低溫微位移促動器的設(shè)計與實驗*

白清順，王　群，張慶，婁　錚

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　150001；2. 中國科學(xué)院紫金山天文臺，江蘇 南京　210008)

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低溫微位移促動器的設(shè)計與實驗*

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；2. 中國科學(xué)院紫金山天文臺，江蘇 南京210008)

摘要：以極地天文望遠鏡為應(yīng)用背景，研制了一種低溫微位移促動器，并在室溫和低溫條件下進行性能測試實驗，獲得了低溫微位移促動器的性能指標(biāo)。分析了3種常見的大行程高精度微位移促動器的結(jié)構(gòu)形式，選擇位移縮放式作為低溫微位移促動器的基本結(jié)構(gòu)。微位移促動器采用低溫步進電機作為驅(qū)動元件，以具有特殊消隙結(jié)構(gòu)的螺旋傳動作為位移縮放機構(gòu)，實現(xiàn)了高剛度、耐低溫、結(jié)構(gòu)緊湊、密閉性好的微位移促動器的設(shè)計。開展了微位移促動器的性能測試實驗，結(jié)果表明：所設(shè)計的低溫微位移促動器在室溫條件下的步進精度達到1 μm ± 0.082 μm，并且滿足負載能力的設(shè)計要求；低溫條件下步進精度可以達到2 μm ± 0.404 μm。研制的微位移促動器將為拼接式極地天文望遠鏡的建設(shè)提供重要的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：微位移促動器；天文望遠鏡；精度；低溫；螺旋傳動

天文學(xué)的發(fā)展對天文望遠鏡提出了更高的要求，對于射電望遠鏡，增加望遠鏡口徑是提高分辨率和靈敏度最為重要的途徑。大型天線的反射面受加工制造技術(shù)的限制，無法使用單塊面板實現(xiàn)。主動反射面技術(shù)為極大口徑反射面的制造提供了重要的技術(shù)支撐，采用尺寸較小的子面板拼合成具有一定面形精度的主反射面。為了調(diào)整主反射面的面形，每個子面板需要微位移促動器支撐和調(diào)節(jié)[1]。

微位移促動器作為子面板的支撐和調(diào)節(jié)機構(gòu)，是主動反射面技術(shù)的核心部件，是一種精密的直線位移輸出裝置。鑒于主反射面面形需要達到射電望遠鏡的成像要求，微位移促動器需要具有較高的位移輸出精度、大負載能力、高剛度以及毫米級有效行程。目前，世界上已建成的采用主動反射面技術(shù)的射電望遠鏡主要采用自行研制的微位移促動器[2-4]。

天文望遠鏡的臺址是望遠鏡觀測效果的影響因素之一，優(yōu)秀的望遠鏡臺址需要具有干凈的大氣、較低的風(fēng)速、較高的大氣透過率和較低的水汽含量[5]。南極的高海拔地區(qū)便符合上述條件，特別是我國率先抵達的Dome A被公認(rèn)為是地球上最優(yōu)秀的光學(xué)/紅外天文觀測地點，而且非常適合亞毫米波和太赫茲天文觀測[6]。我國已經(jīng)在南極Dome A地區(qū)安裝了小型天文望遠鏡，后期還計劃建造大型太赫茲天文望遠鏡[7]。對于南極地區(qū)天文望遠鏡使用的微位移促動器，還要具有耐低溫、結(jié)構(gòu)緊湊、防風(fēng)雪侵蝕等特點。

針對主動反射面技術(shù)對微位移促動器的性能要求，以及南極地區(qū)的環(huán)境條件，設(shè)計了一種低溫微位移促動器，并對設(shè)計的促動器進行了性能檢測實驗，獲得了促動器的性能指標(biāo)。

1低溫微位移促動器設(shè)計

1.1低溫微位移促動器的結(jié)構(gòu)形式

常用的大行程高精度微位移促動器的結(jié)構(gòu)形式主要有3種：

(1)尺蠖式。尺蠖式微位移促動器是基于 “箝位-驅(qū)動-箝位” 的運動形式，以壓電陶瓷、磁致伸縮材料、形狀記憶合金等元件進行驅(qū)動的微位移促動器。這類驅(qū)動元件精度高、響應(yīng)快，構(gòu)成的尺蠖式微位移促動器理論上可以獲得無限大的有效行程[8]，但是尺蠖式微位移促動器的控制比較復(fù)雜，并且成熟的商品很少。

(2)位移縮放式。此類微位移促動器的結(jié)構(gòu)形式是在驅(qū)動元件后附加位移縮放機構(gòu)，位移縮放機構(gòu)主要有減速器、液壓減速機構(gòu)、精密絲杠和柔性鉸鏈等[9]。對于位移縮放機構(gòu)的優(yōu)劣，可以從縮放比、空回、遲滯、負載能力等幾方面衡量。

(3)宏/微動疊加式。宏/微動疊加式微位移促動器分為宏動部分和微動部分，宏動部分完成大行程微米級定位，微動部分完成小范圍的納米級定位[10]。這種促動器的缺點是機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都較為復(fù)雜。

