火星探測(cè)器光學(xué)載荷回轉(zhuǎn)臺(tái)用蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)

何見停，王波濤，李瑞琦，付雷杰，施俊文

（1.鄭州機(jī)械研究所有限公司，鄭州 450052；2.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；3.西安工業(yè)大學(xué)，西安 710021；4.輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710021）

0 引言

深空探測(cè)是我國(guó)科技探索的重要戰(zhàn)略之一，而火星探測(cè)器是進(jìn)行火星探測(cè)的重要載體?；鹦翘綔y(cè)器需要經(jīng)過(guò)超長(zhǎng)距離的地球與火星之間的轉(zhuǎn)移，探測(cè)器的質(zhì)量受到運(yùn)載發(fā)射能力的限制；此外，火星表面風(fēng)作用下形成的凹凸不平火星表面、復(fù)雜多變的地下結(jié)構(gòu)致使的探測(cè)器運(yùn)動(dòng)困難等問題也限制了火星探測(cè)器的質(zhì)量[1～3]。減少探測(cè)器有效載荷的質(zhì)量對(duì)于降低探測(cè)器整體質(zhì)量有較大意義。

光學(xué)載荷回轉(zhuǎn)臺(tái)是探測(cè)器有效載荷之一，承擔(dān)著為深空探測(cè)太陽(yáng)能帆板、光學(xué)探測(cè)裝置、信號(hào)傳送裝置等設(shè)備指向的功能。由于部分設(shè)備具有高精度輸出要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)角要實(shí)現(xiàn)高分辨率輸出，回轉(zhuǎn)臺(tái)需要采用大傳動(dòng)比減速裝置進(jìn)行傳動(dòng)。為保證回轉(zhuǎn)臺(tái)雙向旋轉(zhuǎn)不會(huì)產(chǎn)生定位誤差，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)該保證無(wú)回差?；鹦潜砻婀庹詹蛔?，且由于頂層因素限制，沒有其他的能源獲取方式，回轉(zhuǎn)臺(tái)無(wú)法進(jìn)行加熱，需要在超低溫環(huán)境下工作，普通潤(rùn)滑方式會(huì)失效[4]?；鹦潜砻鏁円箿夭钭兓^大，這將導(dǎo)致傳動(dòng)間隙變化，影響回轉(zhuǎn)臺(tái)的精度。

現(xiàn)有的部分高精度回轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，但是此方式對(duì)低溫步進(jìn)電機(jī)的輸出扭矩有較大要求，導(dǎo)致電機(jī)質(zhì)量較大，增大了回轉(zhuǎn)臺(tái)整體質(zhì)量；部分回轉(zhuǎn)臺(tái)采用多級(jí)齒輪減速裝置進(jìn)行傳動(dòng)，大傳動(dòng)比減速時(shí)，齒輪數(shù)量較多，減速裝置質(zhì)量過(guò)大；相比之下，通過(guò)一級(jí)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)大減速比的蝸輪蝸桿傳動(dòng)成為最佳選擇[5]。朱紅霞等人提出了一種雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙蝸桿消隙方法，通過(guò)兩個(gè)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)分別驅(qū)動(dòng)蝸桿，一根給蝸輪提供動(dòng)力，另一根保證蝸輪與蝸桿齒面貼合，消除了蝸輪蝸桿傳動(dòng)的間隙；但是此方法既增加了能量消耗也增加了減速裝置的質(zhì)量，不適用于火星探測(cè)器[6]。

針對(duì)火星探測(cè)器光學(xué)載荷回轉(zhuǎn)臺(tái)的高精度低質(zhì)量的要求，設(shè)計(jì)了一種雙段消隙蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)臺(tái)的減速傳動(dòng)，通過(guò)分段式蝸桿中間的調(diào)整墊片保證齒面貼合，實(shí)現(xiàn)無(wú)回差運(yùn)動(dòng)，調(diào)整蝸輪蝸桿材料實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輕量化以及自體潤(rùn)滑，最后通過(guò)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行跑合試驗(yàn)、熱環(huán)境試驗(yàn)以及力學(xué)試驗(yàn)，模擬其在火星表面的工作狀況；試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的雙段消隙蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以滿足設(shè)計(jì)要求。

