空間相機(jī)定標(biāo)機(jī)構(gòu)退出裝置設(shè)計

王慶穎 王建岡 賈慧麗 趙鑫 李曉

(1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094) (2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

星載空間相機(jī)中定標(biāo)機(jī)構(gòu)發(fā)生卡滯,遮擋在相機(jī)的通光路徑時，會造成成像功能的部分或全部喪失。在這種情況下，如果采用退出裝置將遮擋部分退出光路，相機(jī)仍能繼續(xù)完成成像任務(wù)。2010年，汪逸群等人在文獻(xiàn)[1]中提到，NASA的寬視場紅外測量探測器(WISE)掃描機(jī)構(gòu)通過冗余設(shè)計裝備冗余電機(jī)、感應(yīng)同步器及控制電路以延長壽命[1-2]，提升了任務(wù)的可靠性，但增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和質(zhì)量。2015年，賈慧麗等人提出一種定標(biāo)機(jī)構(gòu)故障應(yīng)急復(fù)位裝置[3]，通過對記憶合金棒加熱完成機(jī)構(gòu)復(fù)位運(yùn)動，解決了電機(jī)或控制電路故障引起的漫反射板遮擋光路問題，但無法應(yīng)對定標(biāo)機(jī)構(gòu)的摩擦力矩超出電機(jī)驅(qū)動能力帶來的卡滯故障。然而，由于定標(biāo)機(jī)構(gòu)長期在真空中工作，熱環(huán)境的變化或者潤滑效果下降都有可能造成機(jī)構(gòu)摩擦力矩上升到超出電機(jī)能力。

本文提出了空間相機(jī)定標(biāo)機(jī)構(gòu)退出裝置的設(shè)計方案，用于解決定標(biāo)機(jī)構(gòu)的電機(jī)、控制電路失效以及摩擦力矩上升至超過電機(jī)驅(qū)動能力引起的卡滯問題，并且相比采用冗余設(shè)計方案，該方案設(shè)計的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕。

1 定標(biāo)機(jī)構(gòu)及其退出裝置的工作原理和構(gòu)造

定標(biāo)機(jī)構(gòu)及其退出裝置的工作原理如圖1所示。定標(biāo)機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、傳動齒輪、軸承和負(fù)載等組成，完成定標(biāo)工作。退出裝置包含分離組件和退出組件兩部分。分離組件主要由離合器和記憶合金驅(qū)動器[4-5]組成，實現(xiàn)齒輪和負(fù)載的分離。退出組件主要有記憶合金致動器、退出軸、卷簧盒、卷簧、擋臂等組成，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡滯時的退出。

注：1驅(qū)動電機(jī)，2電機(jī)軸，3一級主動齒輪，4一級被動齒輪，5中間軸，6二級主動齒輪，7中間軸軸承，8負(fù)載軸，9負(fù)載軸軸承，10二級被動齒輪，11離合器，12彈簧，13記憶合金驅(qū)動器，14負(fù)載，15退出軸軸承，16退出軸，17卷簧盒，18卷簧，19擋塊，20擋臂轉(zhuǎn)軸，21擋臂，22記憶合金致動器。

圖1 定標(biāo)機(jī)構(gòu)及其退出裝置工作原理

Fig.1 Working principle of the calibration mechanism including the exiting mechanism

定標(biāo)模式下，驅(qū)動電機(jī)帶動齒輪轉(zhuǎn)動，動力經(jīng)齒輪、齒輪和齒輪構(gòu)成兩級平行軸傳動，離合器連接齒輪和負(fù)載軸，彈簧壓緊離合器，傳遞力矩，從而帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動實現(xiàn)定標(biāo)。此時，卷簧在擋塊的阻擋下保持預(yù)緊狀態(tài)。一旦發(fā)生卡滯，退出模式啟動。首先，安裝在負(fù)載軸內(nèi)部的記憶合金驅(qū)動器在加熱棒的加熱下收縮變形，帶動離合器脫開，齒輪與負(fù)載軸分離，排除驅(qū)動電機(jī)和控制電路的故障。完全分離后，記憶合金致動器內(nèi)部的加熱棒加熱，記憶合金變形帶動擋臂繞擋臂轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，擋塊抬高，放開對卷簧盒的阻擋，卷簧放松，驅(qū)動退出軸轉(zhuǎn)動，直到退出軸與負(fù)載軸接觸，進(jìn)而帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動退出光路。

