CN105659915B - 一种星载天线双轴指向机构 - Google Patents

Abstract

一种星载天线双轴指向机构，由两个完全相同的驱动组件通过支架连接构成，驱动组件主要包括电机、谐波减速器、光电码盘，驱动组件采用了贯穿式的轴系结构布置，贯穿式主体结构通过输入轴和输出轴组合而成，电机、谐波减速器、光电码盘都不设自己单独的轴系，电机与谐波减速器的波发生器共同安装在输入轴上。输入轴通过谐波减速器波发生器、刚轮以及柔轮构成的谐波组件实现减速传动，柔轮输出端与驱动组件的输出轴相连接，驱动组件一端作为输出前端与负载相连接，在驱动组件的另一端，将光电码盘安装在输出轴上。本发明克服了现有技术的不足，满足了高精度、长寿命的需求。<pb pnum="1" />

Description

一种星载天线双轴指向机构

技术领域

本发明涉及一种航天器天线机构，尤其涉及一种长寿命、高精度星载天线双轴指向机构。

背景技术

国外从上世纪70年代起已经逐步发展并完善了双轴指向机构设计技术，80年代起开始在不同类型、不同轨道的卫星中有了成功的应用，已先后在数据中继卫星及其用户星、对地观测卫星、通信卫星、星际探测卫星和军用侦察、导航等卫星上得到了广泛的应用。

如表1，列出了国外采用该类型天线的卫星及其基本情况。

表1国外应用星载天线双轴指向机构的卫星

目前美国的Honeywell、Loral、加拿大的EMS、意大利的Alenia以及德国的Astrium、俄罗斯的应用力学科学生产联合体等一些公司都已经有了适应于不同波段、不同指向要求的较为成熟的机构系列产品。

此外，NASA、ESA以及日本也在空间通讯方面应用了双轴指向机构，美国与俄罗斯在飞船的在轨对接方面，大量的采用了双轴指向机构作为目标引导，NASA在大口径电子侦察天线上安装了双轴指向调整机构，很好的保证了大型柔性反射器的在轨指向精度。

国内对于指向机构，特别是对于双轴指向机构的研制尚处于起步的阶段，仅在某些型号中已有应用。

在已有的双轴指向机构中，多是将电机、谐波减速器以及光电码盘中的部分或全部部件分别作为独立的部件串联组合到一起，各部件之间往往需要通过联轴节进行刚性或弹性连接，这样设计出来的双轴指向机构体积较大、重量较重，同时由于采用了联轴节等中间环节从而导致整个驱动组件的性能指标以及可靠性大大降低，难以满足空间长寿命、高精度的指标要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种星载天线双轴指向机构，该机构能够满足空间条件下长寿命、高精度的指标要求。

本发明进一步解决的技术问题还包括：本发明的双轴指向机构采用润滑脂润滑谐波减速器，提高了减速器的寿命，降低了磨损，保证减速器在寿命期的精度。

本发明进一步解决的技术问题还包括：本发明的双轴指向机构中热稳定性好，受空间温度环境的影响小，从而可以减少双轴指向机构的热变形，提高双轴指向机构在热环境下的精度指标。

本发明的技术解决方案是：一种星载天线双轴指向机构，由两个完全相同的驱动组件通过支架连接构成，所述的驱动组件主要包括电机、谐波减速器以及光电码盘，其特征在于：驱动组件采用贯穿式一体化结构形式，即电机、谐波减速器、光电码盘共用统一的输入轴和输出轴，电机与谐波减速器的波发生器共同安装在输入轴上，谐波减速器的柔轮和光电码盘共同安装在输出轴上，输入轴为中空结构，输出轴穿过输入轴内部，输入轴两端通过轴承支撑，输入轴前端轴承安装在输出轴上，输入轴后端轴承安装在后壳体内，刚轮分别与前壳体、后壳体连接在一起，输出轴两端通过输出轴前端轴承和输出轴后端轴承支撑，输入轴通过谐波减速器的波发生器、刚轮以及柔轮构成的谐波组件实现减速传动，柔轮一端与输出轴相连接，柔轮另一端通过柔性轴承与输入轴相连接。

所述的输入轴后端轴承、输入轴前端轴承为深沟球轴承。所述的输出轴前端轴承为一个深沟球轴承，输出轴后端轴承为一对向心推力轴承，一对向心推力轴承面对面安装。所述的输出轴前端轴承和输出轴后端轴承采用一端轴向浮动，另一端预紧的安装形式。

