空間高精度長壽命諧波減速應(yīng)用技術(shù)研究

曹倩 李明 徐彭梅

（北京空間機電研究所，北京 100190）

空間高精度長壽命諧波減速應(yīng)用技術(shù)研究

曹倩 李明 徐彭梅

（北京空間機電研究所，北京 100190）

面對日益增長的空間高精度長壽命機構(gòu)的應(yīng)用需求，文章以空間諧波傳動為研究對象，首先介紹了諧波減速器在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了諧波齒輪的失效模式和影響壽命的因素，分析了不同載荷、不同工作模式對諧波齒輪精度和壽命的影響，并設(shè)計了不同工況的壽命試驗進(jìn)行驗證。基于研究和驗證試驗結(jié)果，給出了空間高精度長壽命諧波減速器應(yīng)用時的關(guān)鍵控制指標(biāo)。最后，通過一高精度諧波指向機構(gòu)，進(jìn)行了往復(fù)間歇運動壽命試驗，驗證了諧波減速器可滿足 3.6×106次往復(fù)間歇運動的長壽命使用要求，同時可保證機構(gòu)指向精度達(dá)30″。文章對諧波減速器在空間其它領(lǐng)域應(yīng)用提供了借鑒。

指向機構(gòu) 諧波減速 高精度 長壽命 航天遙感

0 引言

隨著航天遙感技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷提高，對遙感器性能指標(biāo)要求也越來越高，同時航天產(chǎn)品的輕質(zhì)量、緊湊、低耗、精密的設(shè)計要求也越來越嚴(yán)苛?？臻g指向機構(gòu)[1-3]是使空間遙感器獲得大范圍觀測或跟蹤能力的有效途徑，因此成為很多現(xiàn)代航天器系統(tǒng)的重要組成部分。本文針對航天器中的跟蹤、指向機構(gòu)，研究空間高精度長壽命諧波減速應(yīng)用技術(shù)。

在國外諧波減速器早已廣泛應(yīng)用于航天產(chǎn)品，技術(shù)相對成熟。目前，美國、日本、德國等航天工業(yè)強國均有專門從事空間諧波生產(chǎn)和研究的研究所及公司。最為著名的是日本的Harmonic Drive（HD）公司，設(shè)有專門研制空間諧波減速器的部門，開發(fā)出了系列化的航天用諧波減速器。

美國、英國、法國、德國、日本等國家在20世紀(jì)90年代就開展了空間諧波傳動的設(shè)計和應(yīng)用研究。文獻(xiàn)[4-6]介紹了美國“先驅(qū)者10/11號”及歐空局發(fā)射的空間飛行器中，諧波減速器在空間太陽翼展開機構(gòu)、天線指向機構(gòu)和空間機器人操作臂等空間機構(gòu)的驅(qū)動及傳動系統(tǒng)上充當(dāng)了關(guān)鍵的活動部件；文獻(xiàn)[6-7]介紹了在日本“試驗”衛(wèi)星系列、地球觀測衛(wèi)星及數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星等，諧波減速器在天線驅(qū)動機構(gòu)、定位指向機構(gòu)、掃描機構(gòu)等空間機構(gòu)上的應(yīng)用情況。因此，歐美及日本在諧波減速器的設(shè)計、制造、使用及空間潤滑等方面已積累了豐富的經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)。

中國中技克美公司自 1994年開始為“神舟號”系列飛船太陽能帆板驅(qū)動機構(gòu)研制先進(jìn)的自潤滑諧波傳動減速器。之后的“天鏈一號”衛(wèi)星、“風(fēng)云三號”衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星等也應(yīng)用了諧波減速技術(shù)?！版隙鹑枴鄙系摹坝裢锰枴痹虑蜍囮P(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件也采用了諧波減速組件產(chǎn)品，在后續(xù)的中國探月任務(wù)“嫦娥四號”和“嫦娥五號”中計劃繼續(xù)延用諧波減速技術(shù)。由于中國對諧波減速的研究起步較晚，諧波齒輪研制基礎(chǔ)薄弱，技術(shù)積累和在軌應(yīng)用經(jīng)驗均有限，其研制技術(shù)水平落后于HD公司[7-9]。

