衛(wèi)星真空熱試驗傾斜姿態(tài)模擬裝置的設(shè)計

李日華，袁偉峰，高慶華，裴一飛

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

探月工程三期項目中，為了在模擬月球1/6 重力加速度的等效環(huán)境中驗證月球表面坡度對兩相流體回路和可變熱導(dǎo)熱管等星上部件性能的影響，提出了熱試驗中對整星傾斜姿態(tài)的模擬要求。為滿足上述要求，須研制一套月球探測器傾斜姿態(tài)模擬裝置。真空、低溫環(huán)境將對該裝置的運動機構(gòu)產(chǎn)生不利影響：1）裝載了探測器的裝置在真空低溫環(huán)境中作低速運動時，運動機構(gòu)容易發(fā)生冷焊現(xiàn)象；2）在真空低溫環(huán)境下若潤滑不當，則會導(dǎo)致運動副間摩擦發(fā)熱，造成機構(gòu)運動困難甚至卡死。此外，探測器的結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量很大，要求模擬裝置有很大的承載能力和剛度，否則結(jié)構(gòu)變形又可能導(dǎo)致運動失效[1-5]。

迄今為止，國內(nèi)外有關(guān)運動機構(gòu)在真空熱試驗中的應(yīng)用公開報道比較少，沒有可直接借鑒的成果。結(jié)合北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的相關(guān)工程經(jīng)驗，針對上述問題，本文對月球探測器傾斜姿態(tài)模擬裝置開展分析、設(shè)計與研制。

1 方案設(shè)計

1.1 技術(shù)指標要求

1）探測器包絡(luò)尺寸為5000 mm×5000 mm，其重量為4500 kg；

2）模擬傾角范圍±3°，精度優(yōu)于0.1°；

3）真空度＜10-4Pa，工作環(huán)境溫度100 K；

4）對熱沉背景的遮擋率要＜0.2；

5）嚴格控制材料出氣對真空度的影響。

1.2 機構(gòu)運動方案設(shè)計

傾角模擬裝置的常用機構(gòu)型式有并聯(lián)機構(gòu)、偏置正弦機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)和曲柄搖塊機構(gòu)[6-7]。下面對它們在真空熱試驗中的適應(yīng)性進行分析比較，最終給出選擇結(jié)果。

1）Stewart 型并聯(lián)機構(gòu)方案

Stewart 型并聯(lián)機構(gòu)（見圖1）具有剛度大、結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間大的優(yōu)點；但其控制算法復(fù)雜，運動具有耦合性和奇異性[8]。真空低溫環(huán)境下，機構(gòu)鉸鏈運動間隙保證難度大，摩擦阻力較大，對背景熱流影響大，可靠性設(shè)計難度高，真空熱試驗中適應(yīng)性相對較差。

圖1 Stewart 型并聯(lián)機構(gòu) Fig.1 Stewart parallel mechanism

2）偏置正弦機構(gòu)方案

方案為四桿機構(gòu)的變形結(jié)構(gòu)（如圖2所示），含有2 個移動副，2 個轉(zhuǎn)動副，其中1 個移動副是螺旋移動副。

圖2 偏置正弦機構(gòu) Fig.2 Offset sine mechanism

在機構(gòu)中，探測器（包含外熱流模擬裝置）安裝在連架桿上，螺桿為主動件，連架桿為從動件。當螺桿做往復(fù)直線運動時，螺桿頭部的滑塊副做往復(fù)直線運動，從而推動連架桿旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)探測器對傾角模擬的要求。

此結(jié)構(gòu)中，由于同時存在2 個移動副，在真空低溫環(huán)境下，其摩擦系數(shù)較大（根據(jù)手冊，真空環(huán)境下不銹鋼之間的滑動摩擦系數(shù)為1.22～3），使得整個機構(gòu)的傳遞效率較低。螺桿在使用中，一般不承受側(cè)向力，但在此結(jié)構(gòu)中，從整個機構(gòu)的受力情況分析來看，存在比較大的側(cè)向力。

