运动技术为行星探索提供动力

运动设计师利用创新技术和精心的设计和测试来驱动好奇心最新的火星探测器。

恶劣环境在各种应用中挑战运动控制。当然，存在恶劣的环境，然后有恶劣的环境。甚至一个需要洗过的手术的工厂遇到的条件与油和天然气应用的井下钻孔中遇到的那些情况甚至是遇到的，甚至在伊拉克高夏的战场上遇到的那些。当你把东西放进太空时，这些变得更加极端。

随着石油储量的减少，石油公司正在越来越深地钻探石油。伺服电机可以帮助井下测量钻井(MWD)工具。马达操作阀门，将信号传递到地面，以确定钻井位置和深度。这些仪器被放置在一个管状外壳中，外壳与钻具本身相连。根据任何标准，作业环境都很恶劣，随着钻深的增加，运动部件会受到冲击和振动，温度也会上升到200℃左右。“当你谈论恶劣的环境时，这是最极端的情况，”马克·德怀尔说，他是马克森精密电机有限公司(福尔河,马萨诸塞州)。该应用不需要高速，但电机需要提供大量的扭矩。

这种温度需要使用特殊的磁铁，如钐钴，它可以承受高达300°C的温度。通过激光焊接连接电机和变速箱，可以降低设备的冲击导致的故障。有趣的是，这些仪器在操作时充满了一种低粘度的油，这种油实际上有助于电机承受在这样的深度产生的高压。

该工具集成了在电机附近的外部控制板。目前，大多数井洞应用的温度保持在175°C左右，这使得易于找到控制和驱动电子设备。Dwyer说，难度将出现，因为公司钻探更深层次和井下孔的温度开始飙升至200°C或更高。“这是挑战性的，因为在那里可以处理200°C和高振动的电子元件，并且在油中淹没，”他说。目前，MWD供应商一直在开发自己的技术，满足当前条件。

下孔钻孔可能会造成一些最艰难的陆地条件，但是所有最恶劣的环境都在太空中找到。温度范围从数百次摄氏度到正数百度。组件因轰击电离辐射而受到惩罚。发射过程使它们受到高度的冲击和振动。尽管所有这些因素，性能要求仍然很高。

制造耐振动装置的一种方法是在板上涂上一层涂层，使组件不能移动，并能承受高强度或长时间的振动。这种类型的涂层带来了很大的好处，但也限制了选择。Galil运动控制公司的高级应用工程师John Hayes说:“这样做的好处是可以保护电子设备，覆盖整个电路板。”但是，一旦你这样做了，你就不能真正在黑板上工作了。所以缺点是，一旦你这样做了，你就无法修复它或做出任何改变。”用像乐泰(Loctite)这样的粘合剂紧固组件，也可以提高面对振动时的稳健性。

设计好奇心
虽然为轨道或深空飞行而设计的运动部件可能会面临具有挑战性的条件，但也许没有什么比最新的火星探测器所呈现的条件更困难了，好奇心目前在最近推出的火星科学实验室前往火星。大约2.7米x 3 m x 2.1米高，流动站大约为900千克（2000磅）。规格呼叫它以高达90米/小时的速度在表面上行进，并在高达75厘米（29英寸）的物体上导航。完全伸展，铰接臂伸展到2.2米。

总的来说，漫游者包含32个运动轴。它们包括每个车轮上的驱动和转向电机;加上电机以连接手臂;样品、采集和处理系统;还有遥感桅杆。额外的电机支持部署过程，打开盖等。一旦该装置到达火星，唯一可用的诊断数据将是每个执行器的电流轨迹，团队定义为电机、变速箱和编码器。

虽然精神和机会这两辆车都有多年的使用寿命好奇心，团队采用了无刷设计。这种选择主要是由于探测器在发射、飞行和部署期间需要承受的高冲击和振动环境。任务要求好奇心在从轨道到火星表面的旅程中，大部分时间都是用降落伞，然后在最后一段用系绳降落。“这是一个高冲击的环境，”Kobie Boykins说好奇心。"During descent, there are a lot of things going on I call reverse origami. We’re releasing things, we’re popping parachutes, we’re deploying mobility--the rover starts to unfold. All those releases or shock events tend to be near motors and gearboxes." Brushes tend to be susceptible to shock. In addition, the Martian atmosphere is high in carbon dioxide, which also contributes to brush wear. That, combined with incompletely understood plasma dynamics taking place between rotor and brushes drove the team to select a brushless design.

