大尺寸薄壁轴承滤光轮机构的设计与试验

贾慧丽，王 跃，王庆颖，赵 鑫

（北京空间机电研究所 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）

0 引言

面阵凝视相机由于具有较高的时间分辨率，在航天遥感领域应用价值极高[1-3]。为了获取详细的光谱信息，实现多谱段凝视成像，需要对进入系统的光线进行过滤，让特定谱段的光线透过滤光片成像，而其他谱段的光线被截止。因此，需要设计滤光机构来实现不同谱段光线的切换。为了保证多谱段图像信息的融合质量，应尽可能提高滤光片的定位精度和重复到位精度。

高轨面阵凝视成像方式不仅需要对单视场区域进行单谱段或多谱段连续成像，还需要实现多视场区域单谱段或多谱段步进成像[4-6]。滤光机构是面阵凝视相机的重要组件，它需要在相机在轨全生命周期内频繁切换滤光片，以配合整机的多谱段成像工作，而该部分通常是相机的单点失效环节。因此，保证滤光机构的在轨寿命和可靠性是关系相机任务成败的重点和难点之一。

Krause等设计的用于詹姆斯•韦伯太空望远镜（JWST）的中波红外通道的低温滤光轮[7]和Weidlich等设计的近红外通道低温滤光轮[8]均为中心驱动式结构，虽然成功应用于近红外及中波红外谱段，但滤光片口径小，光路方向占用空间大，刚度要求高。

本文研制了一种基于大尺寸薄壁轴承的滤光轮机构，对其进行了全面的功能、性能测试和环境试验，并结合在轨使用环境进行了寿命试验验证。

1 结构组成

滤光轮机构任务要求顺序均布安装相机可见光近红外通道5个谱段的滤光片，对应的谱段依次为 B1（0.45～0.90 μm）、B2（0.45～0.52 μm）、B3（ 0.52～ 0.60 μm） 、 B4（ 0.63～ 0.69 μm） 、B5（0.76～0.90 μm）。滤光片通光口径为86 mm×86 mm，装框后自重状态面形精度要求RMS≤λ/300，轴向及径向位移要求P-V值＜0.003 mm。机构在光轴方向的最大外形尺寸要求≤65 mm，相邻谱段之间切换时间要求≤5 s，机构转动引起的滤光片角度偏差要求≤±30″，光轴定位精度要求优于0.5 mm。为保证机构在轨工作性能，电机力矩裕度需满足静态力矩裕度＞1。为保证发射时的力学环境要求，滤光轮的一阶约束模态要求≥100 Hz。按照滤光轮的工作模式，机构地面调试及在轨寿命要求满足≥2.1×105的运转次数。

考虑滤光片的通光口径要求，以及提高支撑刚度，保证滤光片地面测试面形精度，本文提出了一种周边支撑的滤光轮机构方案，如图1所示。该机构由外支撑、转盘、滤光片组件、大尺寸轴承、步进电机、减速齿轮副、霍尔器件等组成。转盘上均布5个滤光片，通过一对大尺寸薄壁角接触球轴承支撑。步进电机安装在外支撑上，减速齿轮副传动比为10.5 : 1，主动小齿轮与步进电机轴连接，带动大齿轮旋转，使指定的滤光片切入光路成像。机构的位置反馈选用霍尔传感器，在大齿轮带动转盘旋转过程中霍尔器件和磁钢在圆周方向上重合时，发出反馈信号，完成定位功能。

图1 滤光轮结构示意Fig. 1 Structure of the filter wheel

滤光轮机构中，外支撑相当于系统的定子；滤光片组件固定在转盘上，转盘相当于系统的转子；两部分之间通过一对背对背安装的大尺寸薄壁角接触球轴承连接在一起；轴承滚珠进行镀MoS2固体润滑膜处理，外支撑、外圈压环共同作用固定轴承的外圈，转盘、内圈压环共同作用固定轴承的内圈，如图2所示。单个大尺寸薄壁轴承的内径为355.6 mm，外径为374.65 mm，厚度为9.525 mm，精度为P4级，接触角为30°，基本径向载荷为C0r=37 740 N、Cr=9 510 N，基本轴向载荷为C0a=108 900 N、Ca=27 430 N。

