空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置设计措施.docx

1、空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置设计措施空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置设计方案西安科宇工贸有限责任公司1 / 391任务概述及功能 11.1使用条件 11.2主要功能 22主要技术指标 23设计方案 33.1系统组成及工作原理 33.2结构设计方案 43.2.1五维电控运动机构 53.2.1.1X 轴平移台和 Y轴平移台 53.2.1.2A 轴旋转台 73.2.1.3Z 轴平移台和 B 轴旋转台 93.2.1.4零件材料选择 103.2.1.5关重件选型设计 113.2.1.5.1直线导轨 113.2.1.5.2滚珠丝杠 153.2.1.5.3光栅尺 19 3.2

2、.2三维电控运动机构 21 3.2.3底座 22 3.2.4载荷安装杆 233.3电控系统 253.3.1控制系统原理 253.3.2电机和驱动器 273.3.3运动控制器 293.3.4电控箱 30 3.3.5限位保护和复位装置 30 3.3.6控制软件 313.3.6.1软件开发平台 313.3.6.2功能设计 313.3.6.3界面设计 323.4精度测试方法 323.4.1定位精度测试 323.4.2重复定位精度测试 343.5设计结果 353.6关键技术 354研制周期及进度安排 361任务概述及功能空间等离子体环境地面模拟实验系统传动与定位装置是在空间等离子体环 境地面模拟实验中，

3、为测试载荷提供一组六维和一组三维机械运动和伺服控制 的装置。任务要求该装置能够安装测试载荷按照用户指令或预先规定程序模式 进行机械运动，并实时显示测试载荷的运动状态和位置信息。该模拟实验是在地面实验舱内进行，要求整个实验过程完全实现自动控制 。图 11为该装置的整体使用示意图，六维电控运动机构和三维电控运动机构分别装 载测试载荷相向安装在底座的两端，并可以正反向安装。通过电缆与实验舱外 的控制系统连接，操作人员通过人机接口控制并获取测试载荷的运动状态和位 置信息。图 11 传动与定位装置整体使用示意图1.1 使用条件该装置要求安装在地面实验舱内使用，实验舱的具体应用条件参数如下：实验舱尺寸：

4、3000mm 5000mm；真空度： 5 10-5Pa极限）， 5 104Pa工作）；温度： -20 C +50 C；等离子体环境：密度 109 1012/m3，电子温度 0.1 1eV，离子温度 0.05 0.5 eV； 磁场： 0 1G；电场： 0 1V/m；太阳常数： 0.3 11.2 主要功能根据任务要求，该装置需要具备以下功能：(1)能在真空、等离子体、电场和磁场等环境下工作。(2)六维电控运动机构装载测试载荷实现三维直线平移运动和三维旋转运动 ，并准确定位。三维直线平移分别为 X向、 Y向和 Z向，三维旋转分别为 A向、B向和C向其中A向旋转轴与 Z轴平行， B向旋转轴与 X轴平行

5、， C 向旋转轴与 Z 轴垂直)。(3)两组装置可以在基准底座平台上正反向安装、初始位置在中间。(4)用户可以通过人机接口输入所需的运动参数控制该装置动作。(5)三维直线平移距离及三个旋转台旋转角度可以连续测量，并能在计算机 软件界面上实时显示。(6)配备载荷安装杆，可安装在 B 轴旋转台上。安装杆上可安装两个测试载 荷，用户可通过控制软件实现两测试载荷之间的相向运动，运动范围最 大为 3000mm。当使用安装杆时，整个装置只启用 X向直线平移功能)2主要技术指标(1) 直线平移机构承载： 5KgX 轴行程： 2000mm两组相向安装总有效行程为 4000mm)Y轴行程： 2000mmZ轴行程

6、： 1000mm定位精度： 0.05mm每 300mm范围内)重复定位精度： 0.01mm线性分辨率： 0.01mm 速度调节范围：在 1mm/s 100 mm/s范围内连续可调(2) 旋转运动机构A轴旋转范围： 360B轴旋转范围： 360C轴旋转范围： 360定位精度： 0.0125重复定位精度： 0.005闭环分辨率： 1.5 载物台具有多接口安装面3设计方案3.1 系统组成及工作原理系统组成如 图31所示，由底座、一组六维和一组三维电控运动机构、载荷安装杆、电控箱和 专用系统控制软件等组成。底座为整个装置提供良好的安装平台，主要由平台和平台支架组成。六维电控运动机构装载测试载荷实现六个

