李曉 于婷婷 王淳

一種高精度半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李曉1,2于婷婷3王淳1

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）（3 北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廊坊 065000）

為了實(shí)現(xiàn)“海洋一號(hào)”C/D衛(wèi)星定標(biāo)光譜儀的星上太陽(yáng)定標(biāo)，完成星下點(diǎn)±30°定標(biāo)區(qū)域內(nèi)高精度成像，文章采用直接驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)了一種高精度半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)。為了避免間接驅(qū)動(dòng)引入的誤差，實(shí)現(xiàn)角秒級(jí)的定位精度，半角機(jī)構(gòu)采用了固體潤(rùn)滑角接觸球軸承支撐，高精度分體式直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，測(cè)角反饋元件為無(wú)刷雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器，指向定位控制采用了基于位置反饋的閉環(huán)控制。在仿真基礎(chǔ)上研制了等比試驗(yàn)件，通過(guò)了振動(dòng)、壽命和溫度等試驗(yàn)測(cè)試，機(jī)構(gòu)指向和定位精度分別優(yōu)于36″和18″。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，文章提出的基于直接驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)方法能夠滿足在軌指向高精度的要求，可為后續(xù)空間高精度半角機(jī)構(gòu)以及類似的指向定位機(jī)構(gòu)研制提供參考。

誤差因素 指向機(jī)構(gòu) 半角反射鏡 定標(biāo)光譜儀 “海洋一號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

20世紀(jì)70年代以來(lái)，航天遙感技術(shù)在資源探測(cè)、氣象預(yù)報(bào)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著空間遙感任務(wù)需求的不斷提升，空間分辨率要求越來(lái)越高，空間光學(xué)遙感載荷設(shè)備越來(lái)越精密，航天器指向、定位精度的要求也越來(lái)越高。2018年9月7日成功發(fā)射的“海洋一號(hào)”C/D（HY-1 C/D）衛(wèi)星作為HY-1 B衛(wèi)星的后續(xù)星[1-3]，將在HY-1B衛(wèi)星壽命末期接替HY-1B衛(wèi)星，以確保海洋水色衛(wèi)星連續(xù)業(yè)務(wù)運(yùn)行。其中星上定標(biāo)光譜儀用于實(shí)現(xiàn)對(duì)水色水溫掃描儀及紫外成像儀的高精度星上定標(biāo)[4-6]，并具有星上太陽(yáng)定標(biāo)功能及星下點(diǎn)±30°范圍內(nèi)（0°、±10°、±20°、±30°共7個(gè)點(diǎn)）定標(biāo)區(qū)域的成像能力。光譜儀依靠一維指向機(jī)構(gòu)完成整個(gè)成像前光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)對(duì)不同角度的指向，當(dāng)光束經(jīng)過(guò)前光學(xué)系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)半角反射鏡反射到分色片上，通過(guò)分色片將譜段分離。這就需要設(shè)計(jì)支撐半角反射鏡的機(jī)構(gòu)，并配合一維指向機(jī)構(gòu)完成光軸指向。半角反射鏡運(yùn)動(dòng)角度為一維指向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角度的一半，因此要求承載半角反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具備較大的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍、較高的轉(zhuǎn)角分辨率和轉(zhuǎn)角定位精度，同時(shí)還具備較快的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

