CN103605372A - 真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，该平台包括航天器对接机构、L型机架(即底部固定支撑框架)、试件平台、两个螺旋升降机、两组机箱轴承组件、两个转轴轴承组件、两个丝杠轴承组件等组成。该平台针对真空低温使用环境，采用螺旋升降机作为动力部件，并且对驱动电机以及螺旋升降机机箱，采用薄膜加热器与多层隔热组件相结合的方式进行温控，采用极压真空润滑脂对电机及机箱进行润滑，因此能够在环境温度100K,真空度优于10^-3Pa的情况下使用，克服了现有的调节平台不能在极端条件下使用的技术问题并且显著提高了调节精度。

Description

真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台

技术领域

本发明属于真空热试验技术领域，具体涉及了一种真空低温环境下机构运动装置，其功能是大型航天器热试验进行中，对航天器的倾斜角度进行实时调整。 

背景技术

热试验用倾角自动调节平台作为一种调节运动平面相对于水平面倾角的机构，属于曲柄摇块机构。常用的此种曲柄摇块机构是往复油(汽)缸机构①或者称之为气液动连杆机构，包括从动摇杆1；活塞杆2；动作缸3以及机架4；其机械原理如图1所示。一般为液压驱动的起重机起重臂的抬升机构。 

该机构的特点是含有移动副，其由活塞杆2与动作缸3组合而成，该机构总是以活塞杆2为主动件，通过活塞杆2在动作缸3内的上下移动，从而改变从动摇杆1相对于水平面的倾角。 

在真空热试验中，由于处于真空(<10^-3Pa)低温(≤100K)环境下，气液驱动的动连杆机构已经无法使用。因此，为了满足大型航天器真空热试验等需求，此外，可调倾角的机构为常温常压状态下工作的机构，在真空低温下要面临一系列问题。主要有①常规电机、液压缸由于真空挥发效应，无法在真空低温下使用；②真空状态下，运动机构的配合表面摩擦力要大幅度的增高，无润滑情况下，摩擦力增大在5～10倍之间；③低温状态下，运动机构的由于不同材料的线膨胀系数不同，而使配合间隙发生变化，极易引起机构的卡死；④控制精度的要求，普通的三相异步电机无法使用，必须使用控制电机；⑤由于负载质量超重，而控制电机的输出转矩一般偏小，存在电机输出转矩不足的问题。 

因此，设计和发明一种具有结构简单，实施方便可靠，精度高，适应性好的真空低温环境下使用的倾角调节机构有着积极而现实的意义。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明人经过长期研究，从而提供了一种适合真空低温环境下使用的倾角调节机构，旨在满足航天器在真空热试验时，航天器的对接平面(机构运动平面)相对于水平面的倾角在一定范围内可调，其精度在0.01°。 

本发明的真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，该平台包括航天器对接机构、L型机架、试件平台、两个螺旋升降机、两组机箱轴承组件、两个转轴轴承组件、两个丝杠轴承组件，试件平台为内设十字加强筋的方形框架结构，方形框架的四个侧面外接两肋条形成三角形，三角形顶点设置在十字加强筋延长部分上，四个三角形顶点位置分别设置有航天器对接机构，方形框架一侧的相对两端上包括有旋转长轴，旋转长轴通过两个转轴轴承组件分别安装在L型机架的高端一侧，两个螺旋升降机通过两组机箱轴承组件分别安装在L型机架的低端一侧，螺旋升降机的丝杠的顶端分别通过丝杠轴承组件与试件平台方形框架的另一侧相连接，其中，两个螺旋升降机分别包括有驱动电机(图中未显示)、升降机机箱、升降机丝杠等组成。工作时，控制系统发出角度位移以及转动速度等相关指令，驱动电机旋转，转换为丝杠的往复上下直线运动，推动试件平台绕旋转长轴转动，从而为航天器提供不同的倾角。 