7、轴的运动，分别由 X 轴平移台、 Y 轴平移台、 Z轴平移台、 A 轴旋转台、 B轴旋转台和 C轴旋转台等组成，图 31 系统组成载荷安装杆安装在六维电控运动机构的 B向旋转台上，装载两个测试载荷实现相对位置平移，主要由驱动装置、传动机构、导向机构和距离测量装置等 组成。电控箱用来集成整个装置的硬件控制电路，由模块电源、电机驱动器、多 轴控制卡、光栅细分盒等组成。控制软件为用户提供良好的人机界面，用户通过控制软件实现对整个装置 的操作控制和数据获取。系统工作原理：测试载荷分别安装在两个载荷安装杆上，启动电控箱上的 电源开关，测试人员就可通过配套控制软件控制六维电控运动机构各轴电机动 作 包括位

8、移或角度，速度及加速度），实时显示各轴的运动状态。其中 X 轴、Y轴、 Z轴和载荷安装杆的机械工作原理相同，都是采用交流伺服电机直接驱动 滚珠丝杠螺母副传动机构，实现各轴的直线运动，距离测量装置为直线光栅尺 ，对工作台的移动位置进行实时测量并进行反馈，实现各轴工作台的准确定位 。A轴、B轴和C轴的机械传动原理相同，均采用交流伺服电机直接驱动蜗轮蜗 杆传动机构，实现工作台的 360旋转，角度测量装置为圆光栅，对工作台的转 动角度进行实时测量并进行反馈，实现旋转工作台的准确定位。配套控制软件 根据各轴光栅尺的位置测量反馈数据进行后台计算处理，可实现两被测载荷相 对距离位置输出。3.2 结构设计方案

9、系统机械结构示意图如 图 32所示，主要由底座、六维电控运动机构、三维电控运动机构及和两组载荷安 装杆等组成。1、底座 2 、六维运动机构 3 、三维电控运动机构 4 、载荷安装杆图 32 系统机械结构示意图六维电控运动机构和三维电控运动机构采用对称分布的安装孔位，可根据 功能需要进行正反向安装。三维电控运动机构预留扩展接口，用支架替代 Y轴和 A轴空间位置，其他相 关连接件预留安装 Y轴和 A轴的安装孔，方便以后三维机构到五维机构的扩展。3.2.1 六维电控运动机构六维电控运动机构装载测试载荷实现六个轴的运动，分别由 X 轴平移台、 Y 轴平移台、 Z轴平移台、 A 轴旋转台、 B轴旋转台和

10、 C轴旋转台等组成，结构示 意如 图 33 所示。1、X轴平移台 2、Y轴平移台 3、A 轴旋转台4、Z轴平移台 5、B轴旋转台 6、 C轴旋转台 图 33 六维电控运动机构结构示意图3.2.1.1X 轴平移台和 Y 轴平移台X 轴平移台和 Y 轴平移台结构示意如 图34所示。 Y 轴平移台通过螺钉连接可靠的安装在 X 轴平移台的移动载物台上，当 X轴载物台移动时， Y 轴平移台也会沿着 X 轴方向做整体移动。1、X轴平移台 2 、Y 轴平移台图 34X 向平移台和 Y 向平移台结构示意图X轴平移台和 Y 轴平移台结构采用相同结构原理，各平移台均由电机、滚珠 丝杠、直线导轨、光栅尺、联轴器、限

11、位传感器等组成，结构原理示意如 图 35所示。1、底板 2、直线导轨 3、光栅尺 4、旋转电机 5、联轴器 6、滚珠丝杠 图 35 平移台结构原理示意图电机固定在底座上，联轴器一端连接电机轴，另一端连接滚珠丝杠轴，当电机旋转时，联轴器就会将电机扭矩传递给丝杠，滚珠丝杠再将旋转运动传递 给螺母，螺母和载物台固接在一起实现直线平移，直线导轨固定在丝杠两侧， 对载物台平移起到导向作用。滚珠丝杠两端采用一端固定，另一端支撑的安装 方式，固定端采用两个面对面的角接触球轴承进行固定，支撑端采用深沟球轴 承进行支撑。光栅尺为位置测量元件，对载物台移动距离进行实时测量和反馈 ，主要由标尺光栅和光栅读数头两部分