相比(1)和(3)兩種結(jié)構(gòu)形式的微位移促動器，位移縮放式微位移促動器的結(jié)構(gòu)比較簡單，控制也較為方便，通過對驅(qū)動元件和位移縮放機構(gòu)的組合，可以在大行程內(nèi)輸出較高精度的位移。因此，設(shè)計的低溫微位移促動器采用位移縮放的結(jié)構(gòu)形式。

1.2低溫微位移促動器的設(shè)計

位移縮放式微位移促動器的設(shè)計包括驅(qū)動元件、位移縮放機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、預(yù)緊機構(gòu)的選擇和整體支承框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計。表1是設(shè)計的低溫微位移促動器的結(jié)構(gòu)方案。

低溫微位移促動器采用精密低溫步進電機作為驅(qū)動元件。步進電機沒有累積誤差，并且技術(shù)成熟，采用電細分控制可以輸出較小的步距角。導(dǎo)向鍵作為導(dǎo)向機構(gòu)，簡單實用，用于精密機械時要保證其加工精度。彈簧預(yù)緊，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉?？s放機構(gòu)采用精密梯形滑動絲杠，選取較大的螺紋配合間隙，傳動螺母采用特殊消隙結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計可以保證低溫時絲杠不會卡死，并可以有效減小螺旋傳動的回程差，小導(dǎo)程的螺紋結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，并且具有自鎖功能。促動器的殼體采用圓柱狀，兩端蓋裝有左、右端蓋，這樣結(jié)構(gòu)緊湊，殼體表面形狀過渡圓滑，能夠有效避免積雪，并且具有一定的密封性，防止風(fēng)雪侵蝕內(nèi)部零件。低溫微位移促動器的外觀如圖1，整體包絡(luò)尺寸為Φ75 × 120 mm。

表1　低溫微位移促動器的結(jié)構(gòu)方案

圖1　低溫微位移促動器外觀

低溫微位移促動器的材料選擇具有面心立方晶格的鉻鎳不銹鋼，其沖擊韌性與溫度無關(guān)，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械特性，并且加工性能好，價格實惠。除步進電機和軸承等外購件外，其它零件都采用鉻鎳不銹鋼，保證各零部件在低溫條件下具有較為一致的溫度形變。

對于低溫微位移促動器的潤滑，選擇耐低溫的低溫極壓潤滑脂，保證低溫環(huán)境下微位移促動器能夠正常工作。低溫微位移促動器的控制系統(tǒng)則由電腦、松下可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)、步進電機驅(qū)動器、24 V穩(wěn)壓直流電源組成。控制程序的編制采用VC++ 6.0和松下可編程邏輯控制器通用的梯形圖編程工具，滿足促動器的開環(huán)性能測試要求。

2低溫微位移促動器的性能測試

性能測試實驗過程中，將低溫微位移促動器安置于測量平臺上，采用海德漢CT2502長度計對輸出位移進行檢測，并記錄數(shù)據(jù)。同時設(shè)計了加力裝置，測試促動器在空載和負載情況下的性能。在低溫測試環(huán)節(jié)，將測量系統(tǒng)安置于低溫試驗箱內(nèi)，溫度降低到設(shè)定溫度后進行保溫，然后再開始測試，避免低溫箱運行時壓縮機產(chǎn)生的振動對測試帶來不利影響。圖2是室溫環(huán)境下的促動器性能測試和低溫測試。

圖2　室溫性能測試(左圖)和低溫測試(右圖)

2.1室溫環(huán)境下的步進精度檢測

首先檢測空載情況下的步進精度。測量過程中長度計的位置不變，電機驅(qū)動促動器輸出端，分別以步長1 μm、2 μm、5 μm運動，每種步長運動20次，記錄長度計讀數(shù)，對比理論輸出位移與實際輸出位移，如圖3～5，并計算3種步長的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值，如表2。

表2　3種步長的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

圖3　步進精度檢測(1 μm步長)

圖4　步進精度檢測(2 μm步長)

測試結(jié)果表明，室溫環(huán)境下，促動器的空載步進精度可以達到1 μm ± 0.082 μm。根據(jù)設(shè)計要求，促動器的最大軸向壓力負載需要達到60 N，考慮到負載裕量，將最大軸向壓力負載放大約15%，檢測促動器在68 N軸向壓力負載作用下的1 μm步進精度，如圖6。

圖5　步進精度檢測(5 μm步長)

圖6　68 N軸向壓力負載步進精度檢測(1 μm步長)

得到位移促動器在68 N軸向壓力負載下的步進精度為1 μm ± 0.114 μm。可見，由于負載的影響使得促動器的步進精度有所下降，但是影響很小。

2.2室溫環(huán)境下的重復(fù)定位精度檢測

重復(fù)定位精度的檢測方法如圖7，首先驅(qū)動促動器的輸出端運動到某一位置，記此位置為點A，然后將長度計顯示的數(shù)據(jù)清零，從A點以步長10 μm運動到F點，在F點反向回到A點，記錄長度計數(shù)據(jù)。重復(fù)實驗5次，并進行標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計分析。測試數(shù)據(jù)如表3。

