机载显示器调姿机构设计分析.pdf

窑 产品与市场 窑修稿日期院圆园23原01原17作者简介院罗祥振渊1991-冤袁男袁山东聊城人袁机械设计专业硕士袁工程师遥研究方向院系统结构总体设计曰程丽珠渊1979-冤袁女袁吉林长春人袁高级工程师遥 研究方向院系统结构总体设计遥Design and Analysis of Posture Adjustment Mechanism for Airborne DisplayLUO Xiang-Zhen袁 CHENG Li-Zhu袁 SUN Zhao-Bing渊China Academy of Electronic and Information Technology袁Beijing 100041袁China冤Abstract院 The display is an important human-computer interaction interface on the airborne console.In order to improve the ergonomicsof the airborne display袁 a design scheme for posture adjustment mechanism is put forward.The posture adjustment mechanism mainlyconsists of controller and electromotive handspike袁 can drive the pitching and displacement motion of the airborne display.In this paper袁based on the closed-loop control principle of the servo system袁 according to the adjustment requirements of the display袁 each component ofthe posture adjustment mechanism is reasonably designed to achieve the requirements of light weight袁 small volume and high structurestrength.Through the structure dynamics simulation袁 the posture adjustment mechanism is verified that can meet the airborne vibrationconditions.This scheme can be used to guide the ergonomics optimization design of the airborne console.Keywords院 Airborne display曰 Posture adjustment mechanism曰 Electromotive handspike曰 Ergonomics曰 ANSYS Workbench机载显示器调姿机构设计分析罗祥振袁程丽珠袁孙兆兵渊中国电子科学研究院袁 北京 100041冤文章编号院 员园园圆原远远苑猿 渊圆园23冤 园4原055原园4摘要院 显示器是机载显控台上重要的人机交互界面遥 为提高机载显示器人机工效水平袁 提出了一种显示器调姿机构的设计方案遥 调姿机构主要由控制器和电动推杆组成袁 与显示器连接后可驱动实现显示器的俯仰和前后位移运动遥 本文基于伺服系统闭环控制原理袁 根据显示器的重量尧 姿态调节要求等条件袁 对调姿机构每个组成部分进行合理设计袁 使得其达到了重量轻尧 体积小尧 结构强度高的要求遥 通过结构动力学仿真分析验证了所设计的调姿机构能够满足机载振动条件要求袁 可用于指导机载显控台人机工效优化设计遥关键词院 机载显示器曰 调姿机构曰 电动推杆曰 人机工效曰 ANSYS Workbench中图分类号院 V242文献标识码院 粤doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2023.04.0140引言对于集成了大量电子设备的特种飞机而言袁 随着目标数量的增多袁信息量的成倍增长袁战勤操作员的工作负荷越来越大袁如何在有限的空间内为操作员提供良好的人机工效显得尤为重要1-2遥 目前袁对机载显控台的人机工效优化研究主要集中在机架的结构强度设计尧整体外观造型设计等方面3-5遥 