3）曲柄滑塊機構(gòu)方案

方案（如圖3所示）中有1 個移動副（絲杠螺旋副），3 個轉(zhuǎn)動副，絲杠固定在機架上。

圖3 曲柄滑塊機構(gòu) Fig.3 Slider-crank mechanism

在機構(gòu)中，探測器安裝在連架桿上，絲杠的螺母為主動件，連架桿為從動件。螺母沿絲桿做往復(fù)直線運動，從而帶動連桿推動連架桿旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)傾角調(diào)節(jié)的目標。

由于此機構(gòu)在相同的行程下實現(xiàn)的傳動角ψ較小，為了達到所要求的傾角范圍，則絲杠的長度及整個機構(gòu)的高度須增大，而這受到真空容器空間尺寸的限制，難以滿足要求；況且，若絲杠長度和機構(gòu)高度過大，則在真空低溫環(huán)境下的變形會改變導(dǎo)軌配合間隙和運動精度，從而影響傳動的可靠性。

4）曲柄搖塊機構(gòu)方案

曲柄搖塊機構(gòu)（如圖4所示）主要由L 型機架部分、連架桿、螺旋升降機機箱以及滾動鉸鏈組成。步進電機帶動螺旋升降機機箱內(nèi)的渦輪蝸桿副做旋轉(zhuǎn)運動，渦輪同時作為螺旋副的螺母，使蝸桿沿機箱做往復(fù)直線運動；同時機箱也繞固定在機架上的鉸鏈旋轉(zhuǎn)，推動連架桿旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)姿態(tài)模擬的目標。

圖4 曲柄搖塊機構(gòu) Fig.4 Crank-rocker mechanism

相對于上述幾種傾角模擬機構(gòu)，此機構(gòu)中螺旋升降機既做擺動又做直線運動，在相同的行程下實現(xiàn)的傳動角ψ比較大，因此占用空間小，傳動鏈較短。另外，渦輪蝸桿副具有自鎖功能，升降機只受軸向力，螺旋副的受力狀態(tài)較好，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。

考慮到負載和角度控制精度需要，實際中采用了雙曲柄搖塊機構(gòu)同步推動的方案，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由L 型機架、2 組螺旋升降機及驅(qū)動電機、探測器轉(zhuǎn)動平臺（包含旋轉(zhuǎn)長軸）、4 組升降機支撐軸承座、2 組升降機推桿軸承座和2 組轉(zhuǎn)軸軸承座（內(nèi)裝調(diào)心輥子軸承）等組成。

圖5 探測器傾斜姿態(tài)模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.5 Structure of spacecraft inclined posture simulation device

1.3 真空低溫環(huán)境下機構(gòu)適應(yīng)性分析及設(shè)計

傳動機構(gòu)對溫度和潤滑要求較高。在真空熱試驗中，為了適應(yīng)真空低溫環(huán)境的要求，常用處理方法是將傳動機構(gòu)放置在充滿大氣的密封箱內(nèi)進行溫控。如美國在開展Apollo 服務(wù)艙的真空熱試驗時，為了模擬月夜期間接近于零的外熱流，需要把外熱流模擬裝置迅速移開。該移動機構(gòu)采用了齒輪密封箱，并內(nèi)充溫控的大氣。

真空動密封常用方式有真空橡膠密封和磁流體密封[9]，其中橡膠密封為接觸式密封，密封環(huán)容易磨損。磁流體密封要附加導(dǎo)磁裝置，尺寸較大。考慮真空熱試驗中機構(gòu)長時間運轉(zhuǎn)以及對背景熱流的要求，本文機構(gòu)中沒有選用磁流體密封方式。

由于傾斜姿態(tài)模擬裝置整體工作在真空低溫環(huán)境下，考慮環(huán)境適應(yīng)性要求，將采取以下措施： 1）一般電機在真空低溫下易卡死，且運行中的發(fā)熱主要靠輻射傳熱，熱量不易散出，因而不能長時間工作。為此，需要選用可在真空低溫下長期工作的電機，如可直接使用的真空低溫電機，但需要根據(jù)要求定制，周期長而且成本高[10]；另一種應(yīng)對措施是對現(xiàn)有電機進行適應(yīng)性設(shè)計，即首先對電機進行去油處理，其次采用極壓真空潤滑脂，并對電機表面粘貼薄膜加熱器及包覆多層隔熱組件，最后建立電機的熱傳遞模型，求解后采用相應(yīng)的算法進行溫控。