12、组成。光栅尺固定在底座上，读数头固 定在移动部件上，当载物台移动时，读数头和光栅尺就会产生读数变化，反馈 到计算机实现闭环控制。平移台两端设置有限位机构，当载物台移动到极限位 置时，限位传感器就会接通，此时电机停止旋转，阻止载物台继续前行。3.2.1.2A 轴旋转台A轴旋转台主要由电机、蜗轮蜗杆传动机构、圆光栅、连轴器、轴环等组 成，如 图 36所示。蜗杆两端通过轴承固定在基座上，蜗轮通过轴系与工作台连接。旋转 电机通过联轴器驱动蜗轮蜗杆机构传动，实现工作台转动。1、电机 2、圆光栅 3、蜗轮蜗杆传动机构 4 、联轴器 5、轴环 图 36 旋转台 A 轴）结构简图电机水平安装在底座上，联轴器一

13、端连接电机轴，另一端连接蜗杆轴，当 电机旋转时，联轴器就会将电机扭矩传递给蜗杆，蜗杆再将旋转运动传递给蜗 轮，蜗轮通过轴环与载物台连接，完成电机轴和载物台之间的扭矩传递和运动 方向转换，实现载物台绕竖直轴的旋转运动 。圆光栅为角度测量 元件， 当工作台转动时光栅和读数头发生相对转动，实现角度的实时测量和数据反馈载物台与蜗轮之间的传动采用交叉滚柱轴环 RU形结构，外形如图 37所示图 37 交叉滚柱轴环 RU形结构在交叉滚柱轴环中，因圆筒形滚柱在呈 90的V 形沟槽滚动面上通过间隔保 持器被相互垂直地排列，使得单个轴承就可承受径向负荷、轴向负荷及力矩负 荷等所有方向的负荷。由于已进行了安装孔的加

14、工，就不需要固定法兰和支撑 座。另外，由于采用带座的一体化内外环结构，安装对性能几乎没有影响，因 此能够获得稳定的旋转精度和扭矩，适用于外圈和内环旋转。蜗杆两端通过轴承和轴承支座固定在基座上，安装方式如 图 38所示。图 38 蜗杆安装方式根据轴承所受载荷的大小、方向和性质，选用接触角较大的角接触球轴承 ，轴承外形如 图 39所示。轴承支承部件主要对轴系回转零件起支承作用，并承受径向和轴向作 用力，保证轴系部件在工作中能正常地传递轴向力以防止轴系发生轴向窜动而改变工作位置图 39 角接触球轴承外形3.2.1.3Z 轴平移台、 B轴旋转台和 C 轴旋转台Z轴平移台和 B轴旋转台结构示意如 图 3

15、10 所示1、Z轴平移台 2、B轴旋转台 3、 C轴旋转台图 310Z 轴平移台和 B 轴旋转台结构示意图B轴旋转台通过螺钉连接安装在 Z轴平移台的移动载物台上，当 Z轴载物台 上下移动时， B轴旋转台也会随着 Z轴做上下移动。载荷安装在 B轴旋转台的台 面上，可实现 Z轴方向直线平移和 B轴方向的 360旋转。Z轴平移台结构原理与 X 轴平移台结构原理相同，均由底座、电机、联轴器 、滚珠丝杠螺母副、直线导轨、载物台、光栅尺和限位机构等几大部分组成， 不同的是 Z轴平移台需要将平移台底座竖直安装在固定支架上，实现 Z轴方向的 直线移动，电机采用带制动的伺服电机，防止因掉电或重力下掉。C 轴旋转

16、台安装在 Z 轴的竖直支撑板上。B、 C轴旋转台结构原理与 A 轴旋转台结构原理相同，此处不再重述。3.2.1.4零件材料选择（1） 真空材料选择原则对于真空环境中使用的零件，其制作材料有如下要求： 足够的机械强度和刚度； 气密性好。要保持一个完好的真空环境，零件材料不应存在多孔结构、 裂纹或形成渗漏的其他缺陷，有较低的渗透速率和出气速率； 在工作和烘烤温度下的饱和蒸气压要足够低；化学稳定性好； 热稳定性好。在工作温度范围内，能保持良好的真空性能和机械性能； 有较好的机械加工性能。（2） 常用真空材料及应用在真空系统设计与制造中常用的金属及合金材料主要有：低碳钢、不锈钢 、铜、铝、可伐合金、铸