目前在光譜儀器中應(yīng)用比較廣泛的角位移驅(qū)動(dòng)方式主要有蝸輪蝸桿傳動(dòng)、杠桿傳動(dòng)以及鋼帶滾輪傳動(dòng)三種方式：1）蝸輪蝸桿傳動(dòng)。最大優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)動(dòng)角度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)比線性固定以及可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的轉(zhuǎn)動(dòng)速度等。不過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)存在分辨率低以及反向間隙大等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)較高定位精度[7]。2）杠桿傳動(dòng)。主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，色散元件的轉(zhuǎn)角分辨率比較高。通過(guò)杠桿傳動(dòng)關(guān)系式可知，增長(zhǎng)杠桿臂長(zhǎng)就可以提高轉(zhuǎn)角分辨率，但根據(jù)材料力學(xué)中一端固定、一端受力梁的撓曲變形計(jì)算公式[8-9]可知，隨著杠桿臂長(zhǎng)的增大，其撓曲變形量會(huì)以立方的比例增加，因此單純加長(zhǎng)杠桿臂長(zhǎng)會(huì)影響到整個(gè)儀器的結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性，使得杠桿形式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)角精度。3）帶傳動(dòng)。適用于多棱鏡系統(tǒng)在各棱鏡間轉(zhuǎn)速比為常數(shù)，并且轉(zhuǎn)軸相距離較大的情況，通過(guò)設(shè)計(jì)各棱鏡滾輪的直徑，可以按要求實(shí)現(xiàn)各棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的速比，具有速比恒定的優(yōu)點(diǎn)。但由于整套機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)較多，傳動(dòng)精度很難保證，而且鋼帶也容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

由上述分析可見(jiàn)，以上三種角位移驅(qū)動(dòng)方式都無(wú)法同時(shí)滿足轉(zhuǎn)角分辨率、絕對(duì)定位精度、定位速度以及轉(zhuǎn)動(dòng)范圍等性能指標(biāo)的要求。為此本文基于直接驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)了一種半角機(jī)構(gòu)，由分體式直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，避免了減速傳動(dòng)引入誤差，通過(guò)原型試驗(yàn)驗(yàn)證，可以有效提高系統(tǒng)精度，滿足空間遙感相機(jī)對(duì)指向定位的高分辨率、高精度、高可靠性的需求。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)是“海洋一號(hào)”C/D星定標(biāo)光譜儀中唯一的隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，旨在配合一維指向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)定標(biāo)位置和7個(gè)對(duì)地成像位置的高精度指向，主要指標(biāo)要求如下：

1）運(yùn)動(dòng)角度：有效運(yùn)動(dòng)角度范圍為–45°~+45°，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)角度為360°；

2）指向精度：優(yōu)于36″；

3）轉(zhuǎn)軸晃動(dòng)量：＜21″；

4）一階基頻≥200Hz；

5）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量≤0.000 1kg·m2；

6）電機(jī)力矩裕度＞1；

7）質(zhì)量≤3kg。

圖1 半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)示意

可以看出，該半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)不僅要具有較大的負(fù)載能力、驅(qū)動(dòng)力矩和結(jié)構(gòu)剛度，而且還要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)定標(biāo)位置和對(duì)地成像位置的高精度指向。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要考慮到相機(jī)整體布局、半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)與相機(jī)主體的連接方式，以及加工、裝配和調(diào)試的方便性。采用直接驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行方案設(shè)計(jì)優(yōu)化，以質(zhì)量最小為目標(biāo)，同時(shí)保證剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量滿足設(shè)計(jì)需求。結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，采用單端支撐的形式，主要由轉(zhuǎn)軸、電機(jī)組件、軸承、旋轉(zhuǎn)變壓器組件、反射鏡組件、旋轉(zhuǎn)變壓器定子座和基座等幾部分組成。其中反射鏡組件直接與轉(zhuǎn)軸連接，電機(jī)組件通過(guò)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，半角反射鏡做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，配合一維指向機(jī)構(gòu)完成位置指向，旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子和定子通過(guò)與定子座的固定連接，安裝在基座上。

1.1 支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括半角反射鏡組件、電機(jī)轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子及其連接件和緊固件，總計(jì)質(zhì)量約0.47kg，慣量為6.18×10–5kg·m2，質(zhì)心在轉(zhuǎn)軸上。根據(jù)相機(jī)力學(xué)環(huán)境條件，三向（軸向、徑向）最大過(guò)載為30n（發(fā)射階段），則軸承最大負(fù)載max,b=0.47×9.8×30=138.2N。根據(jù)軸承的受力情況，可計(jì)算出單個(gè)軸承的靜載荷0r=max,b。