表3　重復(fù)定位精度測試數(shù)據(jù)(單位： 微米)

表3顯示重復(fù)定位精度測試中B點的數(shù)據(jù)與理論數(shù)值(10 μm)相差較大，原因在于促動器存在回程誤差，在A點換向后向B點運動時，一部分理論輸出位移被回程差抵消，但是不影響重復(fù)定位精度的檢測。計算表3中每個位置處5組實驗數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，如表4。得到標(biāo)準(zhǔn)差的最大值為0.052 μm，則促動器在室溫下的重復(fù)定位精度為± 0.052 μm。

圖7　重復(fù)定位精度測試方法

表4　5組實驗數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差(單位： 微米)

2.3低溫環(huán)境下的步進精度檢測

對于低溫微位移促動器，其低溫環(huán)境下的性能同樣重要。根據(jù)設(shè)計要求，促動器工作環(huán)境的最低溫度為-40 ℃，因此需要檢測促動器在-40 ℃環(huán)境下的步進精度。

在低溫箱溫度降到-40 ℃，并保溫一小時后，促動器表面結(jié)霜嚴(yán)重，部分區(qū)域結(jié)冰，促動器整體溫度降低到-40 ℃，此時促動器可以正常運行，并無卡死、振動、噪聲等不良現(xiàn)象。采用常溫性能測

試的方法檢測低溫微位移促動器在-40 ℃時的步進精度，如圖8。結(jié)果表明，促動器在-40 ℃環(huán)境下可以達到2 μm ± 0.404 μm的步進精度。低溫測試環(huán)節(jié)的霜凍和冰凍現(xiàn)象如圖9。

對比常溫下的步進精度，-40 ℃環(huán)境下的步進精度所有惡化，原因在于微位移促動器安置在低溫箱內(nèi)，由于溫度的限制，測試端必須處在低溫箱外。從驅(qū)動端到測試端連接部件的剛度對促動器的步進測試精度產(chǎn)生顯著的影響；另外，測試時低溫箱內(nèi)存在的微振動也對測試結(jié)果造成一定的干擾。后期對低溫測試方式的改進將進一步提高微位移促動器的低溫步進測試精度。

圖8　-40 ℃步進精度檢測(2 μm步長)

圖9　低溫測試環(huán)節(jié)的結(jié)霜和結(jié)冰現(xiàn)象

3結(jié)論

本文設(shè)計了一種用于主動反射面技術(shù)的低溫微位移促動器，并進行了一系列性能測試。測試結(jié)果表明，設(shè)計的低溫微位移促動器在室溫條件下的步進精度達到1 μm ± 0.082 μm，并且滿足負載能力的設(shè)計要求。在軸向負載68 N情況下，促動器可以達到1 μm ± 0.114 μm的步進精度。重復(fù)定位精度測試表明，低溫微位移促動器的重復(fù)定位精度為± 0.052 μm。低溫測試結(jié)果表明，促動器在-40 ℃環(huán)境下可以達到2 μm ± 0.404 μm的步進精度。綜合測試結(jié)果表明，低溫微位移促動器能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求。該促動器的研究為未來極地天文望遠鏡的建設(shè)提供基礎(chǔ)技術(shù)條件。

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The Design and Test of a Cryogenic Micro-Displacement Actuator

(1. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China, Email: dehuiwq@live.com;2. Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Abstract:Taking the polar astronomical telescope as application background, a cryogenic micro-displacement actuator is designed and then tested at room temperature and low temperature environment respectively. Performance parameters of this actuator is acquired. Three kinds of structural forms of long travel high-accuracy micro-displacement actuator are analyzed; the displacement scaling is chosen as the basic structure of this cryogenic micro-displacement actuator. Cryogenic step motor is employed as the drive element, and the screw drive mechanism which contains specific anti-backlash structure is selected as the displacement scaling mechanism. This design develops a micro-displacement actuator which maintains satisfactory qualities such as high stiffness, low temperature resistance, compact structure and good leakproofness. Performance tests are also carried out. Test results indicate that the cryogenic micro-displacement actuator can achieve the step accuracy of 1μm ± 0.082μm at ambient temperature, and its load capacity meets the design requirements; meanwhile, the cryogenic micro-displacement actuator can achieve the step accuracy of 2μm ± 0.404μm at low temperature. This cryogenic micro-displacement actuator will provide important technical support for the construction of the splicing polar astronomical telescope.

Key words:Micro-displacement actuator; Astronomical telescope; Accuracy; Cryogenic; Screw drive

收稿日期：2015-05-31；

修訂日期：2015-06-12

作者簡介：白清順，男，副教授. 研究方向：精密機械設(shè)計與制造. Email: qshbai@hit.edu.cn 通訊作者：王群，碩士. 研究方向：微促動器技術(shù). Email: dehuiwq@live.com

中圖分類號：P111； TH751

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號:1672-7673(2016)02-0199-06

CN 53-1189/PISSN 1672-7673