大量级冲击条件下舵机控制器的减震设计及其试验研究

引言

舵机控制器是控制系统中不可缺少的关键组成部分,其中心任务是控制舵面的精确偏转,保证舵机的各种静态、动态性能指标,其特性直接影响着整体性能。

舵机控制器所处的爆炸冲击环境会使结构产生高冲击、宽频带、低速度、持续时间短的瞬态响应,在冲击过程中,外界的能量在瞬间传递到舵机控制器及其部件上,所产生的位移、速度和加速度的突然变化可能造成控制器损坏及故障,从而导致控制器无法正常工作。

本文所研究的舵机控制器,其爆炸冲击加速度幅值高达10690g,频率范围20~5000Hz。相对于常规冲击环境,其减震结构设计难度增大。为此,首先对该控制器进行了常规总体减震设计,并在总体减震的基础上对内部印刷电路板进行专门的减震设计,使冲击响应比常规减震设计情况下降低50%,通过了冲击试验。

1舵机控制器总体外部减震设计及仿真分析

本文所研究的舵机控制器构成如图1所示,它由壳体、电源印制电路板、两组电源模块及电子元器件组成。

图1舵机控制器三维示意图(含冲击试验方向定义)

首先采用常规方法对控制器进行减震设计,在4个外部机械安装孔处安装减震器进行总体减震,如图2所示。

图2外部减震器安装位置示意图

采用ANsYs软件对控制器的冲击响应进行了仿真分析。各组件材料特性设置如表1所示。其中,电源模块最大冲击响应为2560g,出现在x方向,如图3所示。

控制器上共使用两块电源模块,并排安装在电源印制电路板上,并利用环氧树脂对每个电源模块四角进行点固,模块通过8支外引脚焊接在PCB板上,这8支外引脚既是机械连接接口又是电气连接接口,如图4所示。电源模块重量为18g,并且重心较高,因此是外部冲击下舵机控制器的最薄弱环节。

2舵机控制器内部减震设计及仿真分析

为此,我们对电源模块采用了独特的内部单板减震设计的新思路,来进一步降低电源模块的冲击响应幅度。

选用厚度1mm的橡胶减震垫,对安装有电源模块的印制电路板进行整体减震。为了增大受力面积,在橡胶减震垫上、下加装一个平垫片,安装位置示意图如图5所示。

图5控制器印制电路板新增减震垫位置

对采取内部减震措施后的控制器开展了ANSYS仿真分析,计算结果如图6所示。可见,采取内部减震措施后,电源模块冲击响应降至8292g(x向),其余两个方向减震效果更加明显。

图6X方向冲击响应仿真结果

3舵机控制器冲击试验验证

试验过程中监测控制器壳体及电源印制电路板电源模块处的冲击响应,测量装置及传感器安装外部视图如图7所示。

图7测量装置及传感器安装外部视图

对控制器在X、y、Z三个方向分别进行3次冲击试验,来验证控制器单板减震措施的有效性。

两种减震设计的舵机控制器冲击响应试验数据统计如表2所示。可见,采取内部减震措施前控制器的电源模块安装处x向冲击响应超过了2000g,采取内部减震措施后的控制器减震效果较为显著,3个方向上冲击量级均小于8800g,x向响应量级降低了近50%,和计算结果基本一致。

采取内部减震措施的控制器在试验前、试验中、试验后均工作正常,顺利通过试验。对板上电源模块均进行开盖检查以及解剖分析,焊点均未发现开裂等异常现象,表明措施有效。

4结语

为提高控制器在大冲击试验条件下的抗震性能,对舵机控制器进行了外部整体减震设计和独特的内部单板减震设计,ANSYS仿真分析及试验验证措施有效。该控制器所采取的内外同时减震的设计对同类产品耐大量级冲击设计具有一定的借鉴意义。