大尺寸薄壁軸承濾光輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賈慧麗，王 躍，王慶穎，趙 鑫

（北京空間機(jī)電研究所 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

面陣凝視相機(jī)由于具有較高的時(shí)間分辨率，在航天遙感領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)值極高[1-3]。為了獲取詳細(xì)的光譜信息，實(shí)現(xiàn)多譜段凝視成像，需要對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的光線進(jìn)行過濾，讓特定譜段的光線透過濾光片成像，而其他譜段的光線被截止。因此，需要設(shè)計(jì)濾光機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)不同譜段光線的切換。為了保證多譜段圖像信息的融合質(zhì)量，應(yīng)盡可能提高濾光片的定位精度和重復(fù)到位精度。

高軌面陣凝視成像方式不僅需要對(duì)單視場區(qū)域進(jìn)行單譜段或多譜段連續(xù)成像，還需要實(shí)現(xiàn)多視場區(qū)域單譜段或多譜段步進(jìn)成像[4-6]。濾光機(jī)構(gòu)是面陣凝視相機(jī)的重要組件，它需要在相機(jī)在軌全生命周期內(nèi)頻繁切換濾光片，以配合整機(jī)的多譜段成像工作，而該部分通常是相機(jī)的單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)。因此，保證濾光機(jī)構(gòu)的在軌壽命和可靠性是關(guān)系相機(jī)任務(wù)成敗的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

Krause等設(shè)計(jì)的用于詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）的中波紅外通道的低溫濾光輪[7]和Weidlich等設(shè)計(jì)的近紅外通道低溫濾光輪[8]均為中心驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，雖然成功應(yīng)用于近紅外及中波紅外譜段，但濾光片口徑小，光路方向占用空間大，剛度要求高。

本文研制了一種基于大尺寸薄壁軸承的濾光輪機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了全面的功能、性能測試和環(huán)境試驗(yàn)，并結(jié)合在軌使用環(huán)境進(jìn)行了壽命試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 結(jié)構(gòu)組成

濾光輪機(jī)構(gòu)任務(wù)要求順序均布安裝相機(jī)可見光近紅外通道5個(gè)譜段的濾光片，對(duì)應(yīng)的譜段依次為 B1（0.45～0.90 μm）、B2（0.45～0.52 μm）、B3（ 0.52～ 0.60 μm） 、 B4（ 0.63～ 0.69 μm） 、B5（0.76～0.90 μm）。濾光片通光口徑為86 mm×86 mm，裝框后自重狀態(tài)面形精度要求RMS≤λ/300，軸向及徑向位移要求P-V值＜0.003 mm。機(jī)構(gòu)在光軸方向的最大外形尺寸要求≤65 mm，相鄰譜段之間切換時(shí)間要求≤5 s，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的濾光片角度偏差要求≤±30″，光軸定位精度要求優(yōu)于0.5 mm。為保證機(jī)構(gòu)在軌工作性能，電機(jī)力矩裕度需滿足靜態(tài)力矩裕度＞1。為保證發(fā)射時(shí)的力學(xué)環(huán)境要求，濾光輪的一階約束模態(tài)要求≥100 Hz。按照濾光輪的工作模式，機(jī)構(gòu)地面調(diào)試及在軌壽命要求滿足≥2.1×105的運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)。

考慮濾光片的通光口徑要求，以及提高支撐剛度，保證濾光片地面測試面形精度，本文提出了一種周邊支撐的濾光輪機(jī)構(gòu)方案，如圖1所示。該機(jī)構(gòu)由外支撐、轉(zhuǎn)盤、濾光片組件、大尺寸軸承、步進(jìn)電機(jī)、減速齒輪副、霍爾器件等組成。轉(zhuǎn)盤上均布5個(gè)濾光片，通過一對(duì)大尺寸薄壁角接觸球軸承支撐。步進(jìn)電機(jī)安裝在外支撐上，減速齒輪副傳動(dòng)比為10.5 : 1，主動(dòng)小齒輪與步進(jìn)電機(jī)軸連接，帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，使指定的濾光片切入光路成像。機(jī)構(gòu)的位置反饋選用霍爾傳感器，在大齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過程中霍爾器件和磁鋼在圓周方向上重合時(shí)，發(fā)出反饋信號(hào)，完成定位功能。