显示器作为显控台态势信息显示和人机交互的重要硬件设备袁在执行任务时会长时间的使用袁随着飞机作战需求的不断提升袁对机载显示器的应用需求也发生了极大地变化6遥 张鑫磊以人机工程学为理论指导袁分析了显控台硬件人机界面特征袁认为显示器的布置最好能够调节姿态7遥 因此袁本文提出了一种调姿机构的设计方案袁与机载显示器连接后可实现其位移尧角度的调节袁可用于解决不同操作员对显示器使用的差异性需求遥1调姿机构组成及工作原理该调姿机构主要由电动推杆尧控制器尧转接安装件尧结构外壳和安装底座等组成袁 其中 4 个电动推杆为实现显示器姿态调节的核心部件遥 按照设计袁2 个电动推杆和1 个控制器组成 1 套伺服机构电机模块袁即 1 个控制器控制 2 个独立的电动推杆实现同步运动遥 调姿机构通过其阻尼转轴尧滑块等转接安装件与显示器连接袁其结构示意见图 1遥当显示器需要前后平移时袁 控制调姿机构 4 个电动推杆同时向前或者向后运动袁 即可实现显示器的前后平移运动曰当显示器需要俯仰姿态调节时袁控制调姿机构上端两个电动推杆保持不动袁 下端两个电动推杆向前或者向后移动袁此时上端阻尼转轴会绕轴旋转袁下端 2 个转接块拖动滑块在导轨上面上下移动袁 因此通过上下两组电动推杆的分开控制即可实现显示器的俯仰姿态调节遥机电产品开发与创新阅藻增藻造燥责皂藻灶贼 驭 陨灶灶燥增葬贼蚤燥灶 燥枣 M葬糟澡蚤灶藻则赠 驭 E造藻糟贼则蚤糟葬造 P则燥凿怎糟贼泽灾燥造援36熏晕燥援4Jul援熏圆园23第 36 卷第 4 期圆园23 年 7 月55窑 产品与市场 窑伺服机构电机模块一拖二设计袁 可以确保两个电动推杆的运动速度尧位置始终相同遥 其工作原理是院控制器通过串口接收控制计算机下发的系统动作指令袁 将目标指令换算为用于内部位置环计算的数字量袁 同时对当前推杆输出轴位置进行实时采集袁 获取目标位置和当前位置的偏差袁控制电机按相应的方向高速旋转袁电机带动减速机构驱动输出轴向目标位置靠近遥 控制器根据不断更新位置偏差信号袁随时对电机转速和转矩进行控制袁当位置偏差较大时袁要求电机快速以最高转速运行袁当位置偏差逐步减小逼近目标位置时袁控制电机开始减速袁直至达到要求的稳态精度后袁电机开始进入动平衡状态袁保持当前位置闭环控制遥 工作原理见图 2遥2设计方案2.1 伺服机构电机模块设计选型电动推杆以其良好的线性特性尧 优异的控制性能等特点在众多运动控制和闭环位置伺服控制系统领域得到广泛应用8遥 电动推杆的设计不仅要满足机载条件要求袁还要重量轻尧体积小尧结构强度高尧安装维护便捷等遥2.1.1 电机技术参数设计选型机载显示器重量按照 11kg 考虑袁根据显示器重量和工作行程要求袁设定单个电动推杆的负载为 70N袁输出轴行程 100mm袁在行程范围内运动时间不大于 10s遥 根据传动输出原理袁逐级计算出电动推杆丝杠尧减速器尧电机的转速尧承载能力等参数遥计算丝杠部分线速度为院V=10010=0.01m/s渊1冤按滚珠丝杠承载能力袁并结合标准丝杠匹配参数袁选丝杠导程为 2mm袁因此在行程范围内滚珠丝杠的回转圈数为院N=100mm2mm=50渊r冤渊2冤在行程范围内丝杠的回转速度为院n1=50r10s=5r/s=300r/min渊3冤此时丝杠的输出功率为院P=FV=70N伊0.01m/s=0.7W渊4冤所选用电动推杆丝杠输出效率为 0.35袁 则丝杠输出端的功率为院P1=P0.35=2W渊5冤计算得丝杠输入扭矩为院T1=9550伊P1n1=0.064Nm渊6冤设定齿轮减速器的减速比为 20袁计算得电机的理论转速为n0=20伊300=6000r/min渊7冤取两级齿轮减速器的传动效率为 浊=0.8袁计算得电机的额定功率为p0=20.8=2.5W渊8冤计算得电机本体的额定输出力矩为T0=9550伊P0n0=9.55伊2.56000=0.004Nm渊9冤根据类似产品的设计经验袁 电机额定转速应高于理论计算转速 1/3袁因此将电机的技术指标设计为院额定转速 n=9000r/min袁额定输出力矩 0.004Nm袁额定功率为4W遥按照机载产品的设计要求袁在体积尧重量尧效率尧速度尧 精度等多方面综合考虑袁 电机选择直流永磁同步电机袁该型电机结构体积小尧效率高袁且更好的适用于高转速尧高精度控制遥2.1.2 电机减速传动设计电机的转速和力矩需要通过减速器调整后传递给丝杠才能驱动负载满足使用遥 通过综合对比各传动类型的特点袁结合电动推杆的结构尺寸和输出性能要求袁电机的减速传动采用一级展开式齿轮尧一级行星减速传动和 T 型丝杠的综合传动减速模式袁此传动设计可以有效减少轴向尺寸袁且传递效率高尧结构简单遥 电机的减速传动结构见图 