相對于地面環(huán)境，通常情況下應(yīng)用于空間的諧波減速器的負(fù)載較低、轉(zhuǎn)速較慢，因此一般不易發(fā)生疲勞損壞。然而，空間環(huán)境的高真空、微重力、強輻射、溫度交變、不可維修等特殊性，均對諧波減速器的潤滑技術(shù)提出了更高的要求。由于真空環(huán)境下潤滑油的揮發(fā)、爬移、污染等問題，空間活動部件難以簡單的按照地面產(chǎn)品的形式進(jìn)行油潤滑；一般空間活動部件采用固體潤滑或脂潤滑方式[10]。而對于諧波減速器，由于其傳動形式的特殊性和應(yīng)用工況的多樣性，潤滑方式合適與否是空間諧波產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵，諧波潤滑技術(shù)也因此成為近年來國內(nèi)外研究的重點和難點。由于我國空間諧波減速器應(yīng)用經(jīng)驗累積不足，無足夠的應(yīng)用案例支撐論證，因此無論選擇哪種潤滑方式，均需進(jìn)行全面的、嚴(yán)格的試驗以驗證其壽命和性能的可靠性。

1 諧波減速器失效模式

諧波減速器由柔輪、剛輪和波發(fā)生器組成，其中波發(fā)生器由柔性軸承和凸輪組成；工作時，波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生彈性變形，諧波剛輪、柔輪間的嚙合齒輪利用此變形實現(xiàn)傳動；諧波傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、體積小、單級傳動比大、傳動精度高、嚙合齒對數(shù)多、承載能力大和回差小等優(yōu)點。然而，諧波傳動過程中，柔輪在載荷作用下產(chǎn)生周期性變形，載荷沿圓周呈非均勻分布，與柔輪中性線不相切，柔輪發(fā)生周向扭轉(zhuǎn)變形的同時，還產(chǎn)生一定的徑向變形。在上述復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，柔輪易發(fā)生疲勞和磨損，最終導(dǎo)致諧波傳動失效[11]。

在空間應(yīng)用中，通常情況下諧波減速器轉(zhuǎn)速慢、負(fù)載小，即一般諧波承載裕度較大，因此諧波不易發(fā)生疲勞，其主要的失效形式為柔輪磨損，表現(xiàn)形式為剛度系數(shù)下降、傳動精度下降或傳動效率下降。諧波的潤滑狀態(tài)直接影響其磨損程度。柔輪內(nèi)壁與柔性軸承外圈、柔輪外齒與剛輪內(nèi)齒兩處接觸區(qū)域，當(dāng)潤滑狀態(tài)良好時，接觸面之間的潤滑狀態(tài)為流體動潤滑，此時固體界面不發(fā)生直接接觸，摩擦阻力較小，接觸面之間也不易發(fā)生磨損。當(dāng)工作條件惡化時，零件表面的微凸體發(fā)生接觸，即接觸面間的潤滑狀態(tài)為混合潤滑或邊界潤滑，此時柔輪內(nèi)壁與柔性軸承外圈間的摩擦阻力增加并產(chǎn)生磨損。磨損先期，接觸部位的磨損會擴大齒側(cè)的間隙，進(jìn)而影響諧波減速器的傳動精度以及其剛度特性；進(jìn)一步磨損將使接觸副間的摩擦阻力增加，影響諧波減速器的傳動效率[12]。

2 諧波潤滑及壽命驗證

本文以某型號為支撐，研究諧波減速器的壽命及可靠性，以諧波減速器CPL-14-50為研究對象，其額定輸入轉(zhuǎn)速為2 000r/min，額定輸出力矩為5.4N·m。根據(jù)使用需求設(shè)計了不同的負(fù)載、不同的運動工況，通過壽命試驗，研究和驗證諧波減速器的壽命和可靠性。并分析諧波減速器的潤滑狀態(tài)，拆解長期運轉(zhuǎn)后的諧波減速器觀察表面性狀，得到影響諧波減速器壽命和可靠性的敏感因素。