1 光學(xué)載荷回轉(zhuǎn)臺(tái)用雙段消隙蝸輪蝸桿傳動(dòng)原理

方位軸系驅(qū)動(dòng)電機(jī)與方位軸系角度傳感器分別安裝于自消隙組合蝸桿的兩端，組成驅(qū)動(dòng)控制軸系，固接于底座；蝸輪與旋轉(zhuǎn)指向機(jī)構(gòu)固連，通過(guò)徑推組合軸承支撐于底座；自消隙組合蝸桿與蝸輪嚙合成空間共軛運(yùn)動(dòng)副，形成“方位軸系驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)——自消隙組合蝸桿蝸輪副大速比（傳動(dòng)比80:1）降速——旋轉(zhuǎn)指向機(jī)構(gòu)精密分度”的傳動(dòng)形式[7,8]。同時(shí)，方位軸系角度傳感器形成測(cè)量反饋單元，與方位軸系驅(qū)動(dòng)電機(jī)共同組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)光學(xué)載荷回轉(zhuǎn)臺(tái)周向旋轉(zhuǎn)的精確定位。

由于設(shè)計(jì)、制造、裝配、溫差等原因，蝸輪蝸桿副嚙合的齒面之間會(huì)產(chǎn)生間隙，為消除回轉(zhuǎn)臺(tái)的回程誤差，保證定位精度，需要保證蝸輪蝸桿的齒面保持貼合。

雙段自消隙蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)由螺母、彈簧、雙段式蝸桿、調(diào)整墊片與蝸輪組成。雙段式蝸桿的蝸桿軸和空心蝸桿兩部分通過(guò)脹緊套連接，蝸桿旋轉(zhuǎn)時(shí)兩段蝸桿相對(duì)位置固定并且工作時(shí)間能同步轉(zhuǎn)動(dòng)，以保持正確的嚙合方式。雙段式蝸桿兩端采用彈簧進(jìn)行預(yù)緊，蝸桿中間有調(diào)整墊；通過(guò)螺母的調(diào)節(jié)，促使彈簧和調(diào)整墊片產(chǎn)生相應(yīng)的變形，活動(dòng)蝸桿相對(duì)于固定蝸桿產(chǎn)生軸向微量運(yùn)動(dòng)，保持齒面貼合，消除反向運(yùn)動(dòng)中由于側(cè)隙所形成的回差，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精密化。如圖1所示，松動(dòng)螺母，增加兩蝸桿中間的調(diào)整墊厚度，使蝸桿分別向兩端軸向運(yùn)動(dòng)，保證齒面貼合。

圖1 增加調(diào)整墊的厚度

2 雙段消隙蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)

蝸輪蝸桿是雙段消隙蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的核心零部件，其設(shè)計(jì)水平直接決定了傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。雙段消隙蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括選擇合適的蝸輪蝸桿材料和蝸輪蝸桿參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.1 蝸輪蝸桿材料的選擇

光學(xué)載荷回轉(zhuǎn)臺(tái)用蝸輪蝸桿不僅要滿足力學(xué)設(shè)計(jì)要求，還要力求小質(zhì)量。常用的輕型航空航天材料有碳纖維復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、鈦合金、特種工程塑料等。常見的航空航天材料中，聚酰亞胺、鈦合金TC4、鈹具有較好的比強(qiáng)度、比剛度、力學(xué)性能較好，但是鈹?shù)臒醾鲗?dǎo)系數(shù)相對(duì)較大，易受環(huán)境影響，所以采用聚酰亞胺制備蝸輪，采用鈦合金TC4制備蝸桿[9]，如表1所示。同時(shí)為了保證蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率較，結(jié)合光學(xué)再和平臺(tái)的工作環(huán)境，考慮在聚酰亞胺中增加碳的含量，來(lái)提高聚酰亞胺的自潤(rùn)滑性能，降低由于摩擦帶來(lái)的能量消耗，保證傳動(dòng)的高效性。

表1 部分材料性能參數(shù)

2.2 蝸輪蝸桿參數(shù)設(shè)計(jì)

光學(xué)載荷回轉(zhuǎn)臺(tái)減速裝置設(shè)計(jì)要求為：傳動(dòng)比80:1，工作轉(zhuǎn)速2r/min～100r/min，啟動(dòng)力矩15mN.m。蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)主要考慮齒面接觸強(qiáng)度、齒根彎曲強(qiáng)度和撓度問題，具體設(shè)計(jì)過(guò)程從略，最終的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，蝸桿如圖2所示，蝸輪如圖3所示。蝸輪的重量為68.56g，蝸桿的重量為60.5g，用軟件kiss soft進(jìn)行強(qiáng)度校核，蝸輪蝸桿的齒根彎曲安全系數(shù)為15.6，磨損安全系數(shù)為9.7，傳動(dòng)的效率為33.8%，由此可見，所設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿不僅符合小質(zhì)量要求，還有較好的力學(xué)性能。

