星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测试转台结构设计

朱磊,司福祺,陈军,刘凤垒,赵敏杰,邱晓晗

(1合肥学院生物食品与环境学院,安徽 合肥 230601;2中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031)

0 引 言

卫星遥感监测技术具有全球覆盖、多光谱、大信息量等特点,能实时反映大范围内的大气环境变化情况,是获取环境信息的重要途径之一[1]。大气痕量气体差分吸收光谱仪(EMI)通过天底推扫的工作方式探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光辐射,获取光谱信息,定量反演二氧化硫、二氧化氮、臭氧等大气痕量气体的全球分布情况[2,3]。在EMI的研制过程中需要专用的测试转台对其进行技术指标测试,常见的二维转台多为整体式,回转框架为U型或O型结构,且仅能在底部安装负载,无法满足光谱仪两个窗口的全视场测试需求。本文根据EMI光学系统的装调方式以及视场角、光谱分辨率、空间分辨率等技术要求,确定转台设计指标,设计二维转台的机械结构,使用三维设计软件对转台进行特征建模,并对转台的电机、减速机、轴承等重要零部件进行选型。回转框架作为转台的核心部件需要在不同的工况下承受载荷,为保证其刚度、强度以及稳定性,利用有限元分析软件对其进行静力学仿真,分析结果验证了框架结构设计的合理性。

1 任务分析

光谱仪具有两个方向的视场角,其中对地观测窗口的视场角为114°,太阳窗口的视场角为14°,视场范围如图1所示。光谱仪的全视场测试需要测试转台配合完成,根据光谱仪的测试方案,对转台提出以下几点要求:1)进行主视场测试时,光谱仪水平放置,使狭缝与水平方向平齐后对准定标光源,在114°的主视场范围内水平转动,入瞳处和水平转动轴线在同一直线上,保证主视场被光源照亮[4]。2)太阳视场测试时,相当于模拟光谱仪在轨时与太阳的相对角度变化。此时光谱仪竖直放置,使太阳视场与定标光源保持同一水平线,绕定标光源完成14°范围内的翻转运动和水平方向10°～35°范围内的方位转动;光谱仪在水平方向和竖直方向需交替转动进行测试,若要光源照亮整个太阳视场范围,转台回转中心应与定标光路的漫反射板中心重合。3)光谱仪安装在转台上,进行长时间、高重复性的转动,承载光谱仪的框架结构必须有足够的刚度、强度以及稳定性,同时安装面的粗糙度也要考虑,避免对光谱仪造成磨损。

图1 EMI视场Fig.1 Field of view for EMI

2 转台设计方案

2.1 设计指标

基于光谱仪以上几点需求,提出测试转台的设计指标,如表1所示。

表1 转台设计指标Table 1 Design index of turntable

2.2 结构组成

光谱仪质量和体积较大,需要在水平方向和竖直方向转动,且转动时要求视场范围内无遮挡物,因此转台总体结构为开放式可分离型,由基座和台体两部分组成,实物如图2所示。基座由铝合金框架组成,用于承载台体和电器柜,底部安装万向轮移动转台,装配地脚螺栓固定转台,防止发生滑动。基座上方焊接电器柜,如图3所示,柜体内安装转台控制系统的电子元器件和排线,柜体盖板安装显示屏和按钮分别用来显示参数和操作转台。

图3 电器柜Fig.3 Electrical cabinet

台体部分由方位轴系和俯仰轴系组成,主要由方位座体、支撑框架、电机、减速机、联轴器、转轴、轴承、轴承座等组成。两个轴系使用单独的电机提供驱动力矩,通过减速机降低转速放大扭矩;减速机输出轴通过联轴器连接转轴传递转矩,实现水平方向±180°回转和竖直方向±20°翻转运动。

2.3 关键零部件设计

2.3.1 轴系设计

转台轴系分为方位轴和俯仰轴,轴系剖视图和俯视图分别如图4(a)、(b)所示。方位轴线与俯仰轴线设计正交,交叉点过光谱仪漫反射板中心,满足太阳视场测试需求。俯仰轴左右轴承中心和方位旋转平面不等高、俯仰轴承的跳动等是轴系垂直度误差的主要影响因素,可以通过提高轴系的结构刚度和选择精度较高的轴承来减小误差[5]。常见的轴系设计一般选取一端固定、另外一端游动的支承方案。在转台的轴系中,左右两个耳轴的支承距离较短,采用两端固定的方案,可以限制两个耳轴的轴向运动,提高轴系精度,轴系两端的轴承支承分别承受一个方向的轴向力,这种轴系设计适用于工作温度不高、支承跨距较小的轴系。

图4 轴系剖视图(a)和俯视图(b)Fig.4 Sectional view(a)and top view(b)of shafting

方位轴系由底板、支撑柱、方位轴承组成;俯仰轴系由轴承座、两对深沟球轴承以及回转框架组成。方位底板、台体底板、回转框架为主要受力面,材料选取铝合金6061,这种材料强度高,加工后不易变形,有良好的抗腐蚀性,常用于各种工业结构件。支撑柱是硬度和强度较高且不易变形的45号钢加工的4 mm厚空心钢柱。方位轴承采用交叉圆柱滚子转盘轴承,如图5所示,该轴承由两个座圈组成,主要用于大型回转设备,旋转精度高,能同时承受轴向力、倾覆力矩和较大的径向力,减小轴向尺寸使结构更加紧凑,具体参数如表2所示。俯仰轴承主要承受径向力,在两端分别使用一对61908-2Z型深沟球轴承,该轴承主要承受径向力和较小的轴向力,摩擦阻力小,旋转精度高,两侧的防尘盖能有效阻止灰尘进入轴承滚道,成对使用可以提高负载能力,轴承参数如表3所示[6]。左右两端的俯仰轴承使用紧固螺母进行定位预紧,以消除游隙减小晃动,并提高轴系的刚度以及轴承的旋转精度。