2.1 諧波減速器潤滑方案

目前，空間諧波減速器種主要有MoS2固體潤滑、油脂潤滑和固脂混合潤滑三種[13]。

用純 MoS2固體潤滑時，諧波減速器壽命主要取決于輸出力矩。在輸出力矩較小的情況下（如實際負(fù)載力矩小于諧波減速器額定負(fù)載的30%），傳動齒面接觸應(yīng)力較小，諧波齒輪能夠在較長時間內(nèi)保持較好的性能；然而在較大輸出力矩的情況下（如實際工況力矩接近或超過其額定負(fù)載值的40%～50%），傳動齒面接觸應(yīng)力較大，齒面的MoS2鍍層長期處于間隙性的擠壓應(yīng)力下，此應(yīng)力將使MoS2鍍層較快的磨損甚至脫落。MoS2鍍層的磨損或脫落都將導(dǎo)致諧波減速器因潤滑失效而產(chǎn)生致命的損傷，無法滿足長壽命使用要求。

在歐洲的宇航項目，諧波減速器一般采用油脂潤滑。當(dāng)諧波減速器負(fù)載力矩超過額定負(fù)載的50%甚至更高時，有效的油脂潤滑仍能夠滿足較長的諧波壽命使用要求。然而油脂潤滑方式需解決油脂爬移問題，同時由于油脂的揮發(fā)性，一方面可能污染光學(xué)元件，另一方面油脂長期持續(xù)揮發(fā)，如不能及時補給將導(dǎo)致油脂缺失造成潤滑失效。

從可靠性角度出發(fā)，本文采用固脂混合潤滑。具體的潤滑方案為：傳動副表面和柔性軸承濺射MoS2固體潤滑層，膜厚約1μm；同時涂PFPE基潤滑脂，潤滑面包括剛輪齒面、柔輪齒面、柔輪內(nèi)壁和柔性軸承配合面、柔性軸承內(nèi)外溝道。參考以往的空間應(yīng)用經(jīng)驗和壽命計算，諧波實際工況力矩接近額定值的40%～50%時，有效的油脂潤滑能夠滿足諧波壽命要求；同時固體潤滑可作為補充潤滑，MoS2固體潤滑與PFPE基潤滑脂有良好的相容性。

2.2 諧波減速器疲勞壽命計算

當(dāng)諧波減速器平均輸出力矩、平均輸入轉(zhuǎn)速、最大輸入轉(zhuǎn)速、輸出端最大瞬時峰值力矩、最大重復(fù)峰值力矩均小于諧波減速器額定值時，諧波減速器的疲勞壽命為

式中 L為疲勞壽命；Ln為額定疲勞壽命；nin_rated為額定輸入轉(zhuǎn)速；nin_av為實際平均輸入轉(zhuǎn)速；TN為額定輸出力矩；Tout_av為實際平均輸出力矩。

根據(jù)CPL-14-50諧波減速器技術(shù)參數(shù)表，nin_rated=2 000r/min，TN=5.4N·m，Ln=35 000h。

則當(dāng)Tout_av=6.0N·m、nin_av=450 r/min時，由式（1）計算得諧波減速器的疲勞壽命理論值為1.13×105h，即3.06×109轉(zhuǎn)。

當(dāng)Tout_av=3.5N·m、nin_av=450r/min時，由式（1）計算得諧波減速器的疲勞壽命理論值為5.71×105h，即1.54×1010轉(zhuǎn)。

由上述理論計算可知，諧波減速器在理想潤滑狀態(tài)下，輕載的工況運行時，其疲勞壽命可達(dá)1010量級，即使略超出產(chǎn)品的額定負(fù)載時，其疲勞壽命仍可達(dá)109量級。

2.3 壽命試驗情況

2.3.1 壽命試驗1

圖1給出了諧波減速器壽命試驗1的裝置及其測試模塊的組成。諧波減速器壽命試驗件安裝在中間的L形支架上，負(fù)載由輸出端電磁制動器施加；同時諧波減速器的輸入、輸出端均配有力矩傳感器，可實時監(jiān)測諧波減速器的受力狀態(tài)；壽命試驗的累計次數(shù)可通過安裝于試驗軸系的圈數(shù)計數(shù)器讀取。