所述的真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，其中，采用螺旋升降机作为动力部件，并通过两个螺旋升降机同步推动的方式，使试件平台绕旋转长轴转动，实现倾角调节。 

其中，试件平台为内部设置十字中间加强筋的方形框架结构。 

其中，L型机架为平台运动部分的机架部分。L型机架是框架结构，一端为高端，一端为低端，呈L型。 

其中，L型机架的拐角处倾斜设置有加强肋。 

其中，所有轴承组件内部选用不锈钢调心轴承。 

其中，试件平台为从动摇杆，螺旋升降机的机箱为动作缸，螺旋升降机的丝杠为活塞杆，轴承组件为支撑的铰接点。 

其中，驱动电机采用薄膜加热器与多层隔热组件相结合的进行温控，采用极压真空润滑脂对电机进行润滑。 

其中，螺旋升降机的机箱部分也采用薄膜加热器与多层隔热组件相结合的进行温控，采用极压真空润滑脂对电机进行润滑。 

其中，调心轴承为固定-游动支撑结构，为调心滚子不锈钢轴承，并采用大于 C5的游隙组。此结构型式更好的适应了低温变形、尺寸过大以及负载过重而引起的变形及装配误差，降低了加工装配精度 

与现有技术相比，本发明的自动调节平台已经在CE-3着陆器热试验得到使用与验证，该平台针对真空低温使用环境，采用螺旋升降机作为动力部件，并且对驱动电机以及螺旋升降机机箱，采用薄膜加热器与多层隔热组件相结合的方式进行温控，采用极压真空润滑脂对电机以及升降机机箱进行润滑，因此能够在环境温度100K,真空度优于10^-3Pa的情况下使用，克服了现有的调节平台不能在极端条件下使用的技术问题并且显著提高了调节精度。该平台针对负载过重，尺寸过大等因素，采用了两个螺旋升降机同步推动的方式实现平台的倾角调节。使用结果表明，采用该技术方案的热试验倾角自动调节平台，不仅完全满足CE-3着陆器的热试验倾斜倾角调节要求(-5°～+5°)，而且其调节精度也达到0.01°，达到了预期的各项指标。 

附图说明

图1为现有技术中倾角调节机构的原理示意图。 

其中，1从动摇杆；2活塞杆；3动作缸；4机架； 

图2为本发明的热试验倾角自动调节平台结构示意图； 

图中，11为航天器对接机构；12转轴轴承组件；13为L型机架；14为试件平台；15为螺旋升降机机箱；16为机箱轴承组件；17为升降机丝杠；18为丝杠轴承组件； 

图3为本发明的热试验倾角自动调节平台的正视图； 

图中，11为航天器对接机构；12转轴轴承组件；13为L型机架；14为试件平台；15为螺旋升降机机箱；16为机箱轴承组件；17为升降机丝杠；18为丝杠轴承组件； 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的热试验倾角自动调节平台作进一步的说明。这些实施方式都是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。 

为了满足航天器热试验中倾斜调节的要求并满足在真空低温环境下应用要求，本发明提出了一种在真空低温环境下能够使用的热试验倾角自动调节平台。具体针对CE-3着陆器热试验要求，具体实施方式结合附图2说明如下： 

