电位计安装误差分析及补偿设计

李发伟

摘要：作为电动舵机控制系统的测量反馈装置，电位计的安装精度应当得到最大程度的保证。本文从电位计六个自由度约束方式与其测量精度的关系的角度切入，比较了两种轴内安装电位计的设计方法。分析了两种电位计支架对误差的补偿方式，说明了挠性电位计支架可以较大程度的保证电位计的安装精度，降低加工成本，提高装配效率。

关键词：电位计；误差；补偿

1. 电位计六自由度误差分析

如图1所示，在没有任何约束的情况下，电位计有六个自由度，即具有六个独立的运动，分别为沿x,y,z方向的平动，用x,y,z表示，和绕x轴，y轴，z轴的转动，用Rx,Ry,Rz表示。安装电位计就是约束其沿x,y,z方向平动的自由度和绕y轴，z轴转动的自由度，只保留绕x轴转动的自由度，用以传递转矩。由于零件存在加工误差，装配时也有误差，不能确保电位计在理想的安装位置，事实上，在电位计的六个自由度上都有可能存在位置误差。所以电位计安装的关键是在电位计各部分正常工作的情况下，保证电位计支架的角位移和电位计轴的角位移的差距尽可能小。电位计轴一般安装在电位计支架的一个封闭的扁孔内。下面，本文将以某电动舵机为例，分析在这种安装方式下，电位计六自由度误差与其测量精度的关系。

图1 电位计六自由度示意图

1.1．存在位置误差Δx、Δy、ΔRz

图2所示为电位计扁轴的理想安装位置，其与电位计支架扁孔为间隙配合，电位计支架扁孔为一封闭孔。假设电位计扁轴有沿x方向的位置误差Δx,Δx不会影响电位计扁轴和电位计支架扁孔的角位移精度。假设电位计扁轴有沿y方向的位置误差Δy,因为沿y方向的间隙比Δy大得多，电位计扁轴不会和电位计支架扁孔发生干涉，并且Δy也不会影响电位计扁轴和电位计支架扁孔的角位移精度。假设电位计轴有绕z轴的位置误差ΔRz,反映到电位计扁轴和电位计支架扁孔的相对位置上，和有Δy时的情况一样，只要沿y方向的间隙足够大，保证扁轴和扁孔不发生干涉，两者的角位移精度也不会受到影响。

图2 电位计扁轴的理想安装位置

1.2．存在位置误差ΔRx

电动舵机对电位计的测量精度要求为0.1°，如图3所示，其扁轴的直径为4mm,宽度为2mm,假设扁轴与扁孔之间的间隙刚好能使扁轴绕x轴转0.1°，则扁轴在z方向的最大偏移量Δz=2×tan(arctan1/2+0.1°)-1，计算结果为0.004mm，扁孔与扁轴之间的间隙为2×Δz 等于0.008mm。也就是说要保证电位计的测量精度不大于0.1°，扁孔与扁轴之间的间隙必须小于0.008mm。理论上扁轴与扁孔最好用过盈配合，但是由于电位计支架扁孔为封闭孔，为了使电位计扁轴与其过盈配合，则需要用很大的力将电位计扁轴压入扁孔内，但是这样很容易损坏电位计轴承。电位计所用轴承为深沟球轴承，其内径仅有3mm,只能承受很小的轴向载荷，所以在实际的装配过程中，如果电位计扁轴的宽度大于扁孔的宽度，采取的办法是用砂纸打磨电位计扁轴，或者另选一个电位计。使其与扁孔为间隙配合。也就是说电位计的互换性较差。即使如此，两者之间的间隙在少数情况下会大于0.008mm.。所以相对于电位计的测量精度，电位计扁轴绕x轴的位置误差ΔRx多数在允许的范围内。

图3 电位计扁轴产生0.1°的偏转

1.3．存在位置误差Δz、ΔRy

电动舵机中与电位计扁轴配合的部件是电位计支架组件，电位计支架组件由三个零件焊接而成，转接轴上与电位计扁轴配合的孔在焊接完成后加工，电位计支架簧片的厚度仅为0.2mm，焊接时容易发生变形，在加工扁孔时也容易导致其发生变形，所以电位计支架扁孔的对称度不能达到很高的精度，为0.025mm.。这样很可能导致电位计扁轴沿z方向有较大的位置误差Δz。即使电位计扁轴与扁孔之间存在间隙，也会使扁轴与扁孔无法顺利配合，仍然需要用砂纸打磨电位计扁轴。这样做不仅增加了工作量，使装配的效率降低，而且会导致电位计扁轴与扁孔之间的间隙加大，从而降低电位计的测量精度。电位计扁轴与扁孔为线接触，在两者接触的边上，扁孔对扁轴施加有均布力q,当扁孔要带动扁轴转动时，因为扁轴需要逆时针方向的力矩，所以，扁轴和扁孔之间会有小角度的偏角α。如果电位计扁轴存在绕y轴的位置误差ΔRy，和存在Δz时的情况一样，会使扁轴与扁孔无法顺利配合，仍然需要用砂纸打磨电位计扁轴，其结果一样会降低电位计的测量精度。如果不用砂纸打磨电位计扁轴，而用较大的力将电位计扁轴压入扁孔内，则会导致电位计轴承受损，并且会使电位计扁轴受较大的侧向力。大大减少电位计的使用寿命。另一方面，三个零件的切削加工表面较多，会导致较高的加工成本。

综上所述，在电位计扁轴存在位置误差Δx，Δy，ΔRz的情况下，电位计的测量精度不会受到影响，当电位计扁轴存在位置误差ΔRx时，相对于电位计的测量精度，多数情况下，ΔRx在允许的范围内。当电位计扁轴存在较大位置误差Δz,ΔRy时，如果用砂纸打磨电位计扁轴，会使电位计测量精度降低，如果用较大的力压入，会导致电位计轴承受损，大大减少电位计的使用寿命。在加工方面，这种支架组件的加工成本较高，在装配方面，电位计的互换性较差，电位计扁轴需要打磨，导致较低的装配效率。

2. 误差补偿设计

如图4所示为改进后的电位计支架，其为一挠性支架，与电位计扁轴配合的扁孔是非封闭孔，扁孔的宽度尺寸为 ，对称度为0.015mm,扁轴的宽度尺寸为 。两者之间的配合为过盈配合，使得扁轴和扁孔之间没有间隙，所以电位计扁轴没有绕x轴的位置误差ΔRx，最大程度的保证了电位计的测量精度。如果存在Δz、ΔRy，扁轴的过盈量对间隙能起到一定的补偿作用，并且其对称度比支架组件小0.01mm，在这种情况下电位计的测量精度要比支架组件高。因为扁孔为非封闭孔，扁轴不需要用砂纸打磨即可装入，电位计的互换性好，提高了装配效率。在加工方面，和支架组件相比，挠性支架不需要焊接，切削加工面少，降低了加工成本。

图4 挠性电位计支架

3. 结论

由于间隙的存在，电位计支架组件不能较好的保证电位计的测量精度，另一方面，电位计支架组件的加工成本较高，电位计的互换性差，降低了装配效率。与电位计支架组件相比，挠性电位计支架可以较好的保证电位计的测量精度，降低加工成本，使电位计有较好的互换性，提高了电位计的装配效率。

作者简介：李发伟 （1991.02-），男，汉族，甘肃省武威市人，本科，助理工程师，贵州航天控制技术有限公司,研究方向：电动伺服系统

3