星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱磊,司福祺,陳軍,劉鳳壘,趙敏杰,邱曉晗

(1合肥學(xué)院生物食品與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230601;2中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)

0 引 言

衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)具有全球覆蓋、多光譜、大信息量等特點(diǎn),能實(shí)時(shí)反映大范圍內(nèi)的大氣環(huán)境變化情況,是獲取環(huán)境信息的重要途徑之一[1]。大氣痕量氣體差分吸收光譜儀(EMI)通過天底推掃的工作方式探測(cè)地球大氣或地表反射、散射的紫外/可見光輻射,獲取光譜信息,定量反演二氧化硫、二氧化氮、臭氧等大氣痕量氣體的全球分布情況[2,3]。在EMI的研制過程中需要專用的測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)測(cè)試,常見的二維轉(zhuǎn)臺(tái)多為整體式,回轉(zhuǎn)框架為U型或O型結(jié)構(gòu),且僅能在底部安裝負(fù)載,無法滿足光譜儀兩個(gè)窗口的全視場(chǎng)測(cè)試需求。本文根據(jù)EMI光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)方式以及視場(chǎng)角、光譜分辨率、空間分辨率等技術(shù)要求,確定轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo),設(shè)計(jì)二維轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu),使用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行特征建模,并對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的電機(jī)、減速機(jī)、軸承等重要零部件進(jìn)行選型?；剞D(zhuǎn)框架作為轉(zhuǎn)臺(tái)的核心部件需要在不同的工況下承受載荷,為保證其剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性,利用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)仿真,分析結(jié)果驗(yàn)證了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 任務(wù)分析

光譜儀具有兩個(gè)方向的視場(chǎng)角,其中對(duì)地觀測(cè)窗口的視場(chǎng)角為114°,太陽窗口的視場(chǎng)角為14°,視場(chǎng)范圍如圖1所示。光譜儀的全視場(chǎng)測(cè)試需要測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)配合完成,根據(jù)光譜儀的測(cè)試方案,對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)提出以下幾點(diǎn)要求:1)進(jìn)行主視場(chǎng)測(cè)試時(shí),光譜儀水平放置,使狹縫與水平方向平齊后對(duì)準(zhǔn)定標(biāo)光源,在114°的主視場(chǎng)范圍內(nèi)水平轉(zhuǎn)動(dòng),入瞳處和水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸線在同一直線上,保證主視場(chǎng)被光源照亮[4]。2)太陽視場(chǎng)測(cè)試時(shí),相當(dāng)于模擬光譜儀在軌時(shí)與太陽的相對(duì)角度變化。此時(shí)光譜儀豎直放置,使太陽視場(chǎng)與定標(biāo)光源保持同一水平線,繞定標(biāo)光源完成14°范圍內(nèi)的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和水平方向10°～35°范圍內(nèi)的方位轉(zhuǎn)動(dòng);光譜儀在水平方向和豎直方向需交替轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)試,若要光源照亮整個(gè)太陽視場(chǎng)范圍,轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心應(yīng)與定標(biāo)光路的漫反射板中心重合。3)光譜儀安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上,進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、高重復(fù)性的轉(zhuǎn)動(dòng),承載光譜儀的框架結(jié)構(gòu)必須有足夠的剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性,同時(shí)安裝面的粗糙度也要考慮,避免對(duì)光譜儀造成磨損。

圖1 EMI視場(chǎng)Fig.1 Field of view for EMI

2 轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

基于光譜儀以上幾點(diǎn)需求,提出測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)指標(biāo),如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Design index of turntable

2.2 結(jié)構(gòu)組成

光譜儀質(zhì)量和體積較大,需要在水平方向和豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng),且轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要求視場(chǎng)范圍內(nèi)無遮擋物,因此轉(zhuǎn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)為開放式可分離型,由基座和臺(tái)體兩部分組成,實(shí)物如圖2所示。基座由鋁合金框架組成,用于承載臺(tái)體和電器柜,底部安裝萬向輪移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái),裝配地腳螺栓固定轉(zhuǎn)臺(tái),防止發(fā)生滑動(dòng)?；戏胶附与娖鞴?如圖3所示,柜體內(nèi)安裝轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的電子元器件和排線,柜體蓋板安裝顯示屏和按鈕分別用來顯示參數(shù)和操作轉(zhuǎn)臺(tái)。

