白清順，王　群，張慶，婁　錚

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　150001；2. 中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)，江蘇 南京　210008)

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低溫微位移促動(dòng)器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)*

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；2. 中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)，江蘇 南京210008)

摘要：以極地天文望遠(yuǎn)鏡為應(yīng)用背景，研制了一種低溫微位移促動(dòng)器，并在室溫和低溫條件下進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，獲得了低溫微位移促動(dòng)器的性能指標(biāo)。分析了3種常見的大行程高精度微位移促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式，選擇位移縮放式作為低溫微位移促動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)。微位移促動(dòng)器采用低溫步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，以具有特殊消隙結(jié)構(gòu)的螺旋傳動(dòng)作為位移縮放機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高剛度、耐低溫、結(jié)構(gòu)緊湊、密閉性好的微位移促動(dòng)器的設(shè)計(jì)。開展了微位移促動(dòng)器的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的低溫微位移促動(dòng)器在室溫條件下的步進(jìn)精度達(dá)到1 μm ± 0.082 μm，并且滿足負(fù)載能力的設(shè)計(jì)要求；低溫條件下步進(jìn)精度可以達(dá)到2 μm ± 0.404 μm。研制的微位移促動(dòng)器將為拼接式極地天文望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)提供重要的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：微位移促動(dòng)器；天文望遠(yuǎn)鏡；精度；低溫；螺旋傳動(dòng)

天文學(xué)的發(fā)展對(duì)天文望遠(yuǎn)鏡提出了更高的要求，對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡，增加望遠(yuǎn)鏡口徑是提高分辨率和靈敏度最為重要的途徑。大型天線的反射面受加工制造技術(shù)的限制，無(wú)法使用單塊面板實(shí)現(xiàn)。主動(dòng)反射面技術(shù)為極大口徑反射面的制造提供了重要的技術(shù)支撐，采用尺寸較小的子面板拼合成具有一定面形精度的主反射面。為了調(diào)整主反射面的面形，每個(gè)子面板需要微位移促動(dòng)器支撐和調(diào)節(jié)[1]。

微位移促動(dòng)器作為子面板的支撐和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，是主動(dòng)反射面技術(shù)的核心部件，是一種精密的直線位移輸出裝置。鑒于主反射面面形需要達(dá)到射電望遠(yuǎn)鏡的成像要求，微位移促動(dòng)器需要具有較高的位移輸出精度、大負(fù)載能力、高剛度以及毫米級(jí)有效行程。目前，世界上已建成的采用主動(dòng)反射面技術(shù)的射電望遠(yuǎn)鏡主要采用自行研制的微位移促動(dòng)器[2-4]。

天文望遠(yuǎn)鏡的臺(tái)址是望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)效果的影響因素之一，優(yōu)秀的望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址需要具有干凈的大氣、較低的風(fēng)速、較高的大氣透過(guò)率和較低的水汽含量[5]。南極的高海拔地區(qū)便符合上述條件，特別是我國(guó)率先抵達(dá)的Dome A被公認(rèn)為是地球上最優(yōu)秀的光學(xué)/紅外天文觀測(cè)地點(diǎn)，而且非常適合亞毫米波和太赫茲天文觀測(cè)[6]。我國(guó)已經(jīng)在南極Dome A地區(qū)安裝了小型天文望遠(yuǎn)鏡，后期還計(jì)劃建造大型太赫茲天文望遠(yuǎn)鏡[7]。對(duì)于南極地區(qū)天文望遠(yuǎn)鏡使用的微位移促動(dòng)器，還要具有耐低溫、結(jié)構(gòu)緊湊、防風(fēng)雪侵蝕等特點(diǎn)。

針對(duì)主動(dòng)反射面技術(shù)對(duì)微位移促動(dòng)器的性能要求，以及南極地區(qū)的環(huán)境條件，設(shè)計(jì)了一種低溫微位移促動(dòng)器，并對(duì)設(shè)計(jì)的促動(dòng)器進(jìn)行了性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲得了促動(dòng)器的性能指標(biāo)。

