CN106324829A - 一种集成化空间精密两维扫描机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成化空间精密两维扫描机构，包括跨轨扫描机构和沿轨扫描机构；跨轨扫描机构包括扫描镜、扫描机构前壳体、扫描机构中间端盖、旋转电机、角位移传感器、转动轴、轴承组件、直线运动轴、前铰链组件、后铰链组件、前铰链组件支撑、后铰链组件支撑、密封圈；沿轨扫描机构包括扫描镜、直线电机、直线运动轴、扫描机构后壳体、转动轴、前铰链组件、后铰链组件、前铰链组件支撑、后铰链组件支撑、直线电机封盖、前限位装置、后限位装置。本发明的优点在于：与传统的两维扫描机构相比具有集成化、轻小型、高指向精度、装配难度低等特点；一维可以360°转动，另一维的转动角度可通过限位装置确定，跨轨扫描和沿轨扫描交替运动。

Description

一种集成化空间精密两维扫描机构

技术领域

本发明涉及的是一种空间两维扫描机构，特别是一种用于空间光电遥感仪器的集成化精密两维扫描机构，属于航空航天技术领域。

背景技术

空间遥感仪器在空间研究、对地观测、气象预报、国防现代化建设中有着极其重要的用途，是人类开发和利用空间资源的重要手段，是空间有效载荷应用领域发展的核心技术。我国已发射的风云系列气象卫星FY-1、FY-3采用的是卫星飞行+一维扫描，FY-2采用的是卫星自旋+一维扫描方式。FY-3卫星上的扫描辐射计、中分辨率光谱成像仪、红外分光计等载荷采用的是45°扫描镜旋转扫描，扫描镜的转轴与卫星飞行方向一致。当扫描镜转动时，扫描镜以固定的瞬时视场作穿越飞行轨道的扫描，接收与轨道垂直平面内的目标辐射，借助于卫星的绕地球运行，形成二维图像。FY-2卫星上的扫描辐射计是一种光机线扫描成像系统，其望远镜系统主光轴垂直于卫星自旋轴，利用卫星自旋实现辐射计对地球自西向东扫描，卫星自旋一周，辐射计望远镜指向自北往南步进一步，以此实现辐射计对地球的南北扫描。

随着卫星技术的发展，载荷的两维扫描方式由于其扫描精度和效率等方面的优势，逐渐成为了遥感卫星的发展方向。其中的两维扫描机构，对于提高扫描效率、扩大观测视场、灵活地实现特定区域的扫描和观测等都至关重要，是卫星光电遥感仪器的关键部件。

常见的是采用双电机驱动实现两维扫描结构，优点是适应性好，可适应两维大角度扫描的要求，缺点是体积、功耗较大，无法满足高光谱探测仪机械接口要求。申请公布号CN 105415371 A，公开了一种用于空间光学遥感仪器的两维指向机构，其功能是45°扫描机构和圆锥扫描机构；申请公布号CN 102788234 A，公开了一种星载精密太阳指向机构，此两维指向机构的结构采用两台独立的驱动轴系组件通过一个U型结构件进行连接，两个轴系在空间上相互垂直，U型架与方位轴连接。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种集成化空间精密两维扫描机构，具有集成化、小型化及高指向精度，以提高光电遥感仪器的探测精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种能实现跨轨扫描和沿轨扫描的集成化两维扫描机构。

所述的跨轨扫描机构包括扫描镜1、扫描机构前壳体8、扫描机构中间端盖13、旋转电机7、角位移传感器9、转动轴6、直线运动轴15、前铰链组件22、后铰链组件19、前铰链组件支撑2、后铰链组件支撑14、前轴承组件5、后轴承组件10、前密封内圈3、前密封外圈4、后密封内圈11、后密封外圈12；旋转电机定子701、角位移传感器定子901安装在扫描机构前壳体8内；旋转电机转子702、角位移传感器转子902安装在转动轴6上；所述的前铰链组件支撑2的一端、后铰链组件支撑14的一端安装在转动轴6上；所述的前铰链组件22的一端安装在前铰链组件支撑2上；所述的后铰链组件19的一端安装在后铰链组件支撑14上；所述的前铰链组件22的另一端、后铰链组件19的另一端安装在直线运动轴15上；所述的扫描镜1安装在前铰链组件22上；所述的前轴承组件5外圈和后轴承组件10外圈分别与扫描机构前壳体8和扫描机构中间端盖13配合，前轴承组件5内圈和后轴承组件10内圈与转动轴6配合。

