衛(wèi)星天線掃描驅(qū)動機構(gòu)的一體化設計及力學仿真

熊一帆 龍 澄 劉明利 劉 瑞 李寧杰

衛(wèi)星天線掃描驅(qū)動機構(gòu)的一體化設計及力學仿真

熊一帆 龍 澄 劉明利 劉 瑞 李寧杰

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

衛(wèi)星天線掃描驅(qū)動機構(gòu)的剛度、精度及固有頻率直接影響著載荷分系統(tǒng)的可靠性、精度和壽命。本文設計了一種由步進電機、行星減速器、旋轉(zhuǎn)變壓器串裝的一體化軸系驅(qū)動機構(gòu)；首先分析了驅(qū)動機構(gòu)的軸系方案選型布局，再對驅(qū)動機構(gòu)的軸系設計進行了剛度分析與指向精度分析，為軸系設計提供了理論依據(jù)；最后對驅(qū)動機構(gòu)整體進行了力學仿真，進一步驗證了結(jié)構(gòu)設計的合理性。

驅(qū)動機構(gòu)；軸系；剛度分析；精度分析；力學仿真

1 引言

衛(wèi)星天線掃描驅(qū)動機構(gòu)是星載天線實現(xiàn)掃描功能的執(zhí)行機構(gòu)，用于載荷天線在軌轉(zhuǎn)動，改變微波波束方向，從而變換載荷系統(tǒng)的工作區(qū)域。掃描驅(qū)動機構(gòu)是載荷天線探測頭部與衛(wèi)星平臺間的連接支撐機構(gòu)，需要在軌持續(xù)轉(zhuǎn)動，是影響載荷分系統(tǒng)使用壽命和可靠性的主要部件[1，2]。

目前國內(nèi)外對衛(wèi)星天線掃描驅(qū)動機構(gòu)做了許多研究，大多研究關(guān)注在滿足特定需求的掃描驅(qū)動結(jié)構(gòu)設計、伺服控制系統(tǒng)設計、長壽命高可靠性分析等方面，而對于驅(qū)動機構(gòu)軸系剛度及指向精度等研究分析較少。如中國科學院長春光學精密機械與物理研究所通過軸系方案的選擇分析、環(huán)境適應性設計以及剛度設計，設計了一種滿足月基轉(zhuǎn)臺軸系[3]；中國空間技術(shù)研究院西安分院王輝等研究分析了一種天線掃描機構(gòu)轉(zhuǎn)動單元的軸系剛度并進行仿真驗證，為天線掃描機構(gòu)的設計和優(yōu)化提供了理論基礎[4]；上海航天電子技術(shù)研究所劉高峰等對風云三號中微波成像儀的掃描驅(qū)動機構(gòu)進行了使用壽命和高可靠性分析，并據(jù)此提出了提高在軌使用壽命與可靠性的工藝改進措施[5]。

針對衛(wèi)星天線掃描驅(qū)動機構(gòu)在軌工作中要保持高旋轉(zhuǎn)精度、高可靠性長壽命的需求，設計了由步進電機、行星減速器、旋轉(zhuǎn)變壓器與旋轉(zhuǎn)主軸一體串行裝配，提高驅(qū)動機構(gòu)精度和壽命。根據(jù)掃描驅(qū)動機構(gòu)的性能指標，對驅(qū)動機構(gòu)的軸系方案進行了選型分析，并對軸系剛度和指向精度進行了建模分析，驗證了軸系設計的剛度和指向精度滿足要求。最后通過力學仿真進一步驗證了掃描驅(qū)動機構(gòu)設計的合理性。

2 驅(qū)動機構(gòu)設計

2.1 驅(qū)動機構(gòu)設計指標

本文中的掃描驅(qū)動機構(gòu)應用于某毫米波溫濕度計探測儀，能實現(xiàn)每個周進行場景觀測、熱源定標、冷空定標。掃描驅(qū)動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)精度、指向精度決定了探測儀的掃描精度?？紤]到掃描驅(qū)動機構(gòu)工作特性，掃描驅(qū)動機構(gòu)的設計指標要求如表1所示。

