钢丝绳传动在航空光学遥感器上的应用

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传统的机械传动多采用齿轮传动，然而即便是最精密齿轮传动也存在着间隙、磨损等缺陷，不可避免地存在空回，从而制约了精度和动态性能的提高。

某航空光学遥感器为保证扫描组件和消旋组件有较高的同步运动精度和动态性能，需要机械结构具有高刚度、无空回、高精度的特点，迫切需要采用简洁、高效的新型精密机械传动方式，钢丝绳精密传动就是据这类需要而产生的。钢丝绳精密传动具有精度高、噪声低、传动平稳、无需润滑、易于安装和维护等特点，在国外已被用到机器人和光电精密传动装置作者简介：张洪文(1973-)，男，研究员，硕士，主要从事航空成像与测量技术的研究。E-mail：zhw-sohu###sina.com收稿日期：2012-09-20；修订日期 ：2012-10-15激 光 与 红 外 No.4 2013 张洪文等 钢丝绳传动在航空光学遥感器上的应用 419中，如澳大利亚国立大学、Sagebrush技术公司等，而国内在此方面的研究与应用并不多见 J。

澳大利亚国立大学信息技术与工程学院应用钢丝绳精密传动研制出灵巧机器人眼装置，充分利用钢丝绳精密传动的零空回、角度灵敏性高等特性来提高传动的灵敏度和精度。灵巧机器人眼装置的三个轴的角度重复性精度和分辨率为 0.01。，系统的最大速度为 600。/s，最大角加速度为 1000。/S 。从这个技术指标可以看出，钢丝绳精密传动可以为现代机电系统提供简洁的结构，可 以达到极高的灵敏度。

国内也有研究机构对钢丝绳精密传动进行研究，南京电子科技研究所研制的车载卫通天线采用了钢丝绳精密传动。天线方位运动速度为 0.1。/s～0.20/s，俯仰运动速度为0.1。/s-1.5/s，传动精度0.3。。

某航空光学遥感器要求扫描组件和消旋组件按1：1速比同步步进旋转，同步精度 0.1。，旋转速度为5。/s时运动速度控制精度不低于 1.5%，传动链中不允许存在空回，由于扫描组件和消旋组件质量大，转动惯量较大，并且扫描组件和消旋组件不同轴，需要通过传动机构传动保证同步，综合考虑各种传动形式(如齿轮传动、摩擦轮传动、钢丝绳传动等)的优缺点，采用钢丝绳精密传动结构简单、紧凑 ，运动平稳，无疑是最佳的选择¤鉴国内外钢丝绳精密传动产品的经验，文章对钢丝绳精密传动结构形式、刚度进行研究，简要介绍钢丝绳精密传动的控制方法，通过试验对钢丝绳精密传动精度进行测试，并根据获取的试验数据，分析了影响精度的主要因素，为钢丝绳精密传动在航空光学遥感器伺服系统上的应用奠定技术基矗2 钢丝绳精密传动的结构形式钢丝绳精密传动可以根据系统不同的结构需求灵活设计结构形式，比较典型的结构形式有很多，如Rot-Lok”型结构、多转向轮传动、类似锥齿轮”的结构形式、类似齿轮齿条”的结构形式等。

选择类似于Rot.Lok”型的结构形式，两个传动轮都采用圆柱体形状，这种传动结构的输入与输出轴的轴线平行，两轮转动方向相反，理论的传动比就是两轮的直径比，航空光学遥感器要求扫描组件转动角度与消像旋组件转动角度相等，因此设计为两传动轮的直径相等，传动比1：1，如图1所示～两轮的部分圆周削平，安装压紧装置。为了有效地节收间，减小转动惯量，将其中-个轮设计成扇形结构，显现出了钢丝绳精密传动的优势。为了保证传动的平稳性和有效性，增大两轮的包角，选择8”字形的缠绕方式。为防止传动中钢丝绳松弛，张紧装置选用蝶型弹簧，自动调节张紧和缓冲减振。由于扫描组件和消旋组件转动范围很小，仅为45。，因此绳槽选择单绳槽结构，绳在绳槽中无轴向运动，这样两个轮的入绳和出绳位置容易做到很好地对应，防止绳与绳槽之间摩擦 J。

