴套弹性层由聚氨酯或聚酰亚胺制成。

进一步地，低刚度执行装置还包括减速齿轮组；电机的输出轴通过减速齿轮组与丝杠轴连接。

进一步地，减速齿轮组的减速比为5～10。

第二方面，本发明提供了一种位置伺服系统，其包括上述低刚度执行装置。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

a)本发明提供的低刚度执行装置的主体结构基本不变，其响应速度、响应准确性、结构强度和负载能力基本不变。

b)本发明提供的低刚度执行装置能够降低整个执行装置的刚度、自身固有频率以及扭转模态，提高弯曲模态，使得执行装置的自身扭转频率能够避开弹体其它频率以及自身弯曲频率，减少执行装置的自身扭转频率与自身弯曲频率、执行装置的自身扭转频率与弹体其它部件的频率发生耦合的情况，在保证响应快速准确以及足够的结构强度和负载能力的前提下，解决了现有技术中由于执行装置的刚度过高、执行装置的扭转频率易与弹体其它频率或伺服系统的弯曲频率耦合而产生伺服系统振幅不衰减的破坏性气动颤振的问题。

c)本发明提供的低刚度执行装置在航空航天某些特定领域(如弹上位置伺服系统)具有现实的应用价值。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一的低刚度执行装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一的低刚度执行装置的另一种结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一

本实施例提供了一种低刚度执行装置，参见图1至图2，其包括拨叉1、电机2、与电机2的输出轴连接的丝杠轴3、与丝杠轴3套合的丝杠螺母4以及与丝杠螺母4固接的支承套5。其中，支承套5位于拨叉1的叉脚101内，叉脚101通过叉脚弹性层6和叉脚金属层7与支承套5滑动接触；使用时，拨叉1的轴套102与舵翼8配合接触。

实施时，电机2的输出轴带动丝杠轴3转动，丝杠轴3通过与丝杠螺母4配合，将丝杠轴3的旋转运动转化为丝杠螺母4和支承套5沿丝杠轴3的轴线方向的水平运动，使得支承套5推动拨叉1转动，从而带动舵翼8偏转。

与现有技术相比，本实施例提供的低刚度执行装置的主体结构基本不变，因此，其响应速度、响应准确性、结构强度和负载能力基本不变。同时，上述低刚度执行装置在支撑轴5与叉脚101之间设置叉脚弹性层6，由于支撑轴5和叉脚101通常由金属制成，金属与弹性层之间的接触刚度相较于金属与金属之间的接触刚度低，从而能够降低整个执行装置的刚度、自身固有频率以及扭转模态，提高弯曲模态，使得执行装置的自身扭转频率能够避开弹体其它频率以及自身弯曲频率，减少执行装置的自身扭转频率与自身弯曲频率、执行装置的自身扭转频率与弹体其它部件的频率发生耦合的情况，在保证响应快速准确以及足够的结构强度和负载能力的前提下，解决了现有技术中由于执行装置的刚度过高、执行装置的扭转频率易与弹体其它频率或伺服系统的弯曲频率耦合而产生伺服系统振幅不衰减的破坏性气动颤振的问题。尤其是在航空航天某些特定领域(如弹上位置伺服系统)，上述低刚度执行装置具有现实的应用价值。

对于叉脚弹性层6和叉脚金属层7的位置，具体来说，参见图1，叉脚弹性层6和叉脚金属层7可以依次形成在叉脚101与支承套5相对的表面，叉脚金属层7与支承套5接触。这样，在支承套5推动拨叉1转动的过程中，叉脚金属层7与支承套5相互摩擦，从而可以提高上述执行装置的耐磨性以及使用寿命。

需要说明的是，现有技术中，叉脚101与支承套5之间的现有接触刚度为35000N/mm～48000N/mm，对应一阶扭转频率为90Hz～120Hz。通过在叉脚101与支承套5相对的表面设置叉脚弹性层6和叉脚金属层7，可以将叉脚101与支承套5之间的接触刚度降为5600N/mm～26000N/mm，一阶扭转频率降为41Hz～80Hz，下降幅度明显。

同样地，参见图2，叉脚弹性层6和叉脚金属层7也可以依次形成在支承套5与叉脚101相对的表面，叉脚金属层7与叉脚101接触。

为了进一步降低整个执行装置的刚度、自身固有频率以及扭转模态，提高弯曲模态，拨叉1的轴套102可以通过轴套弹性层9和轴套金属层10与舵翼8接触。同样是因为金属与弹性层之间的刚度相较于金属与金属之间的刚度低，在支撑轴5与叉脚101之间设置叉脚弹性层6的同时，在拨叉1的轴套102与舵翼8也设置轴套弹性层9，可以进一步降低整个执行装置的刚度、自身固有频率以及扭转模态，提高弯曲模态。

对于轴套弹性层9和轴套金属层10的位置，具体来说，参见图1，轴套弹性层9和轴套金属层10可以依次形成在轴套102与舵翼8相对的表面，轴套金属层10与舵翼8接触；或者，参见图2，轴套弹性层9和轴套金属层10也可以依次形成在舵翼9与轴套102相对的表面，轴套金属层10与轴套102接触。

