CN105508818A - 一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台 - Google Patents

一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，包括台体、内框架、外框架、随动框架、基座和轴端；其中内框架和基座为球形壳体，外框架和随动框架为具有均匀分布三角镂空结构的球形壳体，该三角镂空结构为近似等分的三角形，均匀分布在除轴端和安装区域以外的球形壳体上；该稳定平台相对于环形结构的稳定平台，具有等刚度特点，并且有利于减小干扰误差；相比完全封闭的球形结构的稳定平台，具有良好的热传导和热对流功能，有利于建立良好的温度场。

Description

一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台
技术领域
本发明涉及惯性稳定平台机械结构设计领域，特别涉及一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台。
背景技术
陀螺稳定平台的主要作用是在弹(箭)内按给定的技术指标，建立一个与弹(箭)的角运动无关的导航坐标系，为加速度的测量和姿态角的测量提供必要的坐标基准。
传统平台结构采用环形框架和矩形台体，框架的轴端连接处放置电机和角度/角速度测量电路等，由于容纳体积及环形结构限制，轴端设计为外凸起结构，为了使各框架自由旋转，则需要加大框架尺寸，因此会占用较大的回转空间，体积较大，无法满足目前轻小型化的平台发展趋势，而且这种结构会产生二阶干扰力矩；同时平台结构采用开放式环架，受外界温度环境影响较大，容易影响惯性仪表的恒温性。
因此，对于三框架平台系统或四框架平台系统来说，内框架和基座采用球面框架有利于为惯性仪表提供一个良好的工作环境。但如果外框架和随动框架也采用密闭的球面框架时，将对热量由内向外传导不利，也会影响惯性仪表的恒温性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，该稳定平台的内框架和基座为球形壳体，外框架和随动框架为具有三角镂空结构的球形壳体，该三角镂空结构为近似等分的三角形，均匀分布在除轴端和安装区域以外的球形壳体上；该稳定平台相对于环形结构的稳定平台，具有等刚度特点，并且有利于与减小干扰误差；相比完全封闭的球形结构的稳定平台，具有良好的热传导和热对流功能，有利于建立良好的温度场。
本发明通过以下方案实现上述目的：
一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，包括台体、内框架、外框架、随动框架、基座和轴端，其中：内框架和基座为球形壳体，外框架和随动框架为具有均匀分布三角镂空结构的球形壳体；所述四个球形壳体的中心重合且由内到外的嵌套顺序为内框架、外框架、随动框架和基座；每相邻两个球形壳体之间通过两个轴端连接，且位于内部的球形壳体绕所述轴端的转轴转动；台体位于内框架内部且通过两个轴端连接，并绕所述轴端的转轴转动；基座与外部载体固定连接；其中，台体、内框架、外框架和随动框架转动时的中心轴彼此正交。
在上述的具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台中，外框架和随动框架为具有均匀分布的三角镂空结构的球形壳体，其中：外框架和随动框架的球形壳体在框架本体坐标系的X轴、Y轴上共设置四个轴端安装孔，即四个轴端安装孔分别位于框架本体坐标系的+X轴、-X轴、+Y轴、-Y轴；所述每个轴端安装孔周围设置有安装电路和惯性仪表的区域，即所述区域为连续球壳弧面。
在上述的具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台中，外框架和随动框架的球形壳体由两个半球壳体连接构成，当两个半球壳体分开时，在球壳内表面的轴端安装孔周围的连续球壳弧面上安装电路和惯性仪表，安装结束后，将两个半球壳体连接为一个球形壳体。
在上述的具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台中，连接台体和内框架的两个轴端与内框架的球形壳体外表面共面；连接内框架和外框架的两个轴端与外框架的球形壳体外表面共面；连接外框架和随动框架的两个轴端与随动框架的球形壳体外表面共面；连接随动框架和基座的两个轴端与基座的球形壳体外表面共面。