图2 组件支撑结构示意Fig. 2 Component of the structural support

2 参数设计

2.1 机构刚度及镜面变形分析

考虑到滤光轮机构的质量及刚度要求，外支撑、大齿轮及转盘均采用高比刚度的钛合金TC4制成。滤光片由K9玻璃制成，尺寸为93 mm×93 mm×12 mm，胶接装入钛合金镜框内；每个滤光片均通过3处均布的球形垫片安装在转盘上，以防止滤光片面形受到安装应力的影响。转盘设计尽量圆周对称分布，使得转动部分的质心与转轴重合，以减少质心偏移引起的附加力矩。同时，转动部分质心位于大尺寸轴承的轴心，可减少机构转动的动不平衡量，提高相机的稳定性。经力学分析，滤光轮机构整体一阶基频为302.53 Hz，刚度满足设计指标要求。滤光轮与振动支架连接力学分析的前两阶模态振型见图3。

应用有限元分析软件Ansys对滤光片镜片进行有限元分析，提取镜面所有节点变形值代入MatLab软件进行面形拟合，并求得RMS值。拟合程序只提取光轴方向变形量进行分析。软件分析时，滤光片底部通过胶垫约束、侧面通过注胶孔胶斑约束固定在托框上，按1 g自重载荷与滤光片平面垂直施加，即工作状态时旋转滤光片组件的方位。分析结果如图4所示，其中正上方的镜片即为工作镜片，镜片正面和背面的面形值均为RMS＜0.001λ。y轴的P-V值为0.002 3 mm，满足轴向变形量小于0.003 mm的要求；x轴的P-V值为0.000 4 mm，z轴的P-V值为0.000 2 mm，满足径向变形量小于0.003 mm的要求。

图3 滤光轮与振动支架连接力学分析Fig. 3 Mechanical analysis of the filter wheel fixed on the vibration bracket

图4 工作镜片面形有限元分析Fig. 4 Surface shape of working filter in the finite element analysis

2.2 驱动参数及自锁分析

滤光轮机构设计选用J55BYG450步进电机作为驱动部件，其额定输出力矩T≥280 mN·m（启动频率f=50 Hz），传动比i=10.5 : 1。根据模型计算，系统最大惯性力矩M1=51.84 mN·m，大尺寸轴承摩擦力矩M2要求≤3000 g·cm，折算到电机轴上为≤28 mN·m。考虑齿轮副传动效率η=0.9，电机设计驱动裕度为

满足力矩裕度＞1的要求。

发射阶段，机构不平衡量引起的偏心力矩T0≤200 g·cm，电机自身定位力矩为T1=42 mN·m，机构承受的加速度≤25g，则系统自锁力矩裕度为

表明电机的自身定位力矩能够保证完成发射阶段该组件的锁定功能。

本机构中5个滤光片圆周均布，单个滤光片切换角度θ1=72°，电机运行频率f2=100 Hz，步距角θ=18°，则切换时间为

满足相邻谱段切换时间＜5 s的要求。

2.3 机构定位精度分析

本机构中，滤光片光轴距转轴R=112 mm，电机步距角θ=18°，机构传动比i=10.5 : 1，则滤光轮的光轴定位精度为

满足机构光轴定位精度优于0.5 mm的要求。

滤光片在自重状态下装框后，产生的轴向位移、径向位移和倾斜主要是由于轴承端跳和轴承游隙造成的。大尺寸轴承的端跳最大为0.01 mm，游隙选择零游隙，其中设计保证游隙公差为±0.0025 mm，则滤光片轴向最大位移为δmax=0.0125 mm，此时轴承自身运转状态下不同滤光片之间由于端跳及游隙引起的光学面法线倾角为

满足滤光片角度偏差≤±30″的要求。

同时，轴承自身运转状态下各滤光片由于游隙造成的光轴径向位移为μm量级。因此，机构的整体运行精度满足要求。

3 性能测试

3.1 力学环境模拟试验

空间遥感相机在发射时需承受恶劣的冲击、振动等力学环境，因此，需要对滤光轮进行充分的力学环境模拟试验，验证组件的基频及抗冲击振动能力。

力学环境模拟试验包括x、y、z共3个方向的正弦振动和随机振动试验。试验过程采用的坐标系与卫星坐标系一致。试验结果如表1所示。

通过对特征级正弦扫描数据进行分析，滤光轮在x、y、z这 3个方向的一阶频率分别为 268.3、291.6、265.9 Hz，满足一阶基频≥100 Hz的要求；振动试验过程中，每个方向鉴定级试验前后特征级扫描曲线符合性较好，在x、y、z这3个方向的频漂分别为1.4%、0.4%、0.9%，均＜2%，满足试验大纲要求，表明试验过程中滤光轮的刚度没有发生明显变化，部组件结构可靠；位置标记显示滤光轮转盘在振动前后未发生转动，滤光轮的自锁能力得到检验；x向验收级随机振动测点2（大齿轮外缘）的x向响应放大3.33倍；y向验收级随机振动测点2的y向响应放大2.29倍；z向验收级随机振动测点1（转盘中心）的z向响应放大2.12倍，机构频率响应正常，满足试验要求。