2）螺旋升降機機箱內(nèi)有渦輪蝸桿副，可采用電機類似的適應(yīng)性設(shè)計方法，使螺旋升降機可以在真空低溫下工作。

3）整個傾斜姿態(tài)模擬裝置中絲杠推桿以及鉸鏈副等不能采用溫控措施的運動部件，可以采用熱變形誤差補償修正技術(shù)建立溫度與機構(gòu)熱變形之間的關(guān)系，以便消除高低溫環(huán)境下機構(gòu)熱脹冷縮帶來的誤差，并對其運動間隙進行特殊設(shè)計以適應(yīng)低溫下的變化[11-12]。例如當模擬傾斜角度達到最大時，蝸桿伸出端處于100 K 的冷背景中，而箱內(nèi)的渦輪處于正常工作溫度范圍，則容易產(chǎn)生變形而影響傳動精度。為此應(yīng)建立升降機的溫度場模型，計算運動間隙變化量，對熱變形誤差進行補償修正，使機構(gòu)滿足運動精度要求。例如，對于滾動軸承，可設(shè)計非標的游隙組以防止低溫下運動間隙變小而被卡死。

4）對于不能溫控的運動部件，可在運動副上涂抹二硫化鉬進行潤滑或?qū)Ρ砻孀饔不幚?，或?qū)\動副采用不同的材料，以減小摩擦，防止冷焊[13]。對于運動鉸鏈，考慮特別是在重載情況下滑動軸承的啟動摩擦力矩相對較大，可采用滾動軸承。

5）在雙曲柄搖塊機構(gòu)中，升降機機箱內(nèi)的溫度控制在0℃左右時，其傳動效率約為0.13。對于4500 kg 的負載，按機構(gòu)傳動角ψ=90°計算，則驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩約為31 N·m。為保證角度模擬精度，電機須選用步進電機或者伺服電機。電機的額定轉(zhuǎn)矩一般都在50 N·m 以下，為保證一定的安全裕度，一般要求其額定輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于所需轉(zhuǎn)矩的2 倍（62 N·m）以上。若選擇1 臺電機，則電機的體積很大，會影響背景熱流。因此，方案設(shè)計時采用了2 臺螺旋升降機同步聯(lián)動的方式。

6）傾斜姿態(tài)模擬裝置中的轉(zhuǎn)動平臺（連架桿）是一個方形框架結(jié)構(gòu)，由方形不銹鋼管焊接制成，框架的一邊是轉(zhuǎn)軸，其長度4000 mm 左右，設(shè)計時采用軸套+軸頭的型式進行加工，即框架主體加工完成后，軸套裝入鋼管的兩端，整體鏜孔后再裝入軸頭，然后把框架與軸頭軸套焊為一個整體，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 平臺轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.6 Structure of rotating shaft

同時，轉(zhuǎn)軸的軸承座為分體式，采用調(diào)心圓柱 輥子軸承和固定-游動支撐方式，以上結(jié)構(gòu)型式不僅保證了轉(zhuǎn)軸的同軸度、運動平臺的裝配精度，而且低溫環(huán)境下補償了轉(zhuǎn)動平臺因熱變形及制造安裝誤差所引起的長度變化，消除了相應(yīng)的附加熱應(yīng)力。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及同步運動設(shè)計

2.1 傾角模擬機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)上述分析與計算結(jié)果，為滿足真空容器空間尺寸限制以及設(shè)備安全性的要求，2 個升降機必須保持同步，且驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩必須大于任一位置時機構(gòu)產(chǎn)生的阻力矩。因此，必須對機構(gòu)的參數(shù)進行優(yōu)化，并選擇合適的控制方式。