如图2所示，本发明的热试验倾角自动调节平台该平台包括航天器对接机构11、L型机架13、试件平台14、两个螺旋升降机(15、17)、两组机箱轴承组件16、两个转轴轴承组件12、两个丝杠轴承组件18，试件平台14为内设十字加强筋的方形框架结构，方形框架的四个侧面外接两肋条形成三角形，三角形顶点设置在十字加强筋延长部分上，四个三角形顶点位置分别设置有航天器对接机构11，方形框架一侧的相对两端上包括有旋转长轴（即图3中显示的L型框架上方一端的黑色旋转轴），旋转长轴通过两个转轴轴承组件12分别安装在L型机架13的高端一侧，两个螺旋升降机的机箱15通过两组机箱轴承组件16分别安装在L型机架13的低端一侧，螺旋升降机的丝杠17的顶端分别通过丝杠轴承组件18与试件平台14方形框架的另一侧相连接，其中，两个螺旋升降机分别包括有驱动电机（未标示）、升降机机箱15、升降机丝杠17。工作时，控制系统发出角度位移以及转动速度等相关指令，驱动电机旋转，转换为升降机丝杠17的往复上下直线运动，推动试件平台14绕旋转长轴转动，从而为航天器提供不同的倾角。其中，机箱轴承组件内部设置有调心滚子轴承，L型机架13为平台运动部分的机架部分，试件平台为从动摇杆，螺旋升降机的机箱为动作缸，螺旋升降机的丝杠为活塞杆，轴承组件为支撑的铰接点。 

在一实施方式中，L型机架的拐角处倾斜设置有加强肋。 

特别地，为了满足在环境温度100K,真空度优于10^-3Pa的情况下使用，本发明的驱动电机采用薄膜加热器与多层隔热组件相结合的进行温控，采用极压真空润滑脂对电机进行润滑。 

在另一实施方式中，螺旋升降机的机箱部分也采用薄膜加热器与多层隔热组件相结合的进行温控，采用极压真空润滑脂对电机进行润滑。 

其中，调心轴承为固定-游动支撑结构，为调心滚子不锈钢轴承，并采用大于C5的游隙组。 

具体来说，对步进电机进行真空低温适应性改造，去油，填充真空挤压润滑脂，然后组装，在电机机箱(或者在电机机箱外加一温控罩)外表面粘贴薄膜加热器，以及包覆多层隔热组件，粘贴控温用热电偶； 

对螺旋升降机机箱内传动组件需要润滑的部位，去油，然后按照规定填充真空挤压润滑脂，然后组装，在升降机机箱外表面(或者外加温控罩)粘贴薄膜加热器，以及包覆多层隔热组件，粘贴控温用热电偶； 

对运动机构中无法进行温控的部位，如轴承组件(轴承及轴承座)计算低温使用温度下运动需要的间隙值，低温使用温度与常温加工制造温度之间的变化量， 在设计时给予考虑，并按照相应的机械标准圆整取值； 

按照设计图纸进行加工组装，对步进电机的同步控制方案进行实施； 

热试验倾角自动调节平台吊入试验用真空容器，连接电机控制电缆，以及薄膜加热器，控温热电偶进行焊接联线，通过容器法兰引出容器外； 

航天器与水平对接机构进行对接，然后进行试验准备后，关容器大门，抽真空，容器热沉通液氮，使试验容器进入真空低温环境，开始热试验工况； 

热试验进行中，按照已经设计好的电机、升降机机箱控温算法对要控温部位进行控温，使之处于规定温度； 

根据试验要求，通过控制计算机，发出指令，机构按照指令对航天器倾斜角度进行调节，通过控制计算机来控制驱动电机的旋转是本领域公知的，驱动电机的旋转通过涡轮蜗杆结构转变为丝杠的直线运动在本领域中也是公知的，在此不再赘述。 

热试验倾角自动调节平台具有以下结构特点： 

针对真空低温使用环境(环境温度<-20℃，真空度<10-2Pa)，采用薄膜加热器与多层隔热组件相结合的方法对电机进行温控，采用极压真空润滑脂对电机进行润滑。这两种方法的组合，使普通控制电机在的真空低温环境下可以正常使用；此种适应性改造方法，也可以用于减速器等机箱组件上。本发明中对螺旋升降机的机箱部分就采用了此种方法，以适应真空低温环境；此种适应性改造方法，不仅制造生产周期短，而且相对比国外进口真空低温电机，具有极大的成本优势； 

