一种集成电涡流位移传感器的音圈作动器及装配方法与流程

本发明涉及一种集成电涡流位移传感器的音圈作动器及装配方法，属于空间控制执行机构技术领域。

背景技术：

针对高精度、大承载航天器控制精度、稳定度及快速机动等控制需求，在航天器平台与有效载荷间安装具有振动隔离、扰振抑制和高精度指向调节功能的音圈作动器。采用高效率音圈电机实现大行程、高精度、快响应的执行能力，采用宽带宽、高精度电涡流位移传感器组准确获取载荷与平台的相对姿态以施加精确控制，利用柔性环节实现宽频振动隔离和冗余控制，结合粗精分层、快慢结合、主被一体的多级复合控制技术，实现载荷的“超高精度、超高稳定度、超敏捷”控制。

现有作动器技术中采用的膜簧结构存在对大载荷和冲击的承受能力差，装配制造刚度一致性难以保证等问题；缺乏对作动器转角进行限位的结构，易造成作动器组件损坏；柔性环节导致装配精度和一致性难以保证，因此产品控制精度无法满足对大质量载荷亚微米级的控制需求。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种集成电涡流位移传感器的音圈作动器及装配方法，解决了音圈作动器的控制精度低，装配尺寸精度及一致性差的问题，同时提高了作动器的使用寿命及可靠性。

本发明的技术方案是：

一种集成电涡流位移传感器的音圈作动器，包括：柔性铰、作动杆、上壳体、涡流盘、柔性结构、转接轴、主壳体、动子压盘、音圈电机动子、音圈电机定子、定子压盘、限位块、限位盘、测量板、导热索、电涡流位移传感器；

限位盘、上壳体、涡流盘依次固定连接；作动杆的一端插入限位盘和上壳体后和转接轴、动子压盘依次连接；作动杆的另一端伸出所述限位盘的外部与柔性铰连接；

主壳体套装在音圈电机定子外部，所述主壳体的端面和所述音圈电机定子的端面均固定连接定子压盘；所述音圈电机动子的环形绕组插入所述音圈电机定子的环形槽中，所述音圈电机动子的端面固定连接所述动子压盘；

所述柔性结构包括：膜簧、内垫环、外垫环；两片膜簧中间夹有同轴放置的内垫环和外垫环，所述内垫环所在周向位置作为所述柔性结构的内圈，所述外垫环所在周向位置作为所述柔性结构的外圈；所述内垫环的厚度等于所述外垫环的厚度，所述内垫环的外径小于所述所述外垫环的内径；

所述转接轴和所述动子压盘通过螺钉和沉槽压紧固定所述柔性结构的内圈，所述涡流盘和所述主壳体通过螺钉和沉槽压紧固定所述柔性结构的外圈；

所述作动杆上还套装有限位块和测量板，所述限位块位于所述限位盘和上壳体之间形成的空腔内，所述测量板位于所述上壳体和涡流盘之间形成的空腔内；所述上壳体和涡流盘上对称设置有用于测试所述测量板位移的电涡流位移传感器；

所述依次连接的作动杆、转接轴和动子压盘作为轴向结构，所述柔性结构的轴向中点作为转动点，所述轴向结构能够绕所述转动点转动；

所述导热索固定在所述音圈电机动子的端面上。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)采用内外层等厚垫环的双膜簧柔性结构，有效提高膜簧刚度，及耐受冲击的能力，无填充设计简化装配方法，提高柔性结构性能一致性；

2)本发明通过合理的结构尺寸设计，对作动杆的径向转动角度进行限制，避免音圈电机动子和定子发生摩擦碰撞，影响产品寿命；

3)本发明采用等厚度的刚性替代件的方法对作动器进行初步装配，测量需修配的尺寸，再进行双膜簧柔性结构的修配和装配。该方法可消除零组件装配产生的累积误差，克服柔性元件变形引起的装配尺寸测量困难，有效提高含有柔性元件作动器的装配精度及装配尺寸一致性。

