伺服電機系統在-45°低溫環境下的性能驗證試驗

摘要：為滿足在嚴酷環境條件下正常工作的能力需求，對機電伺服系統在-45°低溫環境下的性能進行驗證試驗，根據試驗結果進行工藝流程改進。首先研究了低溫環境對伺服控制驅動部分的影響；其次對低溫狀態下線位移傳感器和電機旋轉變壓器的工作狀態進行試驗；最后對傳動機械結構的裝配質量進行量化分析。通過本次研究，掌握了制約機電伺服系統在嚴酷環境下工作的主要因素，通過工藝改進實現了其低溫工作性能的提升，提高了生產效率，確保了產品交付，研究成果具有廣泛的實用價值。

關鍵詞：機電伺服系統；低溫性能；工藝改進

1引言

伺服系統是飛行器控制系統的執行機構，其主要作用是依據控制指令驅動控制空氣舵負載，快速響應位置指令，完成飛行器的姿態控制，達到使其穩定飛行的目的。

通常機電伺服系統的使用環境溫度為20~30℃的室溫環境。然而實際航空航天的使用工況更加復雜多變，如寒冬室外或高空的低溫低氣壓嚴酷工作環境（-45°），對機電伺服系統的使用提出了更高的要求。

為擴大其使用范圍，能夠滿足地/海/空等復雜條件寬溫域工況的使用需求，本課題針對機電伺服系統的低溫環境適應性及批生產產能進行工藝改進研究，以實現其低溫工作能力的提升。

2低溫試驗條件

某型伺服系統由伺服控制驅動部分和作動器部分組成，其中作動器部分含電機、旋轉變壓器、線位移傳感器等組件，其組成連接見圖1-1。

 

圖1-1伺服機構組成連接簡圖

該伺服系統需適應-45℃的低溫環境并可靠地工作。在交付使用前必須經過-45℃低溫工作試驗的考核，伺服機構在進行-45℃低溫工作時，需將整套伺服機構（1臺伺服控制驅動器和2臺機電作動器）放入低溫箱內，并保溫4小時后，伺服機構在-45℃低溫條件下啟機工作，進行功能性能試驗，低溫試驗條件見表1-1。

表1-1低溫試驗條件

 

目前該型伺服機構即將進入批產階段，而伺服機構-45℃低溫試驗合格率僅為90.1%，每批次均有伺服機構在-45℃低溫環境下啟動時發生抖動現象，異常現象典型指令和反饋曲線見圖1-2a，其中黑色曲線jdB_sf(2)為指令曲線，紅色曲線wyB_sf(2)為位移反饋曲線。從曲線上可見，紅色反饋曲線有異常毛刺，伺服機構無法準確跟隨指令，造成異常抖動，恢復至常溫后，該抖動現象消失，正常的伺服機構指令和反饋曲線件圖1-2b。

 

a）異常反饋曲線

 

b）正常反饋曲線

圖1-2伺服機構低溫抖動問題示意圖

發生低溫抖動問題后，將造成交付周期延誤，產品報廢，嚴重影響了研制及批產進度，基于此背景，以提高伺服機構低溫工作試驗一次交驗合格率為目標，進一步分析伺服機構低溫抖動的成因，對伺服機構的組成單機伺服控制驅動器和機電作動器進行調查分析，采用試驗驗證法，進一步定位造成伺服機構低溫工作抖動問題的位置。

3伺服控制驅動器驗證試驗

使用伺服控制驅動器通過電纜連接兩臺作動器，伺服控制驅動器放置于低溫箱中，作動器放置于低溫箱外，-45℃低溫條件下保溫4h，然后啟動伺服機構，進行30°位置特性試驗，其測試曲線如圖2-1。

 

圖2-1伺服機構位移反饋圖（測試儀顯示曲線的照片）

使用伺服控制驅動器通過電纜連接兩臺作動器，作動器放置于低溫箱中，伺服控制驅動器放置于低溫箱外，-45℃低溫條件下保溫4h，然后啟動伺服機構，進行30°位置特性試驗，其測試曲線如圖2-2。

 

圖2-2伺服機構位移反饋圖（測試儀顯示曲線的照片）

通過以上對比試驗可見，-45℃低溫條件下，伺服控制驅動器對低溫不敏感，當機電作動器單獨處于低溫環境下工作時出現了異常抖動，表現為位置反饋曲線未正常跟蹤指令曲線，產生大量毛刺，因此-45℃低溫條件下機電作動器異常抖動是造成伺服機構低溫工作試驗一次交驗合格率低的癥結所在。