17、铁等。碳钢和铸铁在低真空工作范围内的应用较为普 遍；铝和可伐合金主要应用于中真空工作范围；对于高真空工作范围，不锈钢 和铜的应用最为常用。铜主要用来制作喷嘴、电极等小型零件，不锈钢主要用 来制作有较高硬度、较高韧性及耐冲击负荷的零件。（3） 本系统拟采用的结构材料根据资料显示，真空度在 1.3 10- 4Pa以上的高真空和超高真空系统中，最好选用奥氏体无磁不锈钢 例如 1Cr18Ni 9Ti，0Cr18Ni9304）等）材料制作结构零件。这种不锈钢具有优良的抗腐蚀性、放气率低、无磁性、焊接性好、导电率和导热率较低，能够在 270 C+90 0 C 范围内工作，并具有高的强度、塑性及韧性，是目前

18、金属高真空系统中应用 的主要结构材料。因此，为了满足实验舱内真空度为 5 10- 4Pa要求，本系统的传动与定位装置拟选用奥氏体无磁不锈钢 （306作为主要结 构材料。3.2.1.5关重件选型设计为了满足实验舱内真空度为 5 10- 4Pa工作）和温度范围为 20 C 50 C的使用要求，在关重件选型时应充分考 虑各零部件润滑系统、制作材料、制作工艺等众多因素给实验环境和零部件本 身带来的不良影响，必须严格选用专门针对高真空度和相应温度范围而设计制 作的专用类型产品。3.2.1.5.1 直线导轨（1） 类型选择根据直线导轨使用条件和结构精度要求， X轴平移台、 Y 轴平移台和 Z轴平 移台均选

19、用日本 THK公司研制的 LM 类HSR型直线导轨，导轨外形如 图311所示，导轨特长如下：各方向等负荷为使LM 滑块上的 4个作用方向 径向、反径向和侧向）均具有相同的额定负荷，各钢球列被设 计成按接触角 45配置，因此无论何种姿势都可以使用，用途广泛。高刚性因钢球的配置是采用具有良好平衡性的 4列排列，所以能施加充分的予 压，并且容易地提升 4个方向的刚性。自动调心能力由于THK 独特的圆弧沟槽的正面组合 DF组合）具有自动调心能力，即 使施加予压也能吸收安装误差，从而得到高精度、平滑稳定的直线运动。出色的耐久性 即使在予压或偏置负荷作用之下，钢球的差动滑动量也抑制在最低限度，实现了高耐磨

20、损性和精度的长期维持图 311 导轨外形（2） 应对真空环境的措施在真空环境下使用的直线导轨，需要采取措施，以防止气体释放及油脂蒸 发，采取措施的措施如下：润滑系统使用真空专用油脂，该油脂采用蒸汽压较低的氟化油作为基础 油，在真空环境下不易蒸发，确保了油脂的良好润滑能力； 导轨使用奥氏体不锈钢材料精制而成，具有高抗蚀功能。（3） 导轨选定流程直线导轨选定流程见图 312。图 312 导轨选定流程图4)选定的型号参数根据以上流程估算，初步选定各平移台直线导轨型号参数如下：X轴直线导轨HSR30 A 2 C0 2400L P FM-II两根轨道 轨道是不锈钢材料 精密级 轨道长度 2400mm 中

21、等预压 1根导轨上两个滑块 标准重负荷型 四方向等负荷型 基本额定动负荷： C= 28KN ) 基本额定静负荷： C0= 46.8KN)Y轴直线导轨HSR30 A 2 C0 2400L P FM-II四方向等负荷型基本额定动负荷： C= 28KN )基本额定静负荷： C0= 46.8KN)Z轴直线导轨HSR20 A 2 C0 1300L P FM-II基本额定动负荷： C= 21.3KN )基本额定静负荷： C0= 31.8KN)3.2.1.5.2 滚珠丝杠(1)类型选择根据导轨使用条件和结构精度要求， X轴平移台、 Y 轴平移台和 Z轴平移台 均选用日本 THK 公司研制的 BIF型精密滚珠