壽命試驗1的工況設(shè)計如表1所示。本次壽命試驗工況將諧波減速器的輸出扭矩設(shè)置為3.5N·m，約為該諧波減速器額定負(fù)載（5.4N·m）的60%，試驗的目的是為驗證當(dāng)諧波減速器工作于較低負(fù)荷狀態(tài)下的壽命情況，分析諧波負(fù)載對諧波減速器的壽命影響。

表1 壽命試驗1工況Tab.1 Working conditions of life test 1

此次壽命試驗共完成轉(zhuǎn)數(shù)1.56×106正轉(zhuǎn)及1.56×106反轉(zhuǎn)，累計壽命次數(shù)超過3.0×106。

諧波減速器的傳動效率可直接反映其健康狀況。試驗過程中監(jiān)測傳動效率，當(dāng)其發(fā)生較大變化時，一般可以認(rèn)為諧波齒輪已磨損，傳動時嚙合齒間距已與出廠時發(fā)生偏離。圖2給出了壽命試驗1過程中諧波組件傳動效率的測試情況。效率曲線顯示，整個使用過程中，諧波組件傳動效率在 60%～70%間浮動，未發(fā)生明顯變化。

試驗后拆解諧波組件并清洗，然后用顯微鏡觀察其接觸表明狀態(tài)，圖3給出了壽命試驗1結(jié)束后諧波齒輪齒面的外觀狀況。圖3（a）為柔輪內(nèi)徑外觀狀況，圖3（b）為柔性軸承外徑外觀狀況，圖3（c）為柔性軸承滾珠外觀狀況，圖3（d）為剛輪齒面的外觀狀態(tài)，圖3（e）為柔輪齒面的外觀狀態(tài)。由圖3可以看出諧波組件各部件狀態(tài)良好，柔輪內(nèi)徑、柔性軸承外徑、剛輪齒面和柔輪齒面等接觸部位均有且只有一些正常運行的痕跡，無磨損跡象。

2.3.2 壽命試驗2

航天遙感器在軌飛行工作過程中，通常需要指向鏡在一定的角度范圍內(nèi)有規(guī)律的往復(fù)擺動，實現(xiàn)對天底目標(biāo)進(jìn)行穿軌方向的指向功能，以保證儀器監(jiān)測時獲得大范圍的監(jiān)測目標(biāo)[14-15]。本文針對此需要，設(shè)計了一種基于諧波減速器的指向機構(gòu)，如圖4所示，該機構(gòu)由步進(jìn)電機通過諧波減速后輸出扭矩實現(xiàn)驅(qū)動。對此機構(gòu)進(jìn)行了壽命試驗 2，通過試驗考察諧波減速器在間歇往復(fù)工作模式下的壽命可靠性。壽命試驗 2的工況設(shè)計如表2所示。

此次壽命試驗共完成轉(zhuǎn)數(shù)1.8×106正轉(zhuǎn)及1.8×106反轉(zhuǎn)，累計壽命次數(shù)超過3.6×106。試驗工況設(shè)計為機構(gòu)在±35°角度范圍內(nèi)往復(fù)間歇運動，程控諧波輸出端（低速軸）在-35°～ +35°的過程中啟停7次，并在兩端極限位置處反向，平均轉(zhuǎn)速約450r/min。軸系工作過程中的每一次啟停均為加速→勻速→減速→停止的過程。對于諧波減速器輸出端（低速端），加速時負(fù)載扭矩最大值為+3.5N·m，然后逐漸減小；勻速時輸出端負(fù)載扭矩約為0；減速時輸出端負(fù)載扭矩約為-1.4N·m。即諧波減速器工作模式為間歇往復(fù)運動，試驗期間諧波嚙合齒間處于持續(xù)交變應(yīng)力下，且其最大受力（3.5N·m）約為額定負(fù)載（5.4N·m）的60%。