4原因分析

針對-45℃低溫條件下機電作動器異常抖動問題進行分析，確認可能產生該問題的原因有以下幾點：

1、機電作動器線位移傳感器電阻板片損傷，導致線位移傳感器電刷與電阻板片之間斷續不導通。

2、機電作動器線位移傳感器電阻板片與電刷之間存在多余物，造成電刷與電阻片之間斷續不導通。

3、機電作動器裝配過程中存在軸向間隙，由于低溫應力作用，間隙放大，導致機電作動器產生較大軸向間隙。

4、伺服電機旋轉變壓器低溫條件下性能異常，導致角度、速度測量出現偏差。

針對機電作動器在-45℃低溫環境下異常抖動問題運用頭腦風暴，利用因果圖進行原因分析，見圖3-1。

 

圖3-1機電作動器低溫異常抖動原因分析因果圖

5驗證試驗

線位移是機電作動器重要的位置反饋傳感器之一，線位移組件異常受損將會導致整個伺服機構無法完成閉環控制，造成作動器無法準確響應指令甚至是開環損壞。因此，針對工作過程中線位移板片電阻膜局部受損的模式，拆開異常機電作動器線位移蓋板和線位移板片，觀察線位移板片上的電阻膜，發現在低溫工作試驗時發生抖動的位置均有深色粘稠多余物，為潤滑脂，如圖4-1所示；對線位移板片和電刷進行清洗后，如圖4-2所示觀察雙側線位移板片均比較平滑，電刷刷絲狀態也較完好，均沒有受損現象。將線位移板片及電刷表面使用酒精清洗后，線位移電阻膜表面較光滑，只有輕微電刷劃過的痕跡，未發現劃傷、凹坑等明顯損傷，認為線位移局部受損對機電作動器低溫抖動的影響較小。

 

圖4-1線位移板片原始狀態

 

圖4-2線位移板片清洗后狀態

線位移板片電阻膜上局部堆積潤滑脂將形成多余物，在低溫下其流動性（粘度）和導電性下降，將造成線位移電刷與導電膜的斷續不導通，該問題將導致該機電作動器抖動甚至是開環損壞。拆開異常機電作動器后，可見線位移板片電阻膜上局部堆積潤滑脂。機電作動器的滾珠絲杠副上涂有低溫寬溫域潤滑脂7014，若潤滑脂涂抹過多或不均勻，在運動過程中會甩出，若濺到線位移板片的電阻膜上，形成局部堆積，成為多余物；低溫時潤滑脂粘度增加且導電性降低，運動中線位移電刷無力推開該多余物，造成線位移電刷與導電膜的斷續不導通狀態，從而造成低溫下的抖動；當溫度升高，潤滑脂粘度降低且導電性升高，線位移電刷與導電膜恢復導通狀態，抖動現象消失。為了驗證機電作動器低溫抖動問題是由于潤滑脂飛濺到線位移板片上形成多余物導致的，將機電作動器產品配套的線位移使用酒精清理后重新裝配至機電作動器，重新進行三次-45℃低溫工作試驗，試驗結果見圖4-3，在每次試驗中，機電作動器工作正常，未發生過低溫抖動現象。試驗結果表明發生低溫抖動問題的機電作動器，當把其線位移表面的潤滑脂擦除后再進行低溫試驗時不再發生低溫抖動想象，因此可以確認，線位移板片電阻膜表面存在多余物（潤滑脂）是造成機電作動器低溫抖動的主要因素。

 

