CN106644389B

CN106644389B - 应用于空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构

Info

Publication number: CN106644389B
Application number: CN201510742595.2A
Authority: CN
Inventors: 吕世增; 方嬿; 韩潇; 宁娟; 何新; 龚洁; 张磊; 付春雨
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2019-05-28
Anticipated expiration: 2035-11-04
Also published as: CN106644389A

Abstract

本发明公开了一种应用于空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构，包括试件安装平台、升降机构、俯仰机构、滚转机构、偏航机构、平移机构,用于放置试件的试件安装平台两端固定挂设在升降机构上并随升降机构上下移动，升降机构固定设置在俯仰机构上，俯仰机构与滚转机构具有相同的结构并且前者承载固定在后者上，滚转机构固定设置在偏航机构上，偏航机构固定设置在平移机构上，平移机构设置在导轨滑块上并随导轨滑块滑动设置在直线导轨上，其中，升降机构和平移机构实现2个移动自由度，俯仰机构、滚转机构、偏航机构实现3个转动自由度。

Description

应用于空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构

技术领域

本发明属于空间环境试验技术领域，具体涉及一种应用于空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构。

背景技术

航天器的光学载荷在发射之前需要进行充分的空间环境试验来验证其可靠性。通常，需要采用空间环境模拟设备来在地面模拟航天器在轨的真空、冷黑环境，光学载荷的空间环境试验需要在空间环境模拟器中进行。试验过程中的不同工况需要对载荷的位置和姿态进行调节，以保证其与入射光束的相对关系与在轨飞行条件相同。

目前，国内在进行类似空间环境试验时，通常在试验前将载荷调节到固定位姿，在完成该工况试验后将空间环境模拟设备的内部环境恢复到常温、常压状态，再人工调节载荷的位姿进行下一工况的试验，不但试验效率低而且试验成本较高。现有的调姿机构大多为三自由度调姿机构，只具有三个回转角度调节能力，不具备位置调节能力，且现有调姿机构不具备直接在真空低温环境下的工作能力。为了实现在真空低温环境下，对试验载荷的位置和姿态进行自动调节，需研制一种用于空间环境试验的多自由度位姿调节机构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于真空、低温等空间环境下的高精度五自由度位姿调节机构。该机构能够实现在真空、低温等空间环境下，为试验载荷提供高精度位置及姿态调节的功能，且其中的三个回转轴交于一点，在运动过程中，交点空间高度不变，对试验件尺寸具有较大的适应性。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

本发明的应用于空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构，包括试件安装平台、升降机构、俯仰机构、滚转机构、偏航机构、平移机构,用于放置试件的试件安装平台两端固定挂设在升降机构上并随升降机构上下移动，升降机构的底部固定设置在俯仰机构上，俯仰机构与滚转机构具有相同的结构并且前者承载固定在后者上，滚转机构及其负载固定设置在偏航机构上，偏航机构接着固定设置在平移机构的平移运动台面上，平移运动台面设置在导轨滑块上并随导轨滑块滑动设置在直线导轨上，其中，升降机构和平移机构实现2个移动自由度，俯仰机构、滚转机构、偏航机构实现3个转动自由度，

其中，俯仰机构与滚转机构分别包括驱动电机、固定台体、运动台面、涡轮、蜗杆和弧形导轨，驱动电机及蜗杆设置在固定台体上，涡轮设置在运动台面内部，驱动电机驱动蜗杆将动力传递给涡轮，从而使涡轮转动带动运动台面沿弧形导轨运动。

其中，俯仰机构及滚转机构采用相同的结构，仅涡轮的回转半径不同。

其中，俯仰机构的固定台体设置在滚转机构的运动台面上，且两者的涡轮转动方向十字相交，使得俯仰机构和滚转机构带动其上负载实现两个转动自由度(绕X轴向或Y轴向)。

其中，俯仰机构利用涡轮蜗杆结构实现绕Y轴-5°～+5°的转动，驱动电机选取真空低温电机。滚转机构利用涡轮蜗杆结构实现绕X轴-10°～+10°的转动。

其中，偏航机构包括偏航驱动电机、偏航固定台体、偏航蜗杆、偏航涡轮、偏航运动台面，偏航驱动电机及偏航蜗杆安装的偏航固定台体上，偏航涡轮安装在圆盘形的偏航运动台面内部，偏航驱动电机驱动偏航蜗杆将动力传递给偏航涡轮，从而使偏航运动台面转动，带动其上的负载绕涡轮中心轴转动。