表1 掃描驅(qū)動機構(gòu)的指標要求

2.2 驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計

基于上述設計性能指標要求，衛(wèi)星天線掃描驅(qū)動機構(gòu)需整體布局緊湊，且各類傳動部件和測角元件應選型合理。設計的衛(wèi)星天線驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由步進電機、行星減速器、旋轉(zhuǎn)變壓器與旋轉(zhuǎn)主軸一體串行裝配，軸系結(jié)構(gòu)采用一體化設計方案。

圖1 衛(wèi)星天線掃描驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

該設計采用一體化軸系設計方案，減少了各部件間的連接，提高了驅(qū)動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)精度與可靠性，達到結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、體積小的目的[6]。其中，總體方案的設計主要集中在電機、測角傳感器、減速器等元器件的選擇、滾動軸承選型與安裝形式，以及轉(zhuǎn)軸軸系設計。合理選擇各元器件可有效保證掃描驅(qū)動機構(gòu)的機電性能，提高其使用壽命與可靠性。軸承的選擇與安裝形式直接影響軸系剛度，轉(zhuǎn)軸的設計依據(jù)由各器件選型及安裝形式而定。故這三者相輔相成，需不斷優(yōu)化設計。

根據(jù)驅(qū)動機構(gòu)設計指標瞬時指向精度高、低速平穩(wěn)的要求，本設計選用比較成熟可靠的步進電機作為驅(qū)動動力源。步進電機體積小、質(zhì)量輕、無累積誤差，尤其是低速時性能良好，且在國內(nèi)空間機構(gòu)中已廣泛使用[7]。由于本掃描驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)速較低，為35.3r/min，故使用低減速比的行星減速器。考慮到定位精度和可靠性要求，因此采用結(jié)構(gòu)簡單、成本低、檢測精度高、環(huán)境適應力強的旋轉(zhuǎn)變壓器作為測角元器件。旋轉(zhuǎn)變壓器使步進電機形成閉環(huán)控制。

3 軸系設計分析

3.1 軸系剛度[8～12]

為提高軸系旋轉(zhuǎn)精度和承受軸向載荷能力，支撐軸承選用一對角接觸軸承。角接觸軸承采用背對背配對安裝，以提高整個軸系剛度和軸系抗傾覆能力。其中，角接觸軸承選用719系列，該系列軸承相對于其他類型角接觸軸承擁有更多的滾珠數(shù)目和更大的軸徑，有利于提高軸系的剛度。同時，由于掃描驅(qū)動機構(gòu)是低速運轉(zhuǎn)，故軸承接觸角選擇25°類型，進一步提高軸系軸向負載能力與軸系剛度。軸承采用定位預緊的方式，調(diào)整軸承游隙，確定預緊力,以提高軸系剛度與旋轉(zhuǎn)精度。而預緊載荷的大小，應根據(jù)應用工況（載荷、速度、設計參數(shù)）和期望得到的工作狀態(tài)（最大壽命、最好剛度、低的熱量產(chǎn)生等）確定。本設計針對驅(qū)動機構(gòu)負載、轉(zhuǎn)速、設計指標及剛度要求分析預緊力。

根據(jù)Hertz接觸理論，對于角接觸球軸承彈性趨近量與載荷的關(guān)系為：

其中：Ci、C為內(nèi)外圈接觸處彈性趨近量系數(shù)，C為材質(zhì)系數(shù)，D為滾珠直徑，f、f為內(nèi)外溝曲率系數(shù)。

通過查表并計算得：Ci=1.6×10-4，C=1.9×10-4。由式（2）得彈性變形常數(shù)=2.458×10-4。初步設定預緊力為10N，由式（1）得該預緊力下軸承的接觸剛度為：