1低溫微位移促動(dòng)器設(shè)計(jì)

1.1低溫微位移促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式

常用的大行程高精度微位移促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式主要有3種：

(1)尺蠖式。尺蠖式微位移促動(dòng)器是基于 “箝位-驅(qū)動(dòng)-箝位” 的運(yùn)動(dòng)形式，以壓電陶瓷、磁致伸縮材料、形狀記憶合金等元件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的微位移促動(dòng)器。這類驅(qū)動(dòng)元件精度高、響應(yīng)快，構(gòu)成的尺蠖式微位移促動(dòng)器理論上可以獲得無(wú)限大的有效行程[8]，但是尺蠖式微位移促動(dòng)器的控制比較復(fù)雜，并且成熟的商品很少。

(2)位移縮放式。此類微位移促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式是在驅(qū)動(dòng)元件后附加位移縮放機(jī)構(gòu)，位移縮放機(jī)構(gòu)主要有減速器、液壓減速機(jī)構(gòu)、精密絲杠和柔性鉸鏈等[9]。對(duì)于位移縮放機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣，可以從縮放比、空回、遲滯、負(fù)載能力等幾方面衡量。

(3)宏/微動(dòng)疊加式。宏/微動(dòng)疊加式微位移促動(dòng)器分為宏動(dòng)部分和微動(dòng)部分，宏動(dòng)部分完成大行程微米級(jí)定位，微動(dòng)部分完成小范圍的納米級(jí)定位[10]。這種促動(dòng)器的缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都較為復(fù)雜。

相比(1)和(3)兩種結(jié)構(gòu)形式的微位移促動(dòng)器，位移縮放式微位移促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，控制也較為方便，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)元件和位移縮放機(jī)構(gòu)的組合，可以在大行程內(nèi)輸出較高精度的位移。因此，設(shè)計(jì)的低溫微位移促動(dòng)器采用位移縮放的結(jié)構(gòu)形式。

1.2低溫微位移促動(dòng)器的設(shè)計(jì)

位移縮放式微位移促動(dòng)器的設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)元件、位移縮放機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、預(yù)緊機(jī)構(gòu)的選擇和整體支承框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。表1是設(shè)計(jì)的低溫微位移促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)方案。

低溫微位移促動(dòng)器采用精密低溫步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。步進(jìn)電機(jī)沒有累積誤差，并且技術(shù)成熟，采用電細(xì)分控制可以輸出較小的步距角。導(dǎo)向鍵作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)單實(shí)用，用于精密機(jī)械時(shí)要保證其加工精度。彈簧預(yù)緊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉?？s放機(jī)構(gòu)采用精密梯形滑動(dòng)絲杠，選取較大的螺紋配合間隙，傳動(dòng)螺母采用特殊消隙結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)可以保證低溫時(shí)絲杠不會(huì)卡死，并可以有效減小螺旋傳動(dòng)的回程差，小導(dǎo)程的螺紋結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，并且具有自鎖功能。促動(dòng)器的殼體采用圓柱狀，兩端蓋裝有左、右端蓋，這樣結(jié)構(gòu)緊湊，殼體表面形狀過(guò)渡圓滑，能夠有效避免積雪，并且具有一定的密封性，防止風(fēng)雪侵蝕內(nèi)部零件。低溫微位移促動(dòng)器的外觀如圖1，整體包絡(luò)尺寸為Φ75 × 120 mm。

表1　低溫微位移促動(dòng)器的結(jié)構(gòu)方案

圖1　低溫微位移促動(dòng)器外觀

低溫微位移促動(dòng)器的材料選擇具有面心立方晶格的鉻鎳不銹鋼，其沖擊韌性與溫度無(wú)關(guān)，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械特性，并且加工性能好，價(jià)格實(shí)惠。除步進(jìn)電機(jī)和軸承等外購(gòu)件外，其它零件都采用鉻鎳不銹鋼，保證各零部件在低溫條件下具有較為一致的溫度形變。