退出裝置構(gòu)造如圖2所示，記憶合金驅(qū)動器安裝在負(fù)載軸內(nèi)部，節(jié)省空間。與單獨備份一套相同電機(jī)和齒輪的冗余設(shè)計方案相比，此退出裝置的構(gòu)造更為簡單緊湊，質(zhì)量減輕約32%。

注：1記憶合金致動器，2擋臂轉(zhuǎn)軸，3擋臂，4卷簧盒，5卷簧，6二級大齒輪，7離合器，8退出軸，9擋塊。

圖2 退出裝置構(gòu)造

Fig.2 Construction of the exiting mechanism

2 關(guān)鍵零件的參數(shù)設(shè)計

離合器的自鎖失效和強(qiáng)度失效都會造成定標(biāo)機(jī)構(gòu)無法正常工作，卷簧的驅(qū)動能力影響到退出功能的實現(xiàn)。因此退出裝置的關(guān)鍵零件包括離合器和卷簧。

2.1 離合器參數(shù)設(shè)計

選用牙嵌離合器[6-7]，端面齒剛性聯(lián)結(jié)，彈簧壓緊，防止沖擊、振動條件下的松動，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、傳遞轉(zhuǎn)矩大、無相對滑動等特點。結(jié)合脫開難易程度、強(qiáng)度和工藝復(fù)雜性，選擇正梯形齒。離合器一半材料為鈦合金TC4R，一半材料為鋁合金5A06，接觸部分涂覆MoS2防真空冷焊。為了不增大軸向尺寸，記憶合金長度L控制在負(fù)載軸尺寸范圍內(nèi)，L≤130 mm，收縮距離為5～5.5 mm，考慮2 mm安全距離，離合器端齒高度h≤3 mm。根據(jù)離合器軸徑、工作條件和工況，進(jìn)行離合器參數(shù)設(shè)計，結(jié)果見表1。

表1 離合器設(shè)計參數(shù)表

離合器承擔(dān)機(jī)構(gòu)定標(biāo)工作時動力的傳遞，其可靠性直接影響機(jī)構(gòu)可靠性，主要失效形式為：端面齒壓潰，齒根彎曲折斷及嚙合自鎖失效。針對這三種失效形式進(jìn)行校核計算，端面齒擠壓強(qiáng)度條件、抗彎強(qiáng)度條件、嚙合自鎖條件分別對應(yīng)式(1)、(2)、(3)。

(1)

式中：σp為齒面擠壓應(yīng)力；Tc為計算轉(zhuǎn)矩；Dp為端面齒平均直徑；z＇為計算牙數(shù)；h為端面齒高度；b為端面齒寬度；σpp為齒面許用擠壓應(yīng)力，σpp=167 MPa。

(2)

式中：σb為齒面彎曲應(yīng)力；lg為齒根寬，σbp為齒面許用彎曲應(yīng)力,σbp=103 MPa。

(3)

式中：d為離合器軸徑。經(jīng)校核計算得到：

σp=13.8 MPa<σpp，σb=0.5 MPa<σbp，α=5°<13.7°，滿足強(qiáng)度和自鎖條件。

2.2 卷簧參數(shù)設(shè)計

卷簧通過釋放儲存的力矩，驅(qū)動發(fā)生卡滯故障的負(fù)載順利退出。應(yīng)滿足以下功能：當(dāng)電機(jī)、控制電路失效時作為動力源，驅(qū)動定標(biāo)機(jī)構(gòu)退出；當(dāng)機(jī)構(gòu)摩擦力矩上升至超過電機(jī)驅(qū)動能力時，提供更大的驅(qū)動能力。設(shè)計時將卷簧安裝在獨立于負(fù)載軸的退出軸上，避免卷簧成為電機(jī)的負(fù)載。從表1中可知，電機(jī)通過齒輪傳遞給負(fù)載軸的最大力矩為1470 N·mm。根據(jù)工程研制經(jīng)驗，選取此力矩的2倍作為卷簧的設(shè)計力矩。因此卷簧的設(shè)計力矩M≥2940 N·mm，計算公式如下[8]。

M=kjθj

(4)

式中：kj為卷簧剛度；θj為卷簧扭轉(zhuǎn)角。由式(4)可知，卷簧的剛度決定了驅(qū)動力矩，是卷簧的重要設(shè)計參數(shù)。根據(jù)安裝尺寸的限制可以確定卷簧的內(nèi)徑Dj1、外徑Dj2和寬度bj的尺寸。