针对真空环境，选择螺旋升降机作为动力部件，而非普通环境下的汽缸或者液压缸。螺旋升降机的机构原理是蜗杆涡轮机构与螺旋机构的组合，由电机带动涡轮蜗杆副，再传递给螺旋副，实现丝杆或者螺母的直线往复运动。螺旋升降机具有结构紧凑、自锁特性、体积小、重量轻、无噪音、安装方便、等优点，十分适合真空低温环境下使用取代气缸、液压缸做动力驱动部件； 

针对负载超重及真空下摩擦力急剧加大等因素，采用了双电机驱动，降低了对驱动电机的输出转矩的要求，使电机可以选用控制电机，从而满足运动精度的要求； 

针对低温下由于材料线膨胀系数不同而引起的运动间隙变化，根据使用温度与常温之间，材料线膨胀系数的差值，合理设计配合间隙，使配合间隙适应低温环境下的使用； 

针对试件尺寸超大，降低低温环境下热力耦合引起的内应力，采用了双电机驱动方式与调心轴承相配合的方式，调心轴承采用固定-游动支撑结构，选用调心 滚子不锈钢轴承，并根据使用环境对轴承的游隙组做特别计算，采用大于C5的游隙组，适应了低温变形、装配尺寸过大以及负载质量过大而引起的变形及装配误差，降低了加工装配精度。 

上述技术方案，解决了真空低温特殊环境下的低温变形、运动易卡死，摩擦力大等难点，具有运动可靠性好，控制精度高、成本低等特点。 

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。 

Claims (10)

1.真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，该平台包括航天器对接机构、L型机架、试件平台、两个螺旋升降机、两组机箱轴承组件、两个转轴轴承组件、两个丝杠轴承组件。试件平台为内设十字加强筋的方形框架结构，方形框架的四个侧面外接两肋条形成三角形，三角形顶点设置在十字加强筋延长部分上，四个三角形顶点位置分别设置有航天器对接机构，方形框架一侧的相对两端上包括有旋转长轴，旋转长轴通过两个转轴轴承组件分别安装在L型机架的高端一侧，两个螺旋升降机通过两组机箱轴承组件分别安装在L型机架的低端一侧，螺旋升降机的丝杠的顶端分别通过丝杠轴承组件与试件平台方形框架的另一侧相连接，其中，两个螺旋升降机分别包括有驱动电机、升降机机箱、升降机丝杠等组成。工作时，控制系统发出角度位移以及转动速度等相关指令，驱动电机旋转，转换为丝杠的往复上下直线运动，推动试件平台绕旋转长轴转动，从而为航天器提供不同的倾角。

2.如权利要求1所述的真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，其中，螺旋升降机作为动力部件。

3.如权利要求1所述的真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，其中，通过两个螺旋升降机同步推动的方式，使试件平台绕旋转长轴转动，实现倾角调节。

4.如权利要求1所述的真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，其中，试件平台为内部设置十字中间加强筋的方形框架结构。

5.如权利要求1所述的真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，其中，L型机架为平台运动部分的机架部分。

6.如权利要求1所述的真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，其中，L型机架是框架结构，一端为高端，一端为低端，呈L型,在L型机架拐角处倾斜设置有加强肋。

7.如权利要求1所述的真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，其中，所有轴承组件内部选用不锈钢调心轴承，采用大于C5的游隙组，并且配对使用的轴承组件采用固定-游动支撑结构。

8.如权利要求1-6任一项所述的真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，其中，驱动电机采用薄膜加热器与多层隔热组件相结合的进行温控，采用极压真空润滑脂对电机进行润滑。

9.如权利要求1-6任一项所述的真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，其中，螺旋升降机的机箱部分也采用薄膜加热器与多层隔热组件相结合的进行温控，采用极压真空润滑脂对电机进行润滑。

10.如权利要求1-6任一项所述的真空低温环境下热试验用倾角自动调节平台，其中，旋转长轴两端的转抽轴承组件选用调心滚子不锈钢轴承，并采用大于C5的游隙组，采用固定-游动支撑结构。

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