22、丝杠，滚珠丝杠外形如 图313所示，特长如下：驱动扭矩小 滚珠丝杠中的钢球在丝杠轴与螺母间滚动，因此能获得高效率。与过 去的滑动丝杠相比，所需驱动扭矩仅为前者的三分之一。精度高 滚珠丝杠在温度控制极为严格的工厂里用最高水平的机器设备进行研 磨，直到组装、检查，都实行彻底的质量管理，以保证其精度。能微量进给 滚珠丝杠由于钢球做滚动运动，起动扭矩极小，不会产生类似滑动运 动中易出现的粘滞滑动现象，所以能进行正确的微量进给。无游隙高刚性 由于滚珠丝杠能够接受预压，轴向间隙能降为零，从而因预压而获得 高刚性。能高速进给因滚珠丝杠效率高，发热低，从而能进行高速进给图 313 滚珠丝杠外形（2） 应对真空

23、环境的措施在真空环境下使用的滚珠丝杠，需要采取措施，以防止气体释放及油脂蒸 发，采取的措施如下：润滑系统使用真空专用油脂，该油脂采用蒸汽压较低的氟化油作为基础 油，在真空环境下不易蒸发，确保了油脂的良好润滑能力； 丝杠及螺母使用奥氏体不锈钢材料精制而成，具有高抗蚀功能。（3） 滚珠丝杠选定流程滚珠丝杠的选择流程如 图 314 所示。决定使用条件导程精度选择精密滚珠螺杆 转造滚珠螺杆螺杆轴向刚性的计算螺母刚性计算假定轴的长度螺母型号的选择支承轴承刚性计算Y预压扭矩的计算由外部负荷产生的摩擦扭矩的计算加速扭矩的计算驱动马达的探讨Y润滑和防尘的探讨图 314 滚珠丝杠的选择流程4) 选定的型号参数根

24、据以上流程估算，初步选定各平移台滚珠丝杠型号参数如下：X轴滚珠丝杠BIF 36 06 10 G0 +2300L C0 F J1K轴端形状 螺杆是不锈钢材料 精度为 C0 螺杆轴全长 2300mm 轴向间隙 0以下 回路数为 10 导程 6mm 螺杆轴直径 36mm 错位预压型Y轴滚珠丝杠BIF 36 06 10 G0 +2300L C0 F J1KZ轴滚珠丝杠BIF 28 05 10 G0 +1200L C1 F J1K3.2.1.5.3 光栅尺（1） 类型选择光栅尺在测量直线轴或旋转轴位置过程中没有任何其它机械传件，因此， 它能消除机械传动元件温度特性导致的定位误差、反向误差、螺距误差导致的

25、 运动特性误差等潜在的误差源，因此光栅尺已成为高精度定位不可或缺的必备 条件。X轴平移台、 Y 轴平移台和 Z轴平移台均选用英国 Renishaw公司的直线光栅 尺， A轴旋转台、 B轴旋转台和 C轴旋转台均选用英国 Renishaw公司的圆光栅尺 ，特长为性能稳定、精度高、安装和调试方便等。直线光栅尺和读数头外形如图 315所示，圆光栅尺和读数头如图 316所示图 315 直线光栅尺和读数头外形图图 316 圆光栅尺和读数头外形图直线光栅尺自带零位和两端限位，通常只配备一个读数头。圆光栅需自加零位和限位，通常配备三个读数头圆周均布在圆光栅的外侧，光栅尺和读数头的安装调试需要通过配套专业软件进

26、行2)应对真空环境的措施在真空环境下使用的光栅尺，采取的特殊措施如下： 适合真空要求的 PCB电路板，粘合剂和涂装，避免漏气； 通气空腔，缩短抽真空时间；激光刻字，无标签； 光栅尺刻线载体采用热膨胀系数极低的真空材料制成； 能承受高加热温度；无铁磁材料，工作过程可靠；特殊真空电缆； 特殊部件清洁措施保障等。3)光栅尺选择原则配置光栅尺是了提高系统的定位精度和重复复定位精度，所以光栅尺 的准确度等级是选择时需要要考虑的。我们在选择光栅尺时，将根据设计 精度要求来选择满足准确度等级的产品。4)选定的型号参数根据以上选择原则，初步选定各轴运动台光栅尺型号参数如下： X轴直线光栅尺光栅尺型号： RSL

