一种自均力冗余驱动接口模块

　　0　引言

　　目前的重载模拟设备,如飞行模拟器运动系统,一般都采用液压伺服系统驱动,使用大型伺服油缸作为执行元件,并需配备大型蓄能装置,造成设备庞大,制造、维护费用高,液压油易泄漏、污染等缺点。如何使用电气-机械伺服系统代替液压伺服,克服上述缺点,一直是一个困难和富于挑战性的的课题。其主要原因是此类设备一般承载量大、加速度高,致使一个工作循环内的平均负荷很大。若使用机械传动系统(如滚珠丝缸)作为执行单元,其寿命太低,不能满足实际需要。冗余驱动可使用多驱动源分担驱动力[1, 2]。然而,由于机械传动系统刚度较大,工作过程中的运动误差会引起各驱动单元间的非同步现象,造成受力不均甚至瞬时载荷方向相反,引起驱动单元在一个工作循环内的平均载荷激增,严重损坏传动系统寿命。为避免这一问题,需使用力反馈控制。但是,在重载、高速场合使用力反馈控制,必须使用动力特性好、承载能力强的力传感器,且控制算法复杂和非线性化,从而导致控制难度和制造成本的大幅度提高、控制的稳定性和鲁棒性下降。因此,从提高寿命的角度出发,构造合适的驱动单元,就成为重载模拟设备实施电气-机械伺服系统驱动的关键。

　　鉴于此,本文提出一种自均力冗余驱动接口模块,使用双丝杠并联分担驱动力,提高驱动系统寿命。

　　1　机构组成

　　自均力冗余驱动接口模块见图1,由轴承1、螺母2、均力杆3、丝杠4、动平台5和机架6组成,其中轴承、螺母、均力杆组成内部均力机构。工作时,两丝杠的冗余输入通过均力机构转化为动平台的单自由度输出。图1a描绘了两根丝杠螺旋方向相反时均力杆的安装方式,图1b描绘了两根丝杠螺旋方向相同时均力杆的安装方式。

　　内部均力机构的组成与工作方式如下:丝杠上的两个螺母均通过轴承与动平台联接;均力杆连接两螺母,使一螺母转动时带动另一螺母同向或反向旋转。当丝杠-螺母副存在间隙或螺距误差,造成丝杠上的螺母受力不同时,受力大的螺母转动并带动另一螺母产生牵连转动,直至两螺母受力近似相同。其中均力杆可用齿轮副、齿轮齿条副、带及带轮或其他传动装置代替。

　　考虑到均力效率,轴承应采用滚动轴承。由于该轴承在工作时转速极低,因此可使用高刚性、大载荷、低极限转速的轴承,如推力调心滚子轴承。这样,轴承连接处的刚度得以保障,使整个机构可获得高刚度。

　　接口模块使用双伺服电机驱动时,可通过在控制卡上设置虚拟轴保持两电机同步;对于全数字型伺服电机系统,也可以将一台电机的码盘信号作为另一台电机的输入构成主从系统来保持两电机同步。因此,接口模块的的控制仍可用单输入单输出运动控制算法。