DEVELOPMENT OF HIGH-PRECISION LINEAR ACTUATORS FOR SIX-AXIS MEXHANISM OF “HEXAPOD” TYPE

Texto integral

В современной космической технике имеется большое количество задач, в которых требуется применение высокоточных линейных приводов. Подобные устройства должны обеспечивать: - высокую точность отработки заданного закона движения; - высокую жесткость; - высокую дискретность перемещения. В настоящее время всё большее предпочтение отдается электромеханическим приводам. Это вызвано следующими его достоинствами: - универсальность; - простота устройства; - легкость; - возможность работы в экстремальных внешних условиях. Одной из важнейших составляющих механической части является линейная передача, которая обеспечивает преобразование вращательного движения вала двигателя в поступательное движение выходного звена. На сегодняшний день запатентовано много различных линейных передач, каждая из которых имеет определённые достоинства и недостатки. Наиболее известными являются: - передача винт-гайка; - роликовинтовая передача (РВП) [1]; - шариковинтовая передача (ШВП) [2]; - волновая винтовая передача (ВВП) [3]; - упругая система перемещения (УСП) [4]. Типовые конструкции передач типа винт-гайка, РВП, ШВП достаточно подробно рассмотрены в работах [5; 6]. В данных работах представлены чёткая классификация линейных механических передач, методики расчёта, рассмотрены их достоинства и недостатки. Следует отметить, что во Владимирском государственном университете, представителем которого являлся В. В. Козырев, существует достаточно большое количество наработок в части высокоточных линейных передач и приводов. В частности, в качестве разработок владимирского государственного университета указывается привода на основе РВП с длинными резьбовыми роликами, обеспечивающими погрешность перемещения выходного звена 0,002 мм на один виток резьбы винта при теоретической дискретности 0,1 мкм. Однако, в составе КА более предпочтительно применение планетарной или рециркуляционной РВП чем РВП с длинными резьбовыми роликами, так как это ведёт к упрощению конструкции, снижению массы и габаритов линейного привода. Разработкой теории проектирования и расчета и обзором существующих конструкций ВВП достаточно плотно занимались в 70-80-х гг. научные работники Красноярского политехнического института во главе с В. А. Турышевым. Полученные результаты представлены в работе [7]. В данной работе представлены классификация ВВП, методика расчёта, рассмотрены их достоинства и недостатки. Представленные данные позволяют говорить о перспективности применения подобных передач, так как они могут обеспечить осевое перемещение винта равное 0,001...0,01 мм за один оборот генератора волн при высокой нагрузочной способности. Еще одним достоинством ВВП является возможность уменьшения осевых габаритов линейного привода. Главным недос- 143 Вестник СибГАУ татком ВВП является необходимость обеспечения комплекса мер для снижения износа в сопрягаемых резьбовых поверхностях (выбор формы профиля резьбы, подбор смазочного материала, ограничение осевой нагрузки, упрочнение поверхностей трения). Прототип линейной передачи на основе УСП был применен в составе устройства шестистепенного позиционирования космического телескопа «Джеймс Вебб», запуск которого планируется на 2018 г. Главным достоинством УСП является возможность обеспечения высокой дискретности и малой погрешности перемещения. Недостатками данной передачи являются: низкое развиваемое усилие, сложность конструкции, сложность системы управления приводом, однако, для целевой задачи данные недостатки не являются столь существенными. При создании макета шестистепенного привода типа «гексапод» в ОАО «ИСС» был сконструирован и изготовлен линейный привод (см. рис. 1), в состав которого входили: - бесколлекторный электродвигатель Maxon EC-32 с датчиком поворота ротора; - промежуточный цилиндрический редуктор с передаточным отношением 36,68; - передача типа винт-гайка скольжения с перемещением за один оборот винта 1 мм. - выходной шток; - корпус. Ввиду того, что к макету «гексапода» не предъявлялись высокие требования в части дискретности и погрешности перемещения, в составе его линейных приводов была применена классическая передача винт-гайка скольжения. Для сравнения технических характеристик линейных приводов в случае применения иной линейной передачи были проведены экспериментальные исследования изготовленного привода. В процессе проведения испытаний были получены следующие характеристики: - развиваемое осевое усилие: 100 кгс; - диапазон линейного перемещения выходного штока: 200 мм; - теоретическая дискретность перемещения выходного штока: 0,002 мкм; - погрешность линейного перемещения выходного штока: ±0,3 мм; - масса привода: 1200 г; - габаритные размеры: внешний диаметр - 60 мм, длина - 485 мм. Как видно из экспериментальных данных, при достаточно высокой теоретической дискретности, применение привода на основе классической передачи винт-гайка скольжения в составе высокоточных механизмов оказалось невозможным из-за высокой погрешности перемещения, которая определялась, главным образом, большим люфтом в зацеплении резьб винт-гайка скольжения. Кроме того, малое