在支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用一對(duì)高精密（P4級(jí)）角接觸球軸承7004AC和7000C，將軸承支撐負(fù)載連接起來(lái)。角接觸球軸承7004AC的基本額定靜載荷0r=5 500N，7000C的基本額定靜載荷0r=1 800N，遠(yuǎn)大于單個(gè)軸承的靜載荷0r（138.2N），滿足力學(xué)強(qiáng)度條件。兩個(gè)角接觸球軸承進(jìn)行面對(duì)面安裝，可承受來(lái)自徑向、軸向等所有方向的各種載荷，也可以承受純軸向載荷；其軸向載荷能力由接觸角決定，并隨接觸角的增大而增大[10]，同時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)緊力提高主軸的剛度和旋轉(zhuǎn)精度，具有較大的抗彎強(qiáng)度，適于懸臂軸的支撐[11]，比同樣外形尺寸的深溝球軸承的動(dòng)、靜載荷容量大，極限轉(zhuǎn)速比高。

圖2 支撐結(jié)構(gòu)示意

軸承采用二硫化鉬固體潤(rùn)滑方式，通過(guò)防冷焊處理，使角接觸球軸承摩擦力矩受環(huán)境溫度影響減小[12]，相較于其他潤(rùn)滑方式，更適合在航天航空儀器上使用，具有無(wú)污染、彈塑性好、軸承的承載能力高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 軸系驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)中管理控制器能提供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大電流為5A，可計(jì)算出機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩裕度

滿足半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)的安全裕度大于1的要求。

由于電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子可以完全分離，并且電機(jī)轉(zhuǎn)子本身并無(wú)軸承支撐，這樣可以方便地將電機(jī)轉(zhuǎn)子與負(fù)載直接耦合在一起，完全省去了中間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此具有定位準(zhǔn)確、無(wú)空回、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷直流力矩電機(jī)的自身特性決定了其不會(huì)發(fā)生步進(jìn)電機(jī)的“失步現(xiàn)象”以及伺服電機(jī)的“抖動(dòng)現(xiàn)象”，因此不會(huì)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生“蠕動(dòng)現(xiàn)象”，并且有利于實(shí)現(xiàn)半角反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的低振動(dòng)特性，從而可以提高其精度和可靠性[14]。

1.3 角度傳感器的選擇

角度傳感器作為閉環(huán)控制的測(cè)量反饋元件，其自身的測(cè)量精度直接影響到系統(tǒng)的控制精度，因此選用無(wú)刷雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器（J50XFSW007）作為角度傳感器。相較于使用光柵編碼器的傳統(tǒng)方法，更適用于航空航天等溫度不穩(wěn)定、真空等惡劣環(huán)境。且這種無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器組成的R-C電感移相器相較于有刷變壓器，其移相精度在20′以上[15]；而雙通道相較于單通道的設(shè)計(jì)，更加滿足定位精度較高的位置伺服等需求，且靈敏度高[16]。

2 機(jī)構(gòu)精度分析

由于機(jī)械加工工藝以及裝調(diào)水平的限制，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的精度下降，因此，通過(guò)分析精度和控制各項(xiàng)誤差來(lái)提高機(jī)構(gòu)的指向精度和定位精度，是空間遙感相機(jī)獲取清晰圖像的關(guān)鍵。在對(duì)掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體精度分析時(shí)，需要考慮三個(gè)重要精度指標(biāo)：旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量精度c、光學(xué)測(cè)量精度g、機(jī)構(gòu)控制精度k，以及影響機(jī)構(gòu)精度的兩個(gè)誤差指標(biāo)[17-18]：晃動(dòng)量誤差a和軸系傾斜誤差b。為了保證機(jī)構(gòu)的總運(yùn)動(dòng)精度總<36″。需綜合以上精度指標(biāo)和誤差，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體的精度分析與驗(yàn)證。

