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基于生产流程优化的电液伺服技术改进

文:北京精密机电控制设备研究所 汤力,胡宝滨,李喆,张彦,杨振宇 | 2019年第二期 (0) | (0)

    摘要:为满足某型电液伺服系统的交付要求,针对该产品生产任务存在时间紧任务重的特点,开展了提高产品生产效率的技术研究。采用5W1H和ECRS方法对产品生产工序进行分析,优化了工艺合理安排产品生产流程,同时在确保产品质量的基础上,优化设计要求,提高了产品生产一次合格率,确保了产品按时交付。上述改进措施具有较强的通用性,也能适用于同类伺服产品,具有较好的推广应用前景。

0引言

    电动液压伺服在我国的研究开始于1970年左右。电动液压伺服的研究主要从两个方面展开:电动液压伺服配套基础元件的研究,包括伺服阀、液压缸、伺服电机、液压泵等;电动液压伺服控制算法与应用技术的研究。本世纪以来,电动液压伺服的研究无论是从系统还是从元件方面均取得了显著成果。

某型电动液压伺服系统技术特点

    某型航天飞行器用闭式电动液压伺服系统是上层系统的执行机构,根据研制初期任务要求,在飞行器动力飞行段摆动大惯量-低载荷的燃气舵负载,实现发动机低工况推力矢量控制;在飞行器惯性飞行段及滑翔飞行段摆动小惯量-高载荷的空气舵负载,实现飞行器体高工况空气动力控制;以此实现飞行器全程在大气层内长时间飞行时的两种复合姿态控制功用。其工作原理如图1所示,包括:伺服控制驱动器一台、电动液压动力能源一台和活塞式活塞式伺服作动器两台[1]。

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1—电动液压动力能源;1.1—变量柱塞泵;1.2—直流无刷电机;1.3—液压力传感器;1.4—高压油滤;1.5—可快卸充气嘴;1.6—氦气蓄能器;1.7—液压油箱;1.8—低压安全阀;1.9—高压安全阀;1.10—单向阀;2—活塞式伺服作动器;2.1—喷嘴挡板伺服阀;2.2—压差传感器;2.3—线位移传感器;3—伺服控制驱动器

图1电动液压伺服系统工作状态原理

该型电动液压伺服系统技术特点为:

1)双模姿控执行的伺服机构设计技术:综合采用总体参数优化设计、动力控制元件适应性设计、控制策略优化设计等技术实现了上级对伺服机构的功能及性能要求。

2)高度紧凑结构设计技术:创造性地采用V型结构布置,一拖二设计(即一套电动液压能源驱动两台伺服作动器;能源与作动器之间的液路连接采用板式连接桥型结构,取消了当时其他电液伺服机构所采用的液压软管),满足狭小环带安装要求。同时采用了互换性设计,每发飞行器采用两套伺服机构,此两套伺服机构完全相同,简化了伺服备份配置的压力;在伺服机构设计过程中,电动液压能源的设计保证了与两个作动器的安装接口完全一致,两个作动器与能源的机械、电气接口完全一致,可互换。

3)高比功率伺服机构功率匹配设计技术:根据实际使用需求特点,在优化包络任务全部工况控制指令及负载力矩的适应能力基础上,使能源功率储备与负载特性更恰当匹配,提高了伺服机构功率利用效率,将峰值功率及额定功率的比值由3倍提升到4倍,即采用1.5kW额定功率规模的伺服机构在较短时间内满足6kW较大规模的负载功率需求。

4)元件小型化设计技术:成功开发应用了新型电动机具有功率大(2.5kW,较平均水平提高33.3%)、功率质量比大(0.56kW/kg,较平均水平提高40%)、-50℃~+250℃宽温域适应能力(平均水平:-40℃~+200℃)、高真空适应能力(0.0001Pa,较平均水平提高10倍)、可靠性高(可靠性指标由0.99996提高到0.99998)等技术特点,是一型高比功率、高可靠、环境适应能力强的新型永磁直流电动机[2]。成功开发应用的新型伺服阀具有静耗量低(0.7L/min,较平均水平降低10%),动态高(相频宽为70Hz,较平均水平提高40%),调试合格率高等特点(装调合格率≥95%,较平均水平提高55%)等技术特点,是一型结构紧凑、性能指标先进、环境温域适应能力强的新型双喷嘴-挡板伺服阀。