3遥多级减速传动的各级传动比分配袁 以各级传动等强度和获得最小外廓尺寸为原则袁 考虑到各级传动的承载情况及体积袁基于外形尺寸及结构布置的整体考虑袁高速级传动减速为 i1=4.4袁低速级传递减速比 i2=4.6袁总传动比i=i1伊i2=20.2遥图2伺服机构电机模块工作原理框图图1调姿机构结构示意图电动推杆结构外壳安装底座滑块与导轨转接块阻尼转轴显示器计算机+28V 控制电源RS485 串口通信伺服机构电机模块电机控制器末端位置反馈位置采样传感器采样电机位置三相全桥驱动相电流计算反馈采样相电流56V 功率电源永磁同步电动机减速传动机构驱动信号电机位置反馈输出轴56窑 产品与市场 窑渊下转第 61 页冤通过两级齿轮减速袁电机的高转速尧小扭矩输出转化为低转速尧大扭矩传递到丝杠组件袁丝杠组件将丝杠螺杆的回转运动转化为丝杠螺母的直线运动袁 最终通过与丝杠螺母固定的输出轴输出遥2.1.3 丝杠参数设计单个电动推杆负载为 70N袁 按照 2 倍安全系数进行设计袁则丝杠的额定动载荷不小于 140N袁因此选用承载能力强尧 传动比大的 T 型丝杠袁 具体参数为院 公称直径8mm尧导程 2mm尧额定动载荷 140N尧丝杠效率 0.35遥依据电机和减速传动设计袁 计算得丝杠输出负载转速为 445r/min袁移动速度为 14.8mm/s袁行程 100mm所用时间为6.7s袁即所设计调姿机构可在 7s内将显示器移动 100mm遥2.1.4 控制器设计控制器是实现电动推杆能够按照要求精确运动的决策机构袁 左右电动推杆的同步控制实质上是控制器对双伺服电机的控制9-10遥 通过同步控制算法和同步控制结构两者相结合实现较好的双电机同步效果11遥 本伺服系统电机模块的控制策略选择是双电动推杆位置同步控制策略袁通过对双电动推杆的状态信息采集袁控制电机的转速和通电相序袁 对两个电机的位置反馈信号进行作差得到位置偏差信号袁 对该偏差信号乘上一个增益后再分别对两个电机做位置前馈补偿袁 保证在运动时上部或者下部双推杆的运动位置始终相同袁 避免因两个推杆的位移或者速度不同使得承载的显示器出现拉扯变形的情况遥本调姿机构控制器的设计主要包括硬件电路设计尧总线接口设计尧旋变解算电路设计尧过流保护设计尧软件设计等方面遥2.2 调姿机构结构设计按照实际使用需求开展结构设计工作遥 调姿机构底座可通过松不脱螺钉安装在显控台上部袁 电动推杆末端的转接件与显示器连接袁 通过推杆输出轴的移动实现显示器的姿态调节袁 使得显示器的态势信息显示状态能够满足不同身高尧习惯的操作员使用需求袁达到提高显控台人机交互水平的目的遥调姿机构结构设计如下院渊1冤调姿机构外壳和安装底座采用铝合金袁采用结构拓扑优化技术对机构结构进行优化设计尧多次迭代袁拓扑优化的目的是寻找承载结构的最佳材料分配方案袁 得到最佳的结构造型袁 最后在降低体积重量的基础上通过仿真分析改善振动响应状况袁降低振动响应12遥渊2冤阻尼转轴尧直线滑轨等转接安装件是调姿机构与显示器的连接部件袁也是整体安装后的承力点袁因此转接件材料选用不锈钢 2Cr13以增大受力点的强度极限和屈服极限遥渊3冤主要结构件采用一体成型的方式加工袁减少结构件组装时因加工尧装配误差而产生的误差累积袁提高调姿机构装配精度袁 从而进一步保证电动推杆的同步控制精度曰 对结构件适当位置采用加强筋设置袁 提高零部件刚度袁避免尖角出现袁减少应力集中遥此外袁电动推杆作为调姿机构的核心部件袁为满足机载严苛的环境条件要求袁与目前同类产品相比袁在结构设计上主要做以下几方面的优化院渊1冤齿轮作为传动受力部件袁选用优质结构钢 38Cr鄄MoAlA袁并对齿面进行软氮化处理袁以增强其硬度尧耐磨性和抗蚀性袁 采用专用高低温润滑脂进行齿轮润滑以满足环境温度要求遥渊2冤输出轴作为最直接的承载部件袁采用优质高强度马氏体不锈钢袁高温淬火增强其刚强度和耐磨性遥渊3冤电动推杆的壳体尧盖板等受力较小的结构件袁为降低重量采用铝合金 2A12遥渊4冤电动推杆所用紧固件均采用 8.8 级以上螺钉袁所有螺钉均采用点胶等防松处理遥3仿真分析对调姿机构和机载显示器整体进行结构动力学仿真分析袁采用 ANSYS Workbench 建立有限元模型袁并对各组成部分进行材料物理参数设置曰 采用六面体和四面体结合的方式优化网格划分以减少计算量袁 对调姿机构底座安装点施加固定约束袁 按照某螺旋桨飞机的振动指标要求设置振动载荷袁 最后对有限元模型进行模态分析和随机振动仿真分析袁得到了调姿机构在 X尧Y尧Z 三方向的应力尧位移响应云图见图 4尧图 5 所示遥调姿机构与显示器整体的振动仿真结果见表 1遥 