число точек контакта в данной передаче ведет к низкой жёсткости, что неприемлемо для высокоточных механизмов. На основе полученных результатов, можно сделать вывод, что для создания высокоточного линейного привода необходимо использовать в его составе линейную передачу с большим количеством точек контакта и с возможностью выборки люфта в сопряжении резьб винта и гайки. Данному требованию полностью удовлетворяет безлюфтовая роликовинтовая передача с разрезной гайкой, на основе которой был сконструирован и изготовлен высокоточный линейный привод (рис. 2, 3), включающий в себя: - бесколлекторный электродвигатель Maxon EC-32 с датчиком поворота ротора; - промежуточный планетарный редуктор, выполненный по схеме 3К с передаточным отношением 37,46 (см. рис. 4); - рециркуляционную РВП SKF PVK 8хЖ 243/347 с перемещением за один оборот винта 1 мм. - выходной шток; - корпус. Рис. 1. Общий вид линейного привода для макета шестистепенного привода типа «гексапод» 144 № 6(52). 2013 Рис. 2. Кинематическая схема высокоточного линейного привода на основе РВП 25 21 Рис. 3. Общий вид высокоточного линейного привода на основе РВП Рис. 4. Планетарный редуктор, выполненный по схеме 3К Рис. 5. Измерительный стенд для проверки параметров высокоточного линейного привода Для обеспечения проведения всего цикла проверок полученного линейного привода был изготовлен измерительный стенд (рис. 5). Данный стенд позволяет прикладывать осевую нагрузку на растяжение и на сжатие и проводить измерения, как с помощью микронного индикатора, так и с помощью интерферометра (рис. 6). В процессе проведения испытаний были получены следующие характеристики привода: - развиваемое осевое усилие: 60 кгс; - диапазон линейного перемещения выходного штока: 197 мм; - дискретность перемещения выходного штока: 0,002 мм; - люфт: 0 мм; - жесткость: 2 Н/мкм; - масса: 1500 г; 145 Вестник СибГАУ - габаритные размеры: внешний диаметр - 80 мм, длина - 573 мм. На рис. 7 представлен график зависимости относительной погрешности перемещения выходного штока привода от теоретического перемещения. На участке от 0 до 80 мм погрешность составила ±0,01 мм, однако на участке от 80 мм до 197 мм погрешность резко увеличивается до ±0,04 мм, что можно объяснить погрешностью нарезки резьбы винта. На рис. 8 представлен график зависимости накопленной погрешности перемещения на участке рабочего хода 0-197 мм. Из графика видно, что накопленная погрешность составила 0,35 мм. Исклю чить данные погрешности можно путём учёта полученного закона изменения накопленной погрешности в блоке управления приводом и установкой датчика угла на винте РВП. По результатам проверки параметров линейного привода на основе РВП можно сделать вывод о том, что использование РВП с разрезной гайкой вместо винта-гайки скольжения позволяет создать линейный привод с погрешностью перемещения ±0,002 мм, высокими осевой жёсткостью и нагрузочной способностью при условии учёта погрешностей нарезки резьбы в блоке управления приводом и установки датчика угла поворота винта РВП. Рис. 6. Схема проведения измерений характеристик линейного привода с помощью интерферометра Рис. 7. Зависимость относительной погрешности перемещения выходного штока привода от теоретического перемещения Рис. 8. Зависимость накопленной погрешности перемещения выходного штока привода от теоретического перемещения 146 № 6(52). 2013 В связи с постановкой задачи создания высокоточного привода для космического телескопа «Мил-лиметрон», имеющего возможность перемещения выходного звена в пределах 20 мм с точностью ±0,00025 мм, возникает требование к дальнейшему увеличению дискретности и снижению погрешности перемещения линейного привода. Для решения данной задачи использование РВП не представляется возможным из-за невозможности нарезки резьбы такой точности. Для решения данной проблемы предлагается разделить механизм на две части: грубую и точную. Грубая передача будет обеспечивать перемещение на большие расстояния с невысокой точностью, а точная будет использоваться для точной подстройки выходного звена и, как следствие, компенсации неточностей в первой передаче. Взяв за прототип линейную передачу на основе УСП, применённую в составе космического телескопа «Джеймс Вебб», в ОАО «ИСС» в рамках эскизного проектирования высокоточного устройства авторами была разработана линейная передача на основе УСП (рис. 9), а также проведено теоретическое исследование ее характеристик. В результате было выяснено, что применение линейной передачи на основе УСП позволит обеспечить дискретность привода до 0,0005 мм при погрешности перемещения 0,00025 мм. В процессе разработки встают следующие задачи: - обеспечение необходимой жёсткости привода; - обеспечение высокого развиваемого усилия; - исключение мертвого хода привода. Функционально разработанный линейный привод состоит из: - электродвигателя; - шариковинтовой передачи SKF с погрешностью перемещения 0,02 мм; - точного линейного привода, принцип действия которого основан на упругих свойствах материала; - штока; - корпуса. Точный линейный привод в свою очередь состоит из: - электродвигателя; - цилиндрического редуктора; - УСП. На этапе проектирования привода возникает