環(huán)境溫度/℃相對濕度/ %輸出轉(zhuǎn)矩/（N · m）輸入轉(zhuǎn)速/（r / m i n）輸出端（低速端）轉(zhuǎn)數(shù)常溫常壓2 0 ± 3≤6 0交變應(yīng)力間歇往復(fù)運動順時針1 . 8 × 1 06最大值3 . 5均值4 5 0逆時針1 . 8 × 1 06

該壽命試驗共歷時9個月，壽命試驗前后，分別測試了諧波指向機構(gòu)的功能和指向精度。諧波指向機構(gòu)產(chǎn)品性能穩(wěn)定的基本標(biāo)志是在整個壽命試驗過程中機構(gòu)的功能正常，且指向精度穩(wěn)定，沒有持續(xù)惡化趨勢。測試數(shù)據(jù)比對如表3所示。由表中數(shù)據(jù)可知，諧波指向機構(gòu)在經(jīng)歷3.6×106次壽命試驗后，機構(gòu)功能正常，指向精度無明顯變化。（表3中顯示的指向精度的小幅變化包含測量誤差因素）

表3 壽命試驗2前后指向精度測試記錄表Tab.3 The test for pointing accuracy before and after life testing 2表2 壽命試驗2工況Tab.2 Working conditions of life test 2

諧波啟動力矩的變化可直接反映諧波減速器的健康狀態(tài)，壽命試驗每進(jìn)行 8.0×105次測試一次諧波啟動力矩，表4給出各階段的測試數(shù)據(jù)比對。由表4數(shù)據(jù)可知，諧波指向機構(gòu)在壽命試驗前期，諧波啟動力矩略有變化，當(dāng)壽命試驗進(jìn)行至中后期，諧波啟動力矩基本穩(wěn)定。

表4 壽命試驗2測試數(shù)據(jù)記錄表Tab.4 The test data record for life testing 2

由上述壽命試驗前后對機構(gòu)性能的測試及壽命試驗中對諧波啟動力矩的測試數(shù)據(jù)比對可知，該諧波指向機構(gòu)壽命試驗過程中產(chǎn)品各項功能和性能均未出現(xiàn)惡化趨勢或異?，F(xiàn)象，諧波啟動力矩保持穩(wěn)定、沒有發(fā)生明顯變化。由此認(rèn)為該諧波指向機構(gòu)通過了3.6×106次壽命試驗考核。

2.4 本章小結(jié)

從理論角度分析諧波減速器在輕載的工況運行時，其疲勞壽命可達(dá)1010量級，即使略超出產(chǎn)品的額定負(fù)載時，其疲勞壽命仍可達(dá)109量級。但由于空間環(huán)境及空間載荷的特殊性，導(dǎo)致空間諧波機構(gòu)無法實現(xiàn)理想潤滑狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致諧波機構(gòu)產(chǎn)品的長壽命指標(biāo)成為設(shè)計時的難點。

本章通過2種具有代表性工況的壽命試驗，分析和驗證了諧波減速器在不同負(fù)載和不同工作模式時的壽命可靠性。由試驗和測試結(jié)果可知，采用空間固脂混合潤滑方式時，當(dāng)諧波減速器工作于額定負(fù)載的60%范圍內(nèi)，且工作模式為平穩(wěn)無沖擊、整周旋轉(zhuǎn)無頻繁啟停換向時，其壽命可達(dá) 3×106；當(dāng)諧波減速器工作模式為間歇往復(fù)運動時，諧波嚙合齒間長期處于交變應(yīng)力下，當(dāng)其瞬時最大受力小于額定負(fù)載的60%時，諧波減速器壽命可達(dá)3.6×106。

4 結(jié)束語

本文針對空間遙感技術(shù)應(yīng)用，分析了諧波減速器的失效模式及其壽命敏感因素，并通過試驗驗證得出了諧波減速器壽命與負(fù)載及工作模式的相關(guān)性。本文的分析和驗證適用于空間高精度諧波機構(gòu)。同時基于上述理論和試驗，通過一高精度諧波指向機構(gòu)，進(jìn)行了往復(fù)間歇運動壽命試驗，驗證了諧波減速器可滿足3.6×106往復(fù)間歇運動的長壽命使用要求，且保證機構(gòu)指向精度達(dá)30″。