为了使用无刷电机，团队需要编码器。为了节省电力，他们开发了一种磁阻设计，能够在零下128°C的温度下工作。下一个重点是尝试开发为这些温度类型设计的齿轮箱和轴承。虽然润滑剂是必要的，特别是在干旱的环境中，湿润滑剂造成了冻结的风险。该团队开始开发低温变速箱。

像火星科学实验室这样的项目绝对需要一个极其强大的系统。毕竟，对于部署在数千万英里之外的机器人来说，没有“重头再来”。这意味着设计的可靠性和测试，测试，测试。低温变速箱的开发是一项具有挑战性的任务，结果证明是一项运气不佳的努力。最初的测试导致了失败。原因最终被证明是一种商用的、现成的轴承，而不是为低温设计的操作。这是测试设置的一部分，不是变速箱本身的一部分。不幸的是，它的故障引发了灾难性的故障。Boykins说:“这种轴承有一个未被批准用于温度测试的固定环。”“我们开始进行低温测试，那个挡圈进入变速箱并击穿了它。这阻止了测试，”他补充道，这是不必要的。

当然，在直接的后果中，他们不能做任何假设。相反，他们花了几个月的时间研究事故，以确定故障的近因。更换轴承后，他们重新开始测试。这一次，测试也因为故障而提前终止，这一次是由于地面支持设备(GSE)，而不是变速箱。一旦团队诊断出问题并重新开始，一切似乎都很有希望，直到遥测数据开始显示出奇怪的人为因素。在拆开变速箱后，小组再次发现了问题，尽管事实上他们已经纠正了变速箱和GSE的问题。此时，考虑到项目时间表和开发工作的挑战，评审团队建议暂时搁置冷变速箱的想法，而采用传统技术。

轴承的挑战
电机必须在-135°C下运行数亿次旋转。在进行测试时，不同轴上的轴承开始显示间歇式不稳定性。在无负荷条件下的测试中，团队将注意到当前遥测的变化约为100％。

轴承不稳定可能由许多不同的原因引起。轴承可以滑动或滑动而不是滚动。保持架或分离器会与轴承内的球锁在一起。保持器和内圈或外圈会摩擦。不稳定甚至可以源于转子动力学，因为电机的转速。“如果你愿意的话，你会得到一个基本频率，把你的设备变成塔科马海峡大桥，”Boykins说。当然，如果找到轴承不稳定的来源是困难的，纠正它就更具有挑战性。“在这个行业，这是一种黑暗的艺术。人们从轴承里取出一个球，然后换别的东西。真的没有一个答案。 You’re in a world of experimentation to get to the point where you get a quiet system.”

团队努力了解这个问题并确定原因。在低温齿轮箱的情况下，该团队能够做出返回传统技术的决定。在轴承不稳定性的情况下，它们并不是那么幸运，因为这对于几十年来的各种项目所使用的新技术和标准版本表现出来的效果。不幸的是，在确保整体设计足够强大并且具有足够的性能开销以容忍偶尔的不稳定性，并不容易答案。

这并不是开发之战的结束。在一轮测试之后，他们收到了当前的遥测数据，显示变速箱上有一个正弦负载，这与团队给系统施加的恒定扭矩相矛盾。当他们调查时，他们发现变速箱的输入轴承在一次故障中断裂了，这重新定义了灾难性这个术语。问题的核心是预压。为了节省航天器的体积和重量，并简化设计，该计划要求漫游者的车轮吸收接触行星表面的冲击。这在理论上是一个有价值的想法，但在实践中，它导致外部着陆载荷通过执行器的输出轴承。

为了确保部件的存活，该团队已经将输出轴承预装在变速箱上。问题是着陆时的预期力矩载荷对于轴承配置来说太大了;因此,灾难性的失败。“这些是角轴承，”Boykins说。“预紧力并不能让他们真正抓住时机。加载路径与我们最初相信的不一样。这就是负载是如何通过并破坏轴承的，因为现在传动装置的实际阶段承担了负载，而不是外壳将负载带到外壳外部和底部。”经过详尽的分析，随着最后期限的临近，该团队重新设计了预压过程，以引导荷载通过不同的路径。

而且，他们再次启动实验室测试。

这并不完全结束挑战。罗珀的铰接臂随后由于部件的重量和力矩臂的长度而导致齿轮箱的问题。同样，该单元在测试中失败。再次，该项目汇集了一支分析局势的审查团队。这一次，在调查一系列选项后，测试失败，并分析结果，团队确定没有办法在现有的限制集中完成所需的目标。无论是否涉及表现，成本或尺寸，都必须改变一些事情。

“你在臂的长度上有一个很大的力矩，所以会有一个很大的力矩回到变速箱，”Boykins说。“现在，我们不得不说，‘好吧，我们需要降低这些部位的压力，这样我们就不会达到疲劳极限，我们实际上可以使用一辈子。’”这一次，设备成功通过了寿命测试，团队准备继续前进。

火星科学实验室于26日发射升空，成功进入火星轨道。在撰写本文时，所有通信都经过了适当的测试。最初的计划是在12月10日进行一次可控燃烧以修正航向，但在工程师确定航天器进入轨道后，这一计划被推迟。它将于8月6日在盖尔陨石坑着陆，开始为期686天的任务

对于同样参与过“勇气号”和“机遇号”的博伊金斯来说，观看探测器着陆是这个非凡项目的另一个亮点。“这是最神奇的感觉，”他说。“你会充满喜悦，对所有与你共事的人充满敬意。能够参与建造将在另一个星球上着陆的东西是一件让人谦卑的事情。这是最酷的感觉。”

确认
感谢杰夫兰德尔的马克森精密马达有用的对话。