1 钢丝绳精 镪传动结构不意 图Fig.1 structure of wire rope gearing由于扫描组件和消旋组件间是通过钢丝绳连接的，系统的刚度较低，采用-个电机驱动不易实现高精度控制，为增大系统刚度，系统采用了两个性能指标完全相同的双电机驱动方式，-个电机驱动扫描组件，另-个电机驱动消旋组件，通过安装在扫描组件上的速率陀螺反励行速度闭环控制，通过分别安装在扫描组件和消旋组件上的编码器进行位置闭环控制。

3 传动刚度分析刚度是机械传动机构的重要特性参数，刚度高低直接影响传动机构的传动精度，采用双电机驱动的钢丝绳精密传动，刚度分析比较复杂，为了便于分析问题，本文先对单电机驱动的钢丝绳精密传动刚度进行计算，设扫描电机驱动扫描组件，同时通过钢丝绳驱动消旋组件转动，传动机构示意图如图2所示，钢丝绳传动刚度模型如图3所示，传动刚度可分解为从动轮出绳端刚度 ，如公式(1)所示；从动轮人绳端刚度 ，如公式(2)所示；主动轮出绳端刚度 ，如公式 (3)所示；主动轮人绳端刚度 K ：，如公式(4)所示；自由段刚度，如公式(5)所示 J。

420 激 光 与 红 外 第43卷图2 传动机构示意图Fig.2 transmission mechanismFig.3 transmission stiffness model of steel wire rope(1) (2) (3) (4) G (5)因此，系统左面的刚度 Kl，如公式(7)所示：： (6)K ～zK-1KI，1b，Kt： - (7)同理，系统右面的刚度 K ，如公式(8)所示：Kr： (8)系统总刚度 K如公式(9)所示：KKfK， (9)系统扭转刚度 K，如公式(10)所示：K KR (10)本 诜用 3 mm盲 的钢幺幺缛 .钢幺幺绳与传动轮均为钢材料，摩擦系数 取0.1，通过实测，钢丝绳的弹性模量 G为4.8×10 Pa，在钢丝绳上施加的预紧力 F。为 400 N，在负载作用下钢丝绳产生的拉力 F 为220 N，主动轮半径 、从动轮半径 均为120 mm，自由段钢丝绳长 为315 mm，将以上参数带入公式 (1)～式(10)得到系统扭转刚度 K 为8×10 Nm。

为计算轴系扭转振动固有频率，该系统可简化为两端有圆盘的轴系，简化模型如图4所示，图4中轴系左边转动惯量 ， 为 0.12 kgm ，轴系右边转动惯量 ，2为0.1 kgm 。

图4 轴系简化模型Fig.4 simplified model of shafting机械系统固有频率为：/ (， ，2) 、tOn-4- 系统速度闭环带宽经验公式为：1/ ≤ (12)叶 兀由公式(11)、公式(12)可得采用单电机驱动的钢丝绳精密 传动机构 系统速度 闭环带宽为30 Hz。

本文的钢丝绳精密传动机构为双电机驱动方式，由于消旋电机对消旋组件施加的驱动力的作用，使负载力 F 变小，由公式(1)～式(10)可以看到，当负载力 F 变小时，钢丝绳传动刚度 会增大，因此，采用双电机驱动的钢丝绳精密传动机构系统的速度闭环带宽要大于3O Hz，采用双电机驱动的钢丝绳精密传动机构系统刚度要大于采用单电机驱动的钢丝绳精密传动机构。

4 控制方法该控制系统为全数字伺服系统，它有两个独立的控制回路，分别为位置回路和速度回路，只不过经切换交替工作；位置回路本身由速度内环、位置外环组成，便于实现高精度稳速控制和快速反程定位控制等。系统采用了双电机驱动方式，在整个工作工程中，控制器同时向驱动扫描组件和消旋组件电机输出PWM(脉宽调制)信号，以确保两路信号完全同步 ]，控制系统原理框图如图5所示。