根據(jù)卷簧強(qiáng)度條件可以得到卷簧的最小厚度hj為

(5)

式中：K2為系數(shù)，與卷簧外端固定方式有關(guān)；[σ]為許用應(yīng)力。

卷簧的工作長度lj為

(6)

式中：dj為圈間距。

卷簧的剛度kj為

(7)

式中：E為彈性模量，Kj1為系數(shù)。卷簧選用帶狀銅合金QBe2.0，圈間涂MoS2防冷焊涂層。經(jīng)計算，主要設(shè)計參數(shù)見表2。卷簧剛度kj為5.35 N·mm/(°)，設(shè)計力矩為3370.5 N·mm,達(dá)到電機(jī)驅(qū)動能力的2.3倍。

3 退出功能仿真分析

3.1 離合器分離功能仿真

在ADAMS軟件中，對離合器分離功能進(jìn)行運(yùn)動仿真[9]。記憶合金驅(qū)動器應(yīng)能克服彈簧阻力，彈簧剛度Kh=12.5 N·m，彈簧工作行程H=5 mm，彈簧的阻力為Fh=KhH=62.5 N，記憶合金驅(qū)動器收縮力應(yīng)大于62.5 N。測試結(jié)果顯示：加熱溫度范圍70～85℃，相變時間80 s以內(nèi)，收縮量達(dá)到5～5.5 mm，收縮力不小于3000 N。為簡化計算，假定記憶合金均勻收縮，設(shè)置離合器分離時間100 s，分離速度為0.062 5 mm/s，設(shè)置彈簧的剛度Kh=12.5 N·m。

從圖3離合器分離仿真可見，離合器順利脫開。圖4中顯示的是離合器與擋蓋的間隙，當(dāng)時間達(dá)到80 s時，間隙從6 mm減少到1 mm，實現(xiàn)分離位移5 mm。時間達(dá)到96 s時，間隙減小為0 mm，離合器與擋蓋接觸。

圖4 離合器與擋蓋的間隙Fig.4 Clearance between the clutch and the shield

3.2 卷簧退出功能仿真

設(shè)置卷簧剛度為5.35 N·mm/(°)，預(yù)緊角度為270°，進(jìn)行退出功能仿真[10]。圖5為負(fù)載在卷簧作用下返回安全位置。圖6顯示經(jīng)過8 s左右的時間，負(fù)載轉(zhuǎn)動60°后，到達(dá)預(yù)定的退出位置，不再繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

圖5 定標(biāo)機(jī)構(gòu)退出

圖6 定標(biāo)機(jī)構(gòu)退出角度Fig.6 Exiting angle of the calibration mechanism

4 測試試驗

為了驗證定標(biāo)機(jī)構(gòu)及其退出裝置的功能，在(20±5)℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下開展了定標(biāo)及退出功能測試試驗：先給電機(jī)及控制電路通電，定標(biāo)機(jī)構(gòu)正常轉(zhuǎn)動。然后啟動退出模式，首先記憶合金驅(qū)動器動作，離合器完全分離；接著記憶合金致動器帶動擋臂抬起，卷簧放松，驅(qū)動負(fù)載軸退回到預(yù)定的安全位置。試驗結(jié)果表明，退出裝置可以驅(qū)動定標(biāo)機(jī)構(gòu)順利退回到安全位置。

5 結(jié)論

本文針對空間相機(jī)定標(biāo)機(jī)構(gòu)的卡滯故障提出了一種退出裝置的設(shè)計方案，采用記憶合金驅(qū)動器分離離合器連接的齒輪和負(fù)載軸，記憶合金致動器觸發(fā)卷簧工作，進(jìn)而驅(qū)動卡滯負(fù)載退出光路。通過仿真及試驗對退出功能進(jìn)行了校驗，結(jié)果表明：

(1)離合器在記憶合金的驅(qū)動下能夠正常分離，從而排除電機(jī)和控制電路的故障。

(2)卷簧力矩達(dá)到電機(jī)提供給負(fù)載軸力矩的2.3倍，以應(yīng)對超出電機(jī)驅(qū)動能力的摩擦力矩。

(3)相比備份相同的電機(jī)和齒輪，質(zhì)量節(jié)省了32%。