表2 蝸輪蝸桿參數(shù)

圖2 蝸桿二維圖

圖3 蝸輪的二維圖

2.3 調(diào)整墊與彈簧參數(shù)調(diào)整

蝸輪蝸桿正常側(cè)隙為0.3mm，為了滿足調(diào)整的需要，選取中間調(diào)整墊的厚度為0.5mm。由于蝸輪蝸桿的工作范圍-95℃～70℃，較大的溫差會(huì)對(duì)齒側(cè)隙產(chǎn)生影響，為保證齒面一直貼合，實(shí)現(xiàn)無(wú)回差運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)調(diào)整墊厚度進(jìn)行微調(diào)。

室溫定為25℃，那么從室溫到低溫-95℃時(shí)，蝸輪齒厚的縮小量為7.878μm；蝸桿的齒厚縮小量為4.163μm，蝸輪蝸桿的齒厚變小導(dǎo)致側(cè)隙增大，鋁基碳化硅殼體縮小量引起的側(cè)隙減小量為8.55μm；那么從室溫到低溫-95℃時(shí)，蝸輪蝸桿的側(cè)隙增大量為3.491μm。

同理，從室溫25℃到70℃時(shí)，蝸輪齒厚的增加量為3.545μm；蝸桿的齒厚增加量為1.873μm，蝸輪蝸桿的齒厚變厚導(dǎo)致側(cè)隙變小；鋁基碳化硅殼體增大量引起的側(cè)隙增大量為3.848μm；那么從室溫到高溫70℃時(shí)，蝸輪蝸桿的側(cè)隙縮小量為1.57μm。

綜上可見，要想達(dá)到高溫和低溫下完全無(wú)回差運(yùn)動(dòng)，必須在常溫狀態(tài)下調(diào)整為零回差運(yùn)動(dòng)后，對(duì)調(diào)整墊進(jìn)行研磨下去3.491μm來(lái)進(jìn)行蝸輪蝸桿的預(yù)緊，這樣可以抵消在低溫環(huán)境下蝸輪蝸桿傳動(dòng)過(guò)程側(cè)隙增大值。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，蝸輪負(fù)載力矩0.5N.m，計(jì)算可得圓周力Ft=7.8N，蝸桿軸向力為7.8N；為了防止分段蝸桿處在受力時(shí)產(chǎn)生位移，分段蝸桿處彈簧的彈簧壓緊力應(yīng)大于7.8N。采用彈簧線徑為0.8mm，自然狀態(tài)長(zhǎng)度為15mm，壓縮狀態(tài)為10mm的彈簧進(jìn)行預(yù)緊，實(shí)驗(yàn)測(cè)試得預(yù)緊力為10N，滿足設(shè)計(jì)要求。

聚酰亞胺和鈦合金TC4的摩擦系數(shù)介于0.1和0.12之間，計(jì)算可得蝸輪蝸桿的摩擦力為1.2N，蝸桿的半徑為8.85mm，摩擦力矩為10.62mN.m，小于設(shè)計(jì)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減速裝置可以正常啟動(dòng)。由于蝸輪蝸桿的預(yù)緊會(huì)增加蝸輪蝸桿的齒面摩擦力，導(dǎo)致啟動(dòng)力矩增大，為降低蝸輪蝸桿傳遞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力，對(duì)蝸桿表面進(jìn)行光整處理，降低蝸桿的表面粗糙度，有利于回轉(zhuǎn)臺(tái)的快速響應(yīng)。

3 仿真驗(yàn)證

為了保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)所設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿系統(tǒng)進(jìn)行了有限元仿真分析。因?yàn)楣鈱W(xué)平臺(tái)的質(zhì)量不大，蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷較小，因此負(fù)荷導(dǎo)致的系統(tǒng)變形可以不予考慮?；鹦菚円箿夭畲?，蝸輪蝸桿的工作范圍為-95℃～70℃，進(jìn)行熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)查看蝸輪蝸桿溫度分布，溫度導(dǎo)致的傳動(dòng)系統(tǒng)變形是影響系統(tǒng)性能的主要因素，因此這里主要針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)中的溫度的分布進(jìn)行仿真分析。

具體仿真參數(shù)的設(shè)置：蝸輪材料設(shè)置為酰亞胺制備，蝸桿材料設(shè)置為鈦合金TC4，結(jié)構(gòu)與空氣進(jìn)行自然對(duì)流換熱，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為20W/（m2·℃），外界環(huán)境溫度在0s時(shí)為25℃，1800s為65℃，3600s時(shí)為-60℃，5400s時(shí)為65℃。