在上述的具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台中，在外框架和随动框架的球形壳体上，通过如下步骤确定三角镂空结构的位置：
(1)、在球形壳体上选取20个顶点，所述20个顶点通过直线连接构成一个内接于球形壳体的正12面体，所述正12面体具有30条边；
(2)、将所述12面体的30条边映射到球形壳体表面，得到30条短程线，所述30条短程线在球面壳体表面划分出12个相同的五边形曲面，将每个五边形曲面的中心点与所述曲面的5个顶点通过短程线连接，所述短程线将1个五边形曲面划分为5个三角形曲面，即将球形壳体划分为60个相同的三角形曲面；
(3)、在每个三角形曲面内，选取构成三角形曲面的三条短程线的中点，通过3条短程线连接3个中点，将每个三角形曲面划分为4个二级三角形曲面，即将球形壳体划分为240个二级三角形曲面；
(4)、在球面壳体上设置轴端安装孔，并在所述安装孔的周围预留电路和惯性仪表的安装区域；在剩余区域内对球形壳体进行镂空操作，镂空单元为步骤(3)划分的二级三角形曲面。
其中，在步骤(1)中，选取20个顶点在框架本体坐标下的坐标分别为：(a,b,0)、(-a,b,0)、(a,-b,0)、(-a,-b,0)、(b,0,a)、(-b,0,a)、(b,0,-a)、(-b,0,-a)、(0,a,b)、(0,-a,b)、(0,a,-b)、(0,-a,-b)、(c,c,c)、(c,-c,c)、(c,c,-c)、(-c,c,c)、(-c,-c,c)、(-c,c,-c)、(-c,-c,-c)、(c,-c,-c)，其中，r为球形壳体的半径；则在步骤(4)中，在外框架和随动框架的+X轴、-X轴、+Y轴和-Y轴上设置4个轴端安装孔，在基座的+X轴、-X轴设置两个轴端安装孔；并以YOZ平面为剖面将球形壳体分割为两个半球壳体。
在上述的具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台中，台体为球形壳体，在所述球形壳体腔体内安装惯性仪表和电路板。
在上述的具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台中，基座为单层球形球壳，所述球形壳体表面设置有加强筋。
本发明与现有技术相比的有益效果如下：
(1)、本发明惯性稳定平台的内框架、外框架、随动框架和基座均为球形结构，相对于采用环形框架的稳定平台，具有等刚度的特点，并且有利于减小干扰误差；
(2)、本发明惯性稳定平台的内框架为球形壳体，和传统的开放环架结构相比，可以降低外界信号对惯性仪表的干扰，有利于确保仪表的恒温性，而且外框架和随动框架采用镂空的球壳结构，具有良好的热传导和热对流功能，有利于电路散热，从而建立良好的温度场。
附图说明
图1为本发明的球形惯性稳定平台中具有三角镂空结构的球壳结构图；
图2为本发明的球形惯性稳定平台中具有三角镂空结构的球壳分离后的半球壳结构图；
图3为本发明中在球壳上划分12个五边形曲面的示意图；
图4为本发明中在球壳上划分60个三角形曲面的示意图；
图5为本发明中在球壳上划分240个二级三角形曲面的示意图；
图6为本发明中在球壳上划分240个二级三角形曲面后位于同一弧段的短程线示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，包括台体、内框架、外框架、随动框架、基座和轴端。其中，内框架和基座为球形壳体，外框架和随动框架为具有均匀分布三角镂空结构的球形壳体。这四个球形壳体的中心重合且由内到外的嵌套顺序为内框架、外框架、随动框架和基座；每相邻两个球形壳体之间通过两个轴端连接，且位于内部的球形壳体绕所述轴端的转轴转动；台体位于内框架内部且通过两个轴端连接，并绕所述轴端的转轴转动；基座与外部载体固定连接；其中，台体、内框架、外框架和随动框架转动时的中心轴彼此正交，且为了增大台体容积，将台体也设计为球形壳体，在所述球形壳体腔体内安装惯性仪表和电路板。基座为单层球形球壳，在该球形壳体表面设置有加强筋。