表2 交叉圆柱滚子转盘轴承参数Table 2 Parameters of cross cylindrical roller rotor bearing

表3 2020深沟球轴承参数Table 3 Deep groove ball bearing parameters

图5 交叉圆柱滚子转盘轴承Fig.5 Cross cylindrical roller rotor bearing

2.3.2 驱动设计

二维转台通过电机驱动,电机需提供足够的驱动力矩。转动力矩计算公式为M=Jε,在软件中进行模拟计算得到俯仰轴系的转动惯量为J=30.36 kg·m2,所需最大驱动力矩M=Jε=63.76 N·m,其中角加速度ε =2.1 rad·s−2;方位轴系的转动惯量为J=67.90 kg·m2,所需的最大驱动力矩M=Jε=142.59 N·m,角加速度ε=2.1 rad·s−2。为确保转台能够进行长时间的平稳低速转动,采用永磁同步电机搭配行星减速机的驱动方案。永磁同步电机具有启动转矩高、启动时间较短、控制方便、转速恒定、运行平稳可靠的特点。行星减速机能够在降低转速和负载惯量的同时提高扭矩,保证转台保持低速平稳运行。为便于控制系统设计,在满足使用要求的情况下,俯仰轴和方位轴选取同型号的西门子永磁同步电机,具体参数如表4所示。电机左侧配置20位绝对值编码器,分辨率为360°/220=1.2′′,满足36′′定位精度指标。两个轴系采用定制二级行星减速机,参数如表5所示。

表4 电机参数Table 4 Parameter of electric machine

表5 行星减速机参数Table 5 Parameters of planetary reducer

3 回转框架设计及有限元分析

3.1 框架设计

常见的回转框架多为U型或O型结构,O型结构安装过程较为复杂,使用不便;U型结构属于半开放式,易于安装,但是仅能够在底部安装负载,无法满足光谱仪全视场测试的需求。合理的框架结构设计可以在保证刚度的同时减轻框架质量,降低转动惯量。设计框架时在U型结构的基础上增加背板及工装,使框架能够竖直和水平安装负载。框架由底板、背板和两块侧板使用螺钉连接组成,安装面的的粗糙度通过加工工艺保证。框架底板为田字型,两侧板U型中空,背板后布置两块加强筋板,提高框架的刚度。图6(a)为太阳视场测试时光谱仪竖直安装图,图6(b)为主视场测试时光谱仪水平安装图,由于光谱仪漫反射板中心和入瞳处有间隔,设计工字型垫板[如图6(c)所示]连接在框架和光谱仪之间,保证主视场测试时水平转动轴线过入瞳处。回转框架用于安装载荷,需有良好的静态特性,为此使用有限元分析软件模拟框架受力情况进行静力学分析,验证框架设计的合理性。

图6 EMI竖直安装(a)、水平安装(b)以及工字型垫板(c)Fig.6 Photograph of EMI vertical installation(a),horizontal installation(b)and H-shape backing plate(c)

3.2 有限元分析

有限元分析的流程为:建立模型、选择分析类型、设置材料、单元网格划分、施加边界条件、模型离散化求解、结果处理。

建立有限元模型时需要对三维模型进行简化,去除一些对结果影响较小的倒角和安装孔,这些细微结构会降低网格划分质量,影响分析结果的准确性。使用三维软件对模型进行简化后,导入有限元软件。框架材料选择铝合金6061,其主要力学参数见表6,实体单元选择Solid187为10个节点的四面体单元,网格划分后有限元模型单元网格总数为98882,节点数为179795。把载荷等效为重80 kg的远程质量点,施加重力载荷,添加约束条件后进行求解[7]。

表6 铝合金材料参数Table 6 Parameters of aluminum alloy material

静力分析方程可以等效为

或

式中:ζet是应力引起的应变,B是节点上的应变,ζh是热应变矢量,σ是应力矢量,D是弹性矩阵。求解有限元方程(3)、(4)可以求出单位各节点相对应的应力。

3.3 静力学分析结果

框架的静力学分析结果如图7所示,由应力和位移云图可知,载荷竖立安装时,框架的最大应力为6.62 mpa,最大变形为0.035 mm;载荷水平安装时,框架最大应力为20.67 mpa,最大变形量为0.27 mm。对于框架整体来说位移量变化不大,铝合金的屈服应力为205 mpa,安全系数可以达到十倍,所以框架设计满足强度需求。

图7 回转框架静力学分析结果。(a)EMI竖直安装应力结果;(b)EMI竖直安装位移结果;(c)EMI水平安装应力结果;(d)EMI水平安装位移结果Fig.7 Static analysis results of rotary frame.(a)Stress results of EMI vertical installation,(b)displacement results of EMI vertical installation,(c)stress results of EMI horizontal mounting,(d)displacement results EMI horizontal mounting

4 结 论

根据光谱仪的测试需求,确定转台设计指标,进行转台的结构设计,设计了两种回转框架的负载安装方式,为其他转台的设计提供了思路。通过对回转框架的仿真分析,确定框架的安全系数可达十倍,验证了其设计的刚度、强度和稳定性。方位轴系±180°和俯仰轴系±20°的回转范围保证主视场和定标视场的视场需求。搭建检测装置,经过测量和计算得出转台的定位精度优于±10′′,满足设计指标和使用需求,也为光谱仪的测试提供了保证。