贺兴隆，王玉琳
(合肥工业大学机械工程学院，安徽合肥 230009)
控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope，CMG)是应用在航天器上通过角动量交换产生控制力矩的惯性执行部件，它是实现对航天器姿态控制的一个极其重要的装置[1-2]。CMG主要由机架驱动-机座系统和转子-框架系统两部分组成[3-4]。在转子-框架系统中安装有高速旋转的转子与很多高精密的传感器，组装时需要对它进行严格的封装，最终让CMG内部保持真空状态，以提高CMG的控制精度与使用寿命[5-6]。目前对于CMG壳体的封装，大多采用手工钎焊工艺来完成，焊料多为Sn63A。采用钎焊的优点在于焊锡熔点低、焊接温升小，焊接过程不至于造成轴承处润滑脂的熔化或损坏内部高精密传感器[7]。同时，采用焊锡钎焊的工艺也是考虑到CMG壳体拆解的需要，当CMG在试验过程出现问题时，需要将壳体打开，此时采用焊锡钎焊即可容易实现解焊[8]。但在实践过程中，手工钎焊存在焊接效率低、焊缝表面质量差、焊缝力学性能差、焊缝气密性差[9]、焊接过程温升高等严重问题。近年来，随着我国航空航天事业的飞速发展，CMG的使用量快速增加，手工钎焊已经不能满足CMG的生产需要。因此，亟待研发一种高精度的、自动化的CMG专用随形焊接装置。
图1所示为CMG的外观，其外壳和框架通过螺钉拼装后，需要采用焊锡钎焊将镀锡铜带紧紧箍在接缝表面，要求保证焊缝的表面质量、力学性能和气密性；
同时还要控制焊接过程壳体的温度，以保证内部零件不会被损坏。目前常用的CMG中，外壳和框架结合处接缝的形状为圆形的较少，多为非圆形，如带有圆弧的菱形等，因此手工焊接非常困难。
图1 CMG的外观
1.1 焊接装置总体结构
如图2所示，针对CMG非圆壳体的钎焊，所设计的随形焊接装置具有4个坐标轴x、y、z、B，其中:x、y、z为移动坐标轴，B为绕y轴的旋转坐标轴。可以看出：整个装置为一龙门架结构，龙门架横梁的左右移动方向定义为x轴方向。龙门架左右两侧各有一支架，在两个支架的顶端分别设置一个可以前后移动的机构，移动方向定义为y轴方向，y轴上的两个移动机构各受控于一台伺服电机。在龙门架的横梁上设置一个可以竖直移动的机构，移动方向定义为z轴方向。焊丝输送机构和钎焊烙铁等均固定在z轴移动机构上。绕y轴的旋转机构的旋转方向定义为B轴方向，伺服电机驱动一卧式安装的回转台，待焊工件夹持在三爪卡盘上。
图2 CMG随形焊接装置结构简图
4个坐标轴的运动机构均安装在工作平台上。x、y、z3个移动机构均由交流伺服电机拖动、滚珠丝杠副传动，其中：z轴为竖直上下移动，z轴伺服电机需要加装失电制动装置；
B轴的工件回转由交流伺服电机带动蜗轮蜗杆副减速实现。在焊接过程中，需要x、y、z、B轴的协同配合。
1.2 钎焊执行机构
如图3所示，CMG壳体的钎焊执行机构主要由钎焊烙铁12和焊丝送丝机构5等组成。钎焊烙铁为温度可控的调温烙铁，烙铁头部装有温度传感器2，与CMG随形焊的控制装置构成温度闭环控制系统。钎焊烙铁具有两个自由度，一方面，固定在夹板10上的钎焊烙铁12可以通过弹簧13沿其轴向产生移动；
另一方面，钎焊烙铁12可以通过可转动支架15绕着轴销9转动。焊接过程中，钎焊烙铁的头部3与待焊工件表面不呈90°，而是倾斜约15°，依靠烙铁、夹板和转动支架等的重力搭在待焊工件表面，当烙铁头遇到工件表面的凸起时可以顺利通过而不至于损坏。焊接路径由B轴的旋转和z轴的上下移动耦合实现，可以根据CMG壳体的CAD图纸进行坐标转换获得。自动焊接过程中尚需自动输送焊料，图3中焊丝6由步进电机8通过送丝机构5经送丝管4和出丝枪1输送到烙铁头附近，送丝速度由控制系统设定。
图3 钎焊烙铁及焊丝输送机构
CMG随形焊接装置的伺服传动机构包括x、y、z3个移动轴和1个旋转轴B，下面重点介绍B轴和y轴，其余类似。
2.1 B轴伺服电机选型计算