圖3 電器柜Fig.3 Electrical cabinet

臺(tái)體部分由方位軸系和俯仰軸系組成,主要由方位座體、支撐框架、電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸、軸承、軸承座等組成。兩個(gè)軸系使用單獨(dú)的電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力矩,通過減速機(jī)降低轉(zhuǎn)速放大扭矩;減速機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器連接轉(zhuǎn)軸傳遞轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)水平方向±180°回轉(zhuǎn)和豎直方向±20°翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.3 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.3.1 軸系設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)軸系分為方位軸和俯仰軸,軸系剖視圖和俯視圖分別如圖4(a)、(b)所示。方位軸線與俯仰軸線設(shè)計(jì)正交,交叉點(diǎn)過光譜儀漫反射板中心,滿足太陽視場(chǎng)測(cè)試需求。俯仰軸左右軸承中心和方位旋轉(zhuǎn)平面不等高、俯仰軸承的跳動(dòng)等是軸系垂直度誤差的主要影響因素,可以通過提高軸系的結(jié)構(gòu)剛度和選擇精度較高的軸承來減小誤差[5]。常見的軸系設(shè)計(jì)一般選取一端固定、另外一端游動(dòng)的支承方案。在轉(zhuǎn)臺(tái)的軸系中,左右兩個(gè)耳軸的支承距離較短,采用兩端固定的方案,可以限制兩個(gè)耳軸的軸向運(yùn)動(dòng),提高軸系精度,軸系兩端的軸承支承分別承受一個(gè)方向的軸向力,這種軸系設(shè)計(jì)適用于工作溫度不高、支承跨距較小的軸系。

圖4 軸系剖視圖(a)和俯視圖(b)Fig.4 Sectional view(a)and top view(b)of shafting

方位軸系由底板、支撐柱、方位軸承組成;俯仰軸系由軸承座、兩對(duì)深溝球軸承以及回轉(zhuǎn)框架組成。方位底板、臺(tái)體底板、回轉(zhuǎn)框架為主要受力面,材料選取鋁合金6061,這種材料強(qiáng)度高,加工后不易變形,有良好的抗腐蝕性,常用于各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件。支撐柱是硬度和強(qiáng)度較高且不易變形的45號(hào)鋼加工的4 mm厚空心鋼柱。方位軸承采用交叉圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承,如圖5所示,該軸承由兩個(gè)座圈組成,主要用于大型回轉(zhuǎn)設(shè)備,旋轉(zhuǎn)精度高,能同時(shí)承受軸向力、傾覆力矩和較大的徑向力,減小軸向尺寸使結(jié)構(gòu)更加緊湊,具體參數(shù)如表2所示。俯仰軸承主要承受徑向力,在兩端分別使用一對(duì)61908-2Z型深溝球軸承,該軸承主要承受徑向力和較小的軸向力,摩擦阻力小,旋轉(zhuǎn)精度高,兩側(cè)的防塵蓋能有效阻止灰塵進(jìn)入軸承滾道,成對(duì)使用可以提高負(fù)載能力,軸承參數(shù)如表3所示[6]。左右兩端的俯仰軸承使用緊固螺母進(jìn)行定位預(yù)緊,以消除游隙減小晃動(dòng),并提高軸系的剛度以及軸承的旋轉(zhuǎn)精度。

表2 交叉圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承參數(shù)Table 2 Parameters of cross cylindrical roller rotor bearing

表3 2020深溝球軸承參數(shù)Table 3 Deep groove ball bearing parameters

圖5 交叉圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承Fig.5 Cross cylindrical roller rotor bearing

2.3.2 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

二維轉(zhuǎn)臺(tái)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)需提供足夠的驅(qū)動(dòng)力矩。轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算公式為M=Jε,在軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算得到俯仰軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=30.36 kg·m2,所需最大驅(qū)動(dòng)力矩M=Jε=63.76 N·m,其中角加速度ε =2.1 rad·s?2;方位軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=67.90 kg·m2,所需的最大驅(qū)動(dòng)力矩M=Jε=142.59 N·m,角加速度ε=2.1 rad·s?2。為確保轉(zhuǎn)臺(tái)能夠進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的平穩(wěn)低速轉(zhuǎn)動(dòng),采用永磁同步電機(jī)搭配行星減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案。永磁同步電機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、啟動(dòng)時(shí)間較短、控制方便、轉(zhuǎn)速恒定、運(yùn)行平穩(wěn)可靠的特點(diǎn)。行星減速機(jī)能夠在降低轉(zhuǎn)速和負(fù)載慣量的同時(shí)提高扭矩,保證轉(zhuǎn)臺(tái)保持低速平穩(wěn)運(yùn)行。為便于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),在滿足使用要求的情況下,俯仰軸和方位軸選取同型號(hào)的西門子永磁同步電機(jī),具體參數(shù)如表4所示。電機(jī)左側(cè)配置20位絕對(duì)值編碼器,分辨率為360°/220=1.2′′,滿足36′′定位精度指標(biāo)。兩個(gè)軸系采用定制二級(jí)行星減速機(jī),參數(shù)如表5所示。

表4 電機(jī)參數(shù)Table 4 Parameter of electric machine

表5 行星減速機(jī)參數(shù)Table 5 Parameters of planetary reducer

3 回轉(zhuǎn)框架設(shè)計(jì)及有限元分析

3.1 框架設(shè)計(jì)