其中部分結(jié)果如圖4所示，蝸輪、蝸桿在T=900s、T=2700s、T=5400s的溫度分布云圖，蝸輪蝸桿的溫度隨著環(huán)境溫度的升高而升高，隨著環(huán)境溫度的降低而降低，滿足蝸輪蝸桿使用工作范圍要求，并且蝸輪蝸桿的熱變形在可接受范圍內(nèi)，蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)的熱性能符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 蝸輪蝸桿仿真結(jié)果云圖

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

光學(xué)回轉(zhuǎn)臺(tái)用蝸輪蝸桿工作在火星表面，一旦發(fā)生故障，無(wú)法進(jìn)行維修，必須保證其在工作時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)行，需要進(jìn)行跑合試驗(yàn)、熱環(huán)境試驗(yàn)、力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)，模擬火星復(fù)雜環(huán)境，驗(yàn)證其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性[14]。

4.1 跑合試驗(yàn)

由于加工過(guò)程的不確定性，不能保證每一對(duì)蝸輪蝸桿嚙合運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的摩擦力相同，所以啟動(dòng)力矩也不一樣；此外，無(wú)側(cè)隙狀態(tài)也需要經(jīng)過(guò)調(diào)整才能滿足；所以要進(jìn)行跑合試驗(yàn)，改善蝸輪蝸桿的接觸區(qū)，提高嚙合精度，并在跑合后調(diào)整出無(wú)回差運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，測(cè)量啟動(dòng)力矩；具體的試驗(yàn)的流程如圖5所示。

圖5 跑合試驗(yàn)流程圖

4.2 熱環(huán)境試驗(yàn)

由于光學(xué)回轉(zhuǎn)臺(tái)工作于火星表面，工作期間會(huì)經(jīng)歷真空、低溫、高溫等環(huán)境，為驗(yàn)證回轉(zhuǎn)臺(tái)在此環(huán)境下的有效性，需要對(duì)其進(jìn)行熱循環(huán)、熱真空試驗(yàn)。采用KM1型高真空試驗(yàn)設(shè)備，首先進(jìn)行常壓熱循環(huán)試驗(yàn)，再進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，真空存儲(chǔ)試驗(yàn)與熱真空試驗(yàn)合并進(jìn)行；機(jī)構(gòu)輸出擺動(dòng)角范圍360度，輸入端速度100轉(zhuǎn)/分，在每次溫度穩(wěn)定后運(yùn)動(dòng)2分鐘，再間歇2分鐘，累計(jì)輸入端旋轉(zhuǎn)次數(shù)小于3×105轉(zhuǎn)，負(fù)載0.5N·m，具體試驗(yàn)條件如表3所示。

表3 熱環(huán)境鑒定級(jí)試驗(yàn)條件

4.3 力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)

由于火星表面復(fù)雜多變的地形條件，光學(xué)回轉(zhuǎn)臺(tái)用蝸輪蝸桿的受力情況具有不可預(yù)見性，為保證在各種情況下工作的可靠性，需要對(duì)其進(jìn)行力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)，通過(guò)隨機(jī)力學(xué)條件的試驗(yàn)?zāi)M火星表面地形所導(dǎo)致的隨機(jī)的受力情況；利用正弦力學(xué)條件的試驗(yàn)?zāi)M受周期性力作用時(shí)的情況。采用V8-440型振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，首先產(chǎn)生正弦振動(dòng)，具體試驗(yàn)條件如表3所示，之后產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)，如圖6、圖7所示。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)

圖7 振動(dòng)試驗(yàn)

上述試驗(yàn)均在中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所空間環(huán)境模擬試驗(yàn)室來(lái)進(jìn)行跑合精密的測(cè)試、高低溫試驗(yàn)及震動(dòng)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆解，結(jié)果表明蝸輪蝸桿完好正常，其性能均滿足了性能要求。鑒于數(shù)據(jù)的保密性要求，這里沒有列出具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

光學(xué)載荷回轉(zhuǎn)平臺(tái)是火星探測(cè)器的重要組成部分，其性能直接影響深空探測(cè)的結(jié)果。本文設(shè)計(jì)了適合深空環(huán)境的雙段消隙蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)，選擇了酰亞胺和鈦合金的材料組合，并對(duì)其中的消隙結(jié)構(gòu)、調(diào)整墊和彈簧的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。為了保證結(jié)果的可靠性，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了有限元分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了裝備火星探測(cè)器的條件。