基于生产流程的技术改进

2.1伺服阀技术改进

    伺服阀是伺服系统的核心控制元件,在系统中起着电液转换和功率放大的作用,其性能直接影响系统的性能,是伺服系统中的关键元件。目前,某型喷嘴挡板伺服阀,产品一次交付合格率较低,仅达到30%左右,主要表现为静耗量偏大、压力增益低、高温卡滞、喷嘴体流量配对合格率低等问题。而且,壳体加工周期较长,不利于批量生产。因此,需要研制一种新的喷嘴挡板伺服阀,通过结构及参数优化,以提高伺服阀一次交付合格率,满足批量生产。

    对于流量为15L/min的伺服阀而言,动态幅频指标要求大于70Hz,相频指标要求大于40Hz,而静耗量小于0.7L/min。影响静耗量的主要因素有喷嘴直径大小、阀芯阀套间隙等结构参数。动态响应的快慢主要取决于喷嘴直径大小、弹簧管刚度等综合因素。喷嘴直径越小,静耗量会越小,但动态响应越低。伺服阀的静耗量和动态响应是一对相互制约的性能指标。因此,也需要对动态响应和静耗量的影响因素进行分析。

    伺服阀的功能原理如图2所示[3]。其中,力矩马达包括衔铁组件、磁钢、导磁体和线圈;前置级液压放大器为节流孔—喷嘴挡板式结构;功率级液压放大器包括阀芯阀套。

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图2伺服阀功能原理图

    为解决目前伺服阀的相关问题,新研制的喷嘴挡板伺服阀采用较多的结构优化,如图3所示。

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1—阀套;2—壳体;3—底座;4—喷嘴体;5—衔铁组件;6—节流组件

图3伺服阀结构示意图

    由图3可知,伺服阀的结构包括三部分,即力矩马达、前置级液压放大器和功率级液压放大器。综合考虑各种因素,对结构进行了优化设计:

1)喷嘴体结构:喷嘴体采用分体式结构,工艺性好,有利于清除孔内毛刺。喷嘴堵塞时,可取出堵头进行清洗,易于调试、维修。

2)节流组件结构:一般情况下,伺服阀的两个节流孔与油滤通过焊接连接在一起,形成节流组件。但是,高温焊接易引起配对的两个节流孔流量特性发生不对称改变,导致焊接后的流量配对合格率大大降低。因此,节流组件采取分体式结构,即分为油滤组件和节流孔两部分。不仅提高了节流组件的合格率,也提高了机加工艺性。

3)阀套结构:阀套采取带密封圈的结构形式,可以吸收高温时阀套的变形,以解决阀芯的高温卡滞问题。同时,阀套的节流窗口为对称分布的二窗口。对于相同的节流窗口面积梯度,二窗口的方孔比四窗口的方孔的宽度多一倍。这样,易于去处节流边的毛刺,有利于提高节流窗口的平面度,以提高伺服阀的零位特性。

4)壳体结构:伺服阀的上、下壳体分离,安装喷嘴体的上壳体被称为底座。底座与壳体的分离,有利于调试前置级液压放大器的零位。而且,使底座、壳体可以采用不同的材料成为可能。为降低生产成本,壳体材料采用铝2A14。经过仿真软件Ansys分析[4],在通油压力16MPa时,壳体的最大应力为122.7MPa,满足强度要求,如图4所示。这样,即可以降低壳体的重量,又易于加工,从而缩短伺服阀的制造周期,降低生产成本。与相应的钢壳体相比,伺服阀的生产周期由13个月降低到6个月,能够较好地适合伺服阀的大批量生产。

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图4壳体的应力分布图

2.2位移传感器技术改进

    该型位移传感器是两冗余的直线、接触式、带中心抽头的合成膜电位计,主要由骨架、电阻体、导电条、刷握和电刷等组成。

在电阻体两端分别施加正负直流电源,同时在零位位置设置中心抽头(即电源地),电刷在电阻体和导电条上滑动,实现测量正负线位移的功能。正负电源和接地导线由铆钉连接,铆钉与电阻体间由导电银带连接。为了提高可靠性,将两个位移传感器电阻片分别安装于伺服作动器壳体两边,将两组正负电源及地端分别引出,位移传感器输出信号并联使用。反馈电位计是一种把线位移或角位移转换成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。线性电位计的理想空载特性曲线应具有严格的线性关系[5],如图5所示。