其中旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量精度c，根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器的出廠指標(biāo)可知其測(cè)角精度為40″，重復(fù)定位精度可達(dá)0.1″，可以通過(guò)控制電路將測(cè)角精度標(biāo)到5″，即c=5?；光學(xué)測(cè)量精度g，機(jī)構(gòu)在裝調(diào)時(shí)，以經(jīng)緯儀所測(cè)量的角度作為理論位置來(lái)標(biāo)定旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)角精度，光學(xué)角度測(cè)量精度要求在5″內(nèi)，即g=5?；機(jī)構(gòu)控制精度k，由于指向控制采用基于位置反饋的閉環(huán)控制方式，可以實(shí)現(xiàn)高精度定位指向，其控制精度可達(dá)到k=20?。

2.1 誤差分析

半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)誤差來(lái)源主要有軸系晃動(dòng)量誤差和轉(zhuǎn)軸的不同軸帶來(lái)的誤差。根據(jù)半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)，正確分配與合成這些誤差因素，是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

（1）晃動(dòng)量誤差a

由于轉(zhuǎn)軸上兩個(gè)高精密角接觸球軸承，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，內(nèi)圈會(huì)發(fā)生徑向跳動(dòng)，兩個(gè)軸承內(nèi)圈之間存在一定的跨度a，當(dāng)一邊軸承晃動(dòng)導(dǎo)致兩軸承偏心，偏心距為1，產(chǎn)生一定的角度1，軸系晃動(dòng)誤差a對(duì)定位精度的影響均可等效為軸承內(nèi)圈跳動(dòng)帶動(dòng)軸的晃動(dòng)量a

式中1為軸系晃動(dòng)誤差引起的反射鏡組件的定位誤差。

（2）軸系傾斜誤差b

轉(zhuǎn)軸上安裝上成對(duì)的角接觸球軸承時(shí)，兩軸承軸端存在一定的同軸度，兩軸承之間的跨距為b，則電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸傾斜角度為2，偏差為2，所引起的軸系傾斜誤差b對(duì)定位精度的影響可等效為兩軸承軸端的傾斜量b

式中2為軸系傾斜誤差引起的定位誤差。

（3）各項(xiàng)誤差合成

由于影響機(jī)構(gòu)精度的誤差來(lái)源其大小與方向未能確切掌握，屬于未定系統(tǒng)誤差，且受加工工藝及裝調(diào)水平的影響，其取值具有一定的隨機(jī)性，服從一定的概率分布，它們之間某一些可能會(huì)出現(xiàn)一定的抵償作用[19-20]。因此，半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)的誤差傳遞函數(shù)的建立也只能作為隨機(jī)誤差模型進(jìn)行處理。

現(xiàn)設(shè)各誤差因素互不相關(guān)，各項(xiàng)誤差合成函數(shù)可以表示為

2.2 基于Monte Carlo法的誤差分配

根據(jù)Monte Carlo方法可知都服從正態(tài)分布，由科爾莫戈洛夫加強(qiáng)大數(shù)定理知[24]

應(yīng)用Monte Carlo方法求解[27]，取試驗(yàn)次數(shù)=10 000，利用MATLAB得到的計(jì)算結(jié)果為≤0.004 5mm，≤0.006mm。

綜上所述，機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)傳動(dòng)誤差應(yīng)控制在上述結(jié)果的范圍內(nèi)，才能滿足機(jī)構(gòu)精度需要。誤差分配后需要結(jié)合實(shí)際情況，依據(jù)現(xiàn)有水平分析各項(xiàng)指標(biāo)分配是否合理。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，軸承的內(nèi)圈徑向跳動(dòng)誤差應(yīng)小于0.004 5mm。半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)選用的P4級(jí)固體潤(rùn)滑角接觸球軸承，根據(jù)現(xiàn)有的加工水平，內(nèi)圈徑向跳動(dòng)量可以達(dá)到小于0.003mm，跨距56mm，根據(jù)式（2）計(jì)算，可得出晃動(dòng)量誤差a≤17.16″，故誤差分配合理。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，兩軸承軸端同軸度≤0.006mm。兩軸承軸端的同軸度，依現(xiàn)有的裝調(diào)工藝水平可以達(dá)到小于0.004mm這一要求，跨距51mm，根據(jù)式（3）計(jì)算，可得軸系傾斜誤差b≤16.2″，因此誤差分配合理。

