控制力矩陀螺隨形焊接裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

賀興隆，王玉琳

(合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 前言

控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope，CMG)是應(yīng)用在航天器上通過角動量交換產(chǎn)生控制力矩的慣性執(zhí)行部件，它是實現(xiàn)對航天器姿態(tài)控制的一個極其重要的裝置[1-2]。CMG主要由機架驅(qū)動-機座系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子-框架系統(tǒng)兩部分組成[3-4]。在轉(zhuǎn)子-框架系統(tǒng)中安裝有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與很多高精密的傳感器，組裝時需要對它進(jìn)行嚴(yán)格的封裝，最終讓CMG內(nèi)部保持真空狀態(tài)，以提高CMG的控制精度與使用壽命[5-6]。目前對于CMG殼體的封裝，大多采用手工釬焊工藝來完成，焊料多為Sn63A。采用釬焊的優(yōu)點在于焊錫熔點低、焊接溫升小，焊接過程不至于造成軸承處潤滑脂的熔化或損壞內(nèi)部高精密傳感器[7]。同時，采用焊錫釬焊的工藝也是考慮到CMG殼體拆解的需要，當(dāng)CMG在試驗過程出現(xiàn)問題時，需要將殼體打開，此時采用焊錫釬焊即可容易實現(xiàn)解焊[8]。但在實踐過程中，手工釬焊存在焊接效率低、焊縫表面質(zhì)量差、焊縫力學(xué)性能差、焊縫氣密性差[9]、焊接過程溫升高等嚴(yán)重問題。近年來，隨著我國航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，CMG的使用量快速增加，手工釬焊已經(jīng)不能滿足CMG的生產(chǎn)需要。因此，亟待研發(fā)一種高精度的、自動化的CMG專用隨形焊接裝置。

1 CMG隨形焊接裝置的結(jié)構(gòu)組成

圖1所示為CMG的外觀，其外殼和框架通過螺釘拼裝后，需要采用焊錫釬焊將鍍錫銅帶緊緊箍在接縫表面，要求保證焊縫的表面質(zhì)量、力學(xué)性能和氣密性；同時還要控制焊接過程殼體的溫度，以保證內(nèi)部零件不會被損壞。目前常用的CMG中，外殼和框架結(jié)合處接縫的形狀為圓形的較少，多為非圓形，如帶有圓弧的菱形等，因此手工焊接非常困難。

圖1 CMG的外觀

1.1 焊接裝置總體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，針對CMG非圓殼體的釬焊，所設(shè)計的隨形焊接裝置具有4個坐標(biāo)軸x、y、z、B，其中:x、y、z為移動坐標(biāo)軸，B為繞y軸的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸?？梢钥闯觯赫麄€裝置為一龍門架結(jié)構(gòu)，龍門架橫梁的左右移動方向定義為x軸方向。龍門架左右兩側(cè)各有一支架，在兩個支架的頂端分別設(shè)置一個可以前后移動的機構(gòu)，移動方向定義為y軸方向，y軸上的兩個移動機構(gòu)各受控于一臺伺服電機。在龍門架的橫梁上設(shè)置一個可以豎直移動的機構(gòu)，移動方向定義為z軸方向。焊絲輸送機構(gòu)和釬焊烙鐵等均固定在z軸移動機構(gòu)上。繞y軸的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向定義為B軸方向，伺服電機驅(qū)動一臥式安裝的回轉(zhuǎn)臺，待焊工件夾持在三爪卡盤上。

圖2 CMG隨形焊接裝置結(jié)構(gòu)簡圖

4個坐標(biāo)軸的運動機構(gòu)均安裝在工作平臺上。x、y、z3個移動機構(gòu)均由交流伺服電機拖動、滾珠絲杠副傳動，其中：z軸為豎直上下移動，z軸伺服電機需要加裝失電制動裝置；B軸的工件回轉(zhuǎn)由交流伺服電機帶動蝸輪蝸桿副減速實現(xiàn)。在焊接過程中，需要x、y、z、B軸的協(xié)同配合。