根据分析袁调姿机构阻尼转轴部位是等效应力最大点袁且在承受上下方向载荷时最大为197.81MPa袁 小于图3电机减速传动结构图图5承受三方向振动载荷位移响应云图图4承受三方向振动载荷等效应力仿真云图控制器电机高速级齿轮低速级齿轮传感器输出57窑 产品与市场 窑渊上接第 57 页冤 应力许用值袁其余部位应力低渊绝大部分低于 10MPa冤遥显示器最大位移响应为 0.454mm袁响应值偏小遥因此袁调姿机构的刚强度设计满足机载振动条件要求遥4结束语对机载显控台的人机工程学评价研究是近年来的学术热点遥目前袁国内的研究主要是对显控台机架造型设计优化尧硬件界面布局优化遥 本文设计了一款可实现显示器位移尧角度可调的调姿机构袁通过底座安装在显控台机架合适位置袁 在使用时操作员可根据自身的需求调整显示器姿态遥 本调姿机构根据负载能力要求开展电动推杆技术参数设计选型袁采用双推杆同步位置控制策略袁并进行结构拓扑优化袁达到了体积小尧重量轻尧结构刚强度好尧控制精度高等特点遥 通过结构动力学仿真验证了调姿机构强度可靠袁满足装机振动条件要求袁为后续机载显示器的人机工效改进提供一定的参考遥参考文献院1 李文志.基于人机工程学的机载显控台结构设计J.电子机械工程袁2010袁26渊4冤院28-30.2 张明德.空中预警机的过去尧现在和将来M.北京院国防工业出版社袁袁2002.3 白超.某机载显控台产品的外观造型设计 J.中国科技信息袁2017袁12院67-70.4 严宏.基于拓扑优化的某机载显控台轻量化设计 J.机械与电子袁2016袁34渊11冤院22-25.5 李文志.一种机载显控台振动仿真及优化.J.机电产品开发与创新袁2021袁34渊3冤院85-87.6 贺堃.机载大屏幕显示器的余度设计 J.科学技术与创新袁2021袁6院85-86.7 张鑫磊.指挥系统显控台的硬件人机界面设计研究J.机电产品开发与创新袁2019袁32渊2冤院19-21.8 彭平.电动推杆在无人飞艇舵面控制系统中的应用J.航空科学技术袁2010袁1院21-24.9 苏丽洁.双电动推杆驱动天线翻转机构的工程实现 J.仪表技术袁2015袁1院5-8.10 陈东升.双驱动电动推杆加载同步控制技术 J.机床与液压袁2013袁41渊10冤院127-129.11 赵宏英.基于改进交叉耦合的多永磁同步电机速度同步控制J.机床与液压袁2021袁49渊22冤院44-51.12 汤晓萌.翻转支架结构有限元分析与拓扑优化设计 J.汽车零部件袁2021袁10院48-53.表1调姿机构振动仿真分析结果项目载荷方向最大值发生部位最大值许用值等效应力前后方向渊X冤推杆与显示器连接部位阻尼转轴108.18MPa293.3MPa左右方向渊Y冤推杆与显示器连接部位阻尼转轴80.501MPa293.3MPa上下方向渊Z冤推杆与显示器连接部位阻尼转轴197.81MPa293.3MPa位移响应前后方向渊X冤显示器上端阻尼转轴0.191mm/左右方向渊Y冤显示器上端0.206mm/上下方向渊Z冤显示器整体0.454mm/注院阻尼转轴材料渊2Cr13冤的屈服强度为440MPa袁根据设计经验渊安全系数为 1.3耀1.5冤袁取安全系数为 1.5袁则得出许用值为 293.3MPa遥阀袁平时都处于关闭状态袁要排干模具里的水时打开即可遥2.6 自动移槽机构设计合金液从野浇注槽冶浇注是不间断的袁当一个野模具冶浇注完成后袁 浇注槽从一个模具移到另一个模具时会在两模具的间隔处留下合金液袁见图 10遥 设计野自动移槽机构冶袁连接在野浇注槽冶下面袁与野转炉冶配合袁实现自动浇注遥 野接槽冶位置在浇注的模具与下一个模具的间隔处袁当该模具浇注完成后袁野浇注槽冶转到下一模具浇注袁在野转冶这一过程中袁通过野接槽冶把锌合金液导入模具中遥当野浇注槽冶到下一模具位置后袁自动移槽机构会移动野接槽冶袁避开浇注口流下的合金液袁把野接槽冶移动到下两个模具的间隔处遥动作流程如图 11 所示遥3结束语目前袁全国金属大锭的冶炼仍然是人工浇注尧冷却尧脱模的生产方式袁 本自动生产线的设计可改变人工劳作方式袁 将工人从恶劣的环境中解脱出来袁 保证了人身安全尧降低了劳动强度袁杜绝了人工操作带来的人为错误袁锭的重量更准确袁质量得到较大提升袁可缩短产品的生产周期袁从而提高生产效率遥目前已在云南省内某大型冶炼企业得到应用袁效果较好袁达到预定目标遥 还可为其它金属大锭的冶炼提供借鉴遥图10自动移槽机构Fig.10 Automatic grooving mechanism图11自动移槽机构流程图Fig.11 Flowchart of automatic troughing mechanism61