附图说明

图1为本发明作动器剖视图；

图2为本发明柔性结构装配示意图；

图3为本发明轴向结构转动示意图；

图4为本发明转接轴结构示意图；

图5为本发明转接轴轴向剖视图；

图6为本发明涡流盘轴向视图；

图7为本发明限位块示意图；

图8为本发明限位盘示意图；

图9为本发明柔性结构示意图；

图10为本发明膜簧示意图；

图11为柔性结构的刚度示意图。

具体实施方式

本发明一种集成电涡流位移传感器的音圈作动器及装配方法，从作动器的位移测量、温度控制、柔性结构设计、限位设计以及高精度装配方法等方面提出了一种高精度、大承载音圈作动器及装配方法。与现有作动器产品相比，本发明能够大大提升作动器的控制精度。本发明采用电涡流位移传感器差分测量与标定方法配合的方式，作动器位移测量精度可提升至亚微米级。

为避免因温度变化导致产品位移测量部位发生较大的热变形，在电机动子上安装柔性导热索进行主动散热。某产品柔性导热索长154mm，宽18mm，由30层石墨叠加而成，在大气中测量导热索实际热导率可达1500w/m·k。以音圈电机发热功率3.5w为例，若不采用柔性导热索散热，测量板温升约70℃，加入柔性导热索散热后，测量板温升约10℃。柔性导热索可有效抑制测量组件的热变形，保证产品测量精度。同时，本发明装配方法采用与膜簧等厚的刚性替代件进行装配，作动器的装配精度可达0.01mm以下，产品尺寸一致性大大提升。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明一种集成电涡流位移传感器的音圈作动器，包括：柔性铰1、作动杆2、上壳体3、涡流盘4、膜簧51、内垫环52、外垫环53、转接轴54、主壳体6、动子压盘71、音圈电机动子72、音圈电机定子73、定子压盘74、限位块21、限位盘22、测量板23、导热索8、电涡流位移传感器9。所述膜簧51由铍青铜片切花制成，如图10所示，铍青铜片的牌号具体为qbe2；膜簧51和作动杆2通过螺栓连接，膜簧51压在上壳体3和主壳体6之间，实现音圈电机动子72吊装。内垫环52、外垫环53、限位块21、限位盘22、涡流盘4的材料均为钛合金；所述测量板23、主壳体6的材料均为铝合金。

限位盘22、上壳体3、涡流盘4依次固定连接；涡流盘结构的轴向视图如图6所示。作动杆2的一端插入限位盘22和上壳体3后和转接轴54、动子压盘71依次连接；作动杆2的另一端伸出所述限位盘22的外部与柔性铰1连接；所述转接轴54穿过膜簧51的中心通孔，所述转接轴54和所述动子压盘71分别压紧膜簧51的两个端面。

主壳体6套装在音圈电机定子73外部，所述主壳体6的端面和所述音圈电机定子73的端面固定连接定子压盘74；所述音圈电机动子72的环形绕组插入所述音圈电机定子73的环形槽中，所述音圈电机动子72的端面固定连接所述动子压盘71；

如图2、图9所示，所述柔性结构包括：膜簧51、内垫环52、外垫环53；两片膜簧51中间夹有同轴放置的内垫环52和外垫环53，所述内垫环52所在周向位置作为所述柔性结构的内圈，所述外垫环53所在周向位置作为所述柔性结构的外圈；所述内垫环52的厚度等于所述外垫环53的厚度，所述内垫环52的外径小于所述所述外垫环53的内径。

所述转接轴54和所述动子压盘71通过螺钉和沉槽压紧固定所述柔性结构的内圈，所述涡流盘4和所述主壳体6通过螺钉和沉槽压紧固定所述柔性结构的外圈；所述转接轴54结构如图4、图5所示。

所述作动杆2上还套装有限位块21和测量板23，所述限位块21位于所述限位盘22和上壳体3之间形成的空腔内，所述测量板23位于所述上壳体3和涡流盘4之间形成的空腔内；所述上壳体3和涡流盘4上对称设置有用于测试所述测量板23位移的电涡流位移传感器9。限位块21和限位盘22的结构如图7、8所示。

所述依次连接的作动杆2、转接轴54和动子压盘71作为轴向结构，所述柔性结构轴向中点作为转动点，所述轴向结构能够绕所述转动点转动；转动点作为音圈作动器回转中心，是计算音圈作动器回转运动的关键节点位置。

柔性结构的刚度随行程近似对数规律增长，以某产品音圈作动器柔性结构刚度为例，如图11所示。采用内、外侧等厚双垫环的结构形式可有效增大柔性结构刚度，且柔性结构寿命增加。