1.2 釬焊執(zhí)行機構(gòu)

如圖3所示，CMG殼體的釬焊執(zhí)行機構(gòu)主要由釬焊烙鐵12和焊絲送絲機構(gòu)5等組成。釬焊烙鐵為溫度可控的調(diào)溫烙鐵，烙鐵頭部裝有溫度傳感器2，與CMG隨形焊的控制裝置構(gòu)成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。釬焊烙鐵具有兩個自由度，一方面，固定在夾板10上的釬焊烙鐵12可以通過彈簧13沿其軸向產(chǎn)生移動；另一方面，釬焊烙鐵12可以通過可轉(zhuǎn)動支架15繞著軸銷9轉(zhuǎn)動。焊接過程中，釬焊烙鐵的頭部3與待焊工件表面不呈90°，而是傾斜約15°，依靠烙鐵、夾板和轉(zhuǎn)動支架等的重力搭在待焊工件表面，當(dāng)烙鐵頭遇到工件表面的凸起時可以順利通過而不至于損壞。焊接路徑由B軸的旋轉(zhuǎn)和z軸的上下移動耦合實現(xiàn)，可以根據(jù)CMG殼體的CAD圖紙進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得。自動焊接過程中尚需自動輸送焊料，圖3中焊絲6由步進(jìn)電機8通過送絲機構(gòu)5經(jīng)送絲管4和出絲槍1輸送到烙鐵頭附近，送絲速度由控制系統(tǒng)設(shè)定。

圖3 釬焊烙鐵及焊絲輸送機構(gòu)

2 CMG隨形焊接裝置的伺服傳動機構(gòu)設(shè)計

CMG隨形焊接裝置的伺服傳動機構(gòu)包括x、y、z3個移動軸和1個旋轉(zhuǎn)軸B，下面重點介紹B軸和y軸，其余類似。

2.1 B軸伺服電機選型計算

如圖2所示，B軸伺服電機通過蝸輪蝸桿減速后驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺，工作臺上固定有三爪卡盤，待焊工件通過工裝夾持在三爪卡盤上。蝸輪蝸桿傳動副具有減速比大、傳動平穩(wěn)、運動自鎖等優(yōu)點。B軸伺服電機所承受的負(fù)載主要為慣性負(fù)載，包括回轉(zhuǎn)盤的質(zhì)量、卡盤法蘭的質(zhì)量、卡盤的質(zhì)量、夾具的質(zhì)量以及工件的質(zhì)量等，累計質(zhì)量mB≈120 kg。待焊工件與工裝部分的平均回轉(zhuǎn)直徑DB≈320 mm，蝸輪蝸桿副的減速比iB=40。初選90SY-M02430型伺服電機，其轉(zhuǎn)子慣量JmB=3.7×10-4kg·m2。據(jù)此可求得折算到B軸伺服電機轉(zhuǎn)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量JeqB=(mB×DB2/8)/iB2+JmB=1.33×10-3kg·m2。

非焊接狀態(tài)下，工件要求的最高轉(zhuǎn)速n工=20 r/min，對應(yīng)B軸伺服電機的轉(zhuǎn)速nB=iB×n工=40×20 r/min =800 r/min。設(shè)B軸伺服電機由靜止加速至800 r/min所需時間tB=0.15 s，取傳動效率ηB=0.75，則可算出B軸伺服電機空載起動時，轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TB=(2π×JeqB×nB)/(60tBηB)=1.0 N·m。取安全系數(shù)KB=2.0，則應(yīng)有B軸伺服電機的理論額定轉(zhuǎn)矩TNB≥KB×TB=2.0 N·m。為此，可選臺灣韓宇公司的90SY-M02430型交流伺服電機(配套驅(qū)動器型號為SG-20A)，額定轉(zhuǎn)矩2.4 N·m、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、轉(zhuǎn)子慣量3.7×10-4kg·m2。

針對蝸輪蝸桿減速機構(gòu)，為使伺服電機具有良好的起動能力和較快的響應(yīng)速度，通常要求伺服電機的負(fù)載慣量與轉(zhuǎn)子慣量之比介于3～10之間[10]，可以算得JeqB/JmB=3.59，因此B軸電機滿足需求。