參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)為

式中：T為螺旋升降機的推力；TM為螺旋升降機絲杠所能提供的最大推力。

相應(yīng)地，對傾斜姿態(tài)模擬裝置進行受力分析，如圖7所示。

圖7 機構(gòu)受力簡圖 Fig.7 The force on the mechanism

根據(jù)受力分析以及機構(gòu)運動時各部分的幾何關(guān)系建立以下方程式：

式中：M為螺旋升降機克服機構(gòu)旋轉(zhuǎn)的阻力矩；R為連架桿的長度；l為整星以及外熱流模擬設(shè)備的質(zhì)心距離連架桿的高度；ψ為傳動角；σ為連架桿長度與兩固定鉸鏈連線長度的比值；θ為整星姿態(tài)的調(diào)節(jié)傾角；L為機構(gòu)兩固定鉸鏈的水平長度；H為機構(gòu)兩固定鉸鏈的豎直高度。

由以上公式可以得出目標函數(shù)的具體形式，R一般由探測器以及外熱流模擬設(shè)備的尺寸決定，因此優(yōu)化目標函數(shù)是3 個獨立變量L,H,θ的函數(shù)。同時考慮真空容器空間限制對機構(gòu)尺寸構(gòu)成的約束，根據(jù)傾斜姿態(tài)模擬裝置對模擬角度的要求，可建立以下優(yōu)化數(shù)學(xué)模型：

該優(yōu)化問題是一個帶約束的非線性優(yōu)化問題，求解方法有很多，例如遺傳算法、序列二次規(guī)劃法，或者利用MATLAB 進行編程直接求解。由于目標函數(shù)是ψ的單變量函數(shù)，因此求得傳動角ψ的分布區(qū)間即可確定曲柄搖塊機構(gòu)相應(yīng)的幾何參數(shù)。

結(jié)合熱試驗真空容器情況，為了實現(xiàn)±3°的模擬傾角，取R=3300 mm，H＜1000 mm?？紤]真空容器空間尺寸限制以及探測器尺寸，則有3000 mm＜L＜4000 mm；對于4500kg 的負載，TM為23 000 N。將以上約束條件代入MATLAB 程序，得到ψ的分布如圖8所示。

圖8 傳動角ψ 分布圖 Fig.8 Transmission angle distribution

由圖8可知，根據(jù)ψ求出的多組非劣解，都可滿足使用要求，其分布為當隨L取值一定時則呈現(xiàn)類似于拋物線對稱分布，同時傳動角隨著H的增大而增大，并在L=[3400 mm,3600 mm]區(qū)間取值最大。一般地，ψ越大時，傳動越省力，效率越高；反之，即使負載不大，轉(zhuǎn)動也需要很大的推力。因此，最終確定L=3430 mm，H=580 mm，此狀態(tài)下隨著傾角θ的變化，傳動角ψ的變化如圖9所示。當ψ在[86.1°,89.9°]之間，升降機絲杠軸向力T隨θ的增大而減小，如圖10所示，推力范圍在[22 kN,23 kN]之間。

圖9 傳動角ψ 隨轉(zhuǎn)動平臺傾角θ 變化 Fig.9 Transmission angle distribution with inclination of rotating platform

圖10 軸向力T 隨轉(zhuǎn)動平臺傾角θ 變化 Fig.10 Axial force distribution with inclination of rotating platform

2.2 雙軸同步運動設(shè)計

目前，保持多電機同步有機械式和電氣式2 種措施。機械式措施一般靠大功率電機帶動多個執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)，控制簡單，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易引起振蕩現(xiàn)象。在真空熱試驗中，由于引入了額外傳動環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的可靠性降低，因此本項目中采用了電氣同步控制方式[14]。

電氣同步控制方式的控制系統(tǒng)主要由工業(yè)上位機、PLC（西門子S7-200 系列CPU226）、步進電機（和利時 130BYG350FH）以及驅(qū)動器（SH-30806N）、編碼器、角度傳感器等組成，其控制框圖如圖11所示。上位機進行人機界面的交互操作，進行參數(shù)設(shè)定以及運行狀態(tài)的顯示。PLC控制各個運動的實現(xiàn)，通信接口為RS485。同時引入極限位置的限位控制（如行程開關(guān)），以防止運動越位。