音圈作动器在真空环境中工作，音圈电机动子安装在作动器内部，散热条件差。音圈电机主要传热路径是通过作动杆2向上进行热传导，若作动杆2温升过快会导致电机热量传至作动杆顶端，影响作动杆2顶端安装的精密载荷精度，同时作动杆2温升变形会导致电涡流传感器测量板变形，影响作动器位移测量精度。因此加入柔性导热索8对音圈电机进行主动散热，将音圈电机动子72线圈产生的热量传导至产品底板，动子线圈温度控制在30℃以下。导热索8固定在所述音圈电机动子72的端面上。所述导热索8为多层石墨膜结构，所述石墨膜的层数大于20层。本发明一实施例的石墨膜每层厚0.04mm，宽18mm，约30层。导热索8热导试验证明，30层石墨膜叠加时热导效率较高。导热索8长度根据音圈电机动子72的安装高度、安装角度以及运动行程确定，需保证在音圈电机运动行程内导热索长度有一定余量，不受拉伸。

一种装配上述集成电涡流位移传感器的音圈作动器的装配方法，包括步骤如下：

1)将音圈电机定子73与主壳体6套装，使所述主壳体6限制音圈电机定子73的径向位移，音圈电机定子73与主壳体6之间小间隙配合；

2)将定子压盘74通过螺栓分别与主壳体6、音圈电机定子73沿轴向固定；

3)将动子压盘71安装在音圈电机动子72的端面上，使动子压盘71的环形凸台插入音圈电机动子72的导向孔内，动子压盘71端面的环形凸台的外径与所述音圈电机动子72的导向孔的孔径配合；

4)将转接轴54的一端穿过刚性替代件的中心通孔后与动子压盘71固定连接，周向均布4个螺钉，限制绕轴线转动，所述刚性替代件的厚度与所述柔性结构的理论厚度相同；

5)将导热索8通过螺栓固定在音圈电机动子72的端面上；

6)将多个电涡流位移传感器9固定在涡流盘4的端面上；

7)将音圈电机动子72的环形绕组插入所述音圈电机定子73的环形槽内，将涡流盘4的法兰结构插入主壳体6，使涡流盘4和所述主壳体6压紧固定所述柔性结构的外圈；具体实施例采用8个沉头螺钉穿过涡流盘4将膜簧51、外垫环53固定在主壳体6上；

8)将所述作动杆2的一端穿过测量板23的中心通孔插入转接轴54的中心通孔，使用螺钉依次穿过作动杆2、测量板23和转接轴54拧紧固定，使所述作动杆2、测量板23、转接轴54之间的轴向位置固定；

9)将多个电涡流位移传感器9固定在上壳体3的内部，将上壳体3通过螺钉固定连接涡流盘4；

10)所述作动杆2加工有法兰台，作动杆2法兰台的外径小于上壳体3的中心通孔，将限位块21穿过作动杆2固定在作动杆2的法兰台上；

11)将限位盘22固定在上壳体3上，使所述限位块21位于所述限位盘22和上壳体3之间形成的空腔内；

12)将柔性铰1通过螺钉连接作动杆2的自由端。

13)测量定子压盘的底面和柔性铰1端面的距离，和理论值比较，通过修配内垫环52、外垫环53的厚度，使得定子压盘74的底面和柔性铰1端面之间的距离等于理论值。由于所述柔性结构装配于作动杆2和音圈电机动子72之间，结构件重力会导致柔性结构变形，无法测得音圈作动器结构零件的准确装配尺寸，不利于产品的标准化。因此采用与柔性结构等厚的刚性替代件进行装配，可测量作动器的装配总高度，通过修配柔性结构的垫环厚度消除结构件装配过程中产生的累积误差。

14)使用柔性结构替换刚性替代件，重复步骤4)～12)完成作动器装配工作。

为避免音圈电机动子72与音圈电机定子73发生碰撞，应合理设计音圈电机气隙及限位块21的半径，要求当作动杆转至最大角度时，限位块21与限位盘22接触，限制作动杆2的最大转动角度。限位块21与作动杆2通过螺纹连接，与限位盘22内部配合实现限位功能。如图3所示，各结构尺寸满足下列关系：

r-l2·sinθ-r2·cosθ＞l1·sinθ-r1·cosθ-r1，

其中，l1为转动点到限位块21轴向对称面与作动杆2轴线交点的距离，l2为转动点到音圈电机动子72下端面与作动杆2轴线交点的距离，r1为限位块21的半径，r2为音圈电机动子72环形绕组的外径，r为音圈电机定子73环形槽的内径，θ为轴向结构的最大转角。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。