本发明惯性稳定平台的外框架和随动框架为具有均匀分布的三角镂空结构的球形壳体，其中：外框架和随动框架的球形壳体在框架本体坐标系的X轴、Y轴上共设置四个轴端安装孔，即四个轴端安装孔分别位于框架本体坐标系的+X轴、-X轴、+Y轴、-Y轴；每个轴端安装孔周围设置有安装电路和惯性仪表的区域，即所述区域为连续球壳弧面。为了便于在惯性稳定平台的球形框架内安装惯性仪表和电路，本发明将各球形壳体设计为两个可分离半球形壳体，因此，每个球形壳体上需要设定轴端安装孔，同时也要设定球形壳体的分离剖面。对于具有三角镂空结构的球形壳体，在进行轴端位置选取时需要考虑镂空结构的对称性，在剖面选取时需要考虑剖面尽可能少地切断镂空结构的桁架。外框架和随动框架的球形壳体由两个半球壳体连接构成，当两个半球壳体分开时，在球壳内表面的轴端安装孔周围的连续球壳弧面上安装电路和惯性仪表，安装结束后，将两个半球壳体连接为一个球形壳体。如图1所示的镂空球形壳体的结构所示，图中，1为轴端安装孔，2为三角形的镂空结构，3为镂空后在球壳上剩余的桁架，4为在轴端安装孔周围预留的连续球壳弧面，用于安装电路和惯性仪表，5为两个半圆球壳的分界面所在位置，图2为图1所示的镂空球壳按照5所在的位置分离之后的半球壳结构图。
本发明的惯性稳定平台将安装区域设置在轴端周围的球壳内，不占用轴端的安装空间，因此可以将轴端设计为与球壳共面的球冠状轴端，相对于传统的凸起轴端设计，本发明的各框架的占用的回转空间较小，可以有效降低惯性稳定平台的体积，并且有利于减小干扰误差。其中，连接台体和内框架的两个轴端与内框架的球形壳体外表面共面；连接内框架和外框架的两个轴端与外框架的球形壳体外表面共面；连接外框架和随动框架的两个轴端与随动框架的球形壳体外表面共面；连接随动框架和基座的两个轴端与基座的球形壳体外表面共面。
在具体实现中，为了便于对轴端安装孔和半球壳剖面进行定位，本发明在外框架、随动框架和基座的球形壳体上，通过如下步骤确定三角镂空结构的位置：
(1)、在球形壳体上选取20个顶点，所述20个顶点通过直线连接构成一个内接于球形壳体的正12面体。该12面体由12个相同的正五边形构成，共有30条边。
(2)、如图3所示，将所述12面体的30条边映射到球形壳体表面，得到30条短程线，这30条短程线在球面壳体表面划分出12个相同的五边形曲面，将每个五边形曲面的中心点与所述曲面的5个顶点通过短程线连接，这些短程线将1个五边形曲面划分为5个三角形曲面，即将球形壳体划分为如图4所示的60个相同的三角形曲面。其中，短程线为连接球面上两个点的最短的弧线，该弧线的圆心为球壳的圆心。
(3)、在每个三角形曲面内，选取构成三角形曲面的三条短程线的中点，通过3条短程线连接3个中点，将每个三角形曲面划分为4个二级三角形曲面，即将球形壳体划分为240个二级三角形曲面，如图5所示；
(4)、在球面壳体上设置轴端安装孔，并在所述安装孔的周围预留电路和惯性仪表的安装区域；在剩余区域内对球形壳体进行镂空操作，镂空单元为步骤(3)划分的二级三角形曲面。
其中，在步骤(1)中，如果选取的20个顶点在框架本体坐标下的坐标分别为：(a,b,0)、(-a,b,0)、(a,-b,0)、(-a,-b,0)、(b,0,a)、(-b,0,a)、(b,0,-a)、(-b,0,-a)、(0,a,b)、(0,-a,b)、(0,a,-b)、(0,-a,-b)、(c,c,c)、(c,-c,c)、(c,c,-c)、(-c,c,c)、(-c,-c,c)、(-c,c,-c)、(-c,-c,-c)、(c,-c,-c)，其中，r为球形壳体的半径；则在步骤(3)划分的240个二级三角形曲面中，会出现三组短程线集合，每组包括2条完整的弧，每条弧由6根短程线连在一起，如图6所示，6为连在一起的短程线组成的弧段。该三组短程线分别对称分布在XOY面、YOZ面和XOZ平面上，其中：一组短程线对应的弧段中心分别位于+X轴和-X轴，一组短程线对应的弧段中心分别位于+Y轴和-Y轴，还有一组短程线对应的弧段中心分别位于+Z轴和-Z轴。
本发明根据以上六组短程线的分布区域，进行轴端安装孔和半球壳剖面位置设定，可以确保分布在球壳上的三角镂空结构关于轴端连接轴线和半球壳剖面对称分布，而且在半球壳划分区域切断的镂空结构桁架最少。因此，在步骤(4)中，在外框架和随动框架的+X轴、-X轴、+Y轴和-Y轴上设置4个轴端安装孔，在基座的+X轴、-X轴设置两个轴端安装孔；并以YOZ平面为剖面将球形壳体分割为两个半球壳体。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，包括台体、内框架、外框架、随动框架、基座和轴端，其特征在于：内框架和基座为球形壳体，外框架和随动框架为具有均匀分布三角镂空结构的球形壳体；所述四个球形壳体的中心重合且由内到外的嵌套顺序为内框架、外框架、随动框架和基座；每相邻两个球形壳体之间通过两个轴端连接，且位于内部的球形壳体绕所述轴端的转轴转动；台体位于内框架内部且通过两个轴端连接，并绕所述轴端的转轴转动；基座与外部载体固定连接；其中，台体、内框架、外框架和随动框架转动时的中心轴彼此正交。