2.2 y軸滾珠絲杠選型計算

由圖2可以看出，左右兩側(cè)的y軸移動機構(gòu)與上面的x軸移動機構(gòu)形成龍門架結(jié)構(gòu)。y軸的兩個移動機構(gòu)分別受控于一臺伺服電機，兩臺伺服電機又受隨形焊控制系統(tǒng)的同步控制。兩側(cè)y軸所承受的負(fù)載主要為龍門架橫梁的慣性負(fù)載，橫梁上所有部件的總質(zhì)量my約為100 kg。y軸方向的直線運動由兩臺伺服電機分別直接驅(qū)動兩根滾珠絲杠實現(xiàn)，其螺母滑塊最快移動速度vmaxy=3 000 mm/min、加速時間ty=0.05 s、加速度ay=vmaxy/ty=1.0 m/s2。當(dāng)橫梁從靜止加速到3 000 mm/min的移動速度時，橫梁所產(chǎn)生的推力Fy=myay=100 N。設(shè)y軸的總體傳動效率ηy=0.75，y軸兩側(cè)導(dǎo)軌的顛覆力矩影響系數(shù)Ky=1.25，導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)μ=0.005，則y軸兩根滾珠絲杠共同承受的最大軸向力為FM=KyFy/ηy=166.7 N，求得y軸單根滾珠絲杠的最大工作載荷Fm=FM/2=83.4 N。

初選y軸滾珠絲杠導(dǎo)程Phy=5 mm，則絲杠最高轉(zhuǎn)速ny=vmaxy/Phy=600 r/min。y軸滾珠絲杠在工作時載荷較平穩(wěn)，取載荷系數(shù)fW=1.2，絲杠滾道硬度系數(shù)fH=1.0，絲杠壽命取T=15 000 h。根據(jù)文獻(xiàn)[11]可以算得y軸滾珠絲杠最大轉(zhuǎn)速時的最大動載荷FQ=[(60nyT)/106]1/3×fWfHFm= 815.1 N。為此，暫選G系列2505型滾珠絲杠，采用單推-單推的支承方式，該絲杠具有一定的預(yù)拉伸能力。由文獻(xiàn)[11]查得其額定動載荷為7 674 N，遠(yuǎn)大于上述計算的最大工作載荷Fm。該絲杠的公稱直徑d0y=25 mm，導(dǎo)程Phy=5 mm，螺旋升角λ=arctan(Phy/πd0y)=3.64°，摩擦角φ=10′，則該絲杠的傳動效率η=tanλ/tan(λ+φ)=95.60%。

參考文獻(xiàn)[11]可以求得y軸滾珠絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1=6.21 μm，滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2=4.18 μm，總變形量δ=δ1+δ2=10.39 μm，遠(yuǎn)小于y軸要求定位精度±0.05 mm的1/2，可見所選絲杠的剛度足夠。

2.3 y軸伺服電機選型計算

初選y軸伺服電機型號為60SY-M01930，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Jmy=5.3×10-5kg·m2。單個y軸螺母座上移動部件折算到y(tǒng)軸伺服電機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量Jy=3.2×10-5kg·m2，y軸滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=2.4×10-4kg·m2，聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量JL=1.2×10-5kg·m2。由此可算出單個y軸伺服電機轉(zhuǎn)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量Jeqy=Jmy+Jy+Js+JL=3.37×10-4kg·m2。

折算到y(tǒng)軸電機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tty=FmPhy/(2πηy)=0.09 N·m，則最大工作負(fù)載狀態(tài)下y軸電機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teqy2=Tty+Tfy+T0y=0.1 N·m。

經(jīng)過上述計算可知，加在y軸伺服電機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teqy=max{Teqy1，Teqy2}=0.575 N·m。取安全系數(shù)Ky=2.0，則應(yīng)有y軸伺服電機的理論額定轉(zhuǎn)矩TNy≥Ky×Teqy=1.15 N·m。為此，可選臺灣韓宇公司的60SY-M01930型交流伺服電機(配套驅(qū)動器型號為SG-15A)，額定轉(zhuǎn)矩1.91 N·m、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、轉(zhuǎn)子慣量Jmy=5.3×10-5kg·m2。