通過(guò)以上對(duì)整體精度和誤差的分析，經(jīng)式（1）計(jì)算可知，半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)的指向精度滿足總<36″的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3 有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模態(tài)分析

固有模態(tài)是檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)，應(yīng)用Ansys對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。仿真時(shí)約束基座的固定孔，放開(kāi)活動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，設(shè)定角鏡組件的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檩S方向，安裝面法線方向?yàn)榉较?、機(jī)構(gòu)軸向?yàn)榉较颉D3為機(jī)構(gòu)約束狀態(tài)下的第一階~六階模態(tài)，根據(jù)仿真結(jié)果可知，一階基頻392Hz，滿足一階基頻＞200Hz設(shè)計(jì)要求。

一階f=392Hz二階f=528Hz三階f=1 012Hz 四階f=1 069Hz五階f=1 327Hz六階f=2 243Hz

3.2 振動(dòng)試驗(yàn)

根據(jù)半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)大綱的要求，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行特征級(jí)正弦掃描試驗(yàn)，低量級(jí)、驗(yàn)收級(jí)正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。其中，特征級(jí)正弦掃描是在各項(xiàng)振動(dòng)試驗(yàn)前后各進(jìn)行一次，作為振動(dòng)試驗(yàn)的對(duì)比檢查基準(zhǔn)，低量級(jí)隨機(jī)試驗(yàn)條件按照驗(yàn)收級(jí)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件量級(jí)的1/4進(jìn)行，試驗(yàn)條件如表1、表2所示。在半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)上選擇兩個(gè)位置安裝加速度傳感器，作為振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)測(cè)量點(diǎn)，如圖4所示。測(cè)點(diǎn)1設(shè)置在半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)基座上，用于檢測(cè)半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)與工裝的連接強(qiáng)度。測(cè)點(diǎn)2設(shè)置在半角反射鏡負(fù)載與機(jī)構(gòu)的連接處，用于檢測(cè)負(fù)載處的放大倍數(shù)，振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表1 驗(yàn)收級(jí)正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件

Tab.1 Acceptance level sinusoidal vibration test conditions

表2 驗(yàn)收級(jí)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

Tab.2 Acceptance level random vibration test conditions

圖4 振動(dòng)試驗(yàn)

表3 機(jī)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Mechanism vibration test results

從振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，振動(dòng)試驗(yàn)在三個(gè)方向的一階頻率分別為388.0Hz、389.8Hz、393.4Hz，與仿真分析結(jié)果一階基頻392Hz相符，且在試驗(yàn)頻率內(nèi)（5~100Hz），三個(gè)方向內(nèi)一階基頻均滿足≥200Hz的指標(biāo)要求。頻漂均小于5%，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。這表明試驗(yàn)過(guò)程中的指向機(jī)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，部組件結(jié)構(gòu)可靠；試驗(yàn)結(jié)果中位置標(biāo)記顯示半角反射鏡連接負(fù)載處經(jīng)過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)后，三個(gè)方向的響應(yīng)放大倍數(shù)分別為2.04、1.06、0.98，機(jī)構(gòu)頻率響應(yīng)正常，滿足試驗(yàn)要求。

3.3 壽命和溫度試驗(yàn)