所述的输出轴后端轴承通过输出轴轴套及锁紧螺母进行轴向定位，并通过锁紧螺母进行轴承预紧，以保证整个轴系的输出精度。

所述的输入轴前端是谐波减速器波发生器的凸轮，通过柔性轴承与刚轮和柔轮相啮合，后端是电机的安装段，电机的转子直接安装于输入轴上。

所述的刚轮与柔轮之间采用醛氟聚醚润滑脂润滑。

所述的柔性轴承内外圈溅射MoS₂复合膜润滑，柔性轴承的保持架采用二硫化钼、聚四氟乙烯复合材料压制而成的固体润滑材料。

所述的输出轴前端轴承、输出轴后端轴承、输入轴后端轴承以及输入轴前端轴承内外圈溅射MoS₂复合膜润滑，轴承的保持架采用二硫化钼、聚四氟乙烯复合材料压制而成的固体润滑材料。

所述的输入轴、输出轴、后壳体、码盘座、前壳体均采用钛合金材料。所述的输出轴前端轴承、输出轴后端轴承、柔性轴承、输入轴后端轴承、输入轴前端轴承内外圈均采用ZGCr15材料。

本发明的原理是：双轴指向机构采用两个完全相同的驱动组件通过支架连接而成，每个驱动组件分别由电机、谐波减速器、光电码盘三大部件和相应的壳体轴系构成。驱动组件采用了贯串式的轴系结构布置，驱动组件贯穿式主体结构通过输入轴和输出轴组合而成，电机、谐波减速器、光电码盘都不设自己单独的轴系，电机与谐波减速器的波发生器共同安装在输入轴上。输入轴通过谐波减速器波发生器、刚轮以及柔轮构成的谐波组件实现减速传动，柔轮输出端与驱动组件的输出轴相连接，驱动组件一端作为输出前端与负载相连接，在驱动组件的另一端，将光电码盘安装在输出轴上。本发明在谐波减速器刚轮、柔轮上采用润滑脂润滑谐波减速器，提高了减速器的寿命。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明双轴指向机构的驱动组件采用贯穿式一体化结构形式，电机、谐波减速器、光电码盘共用统一的输入轴和输出轴，使得双轴指向机构精度高，寿命长。

(2)为满足双轴指向机构长寿命要求，本发明在谐波减速器刚轮、柔轮上采用润滑脂润滑谐波减速器，提高了减速器的寿命，降低了磨损，保证减速器在寿命期的精度。

(3)由于双轴指向机构中的零部件多采用钛合金材料，热稳定性好，受空间温度环境的影响小，从而可以减少双轴指向机构的热变形，提高双轴指向机构在热环境下的精度指标。

附图说明

图1为移动波束天线实物图；

图2为本发明的双轴指向机构实物图；

图3为本发明的驱动组件构型爆炸图；

图4为本发明的双轴指向机构示意图；

图5为本发明的驱动组件结构示意图；

图6位本发明的输入轴示意图；

图7为本发明的输出轴示意图；

图8为本发明的柔轮示意图；

图9为本发明的刚轮示意图。

其中，1、负载连接法兰；2输出轴前端轴承；3柔轮；4输入轴；5柔性轴承；6刚轮；7电机(含定子和转子)；8输入轴后端轴承；9后壳体；10锁紧螺母；11码盘座；12输出轴；13码盘壳；14光电码盘组件；15输出轴后端轴承；16垫片；17输出轴轴套；18调整垫圈；19输入轴前端轴承；20前壳体；21螺母；22轴承垫圈；23轴端端盖；24光电码盘；25电机；26谐波减速器；27支架；28凸轮。

具体实施方式

本发明的双轴指向机构由完全相同的两个驱动组件构成，如图4所示，驱动组件II带动驱动组件I和天线负载实现绕驱动组件II自身轴线转动，驱动组件I带动天线负载实现绕驱动组件I自身轴线运动。在设计中以驱动组件II的负载及发射和在轨环境条件作为设计初始条件，驱动组件I采用相同的驱动组件具有较多的余量，但是可以保证驱动组件具有较好的互换性，同时简化了产品类型。因此，在进行驱动组件设计的时候，只按方位轴驱动组件II的负载考虑，因此在设计中将着重考虑单个驱动组件的性能。

如图3、图5、图6～图9所示，在驱动组件的设计中，保持了谐波减速器的核心部件：刚轮6、柔轮3、波发生器(由柔性轴承5和凸轮28构成)结构基本参数不变，将输入轴4和输出轴12的支撑形式设计成分装的结构形式，即电机25、光电码盘24以零部件的形式安装在谐波减速器26的输入轴与输出轴上，谐波减速器26的输入轴与输出轴就是整个驱动组件的输入轴4和输出轴12，从而构成电机25、谐波减速器26和光电码盘24共轴的贯串式构型。电机可以采用步进电机。