表1 随机振动试验数据Table 1 Random vibration data

3.2 力矩裕度测试

滤光轮机构在振动试验前后，按图5所示放置，通过在齿轮齿缘悬挂砝码的方式分别测量系统阻力矩及电机启动力矩，并计算驱动力矩裕度，结果如表2所示。

图5 滤光轮系统阻力矩测试Fig. 5 Resistance moment test of the filter wheel

表2 系统驱动力矩裕度测试Table 2 Drive moment test of the filter wheel

测试结果表明，振动试验前后滤光轮的驱动力矩裕度均＞1，且变化很小，可满足机构地面调试及在轨正常运转的力矩要求。

3.3 寿命试验验证

为验证滤光轮产品满足地面调试及在轨工作2.1×105运转次数的寿命要求，研制了同批次寿命试验件，进行1 : 1真空寿命试验。考虑安全因子，按照1套滤光轮累计运转3.2×105转完成了寿命试验验证。参试滤光轮在试验过程中工作正常，谱段切换顺畅，定位精度满足总体指标需求。寿命试验结束后，对比了试验前后系统摩擦力矩的变化情况（见表3）。测试数据表明，在寿命末期，系统阻力矩有所增加，但电机的驱动力矩裕度仍＞1，可满足设计要求，即滤光轮可满足8年寿命要求。

表3 系统摩擦力矩寿命试验前后对比Table 3 Comparison of friction moment before and after the life test

寿命试验后，对大尺寸轴承进行拆解，并测试了轴承在7 kg载荷下的摩擦力矩（见表4）。结果表明，试验后轴承摩擦力矩有所增大，但均未超过轴承研制的技术指标要求，即平均值≤2500 g·cm，最大值≤3000 g·cm。

表4 轴承摩擦力矩测试Table 4 Friction moment of the bearing(g·cm)

对滚道及磨损面进行显微分析（见图6），结果显示轴承滚珠表面形貌完好。分别选取不同区域，采用EDS分析技术对滚珠表面成分进行分析，从滚珠表面磨损状况以及EDS分析结果（见图7）可知，滚珠表面元素成分除Fe、Cr等本底成分外，其他元素均为润滑膜及保持器所含元素成分，未发现有外界异常多余物进入，滚珠表面转移润滑膜形成正常。且轴承套圈内外滚道均未见异常磨损区域，两套轴承保持器均未见异常磨损状况。

图6 轴承滚珠SEM照片Fig. 6 SEM photos of the bearing balls

图7 轴承滚珠EDS分析图谱Fig. 7 EDS analysis of the bearing balls

综上可知，大尺寸轴承在经过寿命试验后运转灵活，未发现轴承因过度磨损而造成轴承失效的情况。

4 结论

为实现地球静止轨道空间遥感器的多谱段成像，设计了基于大尺寸薄壁轴承的周边支撑型滤光轮机构，并对机构的刚度、驱动力矩裕度、寿命等性能进行了试验验证，结果表明：

1）滤光轮机构基于大尺寸薄壁轴承实现周边支撑，一阶基频可达265.9 Hz，满足系统刚度要求。

2）系统驱动力矩裕度在振动试验前后均＞1，满足地面调试及在轨运转的力矩要求。

3）滤光轮机构的相邻谱段切换时间＜5 s，满足切换时间要求。

3）滤光轮的光轴定位精度优于0.5 mm，倾斜角＜±30″，整体运行精度满足指标要求。

4）滤光轮试验件完成了1.5倍在轨寿命运转次数的验证试验，且寿命试验过程中，机构谱段切换正常，机构驱动力矩裕度＞1；通过对大尺寸轴承的拆解分析，确认寿命试验后轴承磨损正常，未发生失效，表明机构可以满足在轨使用寿命要求。

综上，本文研制的滤光轮机构可用于空间遥感器的多谱段成像，并为其他基于大尺寸薄壁轴承的空间遥感器机构的长寿命设计提供了参考依据。