CN106774443B - 一种星载新型高精度高稳定度二维指向机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载新型高精度高稳定度二维指向机构，包含方位向运动机构和俯仰向运动机构。方位向运动机构包含指向镜、指向镜框、压板、挠性枢轴组件、支撑框及曲柄滑块机构；俯仰向运动机构包含枢轴组件、固定座机曲柄滑块机构。方位向运动机构和俯仰向运动机构中指向镜绕转轴的转动即为曲柄滑块机构中曲柄的摆动。方位向运动机构和俯仰向运动机构中的转轴互为正交转轴且两转轴轴线在指向镜镜面上。本发明中二维指向机构具有指向精度高、系统稳定性高的特点，解决了以往航天光学遥感器中二维指向机构不能同时兼顾指向精度和系统稳定性的不足，有利于提升星载光学遥感器指向跟踪精度。

Description

一种星载新型高精度高稳定度二维指向机构

技术领域

本发明涉及一种航天光学遥感器技术领域，特别是一种星载新型高精度高稳定度二维指向机构。

背景技术

随着航天光学遥感器应用领域逐步扩大，对航天光学遥感器的功能要求日趋多样化，对其各组成部分的性能要求日趋精细化。对于步进凝视成像光学遥感器需要设置二维指向机构，通过将载荷的多自由度的运动实现对物体的捕获或跟踪。

目前空间光学遥感器上的二维指向机构将指向镜的二维运动分解成两个正交旋转轴一维运动，采用力矩电机的驱动实现每个旋转轴的旋转运动,采用旋转变压器或感应同步器作为测角元件测量转轴的旋转角度作为位置反馈信号进行闭环控制，力矩电机需要根据测角元件的反馈信号进行实时的调整指向镜的角度位置，这样在实时调整的过程中指向镜处于在测角元件的测量精度范围内快速摆动状态，因此指向镜的稳定度比较低。往往为了消除指向镜的不稳定性，将控制系统设置成使力矩电机有限次数的角度实时调整，这样就造成了指向精度低的问题。此种形式的指向机构很难兼顾高指向精度高稳定度的指标要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种星载新型高精度高稳定度二维指向机构，该新型星载高精度高稳定度二维指向机构的结构设计提高了指向镜运动的角分辨率，同时提高了指向精度，提高了机构运动的稳定度，实现了高指向精度高系统稳定度的要求。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种星载新型高精度高稳定度二维指向机构，包括方位向运动机构和俯仰向运动机构，方位向运动机构和俯仰向运动机构均包含共用的指向镜、指向镜框、第一挠性枢轴组件、支撑框和基座；方位向运动机构还包括第一枢轴安装座、第二挠性枢轴组件、第一连杆、第三挠性枢轴组件、第一滑块、第一直线运动导轨、第一一体化电机组件和第四挠性枢轴组件；俯仰向运动机构还包括第二枢轴安装座、第五挠性枢轴组件、第二连杆、第六挠性枢轴组件、第二滑块、第二直线运动导轨和第二一体化电机组件；方位向运动机构中指向镜固定安装在指向镜框内，指向镜框通过第一挠性枢轴组件安装在支撑框上，指向镜、指向镜框、第一挠性枢轴组件和支撑框都安装在基座上；第一枢轴安装座固定安装在支撑框上，第一枢轴安装座与第一连杆通过第二挠性枢轴组件挠性连接，第一连杆与第一滑块通过第三挠性枢轴组件挠性连接，第一滑块与第一直线运动导轨固定安装，第一直线运动导轨与第一一体化电机组件连接；俯仰向运动机构中第二枢轴安装座固定安装在指向镜框上，第二枢轴安装座与第二连杆通过第五挠性枢轴组件挠性连接，第二连杆与第二滑块通过第六挠性枢轴组件挠性连接，第二滑块与第二直线运动导轨固定连接，第二一体化电机组件与第二直线运动导轨连接。