References)

[1]孫京, 馬興瑞, 于登云. 星載天線雙軸定位機構(gòu)指向精度分析[J]. 宇航學(xué)報, 2007, 28(3)： 30-34. SUN Jing, MA Xingrui, YU Dengyun. Pointing Accuracy Analyses of a Satellitic Two-axes Antenna Pointing Mechanism[J]. Journal of Astronautics, 2007, 28(3)： 30-34. (in Chinese)

[2]徐廣德, 武江凱, 茍仲秋, 等. 國外航天器高精度高穩(wěn)定度高敏捷指向技術(shù)綜述[J]. 航天器工程, 2017, 26(1)： 22-25. XU Guangde, WU Jiangkai, GOU Zhongqiu, et al. High Accuracy High Stability and High Agility Pointing Technology of Spacecraft[J]. Spacecraft Engineering, 2017, 26(1)： 22-25. (in Chinese)

[3]從強, 羅敏, 李偉杰. 空間機構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢及展望[J]. 載人航天, 2016, 22(1)： 31-15. CONG Qiang, LUO Min, LI Weijie. Development Trends and Prospects of Space Mechanism[J]. Manned Spaceflight, 2016, 22(1)： 31-15. (in Chinese)

[4]ANDERSON W, MARTIN C, KELLY L, et al. DLR’s Dynamic Actuator Modules for Robotic Space Application[C]// Proceeding of the 41th Aerospace Mechanisms Symposium, May 16-18, 2012, California, USA. Washington： NASA, c2012：223-237.

[5]BROWN J, HILL A, TURNER A. Advancing Safe Human-robot Interactions with Robot 2[C]//Proceeding of the 12th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space, June 17-19, 2014, Montreal, Canada. Montreal： Canadian Space Agency, c2014： 1-6.

[6]豐飛, 王煒, 唐麗娜, 等. 空間高精度諧波減速器的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢[C]//2014中國國際齒輪產(chǎn)業(yè)大會. 上海： 中國機械工程學(xué)會, 2014. FENG Fei, WANG Wei, TANG Lina, et al. Application and Development Trends of the Space Harmonic Reducer with High Precision[C]//China International Gear Industry Conference. Shanghai： China Mechanical Engineering Society, 2014. (in Chinese)

[7]Harmonic Driver Systems Inc[EB/OL]. Harmonic Driver Systems Inc, 2014[2014-09-23]. http：//www.hds.co.jp/chinese/ products/lineup/specialproduct/05sp01_shf_2a_sp.

[8]周暉, 溫慶平, 張偉文. 諧波減速器在空間飛行器中的應(yīng)用[J]. 真空與低溫, 2004, 10(4)： 187-192.ZHOU Hui, WEN Qingping, ZHANG Weiwen. Harmonic Drive Used in Spacecraft[J]. Vacuumand Cryogenics, 2004, 10(4)：187-192. (in Chinese)

[9]劉繼奎, 于國慶, 崔赪旻, 等. 基于諧波傳動的星間鏈路天線驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計研究[J]. 空間控制技術(shù)與應(yīng)用, 2012, 38(4)：57-62. LIU Jikui, YU Guoqing, CUI Chengmin, et al. Design of Harmonic Drive-based Gimbal Drive Assembly for ILA[J]. Aerospace Control and Application, 2012, 38(4)： 57-62. (in Chinese)

[10]周暉, 孫京, 溫慶平, 等. 諧波減速器空間潤滑及性能研究[J]. 宇航學(xué)報, 2009, 30(1)： 378-381. ZHOU Hui, SUN Jing, WEN Qingping, et al. Lubrication and Performance of Harmonic Drive Used in Spacecraft[J]. Journal of Astronautics, 2009, 30(1)： 378-381. (in Chinese)

[11]沈允文, 葉慶泰. 諧波齒輪傳動的理論與設(shè)計[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社, 1985. SHEN Yunwen, YE Qingtai. Theory and Design of Harmonic Gear Drive[M]. Beijing： Machinery Industry Press, 1985. (in Chinese)