其中，滚转机构的固定台体连同其上的负载固定设置在偏航机构的偏航运动台面上。

其中，试件安装平台用于安装试件，试件安装平台由不锈钢板制成。

其中，升降机构用于试件安装平台，利用滚珠丝杠实现垂直的升降运动，其运动范围0～－400mm，驱动电机选取真空低温电机。

其中，偏航机构用于承载试验载荷、试件安装平台、升降机构、俯仰机构、滚转机构，并利用涡轮蜗杆结构实现绕Z轴-10°～+10°的转动，偏航机构与平移机构通过螺栓连接，将负载及自身重量传递到平移机构上。

本发明的应用于空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构，具有以下改进效果：

(1)通过对材料的深冷处理，并选用适应真空低温环境的电机及编码器，不需进行温控，整个机构可实现在真空度高达1×10^-5Pa、温度最低达到约-190℃环境下的高精度位姿调节；

(2)通过对三个回转机构涡轮半径的设计，使三个回转轴交于一点，且在运动过程中该交点的空间高度不变；

(3)通过调节升降机构，可适用于不同尺寸的试验载荷。

附图说明

图1为本发明的五自由度位姿调节机构的结构示意图；

其中，1-试件安装平台；2-升降机构；3-俯仰机构；4-滚转机构；5-偏航机构；6-平移机构。

图2为本发明的五自由度位姿调节机构中升降机构部分的结构示意图；

其中，21-升降驱动电机；22-联轴器；23-导轨滑块；24-滚珠丝杠；25-直线导轨；26-连接架。

图3为本发明的五自由度位姿调节机构中俯仰/滚转机构的结构示意图；

其中，31-驱动电机；32-固定台体；33-运动台面；34-涡轮；35-蜗杆；36-弧形导轨。

图4为本发明的五自由度位姿调节机构中偏航机构的结构示意图；

其中，41-偏航驱动电机；42-偏航固定台体；43-偏航蜗杆；44-偏航涡轮；45-偏航运动台面。

图5为本发明的五自由度位姿调节机构中平移机构的结构示意图，

其中，51-平移驱动电机；52-联轴器；53-滚珠丝杠；54-导轨滑块；55-平移运动台面；56-直线导轨；57-固定台面。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

图1是本发明的应用于空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构结构图，包括：试件安装平台1；升降机构2；俯仰机构3；滚转机构4；偏航机构5；平移机构6。各个机构依次连接，实现3个转动和2个移动共5个自由度的运动。三个转动分别由绕Y轴-5°～+5°的俯仰机构、绕X轴-10°～+10°的滚转机构、绕Z轴-5°～+5°的偏航机构实现，均采用精密研配的蜗轮蜗杆结构驱动，通过设计涡轮的回转半径使得三个转动轴线相交于一点，且在位姿调整过程中该交点距机构底面距离始终保持1000mm。两个移动分别由沿Z轴0～－400mm的升降机构、沿X轴－200mm～+200mm的平移机构实现，均采用精密滚珠丝杠运动副驱动。

图2是本发明的五自由度位姿调节机构中升降机构部分的结构示意图，采用滚珠丝杠运动台的基本型式，包括：升降驱动电机21；联轴器22；导轨滑块23；滚珠丝杠24；直线导轨25；连接架26。为了增大提升力并使运行更稳定采用两个滚珠丝杠运动台平行放置的设计。其中，升降驱动电机21选用适应真空低温环境的产品，联轴器22可将电机输出轴与滚珠丝杠24连接。连接架26用于固定和连接两个平行放置的滚珠丝杠运动台，导轨滑块23与试件安装平台连接。升降机构由电机通过滚珠丝杠驱动试件安装平台沿直线导轨进行0～－400mm的升降运动。

图3是本发明的五自由度位姿调节机构中俯仰/滚转机构结构图，采用涡轮蜗杆驱动的基本型式，包括：驱动电机31；固定台体32；运动台面33；涡轮34；蜗杆35；弧形导轨36。俯仰及滚珠机构采用相同的结构，仅涡轮的回转半径不同。其中，驱动电机选用适应真空低温环境的产品，驱动电机31及蜗杆35安装的固定台体32上，涡轮34安装在运动台面33内部，电机驱动蜗杆35将动力传递给涡轮，从而使运动台面沿弧形导轨运动。

图4是本发明的本发明的五自由度位姿调节机构中偏航机构结构图，采用涡轮蜗杆驱动的基本型式，包括：偏航驱动电机51；偏航固定台体52；偏航蜗杆53；偏航涡轮54；偏航运动台面55。其中，偏航驱动电机51选用适应真空低温环境的产品，偏航驱动电机51及偏航蜗杆53安装在偏航固定台体52上，偏航涡轮54安装在偏航运动台面55内部，偏航驱动电机51驱动偏航蜗杆53将动力传递给偏航涡轮54，从而使偏航运动台面55转动。

