控制力矩陀螺隨形焊接裝置的設計與實現

賀興隆，王玉琳

(合肥工業大學機械工程學院，安徽合肥 230009)

0 前言

控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope，CMG)是應用在航天器上通過角動量交換產生控制力矩的慣性執行部件，它是實現對航天器姿態控制的一個極其重要的裝置[1-2]。CMG主要由機架驅動-機座系統和轉子-框架系統兩部分組成[3-4]。在轉子-框架系統中安裝有高速旋轉的轉子與很多高精密的傳感器，組裝時需要對它進行嚴格的封裝，最終讓CMG內部保持真空狀態，以提高CMG的控制精度與使用壽命[5-6]。目前對于CMG殼體的封裝，大多采用手工釬焊工藝來完成，焊料多為Sn63A。采用釬焊的優點在于焊錫熔點低、焊接溫升小，焊接過程不至于造成軸承處潤滑脂的熔化或損壞內部高精密傳感器[7]。同時，采用焊錫釬焊的工藝也是考慮到CMG殼體拆解的需要，當CMG在試驗過程出現問題時，需要將殼體打開，此時采用焊錫釬焊即可容易實現解焊[8]。但在實踐過程中，手工釬焊存在焊接效率低、焊縫表面質量差、焊縫力學性能差、焊縫氣密性差[9]、焊接過程溫升高等嚴重問題。近年來，隨著我國航空航天事業的飛速發展，CMG的使用量快速增加，手工釬焊已經不能滿足CMG的生產需要。因此，亟待研發一種高精度的、自動化的CMG專用隨形焊接裝置。

1 CMG隨形焊接裝置的結構組成

圖1所示為CMG的外觀，其外殼和框架通過螺釘拼裝后，需要采用焊錫釬焊將鍍錫銅帶緊緊箍在接縫表面，要求保證焊縫的表面質量、力學性能和氣密性；同時還要控制焊接過程殼體的溫度，以保證內部零件不會被損壞。目前常用的CMG中，外殼和框架結合處接縫的形狀為圓形的較少，多為非圓形，如帶有圓弧的菱形等，因此手工焊接非常困難。

圖1 CMG的外觀

1.1 焊接裝置總體結構

如圖2所示，針對CMG非圓殼體的釬焊，所設計的隨形焊接裝置具有4個坐標軸x、y、z、B，其中:x、y、z為移動坐標軸，B為繞y軸的旋轉坐標軸。可以看出：整個裝置為一龍門架結構，龍門架橫梁的左右移動方向定義為x軸方向。龍門架左右兩側各有一支架，在兩個支架的頂端分別設置一個可以前后移動的機構，移動方向定義為y軸方向，y軸上的兩個移動機構各受控于一臺伺服電機。在龍門架的橫梁上設置一個可以豎直移動的機構，移動方向定義為z軸方向。焊絲輸送機構和釬焊烙鐵等均固定在z軸移動機構上。繞y軸的旋轉機構的旋轉方向定義為B軸方向，伺服電機驅動一臥式安裝的回轉臺，待焊工件夾持在三爪卡盤上。

圖2 CMG隨形焊接裝置結構簡圖

4個坐標軸的運動機構均安裝在工作平臺上。x、y、z3個移動機構均由交流伺服電機拖動、滾珠絲杠副傳動，其中：z軸為豎直上下移動，z軸伺服電機需要加裝失電制動裝置；B軸的工件回轉由交流伺服電機帶動蝸輪蝸桿副減速實現。在焊接過程中，需要x、y、z、B軸的協同配合。

1.2 釬焊執行機構

如圖3所示，CMG殼體的釬焊執行機構主要由釬焊烙鐵12和焊絲送絲機構5等組成。釬焊烙鐵為溫度可控的調溫烙鐵，烙鐵頭部裝有溫度傳感器2，與CMG隨形焊的控制裝置構成溫度閉環控制系統。釬焊烙鐵具有兩個自由度，一方面，固定在夾板10上的釬焊烙鐵12可以通過彈簧13沿其軸向產生移動；另一方面，釬焊烙鐵12可以通過可轉動支架15繞著軸銷9轉動。焊接過程中，釬焊烙鐵的頭部3與待焊工件表面不呈90°，而是傾斜約15°，依靠烙鐵、夾板和轉動支架等的重力搭在待焊工件表面，當烙鐵頭遇到工件表面的凸起時可以順利通過而不至于損壞。焊接路徑由B軸的旋轉和z軸的上下移動耦合實現，可以根據CMG殼體的CAD圖紙進行坐標轉換獲得。自動焊接過程中尚需自動輸送焊料，圖3中焊絲6由步進電機8通過送絲機構5經送絲管4和出絲槍1輸送到烙鐵頭附近，送絲速度由控制系統設定。