所述跨轨扫描运动机构中，旋转电机7通过驱动旋转电机转子702及转动轴6旋转，从而使扫描镜1作旋转运动；转动轴6旋转带动角位移传感器转子902转动，以达到旋转电机7闭环控制的目的。

所述的沿轨扫描机构包括扫描镜1、扫描机构后壳体17、直线电机16、转动轴6、直线运动轴15、前铰链组件22、后铰链组件19、前铰链组件支撑2、后铰链组件支撑14、直线电机封盖18、前限位装置21、后限位装置20；所述的直线电机定子1601安装在扫描机构后壳体17内；所述的前铰链组件支撑2的一端、后铰链组件支撑14的一端安装在转动轴6上；所述的前铰链组件支撑2的另一端安装在前铰链组件22上；所述的后铰链组件支撑14的另一端安装在后铰链组件19上；所述的前铰链组件22的一端、后铰链组件19的一端、前限位装置21、后限位装置20、直线电机动子1602安装在直线运动轴15上；所述的扫描镜1安装在前铰链组件22上。

所述沿轨扫描机构中，直线电机16通过驱动直线电机动子1602及直线运动轴15运动，直线运动轴15进一步带动前铰链组件22和后铰链组件19绕芯轴下1905旋转运动，前铰链组件22进一步带动扫描镜1旋转运动；而直线运动轴15的运动角度受前限位装置21和后限位装置20的制约，以达到控制沿轨扫描角度的目的。

本发明的两维扫描功能通过跨轨扫描机构和沿轨扫描机构运动耦合实现，跨轨扫描机构的运动在360°范围内；而沿轨扫描的运动在θ角范围内，因此，两轴耦合后的效果使得光学遥感仪器空间的指向定位。

转动轴6的轴线与直线运动轴15的轴线平行，与扫描镜1镜面成45°角；在跨轨运动时，转动轴6的轴线与扫描镜1镜面成45°角；在沿轨运动时，直线运动轴15的轴线与扫描镜1镜面成45°±θ/2角，θ的大小由前限位装置21与前铰链组件支撑2之间的距离、后限位装置20和后铰链组件支撑14之间的距离确定。

本发明具有的优点是：

1.集成化：传统的两维扫描机构采用两台独立的驱动轴系组件通过一个U型结构件进行连接，两个轴系在空间上相互垂直，而本发明的运动机构的轴系在结构布局上平行的，两个方向上机构独立运动；