由圖2所示軸承組簡化模型可知，轉(zhuǎn)軸傾斜對應于在接觸面法線方向產(chǎn)生1的彈性變形，其間關(guān)系為：

其中，為軸承滾珠到軸線距離，設計值為22.5mm；為兩軸承的間距一半，設計值為7.5mm。

其中，每個剛度在與外溝道壓緊時必與內(nèi)溝道松開，以及軸承本身的對稱性，得到該支承方式的外界干擾力矩：

則由式（4）～式（6），該支承方式的抗傾斜剛度：

根據(jù)動量矩定理，外力矩與動量矩的關(guān)系為：

其中：I、I為慣性積，I為負載繞Z軸的轉(zhuǎn)動慣量。

負載轉(zhuǎn)動慣量測得：I=15312kg·mm2，I=1.838×10-3kg·mm2，I=37956kg·mm2。

忽略I，由式（8）、式（9）得：

3.2 軸系指向精度分析

驅(qū)動機構(gòu)在旋轉(zhuǎn)方向上的指向精度由控制精度決定，而偏離理想軸線指向的角度偏差則由結(jié)構(gòu)的機械精度決定。軸線指向偏差產(chǎn)生的原因是由軸承、軸承安裝孔和軸系制造誤差引起，當然高速運轉(zhuǎn)的軸系還受動不平衡量和支承剛度綜合影響。對于后者，因驅(qū)動系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)速度較低，可以不予考慮。

4 力學仿真分析

4.1 驅(qū)動機構(gòu)模態(tài)分析

掃描驅(qū)動機構(gòu)固有頻率是整機設計的重點考核特性之一。當驅(qū)動機構(gòu)固有頻率過低則整機剛度不足，易受振動或沖擊破壞，故設計完成后需進行模態(tài)分析，考核整機的剛度性能。

圖3 驅(qū)動機構(gòu)網(wǎng)格劃分

首先對掃描驅(qū)動機構(gòu)建模分析，簡化模型，去除不必要的零件（如螺釘?shù)龋?。再則將軸承滾珠簡化為四根沿徑向分布的彈簧，其他機構(gòu)之間通過定義接觸實現(xiàn)相互作用。掃描驅(qū)動機構(gòu)的整體有限元模型如圖3所示，其采用四面體單元網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格數(shù)13019，節(jié)點數(shù)301795。

對于整機的力學性能影響最大是掃描驅(qū)動機構(gòu)的一階模態(tài)，因此只取前四階模態(tài)分析。掃描驅(qū)動機構(gòu)整機前四階模態(tài)分析結(jié)果如表2所示。

表2 掃描驅(qū)動機構(gòu)前四階模態(tài)結(jié)果

驅(qū)動機構(gòu)前四階模態(tài)如圖4所示。

圖4 驅(qū)動機構(gòu)前四階模態(tài)

由仿真結(jié)果可知，掃描驅(qū)動機構(gòu)的前四階固有頻率較高，其1階固有頻率遠大于設計指標基頻100Hz，在發(fā)射和在軌運行過程中不會發(fā)生共振，滿足設計要求。

4.2 驅(qū)動機構(gòu)正弦響應分析

設計階段時，驅(qū)動機構(gòu)的正弦響應分析可以獲取所關(guān)注部位的加速度響應，判斷結(jié)構(gòu)動態(tài)放大特性，指導結(jié)構(gòu)構(gòu)型設計；并可以獲取關(guān)注結(jié)構(gòu)的應力、應變、力，校核結(jié)構(gòu)強度，指導結(jié)構(gòu)設計。本設計在低頻正弦仿真中，主要考察的振動頻率范圍為2～100Hz，三個方向的載荷幅值9g，掃描速率2oct/min-1，有限元分析中殼體的底面采用固定約束。

分別對、、方向進行正弦振動仿真分析，在2～100Hz內(nèi)找出驅(qū)動機構(gòu)整機及各零件的加速度響應，驗證是否與整機存在共振放大效應；并得到最大應力集中點，進行強度校核。