圖3 釬焊烙鐵及焊絲輸送機構

2 CMG隨形焊接裝置的伺服傳動機構設計

CMG隨形焊接裝置的伺服傳動機構包括x、y、z3個移動軸和1個旋轉軸B，下面重點介紹B軸和y軸，其余類似。

2.1 B軸伺服電機選型計算

如圖2所示，B軸伺服電機通過蝸輪蝸桿減速后驅動回轉工作臺，工作臺上固定有三爪卡盤，待焊工件通過工裝夾持在三爪卡盤上。蝸輪蝸桿傳動副具有減速比大、傳動平穩、運動自鎖等優點。B軸伺服電機所承受的負載主要為慣性負載，包括回轉盤的質量、卡盤法蘭的質量、卡盤的質量、夾具的質量以及工件的質量等，累計質量mB≈120 kg。待焊工件與工裝部分的平均回轉直徑DB≈320 mm，蝸輪蝸桿副的減速比iB=40。初選90SY-M02430型伺服電機，其轉子慣量JmB=3.7×10-4kg·m2。據此可求得折算到B軸伺服電機轉軸上的等效轉動慣量JeqB=(mB×DB2/8)/iB2+JmB=1.33×10-3kg·m2。

非焊接狀態下，工件要求的最高轉速n工=20 r/min，對應B軸伺服電機的轉速nB=iB×n工=40×20 r/min =800 r/min。設B軸伺服電機由靜止加速至800 r/min所需時間tB=0.15 s，取傳動效率ηB=0.75，則可算出B軸伺服電機空載起動時，轉軸所承受的負載轉矩TB=(2π×JeqB×nB)/(60tBηB)=1.0 N·m。取安全系數KB=2.0，則應有B軸伺服電機的理論額定轉矩TNB≥KB×TB=2.0 N·m。為此，可選臺灣韓宇公司的90SY-M02430型交流伺服電機(配套驅動器型號為SG-20A)，額定轉矩2.4 N·m、額定轉速3 000 r/min、轉子慣量3.7×10-4kg·m2。

針對蝸輪蝸桿減速機構，為使伺服電機具有良好的起動能力和較快的響應速度，通常要求伺服電機的負載慣量與轉子慣量之比介于3～10之間[10]，可以算得JeqB/JmB=3.59，因此B軸電機滿足需求。

2.2 y軸滾珠絲杠選型計算

由圖2可以看出，左右兩側的y軸移動機構與上面的x軸移動機構形成龍門架結構。y軸的兩個移動機構分別受控于一臺伺服電機，兩臺伺服電機又受隨形焊控制系統的同步控制。兩側y軸所承受的負載主要為龍門架橫梁的慣性負載，橫梁上所有部件的總質量my約為100 kg。y軸方向的直線運動由兩臺伺服電機分別直接驅動兩根滾珠絲杠實現，其螺母滑塊最快移動速度vmaxy=3 000 mm/min、加速時間ty=0.05 s、加速度ay=vmaxy/ty=1.0 m/s2。當橫梁從靜止加速到3 000 mm/min的移動速度時，橫梁所產生的推力Fy=myay=100 N。設y軸的總體傳動效率ηy=0.75，y軸兩側導軌的顛覆力矩影響系數Ky=1.25，導軌的摩擦因數μ=0.005，則y軸兩根滾珠絲杠共同承受的最大軸向力為FM=KyFy/ηy=166.7 N，求得y軸單根滾珠絲杠的最大工作載荷Fm=FM/2=83.4 N。

初選y軸滾珠絲杠導程Phy=5 mm，則絲杠最高轉速ny=vmaxy/Phy=600 r/min。y軸滾珠絲杠在工作時載荷較平穩，取載荷系數fW=1.2，絲杠滾道硬度系數fH=1.0，絲杠壽命取T=15 000 h。根據文獻[11]可以算得y軸滾珠絲杠最大轉速時的最大動載荷FQ=[(60nyT)/106]1/3×fWfHFm= 815.1 N。為此，暫選G系列2505型滾珠絲杠，采用單推-單推的支承方式，該絲杠具有一定的預拉伸能力。由文獻[11]查得其額定動載荷為7 674 N，遠大于上述計算的最大工作載荷Fm。該絲杠的公稱直徑d0y=25 mm，導程Phy=5 mm，螺旋升角λ=arctan(Phy/πd0y)=3.64°，摩擦角φ=10′，則該絲杠的傳動效率η=tanλ/tan(λ+φ)=95.60%。