27、M-SS20U3A2000精度3um，行程 2000mm，中间零位)读数头型号： T161150M 输出电缆长度 5M)细分盒型号： TI-0200-A04A分辨率 0.1um， 50MHZ频率输出，最大移动速度 3.24m/s) 安装压块细分盒信号真空电缆： 12P-8Y 轴直线光栅尺2000光栅尺型号： RSLM-SS20U3A(精度3um，行程 2000mm，零位中间)读数头型号： T161150M 输出电缆长度 5M) 细分盒型号： TI-0200-A04A（分辨率 0.1um，50MHZ 频率输出，最大移动速度 3.24m/s） 安装压块细分盒信号真空电缆： 12P-8Z 轴直线光栅

28、尺光栅尺型号： RSLM-SS20U3A 1130 （ 2.2um ，行程 1130mm，零位中间）读数头型号： T161150M 输出电缆长度 5M）细分盒型号： TI-0200-A04A（分辨率 0.1um，50MHZ 频率输出，最大移动速度 3.24m/s） 安装压块细分盒信号真空电缆： 12P-8A、C轴圆光栅尺圆光栅尺型号： RESM20USA200 （外径200mm，内径 180mm） 读数头型号： T260150M 输出电缆长度 5M） 细分盒型号： TI-0200-A04A（ 分辨率 0.1um，50MHZ频率输出） 细分盒信号真空电缆： 12P-8B 轴圆光栅尺圆光栅尺型号：

29、 RESM20USA150 （外径150mm，内径 130mm） 读数头型号： T260150M 输出电缆长度 5M） 细分盒型号： TI-0200-A04A（ 分辨率 0.1um，50MHZ频率输出） 细分盒信号真空电缆： 12P-83.2.2 三维电控运动机构三维电控运动机构装载测试载荷实现三个轴的运动，分别由 X 轴平移台、 Z 轴平移台、 B轴旋转台和支架等组成，结构示意如 图 317 所示。1、X 轴平移台 2、Z轴平移台 3、B轴旋转台 4、支架图 317 三维电控运动机构结构示意图X轴平移台、 Z轴平移台和 B轴旋转台结构形式与前述五维电控运动机构中 对应机构相同，支架的安装高度

30、和安装孔位与前述五维电控运动机构中的 Y 轴平移台和 A轴旋转台相同，方便以后三维机构向五维机构的扩展。3.2.3 底座底座为整个装置提供良好的安装基座、保障整个设备的精度要求的平台， 主要由平台和平台支架两部分组成。对于实验舱内的高真空度和磁场等特殊环 境要求，采用普通材料和普通工艺制成的普通精度底座根本无法满足使用要求 。经过国内外相关应用经验和市场调研得知，美国理波公司研制的无磁性 RPR- N Reliance? 工业级光学台可以满足使用要求，外形如 图 318 所示。图 318 无磁性 RPR-N Reliance ?工业级光学台无磁性 RPR-NReliance? 工业级光学台采用

31、了所有理波公司平台所使用的材料工艺和品质，可 满足多数无磁性应用需要。阻尼工作台可消除表层共振，阻尼复合材料边缘处 理可消除侧壁共振，约束层芯板阻尼可减弱宽带振动，顶层、底层面板及桁架 式蜂巢状芯板采用无磁性 316 系列不锈钢制成。 RPR-N 无磁性系列可提供与 RPR 系列相同的动态性能、静态刚度及热稳定性等性能。在材料研究应用中， RPR-N 是用于支持大型真空室或其他大型仪器的理想选择。在必须清除所有磁性材料 的极端应用中， RPR-N 系列是最佳选择，因为该系列产品采用 316 无磁性不锈钢结构。3.2.4 载荷安装杆载荷安装杆安装在五维电控运动机构的 B向旋转台上，装载两个测试载荷 实现相对位置平移，结构示意如 图 319所示。主要由电机、支承板、丝杠螺母