ряд проблем, которые связаны с конструкцией точной части привода: - отсутствие опыта проектирования передач подобного рода; - выбор схемы упругой части точного привода и ее теоретический силовой расчет; - обеспечение одновременно высокой точности перемещения, достаточной жесткости и высокого осевого усилия; - сложность обеспечения обратной связи, в связи с отсутствием линейных датчиков достаточной точности. Для задач управления линейным приводом подходят либо шаговые, либо бесколлекторные электродвигатели, оснащенные датчиками углового положения ротора. Для грубой части привода возможно использовать либо ШВП, либо РВП, так как они обеспечи вают необходимую жесткость, высокую точность перемещения, а также имеют возможность выборки люфта. В составе сконструированного линейного привода используются: - шаговый электродвигатель грубой передачи Phytron VSH-UNVC; - шаговый электродвигатель точной передачи Phytron VSH-UNVC; - шариковинтовая передача SKF грубой передачи с перемещением за один оборот винта 2,5 мм; - упругая система с перемещением выходного звена на 0,02 мм при повороте входного (кулачка) на угол 50°. В результате привод будет обладать следующими проектными характеристиками: - развиваемое усилие - 6 кгс; - рабочий ход - 20 мм; - погрешность выдвижения - не более 0,00025 мм; - дискретность выдвижения - 0,0005 мм; - вес привода - 850 г. Таким образом, замена РВП УСП позволяет значительно увеличить дискретность и снизить погрешность перемещения, однако, осевое усилие и осевая жёсткость будут резко снижены ввиду высокой податливости УСП. В случае необходимости увеличения передаточного числа, а также уменьшения осевых размеров линейной передачи возможна замена РВП на ВВП. На основе методик расчёта, разработанных под руководством В. А. Турышева, была спроектирована высокоточная ВВП (рис. 10) с возможностью выборки зазора в сопряжении резьб винта и гайки, а также проведено теоретическое исследование её характеристик. В состав разработанной ВВП входят: - бесколлекторный электродвигатель Maxon EC45 Flat, с моментом на выходном валу 1140 гс см при скорости 5000 об/мин; - планетарный редуктор, выполненный по схеме 3К с передаточным отношением 37,46; - волновая винтовая передача (ВВП) с расчётным линейным перемещением гайки относительно винта за один оборот волнового генератора 0,03 мм. ВВП включает в себя следующие элементы: - гибкий винт со средним диаметром резьбы в не-деформированном состоянии 49 мм; - жесткую гайку со средним диаметром резьбы 50 мм; - трехволновой кулачковый генератор, конструкция которого позволяет выбирать зазор в зацеплении резьб винта и гайки. По результатам проведенных проектных работ линейный привод будет обладать следующими характеристиками: - осевое усилие: 65 кгс; - диапазон линейного перемещения: 20 мм; - дискретность перемещения гайки: 0,0008 мм (на 1 оборот выходного вала двигателя); - жесткость: 2 Н/мкм; - погрешность линейного перемещения: ±0,003 мм; - масса привода: 850 г; - габаритные размеры: внешний диаметр - 66 мм, длина - 123 мм. 147 Вестник СибГАУ Шарнир двухстепенной Рис. 9. Общий вид высокоточного линейного гибридного привода Рис. 10. Общий вид высокоточного линейного привода на основе ВВП Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что дискретность перемещения выходного звена меньше погрешности перемещения в 10 раз, а, следовательно, дальнейшее увеличение дискретности не приведёт к повышению точности линейного перемещения. Как видно из приведенных выше характеристик, основную роль в погрешности линейного позиционирования играют люфты в планетарном редукторе и погрешность шага при нарезке резьб винта и гайки, однако при проведении анализа планетарного редуктора было выяснено, что его вклад в погреш ность незначителен. Таким образом, для создания высокоточного линейного привода требуется минимизация погрешности нарезки резьбы. Рассмотрев весь перечень представленных механизмов, можно сделать вывод о несомненной перспективности дальнейшего использования в прецизионных линейных приводах передач типа РВП, ТТТВП. ВВП и УСП. Дальнейшее увеличение точности РВП, ТТТВП и ВВП возможно только за счет увеличения точности нарезки сопрягаемых резьб. Кроме того, существует настоятельная необходимость в разработ 148 № 6(52). 2013 ке методик расчёта линейных передач на основе УСП, так как применение данных передач позволит существенно увеличить дискретность и точность позиционирования по сравнению с РВП, ВВП и ТТТВП.

Sobre autores

S. Boyko

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

Email: boyko@iss-reshetnev.ru
52 Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia

S. Komarov

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

52 Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia

S. Haritonov

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

52 Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia

E. Ulybushev

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

52 Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia

A. Lekanov

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

52 Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia

Bibliografia

Arquivos suplementares