[12]李俊陽. 空間潤滑諧波減速器失效機理及其加速壽命試驗方法研究[D]. 重慶： 重慶大學(xué), 2012. LI Junyang. Failure Mechanism Theory and Accelerated Life Testing Method Research for Space Lubrication Harmonic Drive[D]. Chongqing： Chongqing University, 2012. (in Chinese)

[13]李新立, 劉志全, 遇今. 航天器機構(gòu)固體潤滑球軸承的加速壽命試驗方法[J]. 航天器工程, 2008, 17(5)： 15-18. LI Xinli, LIU Zhiquan, YU Jin. A Method of Accelerated Life Test for Solid-lubricated Bali Bearings of Spacecraft Mechanisms[J]. Spacecraft Engineering, 2008, 17(5)： 15-18. (in Chinese)

[14]羅渠, 袁立, 楊磊, 等. 一種驅(qū)動掃描鏡掃描運動的方法[J]. 航天返回與遙感, 2006, 27(1)： 36-41. LUO Qu, YUAN Li, YANG Lei, et al. A Method for Driving Scan Mirror[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2006, 27(1)： 36-41. (in Chinese)

[15]王淳, 謝妮慧, 林喆. Delta-Sigma調(diào)制器在空間指向鏡位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(5)：54-60. WANG Chun, XIE Nihui, LIN Zhe. Application of Delta-Sigma Modulator in Space Pointer Mirror Position Servo System[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(5)： 54-60. (in Chinese)

[16]崔龍, 黃海. 高穩(wěn)定精密跟瞄機構(gòu)設(shè)計與仿真[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2007, 33(12)： 1462-1465. CUI Long, HUANG Hai. Design and Simulation of Highly Stable and Precise Tracking-Pointing Platform[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2007, 33(12)： 1462-1465. (in Chinese)

[17]王友漁, 陳天智, 盛聰, 等. 一種空間相機指向機構(gòu)構(gòu)型設(shè)計及分析[J]. 航天器工程. 2011, 20(3)： 12-16. WANG Youyu, CHEN Tianzhi, SHENG Cong, et al. Configuration Design and Analysis of a Space Camera Pointing Mechanism[J]. Spacecraft Engineering, 2011, 20(3)： 12-16. (in Chinese)

[18]張鋒, 丁洪生, 付鐵, 等. 星載天線指向機構(gòu)誤差分析與建模[J]. 電子機械工程, 2010, 26(1)： 57-61. ZHANG Feng, DING Hongsheng, FU Tie, et al. Analysis and Modeling of Pointing Error for Antenna Pointing Mechanism[J]. Electro-mechanical Engineering, 2010, 26(1)： 57-61. (in Chinese)

Research on High-precision & Long-life Harmonic Drive Applied in Spacecraft

CAO Qian LI Ming XU Pengmei
（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100190, China）

Facing the increasing demand of high-precision and long-life mechanisms, the paper takes space harmonic drive as the research object. The study and development of harmonic drive by now in the whole world are introduced firstly, and the failure modes and life critical factors of harmonic drive are analyzed. Then the high precision technology and long life harmonic drive used in spacecraft is researched. The effects of different payload and working models on harmonic drive’s life and precision are studied in this paper, and some life testings based on different load cases and working modes are performed. And also based on all the analysis and tests, some key indicators of the high-precision and long-life harmonic drive are presented during its application in spacecraft. In the end, a high precision mechanism which is driven through harmonic gears as a reducer is designed. The life test of this mechanism can reach to 3.6×106when its working mode is reciprocating and intermittent. At the same time, the pointing accuracy of this mechanism can reach to 30″.

pointing mechanism; harmonic drive; high precision; long life; space remote sensing

V474.2

A

1009-8518(2017)03-0078-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.03.009

曹倩，女，1984年生，2010年獲北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位，工程師。研究方向為航天遙感器機構(gòu)設(shè)計。E-mail：271673978@qq.com。

（編輯：毛建杰）

2017-03-20