为了保证上述执行装置的响应速度、响应准确性、结构强度和负载能力基本不变，叉脚弹性层6的厚度应该在0.5mm～2mm的范围内，轴套弹性层9的厚度应该在0.5mm～2mm的范围内。同时，为了保证上述执行装置的耐磨性，叉脚金属层7的厚度应该在0.5mm～2mm的范围内，轴套金属层10的厚度应该在0.5mm～2mm的范围内。

为了进一步降低整个执行装置的扭转模态，提高弯曲模态，叉脚弹性层6的弹性模量可以为3GPa～4GPa，轴套弹性层9的弹性模量为3GPa～4GPa。将叉脚弹性层6和轴套弹性层9的弹性模量限定在上述范围内，可以进一步降低整个执行装置的扭转模态，提高弯曲模态，从而进一步避免执行装置的自身扭转频率与自身弯曲频率、执行装置的自身扭转频率与弹体其它部件的频率发生耦合。

示例性地，在满足上述弹性模量要求的前提下，叉脚弹性层6和轴套弹性层9可以采用聚氨酯或聚酰亚胺制成。

通常情况下，上述低刚度执行装置还包括减速齿轮组11，示例性地，减速齿轮组11的减速比为5～10。这样，电机2的输出轴通过减速齿轮组11与丝杠轴3连接，从而可以将电机2的输出转速通过减速齿轮组11调整到适合的转速，来驱动丝杠轴3转动。具体地，上述减速齿轮组11可以包括与电机2的输出轴连接的一级齿轮1101、与一级齿轮1101啮合的二级齿轮1102以及与二级齿轮1102啮合的三级齿轮1103，三级齿轮1103的输出轴与丝杠轴3连接。

由于上述执行装置需要应用于弹上位置伺服系统中，考虑到结构的响应速度、响应的准确性以及结构的紧凑型，上述电机2可以为无刷伺服电机。无刷伺服电机具有体积小、重量轻、出力大、响应快、速度高、惯量小、转动平滑以及力矩稳定等特点，使得采用无刷伺服电机驱动的执行装置更加适用于弹上位置伺服系统。

考虑到安装的要求，上述执行装置还包括设于丝杠轴3两端的丝杠轴承12以及与二级齿轮1102的齿轮轴连接的二级齿轮轴承13，其中丝杠轴承12用于支撑丝杠轴3，二级齿轮轴承13用于支撑二级齿轮1102。

实施例二

本实施例提供了一种弹上位置伺服系统，其包括实施例一中的低刚度执行装置。

与现有技术相比，本实施例提供的弹上位置伺服系统的有益效果与实施例一中的低刚度执行装置的有益效果相同，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低刚度执行装置，包括拨叉、电机、与所述电机的输出轴连接的丝杠轴以及与所述丝杠轴套合的丝杠螺母，其特征在于，所述低刚度执行机构还包括与丝杠螺母固接的支承套；

所述支承套位于所述拨叉的叉脚内，所述叉脚通过叉脚弹性层和叉脚金属层与支承套滑动接触；

使用时，所述拨叉的轴套与舵翼固定接触。

2.根据权利要求1所述的低刚度执行装置，其特征在于，所述叉脚弹性层和叉脚金属层依次形成在所述叉脚与所述支承套相对的表面，所述叉脚金属层与所述支承套接触；

或者，所述叉脚弹性层和叉脚金属层依次形成在所述支承套与所述叉脚相对的表面，所述叉脚金属层与所述叉脚接触。

3.根据权利要求1所述的低刚度执行装置，其特征在于，所述拨叉的轴套通过轴套弹性层和轴套金属层与所述舵翼接触。

4.根据权利要求3所述的低刚度执行装置，其特征在于，所述轴套弹性层和轴套金属层依次形成在所述轴套与所述舵翼相对的表面，所述轴套金属层与所述舵翼接触；

或者，所述轴套弹性层和轴套金属层依次形成在所述舵翼与所述轴套相对的表面，所述轴套金属层与所述轴套接触。

5.根据权利要求3所述的低刚度执行装置，其特征在于，所述叉脚弹性层的厚度为0.5mm～2mm，所述叉脚金属层的厚度为0.5mm～2mm；

所述轴套弹性层的厚度为0.5mm～2mm，所述轴套金属层的厚度为0.5mm～2mm；。

6.根据权利要求3所述的低刚度执行装置，其特征在于，所述叉脚弹性层的弹性模量为3GPa～4GPa；

所述轴套弹性层的弹性模量为3GPa～4GPa。

7.根据权利要求6所述的低刚度执行装置，其特征在于，所述叉脚弹性层由聚氨酯或聚酰亚胺制成；

所述轴套弹性层由聚氨酯或聚酰亚胺制成。

8.根据权利要求1～7任一项所述的低刚度执行装置，其特征在于，所述低刚度执行装置还包括减速齿轮组；

所述电机的输出轴通过减速齿轮组与所述丝杠轴连接。

9.根据权利要求8所述的低刚度执行装置，其特征在于，所述减速齿轮组的减速比为5～10。

10.一种弹上位置伺服系统，其特征在于，所述弹上位置伺服系统包括如权利要求1～9任一项所述的低刚度执行装置。