圖1 濾光輪結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Structure of the filter wheel

濾光輪機(jī)構(gòu)中，外支撐相當(dāng)于系統(tǒng)的定子；濾光片組件固定在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)盤相當(dāng)于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子；兩部分之間通過一對(duì)背對(duì)背安裝的大尺寸薄壁角接觸球軸承連接在一起；軸承滾珠進(jìn)行鍍MoS2固體潤滑膜處理，外支撐、外圈壓環(huán)共同作用固定軸承的外圈，轉(zhuǎn)盤、內(nèi)圈壓環(huán)共同作用固定軸承的內(nèi)圈，如圖2所示。單個(gè)大尺寸薄壁軸承的內(nèi)徑為355.6 mm，外徑為374.65 mm，厚度為9.525 mm，精度為P4級(jí)，接觸角為30°，基本徑向載荷為C0r=37 740 N、Cr=9 510 N，基本軸向載荷為C0a=108 900 N、Ca=27 430 N。

圖2 組件支撐結(jié)構(gòu)示意Fig. 2 Component of the structural support

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)剛度及鏡面變形分析

考慮到濾光輪機(jī)構(gòu)的質(zhì)量及剛度要求，外支撐、大齒輪及轉(zhuǎn)盤均采用高比剛度的鈦合金TC4制成。濾光片由K9玻璃制成，尺寸為93 mm×93 mm×12 mm，膠接裝入鈦合金鏡框內(nèi)；每個(gè)濾光片均通過3處均布的球形墊片安裝在轉(zhuǎn)盤上，以防止濾光片面形受到安裝應(yīng)力的影響。轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)盡量圓周對(duì)稱分布，使得轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)心與轉(zhuǎn)軸重合，以減少質(zhì)心偏移引起的附加力矩。同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)心位于大尺寸軸承的軸心，可減少機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)不平衡量，提高相機(jī)的穩(wěn)定性。經(jīng)力學(xué)分析，濾光輪機(jī)構(gòu)整體一階基頻為302.53 Hz，剛度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。濾光輪與振動(dòng)支架連接力學(xué)分析的前兩階模態(tài)振型見圖3。

應(yīng)用有限元分析軟件Ansys對(duì)濾光片鏡片進(jìn)行有限元分析，提取鏡面所有節(jié)點(diǎn)變形值代入MatLab軟件進(jìn)行面形擬合，并求得RMS值。擬合程序只提取光軸方向變形量進(jìn)行分析。軟件分析時(shí)，濾光片底部通過膠墊約束、側(cè)面通過注膠孔膠斑約束固定在托框上，按1 g自重載荷與濾光片平面垂直施加，即工作狀態(tài)時(shí)旋轉(zhuǎn)濾光片組件的方位。分析結(jié)果如圖4所示，其中正上方的鏡片即為工作鏡片，鏡片正面和背面的面形值均為RMS＜0.001λ。y軸的P-V值為0.002 3 mm，滿足軸向變形量小于0.003 mm的要求；x軸的P-V值為0.000 4 mm，z軸的P-V值為0.000 2 mm，滿足徑向變形量小于0.003 mm的要求。

圖3 濾光輪與振動(dòng)支架連接力學(xué)分析Fig. 3 Mechanical analysis of the filter wheel fixed on the vibration bracket

圖4 工作鏡片面形有限元分析Fig. 4 Surface shape of working filter in the finite element analysis

2.2 驅(qū)動(dòng)參數(shù)及自鎖分析

濾光輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選用J55BYG450步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，其額定輸出力矩T≥280 mN·m（啟動(dòng)頻率f=50 Hz），傳動(dòng)比i=10.5 : 1。根據(jù)模型計(jì)算，系統(tǒng)最大慣性力矩M1=51.84 mN·m，大尺寸軸承摩擦力矩M2要求≤3000 g·cm，折算到電機(jī)軸上為≤28 mN·m。考慮齒輪副傳動(dòng)效率η=0.9，電機(jī)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)裕度為

滿足力矩裕度＞1的要求。

發(fā)射階段，機(jī)構(gòu)不平衡量引起的偏心力矩T0≤200 g·cm，電機(jī)自身定位力矩為T1=42 mN·m，機(jī)構(gòu)承受的加速度≤25g，則系統(tǒng)自鎖力矩裕度為