為使伺服電機具有良好的加速起動能力和更快的響應(yīng)速度，采用滾珠絲杠傳動時，一般要求伺服電機的負(fù)載慣量與轉(zhuǎn)子慣量之比處于2～10之間[10]，由上述計算可知，Jeqy/Jmy=6.36，因此所選電機滿足需求。

3 CMG隨形焊接裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計

如圖4所示，CMG隨形焊接裝置的控制系統(tǒng)基于ARM Cortex A72主處理器，在此之上運行Linux操作系統(tǒng)[12-13]，開發(fā)QT人機交互程序，嵌入G代碼解析器，以實現(xiàn)焊接過程相關(guān)位置、速度、時間和溫度等參數(shù)的錄入、控制和顯示。焊接過程所用到的相關(guān)參數(shù)和ISO數(shù)控代碼由鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器組成的人-機界面進(jìn)行錄入。A72主處理器通過USB接口將數(shù)據(jù)傳遞給STM32F103協(xié)處理器，STM32F103外擴MCX314A運動控制芯片[14-16]，控制4個坐標(biāo)的伺服驅(qū)動器，進(jìn)而控制4個坐標(biāo)對應(yīng)的交流伺服電機[17-18]，并根據(jù)需要對若干個坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)動控制。x、y、z3個移動軸的限位信號也是由MCX314A進(jìn)行采集。協(xié)處理器STM32F103還發(fā)送PWM信號給固態(tài)繼電器SSR控制釬焊烙鐵的加熱，烙鐵頭部的溫度通過Pt100傳感器進(jìn)行采集，經(jīng)A-D轉(zhuǎn)換器AD1674轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)據(jù)，并送給STM32F103處理器，從而形成溫度的閉環(huán)控制。

圖4 CMG隨形焊接裝置控制系統(tǒng)框圖

4 焊接與測試

基于上述機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，本文作者研發(fā)出的CMG隨形焊接裝置樣機如圖5所示。為驗證其可行性與實用性，針對某型號CMG的外殼與框架進(jìn)行焊接試驗，分別對10個CMG殼體進(jìn)行自動焊和手工焊，結(jié)果分別如圖6和圖7所示。表1所示為自動焊與手工焊的結(jié)果比較?？梢钥闯觯鹤詣雍冈诤附有省㈩A(yù)焊表面質(zhì)量、焊縫質(zhì)量、軸承處溫升、焊縫力學(xué)性能、焊縫氣密性等方面，均明顯優(yōu)于手工焊接。

圖5 CMG隨形焊樣機 圖6 自動焊效果 圖7 手工焊效果

表1 CMG殼體自動焊與手工焊的結(jié)果比較

5 結(jié)束語

控制力矩陀螺(CMG)是航天器上常用的姿態(tài)調(diào)整執(zhí)行器，當(dāng)眾多零部件在框架上安裝完畢后，需要通過釬焊工藝將兩側(cè)的殼體進(jìn)行封裝。鑒于國內(nèi)目前尚無CMG殼體專用釬焊設(shè)備，本文作者研發(fā)了一種隨形焊接裝置，可以適應(yīng)各種形狀CMG外殼與框架的拼焊。目前樣機已經(jīng)投產(chǎn)，批量焊接測試結(jié)果表明該裝置操作簡捷、生產(chǎn)效率高、焊接過程平穩(wěn)、焊接精度高、自動化程度高、焊縫的機械強度高、密封性好，且焊接過程殼體溫升小、內(nèi)部零件不會損壞、軸承的潤滑脂不會熔化改性，產(chǎn)品合格率將近100%。該裝置的研發(fā)填補了國內(nèi)CMG殼體釬焊封裝設(shè)備的空白，對我國航空航天事業(yè)的發(fā)展有積極意義。