為驗(yàn)證半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)滿足地面調(diào)試及在軌工作5年、運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)5.2×104的壽命要求，研制了同批次試驗(yàn)件，進(jìn)行1?1壽命試驗(yàn)。要求在地面工作循環(huán)次數(shù)＞1.56×104（1.5年）次，為了保證工作壽命，總循環(huán)次數(shù)不少于6.76×104次，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。在控溫（先低溫10℃，再高溫35℃，變化速率為≥1℃/min）控濕（≤10%濕度）的環(huán)境下進(jìn)行溫度拉偏試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Mechanism life test results

表5 機(jī)構(gòu)溫度拉偏試驗(yàn)結(jié)果

Tab.5 Mechanism thermal soak test

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，壽命末期電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩裕度仍＞1，滿足指標(biāo)要求。半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)在壽命和溫度試驗(yàn)后，隨著機(jī)構(gòu)軸系摩擦力矩增大，轉(zhuǎn)軸晃動(dòng)量逐漸減小，試驗(yàn)結(jié)果表明晃動(dòng)量滿足21″的設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)前后兩個(gè)位置指向精度均優(yōu)于36″，滿足指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)HY-1 C/D星上定標(biāo)光譜儀半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，探討了空間高精度高穩(wěn)定度指向技術(shù)，提出了一種固體潤(rùn)滑角接觸球軸承支撐、分體式直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)、無(wú)刷雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)角的高精度半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。指向控制采用基于位置反饋的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)高精度定位指向，通過(guò)Monte Carlo方法合成和分配機(jī)構(gòu)誤差，來(lái)保證機(jī)構(gòu)的精度。對(duì)半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)、壽命和溫度拉偏試驗(yàn)，并隨定標(biāo)光譜儀整機(jī)進(jìn)行真空環(huán)境下的振動(dòng)試驗(yàn)和溫度拉偏試驗(yàn)，結(jié)果表明：

1）半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單端支撐，一階基頻可達(dá)392Hz，滿足系統(tǒng)剛度要求；

2）機(jī)構(gòu)在多種環(huán)境條件下的晃動(dòng)量滿足≤21″，指向精度優(yōu)于36″；

3）機(jī)構(gòu)完成了振動(dòng)、壽命、溫度拉偏試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程前后機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩裕度均＞1，滿足在軌運(yùn)轉(zhuǎn)的力矩要求；

4）機(jī)構(gòu)總質(zhì)量2.3kg，通過(guò)可靠性分析，滿足壽命使用要求和指標(biāo)要求≤3kg。

目前該半角反射鏡指向機(jī)構(gòu)已在軌穩(wěn)定運(yùn)行，可用于空間遙感的星上定標(biāo)成像，并可為其他的高指向精度的可靠性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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Design and Implementation of A New Half-angle Mirror Steering Mechanism with High Accuracy

LI Xiao1,2YU Tingting3WANG Chun1

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）（3 North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065000, China）

In order to achieve the on-board sun calibration for the spectrometer of the HY-1C/D satellite and acquire images with high precision under the scanning area from –30° to +30°, a new half-angle mechanism with high pointing and positioning precision based on direct-driving pattern is developed. To avoid the errors introduced by indirect driving and reach the position precision with arc second level, several measures are adopted in the mechanism such as supporting by solid-lubricated angular contact ball bearing, driving by split DC torque motor, measuring angle by brushless dual-channel rotary transformer and closed-loop control based on position feedback. Under design and simulation optimization, the prototype mechanism with same size has been developed and survived the ground tests such as vibration, life and thermal soak, with the pointing and positioning precision less than 36″ and 18″ respectively. The simulation and experiment results show that the proposed method in the paper based on direct-driving pattern can meet the stern requirement on precision, which can be a valuable basis for the succeeding space mechanism including similar half-angle mechanism and others.

error factor; steering mechanism; half-angle mirror; calibration spectrometer; HY-1 satellite

V423.4

A

1009-8518(2019)04-0076-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2019.04.009

李曉，男，1990年生，2013年獲哈爾濱工程大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，工程師。研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)遙感器機(jī)構(gòu)。E-mail：690035339@qq.com。

2019-01-23

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

（編輯：王麗霞）