表明電機(jī)的自身定位力矩能夠保證完成發(fā)射階段該組件的鎖定功能。

本機(jī)構(gòu)中5個(gè)濾光片圓周均布，單個(gè)濾光片切換角度θ1=72°，電機(jī)運(yùn)行頻率f2=100 Hz，步距角θ=18°，則切換時(shí)間為

滿足相鄰譜段切換時(shí)間＜5 s的要求。

2.3 機(jī)構(gòu)定位精度分析

本機(jī)構(gòu)中，濾光片光軸距轉(zhuǎn)軸R=112 mm，電機(jī)步距角θ=18°，機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比i=10.5 : 1，則濾光輪的光軸定位精度為

滿足機(jī)構(gòu)光軸定位精度優(yōu)于0.5 mm的要求。

濾光片在自重狀態(tài)下裝框后，產(chǎn)生的軸向位移、徑向位移和傾斜主要是由于軸承端跳和軸承游隙造成的。大尺寸軸承的端跳最大為0.01 mm，游隙選擇零游隙，其中設(shè)計(jì)保證游隙公差為±0.0025 mm，則濾光片軸向最大位移為δmax=0.0125 mm，此時(shí)軸承自身運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下不同濾光片之間由于端跳及游隙引起的光學(xué)面法線傾角為

滿足濾光片角度偏差≤±30″的要求。

同時(shí)，軸承自身運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下各濾光片由于游隙造成的光軸徑向位移為μm量級(jí)。因此，機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)行精度滿足要求。

3 性能測試

3.1 力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)

空間遙感相機(jī)在發(fā)射時(shí)需承受惡劣的沖擊、振動(dòng)等力學(xué)環(huán)境，因此，需要對(duì)濾光輪進(jìn)行充分的力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證組件的基頻及抗沖擊振動(dòng)能力。

力學(xué)環(huán)境模擬試驗(yàn)包括x、y、z共3個(gè)方向的正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程采用的坐標(biāo)系與衛(wèi)星坐標(biāo)系一致。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過對(duì)特征級(jí)正弦掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，濾光輪在x、y、z這 3個(gè)方向的一階頻率分別為 268.3、291.6、265.9 Hz，滿足一階基頻≥100 Hz的要求；振動(dòng)試驗(yàn)過程中，每個(gè)方向鑒定級(jí)試驗(yàn)前后特征級(jí)掃描曲線符合性較好，在x、y、z這3個(gè)方向的頻漂分別為1.4%、0.4%、0.9%，均＜2%，滿足試驗(yàn)大綱要求，表明試驗(yàn)過程中濾光輪的剛度沒有發(fā)生明顯變化，部組件結(jié)構(gòu)可靠；位置標(biāo)記顯示濾光輪轉(zhuǎn)盤在振動(dòng)前后未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，濾光輪的自鎖能力得到檢驗(yàn)；x向驗(yàn)收級(jí)隨機(jī)振動(dòng)測點(diǎn)2（大齒輪外緣）的x向響應(yīng)放大3.33倍；y向驗(yàn)收級(jí)隨機(jī)振動(dòng)測點(diǎn)2的y向響應(yīng)放大2.29倍；z向驗(yàn)收級(jí)隨機(jī)振動(dòng)測點(diǎn)1（轉(zhuǎn)盤中心）的z向響應(yīng)放大2.12倍，機(jī)構(gòu)頻率響應(yīng)正常，滿足試驗(yàn)要求。

表1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Random vibration data

3.2 力矩裕度測試

濾光輪機(jī)構(gòu)在振動(dòng)試驗(yàn)前后，按圖5所示放置，通過在齒輪齒緣懸掛砝碼的方式分別測量系統(tǒng)阻力矩及電機(jī)啟動(dòng)力矩，并計(jì)算驅(qū)動(dòng)力矩裕度，結(jié)果如表2所示。

圖5 濾光輪系統(tǒng)阻力矩測試Fig. 5 Resistance moment test of the filter wheel

表2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力矩裕度測試Table 2 Drive moment test of the filter wheel

測試結(jié)果表明，振動(dòng)試驗(yàn)前后濾光輪的驅(qū)動(dòng)力矩裕度均＞1，且變化很小，可滿足機(jī)構(gòu)地面調(diào)試及在軌正常運(yùn)轉(zhuǎn)的力矩要求。