2.根据权利要求1所述的一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，其特征在于：外框架和随动框架为具有均匀分布的三角镂空结构的球形壳体，其中：外框架和随动框架的球形壳体在框架本体坐标系的X轴、Y轴上共设置四个轴端安装孔，即四个轴端安装孔分别位于框架本体坐标系的+X轴、-X轴、+Y轴、-Y轴；所述每个轴端安装孔周围设置有安装电路和惯性仪表的区域，即所述区域为连续球壳弧面。
3.根据权利要求2所述的一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，其特征在于：外框架和随动框架的球形壳体由两个半球壳体连接构成，当两个半球壳体分开时，在球壳内表面的轴端安装孔周围的连续球壳弧面上安装电路和惯性仪表，安装结束后，将两个半球壳体连接为一个球形壳体。
4.根据权利要求1至3之一所述的一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，其特征在于：连接台体和内框架的两个轴端与内框架的球形壳体外表面共面；连接内框架和外框架的两个轴端与外框架的球形壳体外表面共面；连接外框架和随动框架的两个轴端与随动框架的球形壳体外表面共面；连接随动框架和基座的两个轴端与基座的球形壳体外表面共面。
5.根据权利要求1至3之一所述的一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，其特征在于：在外框架和随动框架的球形壳体上，通过如下步骤确定三角镂空结构的位置：
(1)、在球形壳体上选取20个顶点，所述20个顶点通过直线连接构成一个内接于球形壳体的正12面体，所述正12面体具有30条边；
(2)、将所述12面体的30条边映射到球形壳体表面，得到30条短程线，所述30条短程线在球面壳体表面划分出12个相同的五边形曲面，将每个五边形曲面的中心点与所述曲面的5个顶点通过短程线连接，所述短程线将1个五边形曲面划分为5个三角形曲面，即将球形壳体划分为60个相同的三角形曲面；
(3)、在每个三角形曲面内，选取构成三角形曲面的三条短程线的中点，通过3条短程线连接3个中点，将每个三角形曲面划分为4个二级三角形曲面，即将球形壳体划分为240个二级三角形曲面；
(4)、在球面壳体上设置轴端安装孔，并在所述安装孔的周围预留电路和惯性仪表的安装区域；在剩余区域内对球形壳体进行镂空操作，镂空单元为步骤(3)划分的二级三角形曲面。
6.根据权利要求5所述的一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，其特征在于：在步骤(1)中，选取20个顶点在框架本体坐标下的坐标分别为：(a,b,0)、(-a,b,0)、(a,-b,0)、(-a,-b,0)、(b,0,a)、(-b,0,a)、(b,0,-a)、(-b,0,-a)、(0,a,b)、(0,-a,b)、(0,a,-b)、(0,-a,-b)、(c,c,c)、(c,-c,c)、(c,c,-c)、(-c,c,c)、(-c,-c,c)、(-c,c,-c)、(-c,-c,-c)、(c,-c,-c)，其中，r为球形壳体的半径；则在步骤(4)中，在外框架和随动框架的+X轴、-X轴、+Y轴和-Y轴上设置4个轴端安装孔，在基座的+X轴、-X轴设置两个轴端安装孔；并以YOZ平面为剖面将球形壳体分割为两个半球壳体。
7.根据权利要求1至3之一所述的一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，其特征在于：台体为球形壳体，在所述球形壳体腔体内安装惯性仪表和电路板。
8.根据权利要求1至3之一所述的一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台，其特征在于：基座为单层球形球壳，所述球形壳体表面设置有加强筋。
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