2.装配简单：电机驱动组件自成模块，可以独立完成扫描运动，有利于确保整个扫描机构的装配质量和运转精度；

3.指向范围大：跨轨扫描的转动轴带动扫描镜360°连续运转，可以有效使用对地扫描之外的区域，扫描冷空间与仪器在轨定标源，提高仪器性能的标定；

4.运动机构输出角度精度较高，在不改变机械装配的条件下，通过添加控制器的细分算法，可以进一步提高角度输出精度；

5.结构简单、体积小：沿轨轴系穿过中空的转动轴轴线，使得旋转运动的附加力矩和切力矩波动最小，有利于扫描镜的高精度控制。

附图说明

图1为本发明的一种集成化空间精密两维扫描机构的结构示意图；

图2为旋转电机结构示意图；

图3为角位移传感器结构示意图；

图4为直线电机结构示意图；

图5为图1中A-A剖视图所示的后铰链组件结构示意图；

图6为图1中B-B剖视图所示的限位装置结构示意图；

图中：

1.扫描镜，2.前铰链组件支撑，3.前密封内圈，4.前密封外圈，5.前轴承组件，6.转动轴，7.旋转电机，701.旋转电机定子，702.旋转电机转子，8.扫描机构前壳体，9.角位移传感器，901.角位移传感器定子，902.角位移传感器转子，10.后轴承组件，11.后密封内圈，12.后密封外圈，13.扫描机构中间端盖，14.后铰链组件支撑，15.直线运动轴，16.直线电机，1601.直线电机定子，1602.直线电子动子，17.扫描机构后壳体，18.直线电机封盖，19.后铰链组件，1901.芯轴上，1902.钢球，1903.钢球压紧套，1904.铰链框，1905.芯轴下，1906.紧定螺钉，20.后限位装置，21.前限位装置，2101.螺钉，2102.弹垫，2103.铜垫块，22.前铰链组件。

具体实施方式

为了对本发明更加深入的了解，下面列举一具体实施例，并结合附图，对本发明做进一步的详细说明。

本实例是一种能够适应空间高真空、微重力环境，具有集成化、轻小型、高指向精度的两维扫描机构，由跨轨扫描机构和沿轨扫描机构组成，机构的总体外形图如图1-图6所示。

如图1所示，跨轨扫描机构主要包括扫描镜1，前铰链组件支撑2，前密封内圈3，前密封外圈4，前轴承组件5，转动轴6，旋转电机7，扫描机构前壳体8，角位移传感器9，后轴承组件10，后密封内圈11，后密封外圈12，扫描机构中间端盖13，后铰链组件支撑14，直线运动轴15，后铰链组件19，前铰链组件22等零部件；旋转电机定子701和角位移传感器定子901安装在扫描机构前壳体8内，前轴承组件5装入扫描机构前壳体8中，用前密封外圈4压紧轴承外圈，前密封外圈4与扫描机构前壳体8螺钉连接；旋转电机转子702和角位移传感器转子902安装在转动轴6上；转动轴6与前轴承组件5的内圈配合；扫描机构中间端盖13与扫描机构前壳体8螺钉连接，后轴承组件10的外圈与扫描机构中间端盖13配合，后轴承组件10的内圈与转动轴6配合；前密封内圈3与转动轴6配合，前密封内圈3端面压紧前轴承组件5的内圈；后密封外圈12与扫描机构中间端盖13螺钉连接；后密封内圈11与转动轴6配合，后密封内圈11端面压紧后轴承组件10的内圈；前铰链组件支撑2与转动轴6螺钉连接；后铰链组件支撑14与转动轴6螺钉连接；芯轴下1905穿过铰链框1904和后铰链组件支撑14的中心孔，芯轴下1905与后铰链组件支撑14用紧定螺钉1906顶紧，钢球1902放入芯轴下1905的两端，钢球压紧套1903与铰链框1904用螺钉连接；芯轴上1901穿过铰链框1904和直线运动轴15的中心孔，芯轴上1901与直线运动轴15用紧定螺钉1906顶紧，钢球1902放入芯轴上1901的两端，钢球压紧套1903与铰链框1904用螺钉连接；前铰链组件22与前铰链组件支撑2的装配与前述一致；前铰链组件22与直线运动轴15的装配与前述一致；扫描镜1与前铰链组件22螺钉连接。

如图1所示，沿轨扫描机构主要包括扫描镜1，前铰链组件支撑2，转动轴6，后铰链组件支撑14，直线运动轴15，直线电机16，扫描机构后壳体17，直线电机封盖18，后铰链组件19，后限位块20，前限位块21，前铰链组件22等零部件；螺钉2101穿过垫片2102和铜垫块2103后与直线运动轴15连接；后限位装置20的装配与前限位装置21的装配一致；直线电机动子1602安装在直线运动轴15上；扫描机构后壳体17与扫描机构中间端盖13配合后与扫描机构前壳体8螺钉连接，直线电机定子1601与扫描机构后壳体17螺钉连接，直线电机封盖18与直线电机定子1601螺纹连接。