3.3 壽命試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證濾光輪產(chǎn)品滿足地面調(diào)試及在軌工作2.1×105運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)的壽命要求，研制了同批次壽命試驗(yàn)件，進(jìn)行1 : 1真空壽命試驗(yàn)?？紤]安全因子，按照1套濾光輪累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)3.2×105轉(zhuǎn)完成了壽命試驗(yàn)驗(yàn)證。參試濾光輪在試驗(yàn)過程中工作正常，譜段切換順暢，定位精度滿足總體指標(biāo)需求。壽命試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)比了試驗(yàn)前后系統(tǒng)摩擦力矩的變化情況（見表3）。測試數(shù)據(jù)表明，在壽命末期，系統(tǒng)阻力矩有所增加，但電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩裕度仍＞1，可滿足設(shè)計(jì)要求，即濾光輪可滿足8年壽命要求。

表3 系統(tǒng)摩擦力矩壽命試驗(yàn)前后對(duì)比Table 3 Comparison of friction moment before and after the life test

壽命試驗(yàn)后，對(duì)大尺寸軸承進(jìn)行拆解，并測試了軸承在7 kg載荷下的摩擦力矩（見表4）。結(jié)果表明，試驗(yàn)后軸承摩擦力矩有所增大，但均未超過軸承研制的技術(shù)指標(biāo)要求，即平均值≤2500 g·cm，最大值≤3000 g·cm。

表4 軸承摩擦力矩測試Table 4 Friction moment of the bearing(g·cm)

對(duì)滾道及磨損面進(jìn)行顯微分析（見圖6），結(jié)果顯示軸承滾珠表面形貌完好。分別選取不同區(qū)域，采用EDS分析技術(shù)對(duì)滾珠表面成分進(jìn)行分析，從滾珠表面磨損狀況以及EDS分析結(jié)果（見圖7）可知，滾珠表面元素成分除Fe、Cr等本底成分外，其他元素均為潤滑膜及保持器所含元素成分，未發(fā)現(xiàn)有外界異常多余物進(jìn)入，滾珠表面轉(zhuǎn)移潤滑膜形成正常。且軸承套圈內(nèi)外滾道均未見異常磨損區(qū)域，兩套軸承保持器均未見異常磨損狀況。

圖6 軸承滾珠SEM照片F(xiàn)ig. 6 SEM photos of the bearing balls

圖7 軸承滾珠EDS分析圖譜Fig. 7 EDS analysis of the bearing balls

綜上可知，大尺寸軸承在經(jīng)過壽命試驗(yàn)后運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，未發(fā)現(xiàn)軸承因過度磨損而造成軸承失效的情況。

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)地球靜止軌道空間遙感器的多譜段成像，設(shè)計(jì)了基于大尺寸薄壁軸承的周邊支撐型濾光輪機(jī)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)的剛度、驅(qū)動(dòng)力矩裕度、壽命等性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1）濾光輪機(jī)構(gòu)基于大尺寸薄壁軸承實(shí)現(xiàn)周邊支撐，一階基頻可達(dá)265.9 Hz，滿足系統(tǒng)剛度要求。

2）系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力矩裕度在振動(dòng)試驗(yàn)前后均＞1，滿足地面調(diào)試及在軌運(yùn)轉(zhuǎn)的力矩要求。

3）濾光輪機(jī)構(gòu)的相鄰譜段切換時(shí)間＜5 s，滿足切換時(shí)間要求。

3）濾光輪的光軸定位精度優(yōu)于0.5 mm，傾斜角＜±30″，整體運(yùn)行精度滿足指標(biāo)要求。

4）濾光輪試驗(yàn)件完成了1.5倍在軌壽命運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)，且壽命試驗(yàn)過程中，機(jī)構(gòu)譜段切換正常，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩裕度＞1；通過對(duì)大尺寸軸承的拆解分析，確認(rèn)壽命試驗(yàn)后軸承磨損正常，未發(fā)生失效，表明機(jī)構(gòu)可以滿足在軌使用壽命要求。

綜上，本文研制的濾光輪機(jī)構(gòu)可用于空間遙感器的多譜段成像，并為其他基于大尺寸薄壁軸承的空間遙感器機(jī)構(gòu)的長壽命設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。