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图5位移传感器工作原理图

    为满足位移传感器交付要求,主要采取了优化工艺合理安排产品生产流程,在确保产品质量的基础上优化设计要求提高生产效率等措施,确保产品按时交付。

    在实际生产过程中要求对电气行程指标进行测量,并有明确数值要求,在测试时必须给出实测数据,但是大部分产品电气行程指标不满任务书要求,存在超差。

    电气行程指标超差和不易控制的主要原因是在实际生产过程中产品的线性度指标、电阻值指标和电气行程指标均相互制约,为了满足线性度指标和电阻值指标要求,就无法很好地控制产品电气行程指标,降低了产品一次装调合格率,严重影响产品生产效率,同时随着近年型号批产和整修任务的增加,产品交付的数量呈上升趋势,上述问题日益严重,制约产品交付进度,应在确保整机控制精度、兼顾产品线性度、总阻值的前提下,将产品的电气行程公差更改为±0.5mm。

    在实际生产过程中,产品的线性修刻采用电桥法(恒压源法)或恒流源法,以上两种修刻方法都是保证单位行程内的阻值为固定值,即将单位行程内的阻值修刻到名义电阻值,而名义电阻值=总电阻/名义电气行程,与电气行程公差无关。因此,产品电气行程公差要求的更改便于产品本身线性度指标和电阻值指标的实现,并且不影响伺服机构配套使用。

    分体式位移传感器生产一共可分为电阻喷涂、电阻组件装配、电刷制作、刷握装配、调试筛选和质量一致性检六大工序。质量一致性检验是判断出厂产品功能和性能的关键步,而且其检测项目和内容均有明确要求,无改善余地。而刷握组件结构较简单,生产流程单一,工序较少,并且采用专用工装进行,优化空间不大。同时在实际生产过程中发现,电阻组件的生产装配时间最长,分为电阻片装配和电阻组件装配。

    为消除等待节约时间,对电阻组件生产工序进行优化,采用5W1H和ECRS方法对生产工序进行分析[6],采取了以下措施:

1)提前进行电阻膜制备。电阻膜的制备需要时间为7天,在装配测试过程中占有较大比例,由于此项工序与电阻组件的装配相对独立、制作成本低,且在多品种传感器上均有应用,不会发生库存浪费现象,因此可以大批量提前生产,如有需求,可随时领用。

2)消除等待时间。等待时间包括等待操作者上岗时间和等待机器运行时间。改善前,在生产任务下发给调度人员后,调度按照时间节点将任务下发给指定操作者,如操作人员正在进行其他产品的装配任务,则需要等待此操作者上岗。在装配过程中产品会使用到高低温箱、探伤设备、测试设备等,同样需要消耗等待时间。改善后,在生产任务下发给调度人员后,调度按照各类产品交付时间节点提前制定生产计划,填写“特殊岗位人员上岗时间安排表”和“设备使用时间排序表”,张贴在生产现场,使特殊岗位人员提前安排上岗时间,使各实验台和测试台合理安排各项任务,避免装配过程中造成停滞[6]。

3)随着项目批产任务的启动,伺服机构配套位移传感器产品生产任务程逐年递增趋势。以往的手工电位计修刻测试台,有效行程短,测试精度低,操作者劳动强度大,生产效率低,已不能满足批生产的要求。因此,为适应新时期、新形势产品研制需要,改进产品修刻工艺性,提高产品使用精度和生产自动化程度,采购了高精度自动修刻测试设备,不仅缓解了操作者劳动强度,同时该设备具有防愚措施,避免了由于人为操作造成的失误,提高了电位计电阻膜修刻质量及效率。

4)充分利用生产中的空闲的时间。电位计生产过程中电阻喷涂过程中,球磨等过程虽然需要人员看守,但双手属于空闲状态,属于动作的浪费。原来顺序进行的工序,其部分流程为;树脂配制;密闭放置;原料去湿;球磨;骨架准备;电阻喷涂。现将不干涉的工序,调整为并序进行,其流程为:树脂配置;密闭放置-球磨/原料除湿-骨架准备;电阻喷涂。以减少双手空闲的浪费。

