TowerPro SG90迷你舵机结构设计

　　做小型桌面机器人、航模类项目的结构设计时，SG90这类9g级迷你舵机几乎是绕不开的执行元件，很多刚接触小型运动机构的工程师第一次选执行器，大概率都会先接触这个型号，毕竟它的尺寸、扭矩、成本控制刚好卡在入门级小型运动机构的需求点上，没有多余的性能冗余，也刚好能满足多数轻载摆动场景的使用要求。

　　先从实际安装的边界条件来说，这类迷你舵机的外形尺寸控制得非常紧凑，主体外壳是标准的矩形结构，上下壳体通过卡扣加少量定位柱拼接，不需要额外螺丝就能完成壳体装配，主体两侧预留了标准的安装耳，安装耳上的通孔孔径刚好适配M2规格的自攻螺丝，安装孔的中心距是行业通用的23mm尺寸，不管是用在航模的机翼舵面控制，还是小型桌面机械臂的关节驱动，或者是智能小车的转向机构，这个安装尺寸都能直接匹配市面上绝大多数的开源支架、3D打印安装座，不需要额外做安装位的适配修改。输出轴的位置在壳体顶部中心，输出轴是标准的十字花键结构，配套的舵盘有一字型、十字型、圆盘型几种常见形式，花键的配合公差控制得比较合理，安装舵盘时不需要大力压入，也不会出现松旷晃动的问题，输出轴的中心高度距离壳体底部的尺寸是固定值，做连杆机构的运动仿真时，直接调用这个固定尺寸就能快速计算连杆的运动行程，不需要反复核对安装偏差。

　　从功能特性上来说，这款舵机的标称旋转角度是180度，实际使用中两端的极限位置会有5度左右的机械限位余量，做控制程序的时候不用刻意给极限位置留太多保护余量，内部的减速组是尼龙材质的直齿轮，虽然没有金属齿轮的抗冲击能力强，但在1.8kg·cm的标称扭矩范围内，齿轮的啮合间隙控制得很小，空载回程差基本能控制在1度以内，对于轻载的位置控制场景来说，这个精度完全够用。控制信号是标准的50Hz PWM信号，0.5ms到2.5ms的脉宽对应0到180度的旋转位置，和市面上绝大多数通用舵机的控制协议完全兼容，不管是用单片机IO口直接输出信号，还是用专用的舵机控制板驱动，都不需要做协议适配，接线端的引脚顺序是通用的信号、电源、地排列，配套的2.54mm间距排针能直接插在标准面包板或者杜邦线上，不需要额外做接线端子的转接。

　　实际做三维建模的时候，这个舵机的结构拆分逻辑很清晰，首先要把内部的直流空心杯电机、减速齿轮组、电位器、控制电路板这几个核心部件的位置关系理清楚，电机的输出轴通过一级齿轮减速带动中间的传动齿轮组，最后一级齿轮和输出轴固连，同时和电位器的转轴同步转动，这样控制板就能通过电位器的反馈电压实时判断输出轴的当前位置，形成闭环控制。建模的时候要特别注意几个配合面的公差：一是上下壳体的定位柱和定位孔的配合，要留0.1mm的装配间隙，不然实际装配的时候会出现壳体扣合不严的问题；二是输出轴和壳体顶部轴孔的配合，要做滑动配合的公差设计，既要保证输出轴转动顺畅没有卡滞，又不能间隙过大导致输出轴晃动；三是减速齿轮组的中心距，要严格按照齿轮模数计算的中心距来设计，不然会出现齿轮啮合过紧转不动，或者啮合过松打齿的问题。

　　从应用场景的适配性来说，这款舵机的适用边界很明确，首先是各类小型航模的舵面控制，比如固定翼航模的副翼、升降舵、方向舵控制，小型多旋翼无人机的云台俯仰控制，因为重量只有9g左右，不会给航模带来太多的额外负重；其次是小型教育类机器人的关节驱动，比如桌面级四自由度机械臂的关节、双足机器人的腿部关节、仿生机器人的尾部或者头部摆动机构，这类场景的负载通常都在100g以内，刚好在SG90的扭矩承载范围内；还有就是各类创意电子项目的执行机构，比如自动开门的小装置、摄像头的云台转动、小型智能门锁的锁舌驱动，只要是需要0到180度范围内的角度摆动、负载不大的场景，这个舵机都能胜任。但也要注意它的使用限制，不能用在负载超过2kg·cm的场景，也不能长时间堵转，不然内部的尼龙齿轮很容易扫齿，控制电路也会因为过流烧坏，做结构设计的时候要给舵机留够机械限位，避免舵机转到极限位置还持续受力。

　　建模的时候还要考虑实际装配的工艺性，壳体的壁厚设计在1.2mm左右，刚好能满足注塑成型的工艺要求，壳体表面的加强筋不需要做太多，只要在安装耳的位置加几条径向的加强筋，就能满足安装时的受力要求，不会因为拧螺丝导致安装耳断裂。内部的电路板安装位要留够0.2mm的余量，方便电路板的插装，电位器的安装槽要做定位设计，保证电位器在壳体内部不会出现转动移位，不然会导致舵机的中位偏移，控制角度出现偏差。输出轴的限位结构要做在最后一级齿轮和壳体的配合位置，通过壳体上的限位凸台挡住齿轮上的凸块，实现机械角度限位限位，这个位置的凸台强度要做足够，因为舵机转到极限位置的时候，所有的扭矩都会作用在这个限位凸台上，如果凸台太薄很容易断裂，导致舵机出现超程转动的问题。