對(duì)于低溫微位移促動(dòng)器的潤(rùn)滑，選擇耐低溫的低溫極壓潤(rùn)滑脂，保證低溫環(huán)境下微位移促動(dòng)器能夠正常工作。低溫微位移促動(dòng)器的控制系統(tǒng)則由電腦、松下可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、24 V穩(wěn)壓直流電源組成。控制程序的編制采用VC++ 6.0和松下可編程邏輯控制器通用的梯形圖編程工具，滿足促動(dòng)器的開環(huán)性能測(cè)試要求。

2低溫微位移促動(dòng)器的性能測(cè)試

性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將低溫微位移促動(dòng)器安置于測(cè)量平臺(tái)上，采用海德漢CT2502長(zhǎng)度計(jì)對(duì)輸出位移進(jìn)行檢測(cè)，并記錄數(shù)據(jù)。同時(shí)設(shè)計(jì)了加力裝置，測(cè)試促動(dòng)器在空載和負(fù)載情況下的性能。在低溫測(cè)試環(huán)節(jié)，將測(cè)量系統(tǒng)安置于低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，溫度降低到設(shè)定溫度后進(jìn)行保溫，然后再開始測(cè)試，避免低溫箱運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)測(cè)試帶來(lái)不利影響。圖2是室溫環(huán)境下的促動(dòng)器性能測(cè)試和低溫測(cè)試。

圖2　室溫性能測(cè)試(左圖)和低溫測(cè)試(右圖)

2.1室溫環(huán)境下的步進(jìn)精度檢測(cè)

首先檢測(cè)空載情況下的步進(jìn)精度。測(cè)量過(guò)程中長(zhǎng)度計(jì)的位置不變，電機(jī)驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器輸出端，分別以步長(zhǎng)1 μm、2 μm、5 μm運(yùn)動(dòng)，每種步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)20次，記錄長(zhǎng)度計(jì)讀數(shù)，對(duì)比理論輸出位移與實(shí)際輸出位移，如圖3～5，并計(jì)算3種步長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值，如表2。

表2　3種步長(zhǎng)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

圖3　步進(jìn)精度檢測(cè)(1 μm步長(zhǎng))

圖4　步進(jìn)精度檢測(cè)(2 μm步長(zhǎng))

測(cè)試結(jié)果表明，室溫環(huán)境下，促動(dòng)器的空載步進(jìn)精度可以達(dá)到1 μm ± 0.082 μm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，促動(dòng)器的最大軸向壓力負(fù)載需要達(dá)到60 N，考慮到負(fù)載裕量，將最大軸向壓力負(fù)載放大約15%，檢測(cè)促動(dòng)器在68 N軸向壓力負(fù)載作用下的1 μm步進(jìn)精度，如圖6。

圖5　步進(jìn)精度檢測(cè)(5 μm步長(zhǎng))

圖6　68 N軸向壓力負(fù)載步進(jìn)精度檢測(cè)(1 μm步長(zhǎng))

得到位移促動(dòng)器在68 N軸向壓力負(fù)載下的步進(jìn)精度為1 μm ± 0.114 μm?？梢姡捎谪?fù)載的影響使得促動(dòng)器的步進(jìn)精度有所下降，但是影響很小。

2.2室溫環(huán)境下的重復(fù)定位精度檢測(cè)

重復(fù)定位精度的檢測(cè)方法如圖7，首先驅(qū)動(dòng)促動(dòng)器的輸出端運(yùn)動(dòng)到某一位置，記此位置為點(diǎn)A，然后將長(zhǎng)度計(jì)顯示的數(shù)據(jù)清零，從A點(diǎn)以步長(zhǎng)10 μm運(yùn)動(dòng)到F點(diǎn)，在F點(diǎn)反向回到A點(diǎn)，記錄長(zhǎng)度計(jì)數(shù)據(jù)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)分析。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3。

表3　重復(fù)定位精度測(cè)試數(shù)據(jù)(單位： 微米)