同样在电刷制作工序中,顺序中的晾干属于双手动作空闲的浪费,将其与准备工装进行并序,充分利用空闲时间。

2.3永磁直流电机技术改进

    为减小电机重量,根据航天驱动电机短时工作制、允许较高温升的特点,采取了高转速化、高电流密度化、高功率密度化设计,加上飞行过程中电机处于高真空、大热流等恶劣环境下,最终使得电机温升较高。而在这种条件下,一方面恶劣的换向条件容易使电刷装置和换向器产生局部高温,从而影响电机可靠性[7];另一方面,温度升高会导致电机效率下降。因此,如何在有限的空间内提高电机效率、降低发热、提高电刷装置的耐高温能力成为航天用大功率永磁直流电动机可靠性设计的关键技术和设计难点。

1)电磁设计时,分别从“路”和“场”的理念出发,设计电机磁路,对电磁场、温度场进行有限元分析,并综合考虑仿真分析结果,优化磁路设计和温升设计。在允许的安装空间内,增大电枢直径、增大绕组截面积,减少电枢绕组铜损耗,从而提高效率,降低电负荷和电流密度,减少发热。

2)选用高性能第二代钐钴永磁体作为电机励磁磁极[8],进一步提高了磁极的耐高温能力和抗去磁能力,同时有效减小了电机体积。

3)结构设计:电机主要由定子、转子(电枢)、刷架、换向器等组成,如图6所示。定子永磁磁极进行励磁,通过换向器和电刷的配合来实现外部电路与电枢电路的连接,通以电流的电枢在永磁磁极产生的气隙磁场中产生电磁转矩,驱动电枢旋转,从而输出机械能,实现了机电能量的转换。

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图6电机结构示意图

    根据电机结构和功能,开展故障模式及影响分析(FMEA),识别出单点失效模式,针对失效模式和可靠性关键环节,提出如下措施:

1)电刷连接环选用耐高温、高韧性及强度优等性能优良的材料,可提高成品合格率、缩短制造周期。另外,在其圆周上设计直流供电导线环槽,消除了由于内部走线造成导线交叉短路的隐患。

2)换向器采用无毒害的银铜材料塑压一体工艺,减少了加工工序,提高了零件合格率。

3)严格控制换向火花产生:如加严电刷弹簧弹力一致性、增大电刷与换向器接触面积、带载磨合等,使其在热真空、大热流条件可靠运行。

3)采用绕组和换向器同时、多次真空压力浸漆的浸漆技术,进一步提高了电枢绝缘结构的可靠性。

4)轴系采用波形弹簧,通过合理设计轴向窜动量,提高轴向载荷承受能力和工作寿命,进而提高其可靠性。

利用ANSYSRmxprt和Maxwell电磁场分析软件进行复核复算。有限元分析结果曲线见图7~图9。

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图7转矩曲线

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图8转速曲线

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图9电机电流转矩特性和效率实测曲线

    从计算和测试结果可以看出:(1)电机具有较宽的高效率特性,即在较宽的负载扭矩范围内,电机效率可维持在75%以上。在额定力矩2.7N.m下,电机效率在78%~82%。(2)电机功率密度较高。在额定电压下,输出功率约为1.8kW,在42V高电压工作状态下,输出功率高达2kW,实测电机重量仅为3.86kg。(3)电机具有良好的工作特性,不仅具有硬的机械特性、线性的调节特性,即当扭矩变化时转速变化不大。(4)电机具有优良的动态性能,起动转矩高达19N.m,起动时间约20ms~30ms,200ms左右进入稳定运行状态。在伺服系统整机测试起动时,电机起动时间不超过20ms。实测结果与理论设计吻合良好。

结论

    经过十余年的研制,某型电动液压伺服系统经过了数个阶段的发展,目前已形成了具有一定生产规模的成熟的伺服产品。技术改进方案提高了产品的一次交付合格率并经过质量一致性检验,为该项目的稳步进行和交付用户起到了重要作用,同时本文采取的技术改进措施可在同类电液伺服系统组件推广应用。为同类伺服产品提供了一种可行的设计方法。

 

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