要實現(xiàn)兩軸同步運動，必須實現(xiàn)兩軸啟動同步、停機同步、速度同步以及加速度同步。項目中采用DDA 直線插補實現(xiàn)兩軸的同步控制，其次是對機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以保證同步。步進電機、驅(qū)動器、螺旋升降機以及相應(yīng)的軸承都選用同樣規(guī)格，設(shè)計與裝配時，保證升降機蝸桿的剛度、2 個蝸桿之間平行度以及蝸桿與轉(zhuǎn)動平臺之間的垂直度等要求。

圖11 同步運動控制框圖 Fig.11 Control diagram of synchronous movement

為防止2 個蝸桿出現(xiàn)同步超差，利用西門子S7-200PLC的高速計數(shù)模塊采集2 個步進電機的編碼器信號，對兩者的同步誤差進行實時監(jiān)測。如果發(fā)現(xiàn)超差，則發(fā)出停機信號，同時向上位機發(fā)送一個同步超差事件信號。超差解決恢復(fù)前，PLC 暫停同步超差檢測；升降機的蝸桿同步超差調(diào)整完成后，工控機向PLC 發(fā)送一個同步超差監(jiān)控恢復(fù)信號[15]。其具體流程如圖12所示。

圖12 PLC 同步超差監(jiān)控流程圖 Fig.12 PLC monitoring flow of synchronous over-error

3 安裝調(diào)試與試驗驗證

根據(jù)上述分析結(jié)果，對傾斜姿態(tài)角模擬裝置進行了設(shè)計和研制，最終的設(shè)計結(jié)果為：外包絡(luò)尺寸5000 mm×5000 mm×1100 mm；角度模擬范圍±3°，精度0.005°；最大負載能力超過5 t。在進行真空熱試驗時，其水平度達到1/1000，按照傾斜姿態(tài)模擬裝置的尺寸，相應(yīng)的在探測器安裝面上的直線度為5 mm。

針對焊接應(yīng)力與變形、機構(gòu)整體誤差超過規(guī)定值以及對兩軸同步運動的干擾等問題，在調(diào)試安裝的過程中采用以下3 項調(diào)整措施：

1）利用水平儀分別對轉(zhuǎn)動平臺長軸軸承座、 升降機機座軸承座安裝后的水平度進行測量，并采用不同厚度的隔熱墊片進行調(diào)整，使軸承座的垂直度、平行度和高度符合要求。2）由于機構(gòu)焊接變形以及運動間隙使蝸桿的零點位置改變，導(dǎo)致升降機受力不均和電機發(fā)熱。為解決這些問題，又設(shè)計了二軸單獨運動模式，并通過水平儀與軸承蓋涂色檢查相結(jié)合的方法，對蝸桿位置分別進行調(diào)整，使它們的同步性滿足要求。3）在傾斜姿態(tài)模擬裝置與探測器的安裝處，增加可以單獨調(diào)節(jié)高度的托盤，對整套裝置的水平度進行輔助調(diào)整。

經(jīng)過上述安裝調(diào)試，裝置滿足了各項技術(shù)要求。在真空度＜10-4Pa、溫度 100 K 的使用環(huán)境下，裝置分別經(jīng)受了210 天的“嫦娥三號”真空熱試驗和30天的“嫦娥五號”真空熱試驗的驗證考核，整個真空熱試驗期間運行零故障，確保試驗任務(wù)圓滿完成。

4 結(jié)論

本文在月球探測器傾斜姿態(tài)模擬裝置的設(shè)計、研制和安裝調(diào)試中獲得如下結(jié)論：

1）曲柄搖塊機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、受力狀態(tài)好、傳動效率高的優(yōu)點；2）為了保證運動部件可靠運行，有必要采用溫控、真空潤滑以及熱變形誤差補償?shù)拳h(huán)境適應(yīng)性措施；3）結(jié)構(gòu)對稱性設(shè)計、DDA直線插補和PLC 高速計數(shù)模塊等防超差措施對于雙軸同步運動的實現(xiàn)至關(guān)重要。

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