表3顯示重復(fù)定位精度測(cè)試中B點(diǎn)的數(shù)據(jù)與理論數(shù)值(10 μm)相差較大，原因在于促動(dòng)器存在回程誤差，在A點(diǎn)換向后向B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一部分理論輸出位移被回程差抵消，但是不影響重復(fù)定位精度的檢測(cè)。計(jì)算表3中每個(gè)位置處5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，如表4。得到標(biāo)準(zhǔn)差的最大值為0.052 μm，則促動(dòng)器在室溫下的重復(fù)定位精度為± 0.052 μm。

圖7　重復(fù)定位精度測(cè)試方法

表4　5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差(單位： 微米)

2.3低溫環(huán)境下的步進(jìn)精度檢測(cè)

對(duì)于低溫微位移促動(dòng)器，其低溫環(huán)境下的性能同樣重要。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，促動(dòng)器工作環(huán)境的最低溫度為-40 ℃，因此需要檢測(cè)促動(dòng)器在-40 ℃環(huán)境下的步進(jìn)精度。

在低溫箱溫度降到-40 ℃，并保溫一小時(shí)后，促動(dòng)器表面結(jié)霜嚴(yán)重，部分區(qū)域結(jié)冰，促動(dòng)器整體溫度降低到-40 ℃，此時(shí)促動(dòng)器可以正常運(yùn)行，并無(wú)卡死、振動(dòng)、噪聲等不良現(xiàn)象。采用常溫性能測(cè)

試的方法檢測(cè)低溫微位移促動(dòng)器在-40 ℃時(shí)的步進(jìn)精度，如圖8。結(jié)果表明，促動(dòng)器在-40 ℃環(huán)境下可以達(dá)到2 μm ± 0.404 μm的步進(jìn)精度。低溫測(cè)試環(huán)節(jié)的霜凍和冰凍現(xiàn)象如圖9。

對(duì)比常溫下的步進(jìn)精度，-40 ℃環(huán)境下的步進(jìn)精度所有惡化，原因在于微位移促動(dòng)器安置在低溫箱內(nèi)，由于溫度的限制，測(cè)試端必須處在低溫箱外。從驅(qū)動(dòng)端到測(cè)試端連接部件的剛度對(duì)促動(dòng)器的步進(jìn)測(cè)試精度產(chǎn)生顯著的影響；另外，測(cè)試時(shí)低溫箱內(nèi)存在的微振動(dòng)也對(duì)測(cè)試結(jié)果造成一定的干擾。后期對(duì)低溫測(cè)試方式的改進(jìn)將進(jìn)一步提高微位移促動(dòng)器的低溫步進(jìn)測(cè)試精度。

圖8　-40 ℃步進(jìn)精度檢測(cè)(2 μm步長(zhǎng))

圖9　低溫測(cè)試環(huán)節(jié)的結(jié)霜和結(jié)冰現(xiàn)象

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于主動(dòng)反射面技術(shù)的低溫微位移促動(dòng)器，并進(jìn)行了一系列性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的低溫微位移促動(dòng)器在室溫條件下的步進(jìn)精度達(dá)到1 μm ± 0.082 μm，并且滿足負(fù)載能力的設(shè)計(jì)要求。在軸向負(fù)載68 N情況下，促動(dòng)器可以達(dá)到1 μm ± 0.114 μm的步進(jìn)精度。重復(fù)定位精度測(cè)試表明，低溫微位移促動(dòng)器的重復(fù)定位精度為± 0.052 μm。低溫測(cè)試結(jié)果表明，促動(dòng)器在-40 ℃環(huán)境下可以達(dá)到2 μm ± 0.404 μm的步進(jìn)精度。綜合測(cè)試結(jié)果表明，低溫微位移促動(dòng)器能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求。該促動(dòng)器的研究為未來(lái)極地天文望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)提供基礎(chǔ)技術(shù)條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]程景全. 天文望遠(yuǎn)鏡原理和設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國(guó)科學(xué)出版社, 2003: 145-159.

[2]Lacasse R J. Green Bank Telescope active surface system[C]// Proceedings of SPIE. 1998: 310-319.