圖4-3線位移板片清洗后試驗數據（測試儀顯示曲線的照片）

機電作動器是一種精密的傳動機構，其主要原理是電機驅動減速器帶動滾珠絲杠副旋轉，將電機旋轉運動轉化為絲杠直線運動，機電作動器進行裝配時，其傳動間隙是影響控制精度、穩定性的重要因素，傳動間隙大，同樣會造成機電作動器抖動，低溫條件下更加明顯。因此，針對作動器合攏過程中軸向間隙不合格的模式進行分解檢查。滾珠絲杠裝配置機電作動器后結構簡圖如圖4-4所示，其軸向間隙控制是決定機電作動器傳動精度的重要因素之一。間隙調整時，需要選擇合適的調整墊片，保證其有0.04-0.08mm的過盈量，如果選擇調整墊片尺寸不滿足上述要求，可能會造成機電作動器產生軸向間隙，導致其低溫抖動。隨機抽取同批次生產的41臺低溫性能正常的機電作動器和7臺低溫抖動的機電作動器，匯總其調整墊片厚度及其過盈量值，對比分析差異。分布詳見圖4-5，藍色線段為低溫合格產品的過盈配合量，紅色線段為低溫不合格產品的過盈配合量。圖中可見所有產品的過盈量均在許用范圍內。通過對比分析發現，低溫正常工作和低溫抖動產品軸向過盈量在0.04mm~0.07mm內均有分布，認為作動器合攏過程中軸向間隙不合格對機電作動器低溫抖動的影響較小。

 

圖4-4滾珠絲杠副裝配圖

 

圖4-5過盈量點分布圖

旋轉變壓器是檢測電機轉速、轉角、位置的重要傳感器，是伺服機構實現電流、速度、位置三環控制的重要傳感器之一，低溫條件下，旋變的正常工作是保證電機平穩運轉穩定輸出的必要條件。因此，針對旋轉變壓器測量電機轉速、轉角產生偏差的模式進行分解檢查。將異常機電作動器配套的伺服電機分別拆下，更改伺服控制驅動器軟件，使用電機旋變閉環的方式控制電機運動，使用伺服控制驅動器通過電纜連接兩臺伺服電機，伺服電機放置于低溫箱中，伺服控制驅動器放置于低溫箱外，-45℃低溫條件下保溫4h，然后啟動伺服，通過電機旋變閉環的方式進行30°位置特性試驗，試驗結果如圖4-6。可知，兩臺電機位置曲線完全重合，電流平穩未見異常，可以判斷在低溫-45℃條件下，電機可以正常工作，低溫未對旋轉變壓器正常工作造成影響。

 

圖4-6伺服電機位置反饋曲線（測試儀顯示曲線的照片）

6工藝改進

通過上述驗證試驗，識別出造成機電作動器異常抖動的主要原因為：線位移板片電阻膜表面存在多余物，該多余物為7014潤滑脂，該潤滑脂在常溫狀態下不影響線位移反饋功能，在-45℃低溫狀態下會導致線位移反饋出現毛刺異常。因此，針對滾珠絲杠副潤滑脂涂抹工藝進行改進改變工藝對滾珠絲杠副的清洗流程，由浸泡在酒精進行清洗后重新填充潤滑脂更改為不再進行換脂，清洗時使用綢布蘸酒精擦拭絲杠表面。避免由于人工二次換脂造成的潤滑脂用量過多和潤滑不均勻，保證絲杠在高速旋轉運動時不將潤滑脂甩到線位移板片上，從根本上解決低溫抖動問題。

對工藝改進方案進行驗證試驗：取兩根新的滾珠絲杠副，其中一根按照舊工藝流程進行清洗和換脂，另一根按照新工藝流程進行擦拭，將兩根滾珠絲杠副分別裝配至兩臺機電作動器上，進行位置特性、速度特性試驗，試驗完成后拆開機電作動器線位移，對比使用新舊工藝兩臺產品線位移上潤滑脂飛濺情況。試驗結果見下圖5-1和5-2。

 

圖5-1舊工藝流程的滾珠絲杠配套的線位移板片

 

圖5-2新工藝流程的滾珠絲杠配套的線位移板片

通過試驗驗證，新的工藝流程可以有效避免潤滑脂的飛濺，能夠有效解決機電作動器低溫抖動問題，。

對改進工藝后的第一組20套批生產產品進行檢查，全部通過了低溫工作試驗，隨機抽取3臺機電作動器拆開線位移后的結果顯示，線位移電阻膜上干凈整潔，無潤滑脂多余物。合格率達到了100%，對該型伺服系統工藝文件進行更改，并對伺相關裝配及檢測規范進行了修訂并發布。

7結論

通過驗證試驗和分析改進，總結出得出了滾珠絲杠副裝配的改進工藝，后續將基于此成果，繼續開展關于機電作動器低溫性能提升的技術攻關，對滾珠絲杠副增加密封結構，從結構設計上規避潤滑脂溢出風險，并深入調研其他高性能低溫潤滑脂，進一步提升機電作動器環境適應能力。

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