常見的回轉(zhuǎn)框架多為U型或O型結(jié)構(gòu),O型結(jié)構(gòu)安裝過程較為復(fù)雜,使用不便;U型結(jié)構(gòu)屬于半開放式,易于安裝,但是僅能夠在底部安裝負(fù)載,無法滿足光譜儀全視場(chǎng)測(cè)試的需求。合理的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在保證剛度的同時(shí)減輕框架質(zhì)量,降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。設(shè)計(jì)框架時(shí)在U型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加背板及工裝,使框架能夠豎直和水平安裝負(fù)載?？蚣苡傻装濉⒈嘲搴蛢蓧K側(cè)板使用螺釘連接組成,安裝面的的粗糙度通過加工工藝保證?？蚣艿装鍨樘镒中?兩側(cè)板U型中空,背板后布置兩塊加強(qiáng)筋板,提高框架的剛度。圖6(a)為太陽視場(chǎng)測(cè)試時(shí)光譜儀豎直安裝圖,圖6(b)為主視場(chǎng)測(cè)試時(shí)光譜儀水平安裝圖,由于光譜儀漫反射板中心和入瞳處有間隔,設(shè)計(jì)工字型墊板[如圖6(c)所示]連接在框架和光譜儀之間,保證主視場(chǎng)測(cè)試時(shí)水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸線過入瞳處。回轉(zhuǎn)框架用于安裝載荷,需有良好的靜態(tài)特性,為此使用有限元分析軟件模擬框架受力情況進(jìn)行靜力學(xué)分析,驗(yàn)證框架設(shè)計(jì)的合理性。

圖6 EMI豎直安裝(a)、水平安裝(b)以及工字型墊板(c)Fig.6 Photograph of EMI vertical installation(a),horizontal installation(b)and H-shape backing plate(c)

3.2 有限元分析

有限元分析的流程為:建立模型、選擇分析類型、設(shè)置材料、單元網(wǎng)格劃分、施加邊界條件、模型離散化求解、結(jié)果處理。

建立有限元模型時(shí)需要對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,去除一些對(duì)結(jié)果影響較小的倒角和安裝孔,這些細(xì)微結(jié)構(gòu)會(huì)降低網(wǎng)格劃分質(zhì)量,影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。使用三維軟件對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后,導(dǎo)入有限元軟件?？蚣懿牧线x擇鋁合金6061,其主要力學(xué)參數(shù)見表6,實(shí)體單元選擇Solid187為10個(gè)節(jié)點(diǎn)的四面體單元,網(wǎng)格劃分后有限元模型單元網(wǎng)格總數(shù)為98882,節(jié)點(diǎn)數(shù)為179795。把載荷等效為重80 kg的遠(yuǎn)程質(zhì)量點(diǎn),施加重力載荷,添加約束條件后進(jìn)行求解[7]。

表6 鋁合金材料參數(shù)Table 6 Parameters of aluminum alloy material

靜力分析方程可以等效為

或

式中:ζet是應(yīng)力引起的應(yīng)變,B是節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)變,ζh是熱應(yīng)變矢量,σ是應(yīng)力矢量,D是彈性矩陣。求解有限元方程(3)、(4)可以求出單位各節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。

3.3 靜力學(xué)分析結(jié)果

框架的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖7所示,由應(yīng)力和位移云圖可知,載荷豎立安裝時(shí),框架的最大應(yīng)力為6.62 mpa,最大變形為0.035 mm;載荷水平安裝時(shí),框架最大應(yīng)力為20.67 mpa,最大變形量為0.27 mm。對(duì)于框架整體來說位移量變化不大,鋁合金的屈服應(yīng)力為205 mpa,安全系數(shù)可以達(dá)到十倍,所以框架設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度需求。

圖7 回轉(zhuǎn)框架靜力學(xué)分析結(jié)果。(a)EMI豎直安裝應(yīng)力結(jié)果;(b)EMI豎直安裝位移結(jié)果;(c)EMI水平安裝應(yīng)力結(jié)果;(d)EMI水平安裝位移結(jié)果Fig.7 Static analysis results of rotary frame.(a)Stress results of EMI vertical installation,(b)displacement results of EMI vertical installation,(c)stress results of EMI horizontal mounting,(d)displacement results EMI horizontal mounting

4 結(jié) 論

根據(jù)光譜儀的測(cè)試需求,確定轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo),進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了兩種回轉(zhuǎn)框架的負(fù)載安裝方式,為其他轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了思路。通過對(duì)回轉(zhuǎn)框架的仿真分析,確定框架的安全系數(shù)可達(dá)十倍,驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。方位軸系±180°和俯仰軸系±20°的回轉(zhuǎn)范圍保證主視場(chǎng)和定標(biāo)視場(chǎng)的視場(chǎng)需求。搭建檢測(cè)裝置,經(jīng)過測(cè)量和計(jì)算得出轉(zhuǎn)臺(tái)的定位精度優(yōu)于±10′′,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和使用需求,也為光譜儀的測(cè)試提供了保證。