[3]Zhou Guohua, Li Aihua, Yang Dehua, et al. Development of a compact precision linear actuator for the active surface upgrade of the Delingha 13.7-m radio telescope[C]// Proceedings of SPIE. 2012: 1-8.

[4]Orfei A, Morsiani M, Zacchiroli G, et al. Active surface system for the new Sardinia Radiotelescope[C]// Proceedings of SPIE. 2004: 116-125.

[5]彭亞杰, 季凱帆, 梁波, 等. ASCOM在選址望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制中的可用性研究[J]. 天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)刊, 2013, 10(1): 49-54.

Peng Yajie, Ji Kaifan, Liang Bo, et al. The usability of the ASCOM in remote control of a site-survey telescope[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2013, 10(1): 49-54.

[6]Yuan Xiangyan, Cui Xiangqun, Liu Genrong, et al. Chinese Small Telescope Array (CSTAR) for Antarctic Dome A[C]// Proceedings of SPIE. 2008: 1-8.

[7]Yang Ji, Zuo Yingxi, Lou Zheng, et al. Conceptual design studies of the 5 m terahertz antenna for Dome A, Antarctica[J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2013, 13(12): 1493-1508.

[8]宋巖, 陳小安, 梁德沛. 新型尺蠖式爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)及樣機(jī)研制[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2008(1): 179-181.

Song Yan, Chen Xiaoan, Liang Depei. Design of new inchworm crawling robot and its prototype study[J]. Machinery Design & Manufacture, 2008(1): 179-181.

[9]邵亮, 楊德華, 陳昆新, 等. 光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡用微位移驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)研究綜述[J]. 天文學(xué)進(jìn)展, 2009, 27(1): 70-79.Shao Liang, Yang Dehua, Chen Kunxin, et al. Review of mechanical structure of micro-displacement actuator for optical astronomical telescope[J]. Progress in Astronomy, 2009, 27(1): 70-79.

[10]陳立國(guó), 孫立寧, 邊信黔, 等. 面向微操作的宏/微精密定位技術(shù)研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2005(5): 49-57.

Chen Liguo, Sun Lining, Bian Xinqian, et al. Macro/micro positioning technique for micromanip-ulation[J]. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique, 2005(5): 49-57.

The Design and Test of a Cryogenic Micro-Displacement Actuator

(1. School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China, Email: dehuiwq@live.com;2. Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Abstract:Taking the polar astronomical telescope as application background, a cryogenic micro-displacement actuator is designed and then tested at room temperature and low temperature environment respectively. Performance parameters of this actuator is acquired. Three kinds of structural forms of long travel high-accuracy micro-displacement actuator are analyzed; the displacement scaling is chosen as the basic structure of this cryogenic micro-displacement actuator. Cryogenic step motor is employed as the drive element, and the screw drive mechanism which contains specific anti-backlash structure is selected as the displacement scaling mechanism. This design develops a micro-displacement actuator which maintains satisfactory qualities such as high stiffness, low temperature resistance, compact structure and good leakproofness. Performance tests are also carried out. Test results indicate that the cryogenic micro-displacement actuator can achieve the step accuracy of 1μm ± 0.082μm at ambient temperature, and its load capacity meets the design requirements; meanwhile, the cryogenic micro-displacement actuator can achieve the step accuracy of 2μm ± 0.404μm at low temperature. This cryogenic micro-displacement actuator will provide important technical support for the construction of the splicing polar astronomical telescope.

Key words:Micro-displacement actuator; Astronomical telescope; Accuracy; Cryogenic; Screw drive

收稿日期：2015-05-31；

修訂日期：2015-06-12

作者簡(jiǎn)介：白清順，男，副教授. 研究方向：精密機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. Email: qshbai@hit.edu.cn 通訊作者：王群，碩士. 研究方向：微促動(dòng)器技術(shù). Email: dehuiwq@live.com

中圖分類號(hào)：P111； TH751

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào):1672-7673(2016)02-0199-06

CN 53-1189/PISSN 1672-7673