基于Creo/Simulate的高低溫下感應(yīng)同步器繞組間距變化研究

占宏偉, 胡勇翔, 張洪征

（北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076）

0 引 言

三軸轉(zhuǎn)臺(tái)是航空、航天等領(lǐng)域中對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行地面半實(shí)物仿真和測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，其主要作用是對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)、位置模擬及速率測(cè)試，其角度測(cè)量系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的角位置讀出裝置，同時(shí)也是位置反饋通道，系統(tǒng)控制精度主要取決于角度測(cè)量系統(tǒng)的精度。

在轉(zhuǎn)臺(tái)的角度測(cè)量系統(tǒng)中，常用的測(cè)角傳感器為光柵編碼器和感應(yīng)同步器。光柵編碼器具有測(cè)量精度高的特點(diǎn)，但由于光柵盤(pán)材料一般為玻璃，在高低溫環(huán)境下無(wú)法使用。感應(yīng)同步器是一種電磁傳感元件，利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行角度測(cè)量，可以將角位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，其多極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可對(duì)誤差有平均效應(yīng)，起到了補(bǔ)償?shù)淖饔?，且耐高低溫環(huán)境。因此，感應(yīng)同步器具有很高的精度，被廣泛應(yīng)用在航空、航天等軍事領(lǐng)域。

圖1 感應(yīng)同步器

1 技術(shù)狀態(tài)分析和問(wèn)題分析

某溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)主要由三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和溫控箱組成，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

該溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)為UOO型結(jié)構(gòu)形式，位置精度為±3"，工作溫度為-45～+70 ℃。轉(zhuǎn)臺(tái)的中、內(nèi)框軸系均在溫箱內(nèi)部工作，由于轉(zhuǎn)臺(tái)的低溫范圍較寬，因此中、內(nèi)框軸系采用感應(yīng)同步器作為測(cè)角傳感器，其型號(hào)和參數(shù)如表1所示。

該溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)在進(jìn)行高低溫測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)俯仰軸系的角度位置顯示值波動(dòng)過(guò)大的現(xiàn)象，波動(dòng)峰峰值最大達(dá)到30″，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了轉(zhuǎn)臺(tái)的位置精度指標(biāo)（±3″）。初步分析，是感應(yīng)同步器的轉(zhuǎn)子和定子之間的間距（即繞組間距）在高低溫下的變化量過(guò)大造成的。為了分析感應(yīng)同步器繞組間距的變化量，利用三維軟件Creo/Simulate模塊分析三軸轉(zhuǎn)臺(tái)中感應(yīng)同步器定子、轉(zhuǎn)子在高低溫載荷下的變形位移情況。

圖2 某溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式示意圖

表1 T9型感應(yīng)同步器參數(shù)

2 感應(yīng)同步器繞組間距的有限元分析

2.1 Creo/Simulate簡(jiǎn)介

Creo/Simulate是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析于一體的有限元分析模塊，能夠模擬真實(shí)環(huán)境對(duì)模型施加約束和載荷，測(cè)算模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、翹曲、疲勞、頻率、振動(dòng)等分析并為模型尋找最佳參數(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要完成三個(gè)基本工作，分別是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和有限元分析。本文主要利用其有限元分析的功能，分析轉(zhuǎn)臺(tái)中的感應(yīng)同步器在溫度載荷下的變形。其分析流程為：建立模型→定義分析→創(chuàng)建網(wǎng)格→提出解決方案。

2.2 分析前處理

2.2.1 模型的建立與簡(jiǎn)化

溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸系的主要零件為框架、軸、軸承、電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)同步器定子、感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子、感應(yīng)同步器安裝座等，為了縮短軟件的運(yùn)行時(shí)間，提升運(yùn)算效率，建模過(guò)程中對(duì)若干零件和特征進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，建模完成后的三維模型如圖3所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖3 溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸系的三維模型

圖4 溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸系內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

感應(yīng)同步器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為轉(zhuǎn)子和定子，從圖4中可知，感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子通過(guò)轉(zhuǎn)子座與主軸進(jìn)行固定，定子通過(guò)定子座與框架進(jìn)行固定。

2.2.2 材料屬性的設(shè)置

各零件的材料屬性如表2所示。感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子和定子的三維模型如圖5所示。溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸系中各零件材料的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

2.2.3 測(cè)量點(diǎn)的設(shè)置

感應(yīng)同步器是利用兩繞組的感應(yīng)耦合原理制成，為了盡可能地準(zhǔn)確測(cè)量繞組間距，分別在定子和轉(zhuǎn)子的繞組邊緣處設(shè)置了4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，其x、y坐標(biāo)依次為P1（0，+72.5）、P2（0，+95）、P3（0，-72.5）、P4（0，-95），如圖6所示。

表2 零件材料

圖5 感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子和定子的三維模型

表3 零件的材料參數(shù)

2.2.4 網(wǎng)格的劃分

缺省時(shí)，Creo/Simulate以P方法對(duì)模型自動(dòng)劃分網(wǎng)格，它采用適應(yīng)性P -method技術(shù)，在不改變單元網(wǎng)格劃分的情況下，靠增加單元內(nèi)插值多項(xiàng)式的階數(shù)來(lái)達(dá)到設(shè)定的收斂精度。

2.2.5 約束和載荷

將溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸系設(shè)置約束，約束外框與主軸連接處的端面，并分別設(shè)置高溫載荷（+70 ℃）和低溫載荷（-45 ℃），參考溫度均為+20 ℃。

圖6 感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子和定子的測(cè)量點(diǎn)

2.3 有限元分析結(jié)果

對(duì)溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰軸系模型進(jìn)行有限元分析，得出溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸系的變形云圖如圖7所示。

圖7 高溫和低溫載荷下溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸系的變形云圖

感應(yīng)同步器的繞組間距在高溫載荷和低溫載荷下的變化分別如表4、表5所示。

2.4 更換材料后的有限元分析結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從某溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰軸系角位置數(shù)據(jù)波動(dòng)異常出發(fā)，利用Creo/Simulate模塊分析了感應(yīng)同步器繞組間距在高低溫載荷下的變化，并采用材料變化補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q了感應(yīng)同步器繞組間距在高低溫下變形過(guò)大從而引起無(wú)法正常工作的問(wèn)題，成功提高了信號(hào)的穩(wěn)定性，解決了轉(zhuǎn)臺(tái)角位置讀數(shù)波動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題。對(duì)今后溫控三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及高低溫下感應(yīng)同步器的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。