如图2所示，B轴伺服电机通过蜗轮蜗杆减速后驱动回转工作台，工作台上固定有三爪卡盘，待焊工件通过工装夹持在三爪卡盘上。蜗轮蜗杆传动副具有减速比大、传动平稳、运动自锁等优点。B轴伺服电机所承受的负载主要为惯性负载，包括回转盘的质量、卡盘法兰的质量、卡盘的质量、夹具的质量以及工件的质量等，累计质量mB≈120 kg。待焊工件与工装部分的平均回转直径DB≈320 mm，蜗轮蜗杆副的减速比iB=40。初选90SY-M02430型伺服电机，其转子惯量JmB=3.7×10-4kg·m2。据此可求得折算到B轴伺服电机转轴上的等效转动惯量JeqB=(mB×DB2/8)/iB2+JmB=1.33×10-3kg·m2。
非焊接状态下，工件要求的最高转速n工=20 r/min，对应B轴伺服电机的转速nB=iB×n工=40×20 r/min =800 r/min。设B轴伺服电机由静止加速至800 r/min所需时间tB=0.15 s，取传动效率ηB=0.75，则可算出B轴伺服电机空载起动时，转轴所承受的负载转矩TB=(2π×JeqB×nB)/(60tBηB)=1.0 N·m。取安全系数KB=2.0，则应有B轴伺服电机的理论额定转矩TNB≥KB×TB=2.0 N·m。为此，可选台湾韩宇公司的90SY-M02430型交流伺服电机(配套驱动器型号为SG-20A)，额定转矩2.4 N·m、额定转速3 000 r/min、转子惯量3.7×10-4kg·m2。
针对蜗轮蜗杆减速机构，为使伺服电机具有良好的起动能力和较快的响应速度，通常要求伺服电机的负载惯量与转子惯量之比介于3～10之间[10]，可以算得JeqB/JmB=3.59，因此B轴电机满足需求。
2.2 y轴滚珠丝杠选型计算
由图2可以看出，左右两侧的y轴移动机构与上面的x轴移动机构形成龙门架结构。y轴的两个移动机构分别受控于一台伺服电机，两台伺服电机又受随形焊控制系统的同步控制。两侧y轴所承受的负载主要为龙门架横梁的惯性负载，横梁上所有部件的总质量my约为100 kg。y轴方向的直线运动由两台伺服电机分别直接驱动两根滚珠丝杠实现，其螺母滑块最快移动速度vmaxy=3 000 mm/min、加速时间ty=0.05 s、加速度ay=vmaxy/ty=1.0 m/s2。当横梁从静止加速到3 000 mm/min的移动速度时，横梁所产生的推力Fy=myay=100 N。设y轴的总体传动效率ηy=0.75，y轴两侧导轨的颠覆力矩影响系数Ky=1.25，导轨的摩擦因数μ=0.005，则y轴两根滚珠丝杠共同承受的最大轴向力为FM=KyFy/ηy=166.7 N，求得y轴单根滚珠丝杠的最大工作载荷Fm=FM/2=83.4 N。
初选y轴滚珠丝杠导程Phy=5 mm，则丝杠最高转速ny=vmaxy/Phy=600 r/min。y轴滚珠丝杠在工作时载荷较平稳，取载荷系数fW=1.2，丝杠滚道硬度系数fH=1.0，丝杠寿命取T=15 000 h。根据文献[11]可以算得y轴滚珠丝杠最大转速时的最大动载荷FQ=[(60nyT)/106]1/3×fWfHFm= 815.1 N。为此，暂选G系列2505型滚珠丝杠，采用单推-单推的支承方式，该丝杠具有一定的预拉伸能力。由文献[11]查得其额定动载荷为7 674 N，远大于上述计算的最大工作载荷Fm。该丝杠的公称直径d0y=25 mm，导程Phy=5 mm，螺旋升角λ=arctan(Phy/πd0y)=3.64°，摩擦角φ=10′，则该丝杠的传动效率η=tanλ/tan(λ+φ)=95.60%。
参考文献[11]可以求得y轴滚珠丝杠的拉伸或压缩变形量δ1=6.21 μm，滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2=4.18 μm，总变形量δ=δ1+δ2=10.39 μm，远小于y轴要求定位精度±0.05 mm的1/2，可见所选丝杠的刚度足够。
2.3 y轴伺服电机选型计算
初选y轴伺服电机型号为60SY-M01930，其转子转动惯量Jmy=5.3×10-5kg·m2。单个y轴螺母座上移动部件折算到y轴伺服电机转轴上的转动惯量Jy=3.2×10-5kg·m2，y轴滚珠丝杠的转动惯量Js=2.4×10-4kg·m2，联轴器的转动惯量JL=1.2×10-5kg·m2。由此可算出单个y轴伺服电机转轴上的等效转动惯量Jeqy=Jmy+Jy+Js+JL=3.37×10-4kg·m2。