图5是本发明的平移机构结构图，采用与升降机构相同的滚珠丝杠运动台的基本型式，包括：平移驱动电机1；联轴器2；滚珠丝杠3；导轨滑块4；平移运动台面5；直线导轨6；固定台面7。由平移驱动电机通过滚珠丝杠带动平移运动台面沿直线导轨进行－200mm～+200mm的平移运动。

为了保证俯仰、滚转、偏航机构的运动精度，三个转动机构均采用精密研配的蜗轮蜗杆结构，电机和蜗杆通过高精度联轴器连接，保证同步性。角度反馈采用高精度机械式旋转编码器，定位精度可达18″。三个转动机构的转动轴线相交于一点，且在位姿调整过程中该交点距机构底面距离始终保持1000mm。

平移机构承载试验载荷、试件安装平台、升降机构、俯仰机构、滚转机构、偏航机构，并利用精密研磨丝杠实现－200mm～+200mm的平移运动，驱动电机选用真空低温电机，位置反馈采用真空高精度直线光栅尺，定位精度可达0.01mm。

为了实现机构在真空、低温环境下的可靠工作，所有结构件材料均采用0Cr18Ni9不锈钢，驱动部件材料采用9Cr18不锈钢，并进行深冷处理。电机及编码器均选用适应真空低温环境的产品。不需要进行温控，整个机构即可工作在真空低温环境下。

尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims

1.应用于航天器空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构，包括试件安装平台、升降机构、俯仰机构、滚转机构、偏航机构、平移机构,用于放置试件的试件安装平台两端固定挂设在升降机构上并随升降机构上下移动，升降机构的底部固定设置在俯仰机构上，俯仰机构与滚转机构具有相同的结构并且前者承载固定在后者上，滚转机构及其负载固定设置在偏航机构上，偏航机构接着固定设置在平移机构的平移运动台面上，平移运动台面设置在导轨滑块上并随导轨滑块滑动设置在直线导轨上，其中，升降机构和平移机构实现2个移动自由度，俯仰机构、滚转机构、偏航机构实现3个转动自由度，俯仰机构与滚转机构分别包括驱动电机、固定台体、运动台面、涡轮、蜗杆和弧形导轨，驱动电机及蜗杆设置在固定台体上，涡轮设置在运动台面内部，驱动电机驱动蜗杆将动力传递给涡轮，从而使涡轮转动带动运动台面沿弧形导轨运动，俯仰机构及滚转机构采用相同的结构，仅涡轮的回转半径不同，通过偏航机构、俯仰机构和滚转机构的涡轮半径的设计，使三个回转轴交于一点，且在运动过程中交点的空间高度不变。

2.如权利要求1所述的应用于航天器空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构，其中，俯仰机构的固定台体设置在滚转机构的运动台面上，且两者的涡轮转动方向十字相交，使得俯仰机构和滚转机构带动其上负载实现两个转动自由度。

3.如权利要求2所述的应用于航天器空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构，其中，俯仰机构利用涡轮蜗杆结构实现绕Y轴-5°～+5°的转动，驱动电机选取真空低温电机，滚转机构利用涡轮蜗杆结构实现绕X轴-10°～ +10°的转动。

4.如权利要求2所述的应用于航天器空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构，其中，偏航机构包括偏航驱动电机、偏航固定台体、偏航蜗杆、偏航涡轮、偏航运动台面，偏航驱动电机及偏航蜗杆安装的偏航固定台体上，偏航涡轮安装在圆盘形的偏航运动台面内部，偏航驱动电机驱动偏航蜗杆将动力传递给偏航涡轮，从而使偏航运动台面转动，带动其上的负载绕涡轮中心轴转动。

5.如权利要求1所述的应用于航天器空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构，其中，滚转机构的固定台体连同其上的负载固定设置在偏航机构的偏航运动台面上。

6.如权利要求1-5任一项所述的应用于航天器空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构，其中，试件安装平台用于安装试件，试件安装平台由不锈钢板制成。

7.如权利要求1-5任一项所述的应用于航天器空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构，其中，升降机构用于试件安装平台，利用滚珠丝杠实现垂直的升降运动，其运动范围0～－400mm，驱动电机选取真空低温电机。

8.如权利要求7所述的应用于航天器空间环境试验的高精度五自由度位姿调节机构，其中，偏航机构用于承载试验载荷、试件安装平台、升降机构、俯仰机构、滚转机构，并利用涡轮蜗杆结构实现绕Z轴-10°～+10°的转动，偏航机构与平移机构通过螺栓连接，将负载及自身重量传递到平移机构上。