參考文獻[11]可以求得y軸滾珠絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1=6.21 μm，滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2=4.18 μm，總變形量δ=δ1+δ2=10.39 μm，遠小于y軸要求定位精度±0.05 mm的1/2，可見所選絲杠的剛度足夠。

2.3 y軸伺服電機選型計算

初選y軸伺服電機型號為60SY-M01930，其轉子轉動慣量Jmy=5.3×10-5kg·m2。單個y軸螺母座上移動部件折算到y軸伺服電機轉軸上的轉動慣量Jy=3.2×10-5kg·m2，y軸滾珠絲杠的轉動慣量Js=2.4×10-4kg·m2，聯軸器的轉動慣量JL=1.2×10-5kg·m2。由此可算出單個y軸伺服電機轉軸上的等效轉動慣量Jeqy=Jmy+Jy+Js+JL=3.37×10-4kg·m2。

折算到y軸電機轉軸上的最大工作負載轉矩Tty=FmPhy/(2πηy)=0.09 N·m，則最大工作負載狀態下y軸電機轉軸所承受的負載轉矩Teqy2=Tty+Tfy+T0y=0.1 N·m。

經過上述計算可知，加在y軸伺服電機轉軸上的最大等效負載轉矩Teqy=max{Teqy1，Teqy2}=0.575 N·m。取安全系數Ky=2.0，則應有y軸伺服電機的理論額定轉矩TNy≥Ky×Teqy=1.15 N·m。為此，可選臺灣韓宇公司的60SY-M01930型交流伺服電機(配套驅動器型號為SG-15A)，額定轉矩1.91 N·m、額定轉速3 000 r/min、轉子慣量Jmy=5.3×10-5kg·m2。

為使伺服電機具有良好的加速起動能力和更快的響應速度，采用滾珠絲杠傳動時，一般要求伺服電機的負載慣量與轉子慣量之比處于2～10之間[10]，由上述計算可知，Jeqy/Jmy=6.36，因此所選電機滿足需求。

3 CMG隨形焊接裝置的控制系統設計

如圖4所示，CMG隨形焊接裝置的控制系統基于ARM Cortex A72主處理器，在此之上運行Linux操作系統[12-13]，開發QT人機交互程序，嵌入G代碼解析器，以實現焊接過程相關位置、速度、時間和溫度等參數的錄入、控制和顯示。焊接過程所用到的相關參數和ISO數控代碼由鍵盤、鼠標和顯示器組成的人-機界面進行錄入。A72主處理器通過USB接口將數據傳遞給STM32F103協處理器，STM32F103外擴MCX314A運動控制芯片[14-16]，控制4個坐標的伺服驅動器，進而控制4個坐標對應的交流伺服電機[17-18]，并根據需要對若干個坐標進行聯動控制。x、y、z3個移動軸的限位信號也是由MCX314A進行采集。協處理器STM32F103還發送PWM信號給固態繼電器SSR控制釬焊烙鐵的加熱，烙鐵頭部的溫度通過Pt100傳感器進行采集，經A-D轉換器AD1674轉換成12位的數據，并送給STM32F103處理器，從而形成溫度的閉環控制。

圖4 CMG隨形焊接裝置控制系統框圖

4 焊接與測試

基于上述機械結構和控制系統，本文作者研發出的CMG隨形焊接裝置樣機如圖5所示。為驗證其可行性與實用性，針對某型號CMG的外殼與框架進行焊接試驗，分別對10個CMG殼體進行自動焊和手工焊，結果分別如圖6和圖7所示。表1所示為自動焊與手工焊的結果比較。可以看出：自動焊在焊接效率、預焊表面質量、焊縫質量、軸承處溫升、焊縫力學性能、焊縫氣密性等方面，均明顯優于手工焊接。

圖5 CMG隨形焊樣機 圖6 自動焊效果 圖7 手工焊效果

表1 CMG殼體自動焊與手工焊的結果比較

5 結束語

控制力矩陀螺(CMG)是航天器上常用的姿態調整執行器，當眾多零部件在框架上安裝完畢后，需要通過釬焊工藝將兩側的殼體進行封裝。鑒于國內目前尚無CMG殼體專用釬焊設備，本文作者研發了一種隨形焊接裝置，可以適應各種形狀CMG外殼與框架的拼焊。目前樣機已經投產，批量焊接測試結果表明該裝置操作簡捷、生產效率高、焊接過程平穩、焊接精度高、自動化程度高、焊縫的機械強度高、密封性好，且焊接過程殼體溫升小、內部零件不會損壞、軸承的潤滑脂不會熔化改性，產品合格率將近100%。該裝置的研發填補了國內CMG殼體釬焊封裝設備的空白，對我國航空航天事業的發展有積極意義。