在输入轴4上，采用了一对深沟球轴承作为支撑，即输入轴后端轴承8以及输入轴前端轴承19。输入轴4为空心轴，以便输出轴12从中穿过，轴的前端是谐波减速器波发生器的凸轮28，通过一个柔性轴承5与刚轮6和柔轮3相啮合；后端是电机25的安装段，电机的转子直接安装于输入轴4上。这样将原有的分体式的电机一对轴承和一根轴通过一个联轴节与减速器的输入轴相联，再支撑在一对轴承上的形式，简化为一根共用的轴和一对轴承，没有联轴节的形式。

在输出轴12上前端采用一个深沟球轴承，即输出轴前端轴承2，后端采用一对向心推力轴承，即输出轴后端轴承15，一对向心推力轴承面对面安装。光电码盘24安装在输出轴12上，码盘座11与后壳体9连接在一起。输出轴后端轴承15通过锁紧螺母10进行弹性预紧，承载径向和轴向载荷，并保持光电码盘组件14的安装精度，输出轴前端轴承2采用轴向浮动，承载径向载荷，通过浮动量来避免轴系热变形带来的伸缩，从而提高驱动组件的空间环境适应能力。

整个驱动组件的输出组件由负载连接法兰1、输出轴12与输出轴前端轴承2和输出轴后端轴承15共同构成，负载连接法兰1与输出轴12之间通过螺钉连接，用于传递驱动组件输出力矩，输出轴12与柔轮3之间通过螺母21连接在一起，其两端分别通过输出轴前端轴承2和输出轴后端轴承15支撑，输出轴前端轴承2和输出轴后端轴承15外圈分别安装在前壳体20和后壳体9内壁上，输出轴前端轴承2通过轴端端盖23和轴承挡圈22进行轴向定位，输出轴后端轴承15通过输出轴轴套17及锁紧螺母10进行轴向定位，并通过锁紧螺母10进行轴承预紧，以保证整个轴系的输出精度；输入轴4上安装电机7的转子，电机的定子安装在后壳体9内表面上，输入轴4前端与柔性轴承5连接，柔性轴承5两端通过轴端挡圈和垫片固定，整个输入轴通过输入轴前端轴承19和输入轴后端轴承8支撑，输入轴前端轴承19内圈固定在输出轴12上，输入轴后端轴承8外圈固定在后壳体9内壁上，分别通过轴承挡圈和垫片16固定，输入轴4及其输入轴前端轴承19、输入轴后端轴承8共同构成整个驱动组件的输入组件；刚轮6和柔轮3之间通过各自的轮齿啮合在一起，其中，柔轮3内表面通过柔性轴承5支撑，通过刚轮6、柔轮3以及谐波减速器波发生器的共同运动，将输入轴4传入的动力通过柔轮3传递给输出轴12，柔轮3作为输出元件，刚轮6作为固定元件，刚轮6通过螺钉与前壳体20和后壳体9连接在一起；驱动组件后端的码盘座11固定在后壳体9上，光电码盘20的固定部分安装在码盘座11上，转动部件安装在输出轴12上，它们和码盘壳13共同组成驱动组件的检测组件。

驱动组件中，刚轮6与柔轮3采用醛氟聚醚润滑脂润滑，柔性轴承5以及输入轴4和输出轴12上的所有轴承均采用溅射MoS₂复合膜润滑，轴承的内外圈溅射二硫化钼复合膜，轴承的保持架采用二硫化钼、聚四氟乙烯复合材料压制而成的固体润滑材料。

双轴指向机构中除电机25、光电码盘24、刚轮6、柔轮3、及其上面的所有轴承外的其它零部件均采用钛合金材料。

如图1、图2所示，分别为本发明的星载双轴指向机构应用于Ka频段移动波束天线的实物图和双轴指向机构的实物图，Ka频段移动波束天线是通信卫星试验搭载的有效载荷设备，为第二代通信卫星的成功研制开辟了道路，提供了新的技术手段。星载天线双轴指向机构攻克了电机、谐波减速器和光电码盘一体化结构设计技术及长寿命活动部件防冷焊润滑处理等一系列关键技术，满足了长寿命、高精度要求。

通过以下地面(含真空条件下)试验验证本发明的各项性能，如表2所示：

表2性能验证试验

本发明通过了上述所有试验，特别是通过真空寿命试验表明：驱动组件能够经历13次温度循环，并在真空环境下断续运行累计达到1000小时，能够在最低-60℃，最高+80℃的温度下分别以40％和50％左右的效率在额定载荷下运行。