激 光 与 红 外 No.4 2013 张洪文等 钢丝绳传动在航空光学遥感器上的应用 421图5 控制系统原理框图Fig.5 schematic diagram of control system5 实验结果及分析实验选用峰值堵转力矩为 30 Nm的永磁直流力矩电机，选用精度为0.5。/h的速率光纤陀螺作为反馈元件，选用 16位绝对式编码器检测扫描组件和消旋组件转角，系统扫描组件质量为20 kg，消旋组件质量为 15 kg，钢丝绳直径为 3 mm。实验时通过在不同转角位置随机读取扫描组件编码器和消旋组件编码器数据来计算扫描组件和消旋组件转角，进而计算传动比，典型试验曲线如图6所示，实验数据如表 1所示。

图6 典型试验曲线Fig.6 classical trial curve表 1 扫描组件编码器和消旋组件编码器实验数据Tab.1 experimental findings of eneoder group试验 扫描组件编 扫描组件转 消旋组件编 消旋组件转 扫描组件和 系统稳速消旋组件转 预紧力/N 负载力/N 传动比计算 次数码器(脉冲数) 角计算/(。) 码器(脉冲数) 角计算/(。) 精度/% 角差值/(。)1 273 1.50 272 1.49 0.01 400 220 1.oo7 1.452 271 1.49 274 1.51 -O.O2 400 220 0.987 1.43 273 1.50 275 1.51 -O.O1 400 220 0.993 1.54 275 1.5l 272 1.49 O.O2 4oo 220 1.013 1.25 271 1.49 273 1.5O -0.01 4oo 220 0.993 1.56 275 1.51 273 1.50 0.O1 400 220 1.007 1.47 272 1.49 273 1.5O -0.O1 4oo 250 0.993 1.58 275 1.5l 273 1.5O O.O1 400 280 1.oo7 1.69 278 1.53 273 1.5O 0.03 400 3o0 1.020 1.610 280 1.54 275 1.51 0.03 400 350 1.020 1.811 271 1.49 274 1.51 -O.02 5oo 220 0.987 1.512 274 1.51 272 1.49 0.01 70o 220 1.013 1.4l3 274 1.51 273 1.50 O.O1 9oo 220 1.oo7 1.314 274 1.51 274 1.51 O.oo 1100 220 1.000 1.315 274 1.51 271 1.49 0.O2 l5o0 220 1.O13 216 276 1.52 271 1.49 O.O3 2O0o 220 1. 020 2.5422 激 光 与 红 外 第43卷由图6可知，扫描组件和消旋组件同步步进旋转角度为 1.5。，系统达到稳定后以 5。/s的速度旋转，系统上升时间约为 60 ms，说明系统达到稳定的时间很短，系统响应很快，系统稳速精度为 1.5%。

由表1可以看出，扫描组件和消旋组件转角差值最大为0.03。，满足设计要求的同步精度。同时，当负载增大时，扫描组件和消旋组件转角差值变大，传动比变大，同步精度降低，系统稳速精度降低。当预紧力增大时，扫描组件和消旋组件转角差值变小，传动比变小，同步精度提高，但当预紧力很大时，造成轴系受力过大变形，致使负载变大，系统稳速精度降低。

6 结束语文章提出了-种钢丝绳精密传动方法，该方法采用了两个性能指标完全相同的电机驱动，系统控制采用独立的位置环和独立的速度环，便于系统高精度定位控制、稳速控制等，实现了系统同步精度0.03。，旋转速度为 5。/s时稳速精度达 1.5%，满足设计要求。该方法有效地解决了钢丝绳传动刚度低，控制精度低的问题，实现了钢丝绳精密传动，为钢丝绳精密传动在航空光学遥感器上的应用开辟了新的技术途径。