本实施例的跨轨扫描机构的运动角度范围为360°；通过角位移传感器9实现旋转电机7的运动角度控制；沿轨扫描机构的向后运动角度范围是由前限位装置21与前铰链组件支撑2之间的间距控制的，向前运动角度范围是由后限位装置19与后铰链组件支撑14之间的间距控制的；跨轨扫描和沿轨扫描交替进行。

本实例可较普遍的应用于集成化、轻小型、高精度的空间光学遥感仪器上，实现一维大角度，另一维小角度的空间探测。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种集成化空间精密两维扫描机构，包括跨轨扫描机构和沿轨扫描机构，其特征在于：

所述的跨轨扫描机构包括扫描镜(1)、扫描机构前壳体(8)、扫描机构中间端盖(13)、旋转电机(7)、角位移传感器(9)、转动轴(6)、直线运动轴(15)、前铰链组件(22)、后铰链组件(19)、前铰链组件支撑(2)、后铰链组件支撑(14)、前轴承组件(5)、后轴承组件(10)、前密封内圈(3)、前密封外圈(4)、后密封内圈(11)、后密封外圈(12)；所述的旋转电机(7)的定子(701)和角位移传感器(9)的定子(901)安装在扫描机构前壳体(8)内；所述的旋转电机(7)的转子(702)和角位移传感器(9)的转子(902)安装在转动轴(6)上；所述的前铰链组件支撑(2)的一端、后铰链组件支撑(14)的一端安装在转动轴(6)上；所述的前铰链组件(22)的一端安装在前铰链组件支撑(2)上；所述的后铰链组件(19)的一端安装在后铰链组件支撑(14)上；所述的前铰链组件(22)的另一端、后铰链组件(19)的另一端安装在直线运动轴(15)上；所述的扫描镜(1)安装在前铰链组件(22)上；所述的前轴承组件(5)外圈和后轴承组件(10)外圈分别与扫描机构前壳体(8)和扫描机构中间端盖(13)配合，前轴承组件(5)内圈和后轴承组件(10)内圈与转动轴(6)配合；

所述的跨轨扫描机构的转动轴(6)与扫描镜(1)成45°；

所述的沿轨扫描机构包括扫描镜(1)、扫描机构后壳体(17)、直线电机(16)、转动轴(6)、直线运动轴(15)、前铰链组件(22)、后铰链组件(19)、前铰链组件支撑(2)、后铰链组件支撑(14)、直线电机封盖(18)、前限位装置(21)、后限位装置(20)；所述的直线电机定子(1601)安装在扫描机构后壳体(17)内；所述的前铰链组件支撑(2)的一端、后铰链组件支撑(14)的一端安装在转动轴(6)上；所述的前铰链组件支撑(2)的另一端安装在前铰链组件(22)上；所述的后铰链组件支撑(14)的另一端安装在后铰链组件(19)上；所述的前铰链组件(22)的一端、后铰链组件(19)的一端、前限位装置(21)、后限位装置(20)、直线电机动子(1602)安装在直线运动轴(15)上；所述的扫描镜(1)安装在前铰链组件(22)上；

所述的沿轨扫描机构的运动是通过绕前铰链组件(22)和后铰链组件(19)的微小转动实现的；沿轨扫描的运动角度与转动轴成45°±θ/2，θ为沿轨扫描的角度，θ的大小由前限位装置(21)与前铰链组件支撑(2)之间的距离、后限位装置(20)和后铰链组件支撑(14)之间的距离确定；

所述的旋转电机(7)包括直流力矩电机、步进电机；角位移传感器(9)包括圆光栅编码器、感应同步器、旋变发送器；直线电机(16)包括音圈电机、超声波电机；所述的前铰链组件(19)和后铰链组件(22)包括滑动铰链、滚动铰链。