根据上述试验表明，该双轴指向机构具有如下主要性能指标：

1)精度指标：优于0.03°/轴(均方根)；

2)寿命指标：满足在轨寿命≥8年，累计工作寿命≥1000小时(实测≥2200小时)；

3)传动效率：优于40％(寿命末期)；

4)功耗：≤50W；

5)驱动能力：优于40Nm；

6)重量指标：≤7.6kg；

7)工作范围：每轴不小于±15°；

8)环境条件：真空度优于1x10^-7Pa，工作温度优于-20℃～+50℃，存储温度优于-80℃～+80℃。

本发明通过上述试验验证，可以证明该双轴指向机构满足长寿命、高精度要求。

以上所描述的系统只是本发明的一种情况，本领域技术人员可以根据不同的要求和设计参数在不偏离本发明的情况下进行各种增补、改进和更换，因此，本发明是广泛的。

Claims (11)

1.一种星载天线双轴指向机构，由两个完全相同的驱动组件通过支架连接构成，所述的驱动组件主要包括电机(25)、谐波减速器(26)以及光电码盘(24)，其特征在于：驱动组件采用贯穿式一体化结构形式，即电机(25)、谐波减速器(26)、光电码盘(24)共用统一的输入轴(4)和输出轴(12)，电机(25)与谐波减速器(26)的波发生器共同安装在输入轴(4)上，柔轮(3)和光电码盘(24)共同安装在输出轴(12)上，输入轴(4)为中空结构，输出轴(12)穿过输入轴(4)内部，输入轴(4)两端通过轴承支撑，输入轴前端轴承(19)安装在输出轴(12)上，输入轴后端轴承(8)安装在后壳体(9)内，刚轮(6)分别与前壳体(20)、后壳体(9)连接在一起，输出轴(12)两端通过输出轴前端轴承(2)和输出轴后端轴承(15)支撑，输入轴(4)通过谐波减速器(26)的波发生器、刚轮(6)以及柔轮(3)构成的谐波组件实现减速传动，柔轮(3)一端与输出轴(12)相连接，柔轮(3)另一端通过柔性轴承(5)与输入轴(4)相连接。

2.根据权利要求1所述的星载天线双轴指向机构，其特征在于：所述的输入轴后端轴承(8)、输入轴前端轴承(19)为深沟球轴承。

3.根据权利要求1所述的星载天线双轴指向机构，其特征在于：所述的输出轴前端轴承(2)为一个深沟球轴承，输出轴后端轴承(15)为一对向心推力轴承，一对向心推力轴承面对面安装。

4.根据权利要求1所述的星载天线双轴指向机构，其特征在于：所述的输出轴前端轴承(2)和输出轴后端轴承(15)采用一端轴向浮动，另一端预紧的安装形式。

5.根据权利要求1所述的星载天线双轴指向机构，其特征在于：所述的输出轴后端轴承(15)通过输出轴轴套(17)及锁紧螺母(10)进行轴向定位，并通过锁紧螺母(10)进行轴承预紧，以保证整个轴系的输出精度。

6.根据权利要求1所述的星载天线双轴指向机构，其特征在于：所述的输入轴(4)前端是谐波减速器波发生器的凸轮(28)，通过柔性轴承(5)与刚轮(6)和柔轮(3)相啮合，后端是电机(25)的安装段，电机的转子直接安装于输入轴(4)上。

7.根据权利要求1所述的星载天线双轴指向机构，其特征在于：所述的刚轮(6)与柔轮(3)之间采用醛氟聚醚润滑脂润滑。

8.根据权利要求1所述的星载天线双轴指向机构，其特征在于：所述的柔性轴承(5)内外圈溅射MoS₂复合膜润滑，柔性轴承(5)的保持架采用二硫化钼、聚四氟乙烯复合材料压制而成的固体润滑材料。

9.根据权利要求1所述的星载天线双轴指向机构，其特征在于：所述的输出轴前端轴承(2)、输出轴后端轴承(15)、输入轴后端轴承(8)以及输入轴前端轴承(19)内外圈溅射MoS₂复合膜润滑，轴承的保持架采用二硫化钼、聚四氟乙烯复合材料压制而成的固体润滑材料。

10.根据权利要求1所述的星载天线双轴指向机构，其特征在于：所述的输入轴(4)、输出轴(12)、后壳体(9)、码盘座(11)、前壳体(20)均采用钛合金材料。

11.根据权利要求1所述的星载天线双轴指向机构，其特征在于：所述的输出轴前端轴承(2)、输出轴后端轴承(15)、柔性轴承(5)、输入轴后端轴承(8)、输入轴前端轴承(19)内外圈均采用ZGCr15材料。