通過仿真分析得方向的正弦響應分析中最大加速度響應，最大加速度響應均出現(xiàn)在振動頻率為100Hz的仿真中，、、方向的100Hz正弦響應最大加速度響應云圖如圖5所示。

圖5 最大加速度云圖

再通過對、、方向的正弦響應的最大應力進行分析，結(jié)果得、、方向的最大應力均也出現(xiàn)在振動頻率為100Hz時，、、方向在振動頻率為100Hz時正弦響應應力云圖如圖6所示。

圖6 最大應力云圖

通過云圖得，方向加速度響應最大，加速度均方根值為10.385g，加速度均方根值放大倍率為1.154，滿足安全使用裕度，驗證了與整機不存在共振放大效應。方向也為整機出現(xiàn)應力最大的方向，應力主要集中在主殼體上，最大應力為9.123MPa。然而，機殼材料為鈦合金TC4，其屈服強度為825MPa，強度裕度充分，因此整機可以通過條件嚴苛的正弦振動實驗。

5 結(jié)束語

1 于春旭，李睿，國鋒. 一種微型空間驅(qū)動機構(gòu)設計及力學仿真驗證[J]. 空間控制技術(shù)與應用，2016，6(42)：20～25

2 徐振宇. 衛(wèi)星天線掃描控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 西安：西安電子科技大學，2012

3 楊亮，李朝輝，胡慶龍，等. 月基二維轉(zhuǎn)臺的軸系設計[J]. 儀器儀表學報，2015，36：20～24

4 王輝，鄭士昆，朱佳龍，等.星載天線掃描機構(gòu)軸系剛度計算與仿真分析[J]. 空間電子技術(shù)，2018(1)：70～73

5 劉高峰，陳衛(wèi)英，翁藝航，等. FY-3 衛(wèi)星微波成像儀延壽技術(shù)分析和研[J]. 中國工程科學，2013，15(7)：101～104

6 劉澤九. 滾動軸承應用手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006

7 張書洋，張樸真，何永強，等. 衛(wèi)星天線一體化軸系驅(qū)動機構(gòu)研究[J]. 工程設計學報，2019，26(4)：20～24

8 董嘉珩. 衛(wèi)星天線掃描控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 西安：西安電子科技大學，2012

9 王槐，代霜，張景旭，等. 4m光學望遠鏡方位軸系集成支撐結(jié)構(gòu)[J]. 儀器儀表學報，2013，34(12)：2777～2784

10 Clark C S，Jacoby M S. Redesign and test of cryogenic mechanism for improved stiffness[C]. International Society for Opties and Photonics，2011:81500J-12

11 李朝輝，王忠素，胡慶龍，等. 月基極紫外相機跟蹤轉(zhuǎn)臺設計與剛度分析[J]. 儀器儀表學報，2013，34(12)：2535～2541

12 鄧四二，賈群義. 滾動軸承設計原理[M]. 中國標準出版社，2014

13 劉澤九. 滾動軸承應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007

Integrated Design and Mechanical Simulation of Satellite Antenna Scanning Driving Mechanism

Xiong Yifan Long Deng Liu Mingli Liu Rui Li Ningjie

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

The stiffness, accuracy and natural frequency of the satellite antenna scanning drive mechanism directly affect the reliability, accuracy and life of the load subsystem. The paper designs an integrated shafting drive mechanism which is assembled in series by stepping motor, planetary reducer and rotary transformer. Firstly, the shafting scheme of the driving mechanism is selected and analyzed. In addition, stiffness analysis, precision analysis are carried out for shafting design of driving mechanism, which provides theoretical basis for shafting design. Finally, the mechanical simulation of the whole driving mechanism is carried out to further verify the rationality of the structure design.

driving mechanism；shafting；stiffness analysis；accuracy analysis；mechanical simulation

V19

A

國家民用航天空間基礎設施中長期發(fā)展規(guī)劃項目（D010101）。

熊一帆（1993），碩士，機械工程專業(yè)；研究方向：衛(wèi)星有效載荷驅(qū)動機構(gòu)設計。

2021-11-02