折算到y轴电机转轴上的最大工作负载转矩Tty=FmPhy/(2πηy)=0.09 N·m，则最大工作负载状态下y轴电机转轴所承受的负载转矩Teqy2=Tty+Tfy+T0y=0.1 N·m。
经过上述计算可知，加在y轴伺服电机转轴上的最大等效负载转矩Teqy=max{Teqy1，Teqy2}=0.575 N·m。取安全系数Ky=2.0，则应有y轴伺服电机的理论额定转矩TNy≥Ky×Teqy=1.15 N·m。为此，可选台湾韩宇公司的60SY-M01930型交流伺服电机(配套驱动器型号为SG-15A)，额定转矩1.91 N·m、额定转速3 000 r/min、转子惯量Jmy=5.3×10-5kg·m2。
为使伺服电机具有良好的加速起动能力和更快的响应速度，采用滚珠丝杠传动时，一般要求伺服电机的负载惯量与转子惯量之比处于2～10之间[10]，由上述计算可知，Jeqy/Jmy=6.36，因此所选电机满足需求。
如图4所示，CMG随形焊接装置的控制系统基于ARM Cortex A72主处理器，在此之上运行Linux操作系统[12-13]，开发QT人机交互程序，嵌入G代码解析器，以实现焊接过程相关位置、速度、时间和温度等参数的录入、控制和显示。焊接过程所用到的相关参数和ISO数控代码由键盘、鼠标和显示器组成的人-机界面进行录入。A72主处理器通过USB接口将数据传递给STM32F103协处理器，STM32F103外扩MCX314A运动控制芯片[14-16]，控制4个坐标的伺服驱动器，进而控制4个坐标对应的交流伺服电机[17-18]，并根据需要对若干个坐标进行联动控制。x、y、z3个移动轴的限位信号也是由MCX314A进行采集。协处理器STM32F103还发送PWM信号给固态继电器SSR控制钎焊烙铁的加热，烙铁头部的温度通过Pt100传感器进行采集，经A-D转换器AD1674转换成12位的数据，并送给STM32F103处理器，从而形成温度的闭环控制。
图4 CMG随形焊接装置控制系统框图
基于上述机械结构和控制系统，本文作者研发出的CMG随形焊接装置样机如图5所示。为验证其可行性与实用性，针对某型号CMG的外壳与框架进行焊接试验，分别对10个CMG壳体进行自动焊和手工焊，结果分别如图6和图7所示。表1所示为自动焊与手工焊的结果比较。可以看出：自动焊在焊接效率、预焊表面质量、焊缝质量、轴承处温升、焊缝力学性能、焊缝气密性等方面，均明显优于手工焊接。
图5 CMG随形焊样机 图6 自动焊效果 图7 手工焊效果
表1 CMG壳体自动焊与手工焊的结果比较
控制力矩陀螺(CMG)是航天器上常用的姿态调整执行器，当众多零部件在框架上安装完毕后，需要通过钎焊工艺将两侧的壳体进行封装。鉴于国内目前尚无CMG壳体专用钎焊设备，本文作者研发了一种随形焊接装置，可以适应各种形状CMG外壳与框架的拼焊。目前样机已经投产，批量焊接测试结果表明该装置操作简捷、生产效率高、焊接过程平稳、焊接精度高、自动化程度高、焊缝的机械强度高、密封性好，且焊接过程壳体温升小、内部零件不会损坏、轴承的润滑脂不会熔化改性，产品合格率将近100%。该装置的研发填补了国内CMG壳体钎焊封装设备的空白，对我国航空航天事业的发展有积极意义。
猜你喜欢 滚珠钎焊丝杠 数控机床滚珠丝杠副的法向截形对其传动效率的影响研究机床与液压(2022年8期)2022-09-19浅谈智能钎焊工艺在家用空调TPS生产中的应用消费电子(2022年5期)2022-08-15荷东坡赤壁诗词(2020年4期)2020-09-02塞拉门机构中丝杠磨损分析汽车实用技术(2020年4期)2020-04-10复合锌基钎料铜铝异质钎焊接头微观组织及力学性能研究表面工程与再制造(2019年1期)2019-05-11进给传动机构的维护与保养商情(2017年4期)2017-03-22大截面不锈钢零件真空钎焊工艺研究科学与财富(2016年29期)2016-12-27圆珠笔的来历知识就是力量(2014年3期)2014-03-06一张照片的事文学港(2011年3期)2011-11-21