在上述的高精度高稳定度二维指向机构，第一直线运动导轨包括第一底座、第一螺母、第一滚动体和第一丝杠轴；其中第一一体化电机组件的转轴与第一底座固定安装，第一底座和第一螺母上分别有圆弧形螺旋槽，第一底座和第一螺母固定配合形成螺旋滚道，第一滚动体位于螺旋滚道内，第一底座轴向固定安装在第一丝杠轴上，第一丝杠轴安装在基座上，第一一体化电机组件带动第一底座旋转运动，使第一滑块沿垂直方向上做直线运动，实现了指向镜、指向镜框、第一挠性枢轴组件、支撑框以第四挠性枢轴组件轴向为轴心的方位向转动。

在上述的高精度高稳定度二维指向机构，方位向运动机构的方位向转动范围为-1.5°至1.5°。

在上述的高精度高稳定度二维指向机构，第二直线运动导轨包括第二底座、第二螺母、第二滚动体和第二丝杠轴；其中第二一体化电机组件与第二底座固定安装，第二底座和第二螺母上分别有圆弧形螺旋槽，第二底座和第二螺母固定配合形成螺旋滚道，第二滚动体位于螺旋滚道内，第二底座轴向固定安装在第二丝杠轴上，第二一体化电机组件带动第二底座旋转运动，使第二滑块沿垂直方向上做直线运动，实现了指向镜、指向镜框、第一挠性枢轴组件、支撑框以第一挠性枢轴组件轴向为轴心的俯仰向转动。

在上述的高精度高稳定度二维指向机构，俯仰向运动机构的俯仰向转动范围为-1.5°至1.5°。

在上述的高精度高稳定度二维指向机构，第一一体化电机组件和第二一体化电机组件为步进电机和旋变一体化设计，步进电机作为驱动元件，旋变作为测角元件，通过旋变得到电机运动角位移。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明新型星载新型高精度高稳定度二维指向机构，第一一体化电机组件和第二一体化电机组件采用步进电机和旋变与电机一体化设计,对步进电机的驱动器进行精度细分，使指向精度优于5″，实现了指向镜以高运动精度、高运动角分辨率运动的功能；

(2)本发明新型星载新型高精度高稳定度二维指向机构中，指向镜框与支撑框之间、支撑框与固定座之间以及曲柄滑块机构中的各铰接点都采用挠性枢轴支撑，枢轴与其安装孔之间为紧配合，加工时保证轴孔的形位公差及尺寸公差，方位向运动机构和俯仰向运动机构的运动不存在随机误差，通过采用曲柄滑块机构的运动原理，实现了较高的系统稳定度运动的功能；

(3)本发明新型星载新型高精度高稳定度二维指向机构，解决了以往航天光学遥感器中二维指向机构不能同时兼顾指向精度和系统稳定性的不足，提升了星载光学遥感器的指向跟踪精度。

附图说明

图1为本发明方位向运动机构示意图；

图2为本发明俯仰向运动机构示意图；

图3为本发明第一直线导轨示意图；

图4为本发明第二直线导轨示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

一种星载新型高精度高稳定度二维指向机构，包括方位向运动机构和俯仰向运动机构，采用曲柄滑块机构的运动原理，通过步进电机的运动驱动滑块的滑动，从而使曲柄带动指向镜在方位向和俯仰向两个维度上转动，方位向和俯仰向运动机构转轴采用挠性枢轴支撑。

一体化电机组件是将步进电机和旋变进行一体化设计，步进电机作为驱动元件，旋变作为测角元件。通过旋变得到电机运动角位移，根据曲柄滑块机构中各杆系的几何关系分析计算步进电机角位移与曲柄运动角位移关系曲线，即电机角位移与指向镜运动角位移关系曲线。

如图1所示为本发明方位向运动机构示意图，由图可知方位向运动机构和俯仰向运动机构都包含指向镜1、指向镜框2、第一挠性枢轴组件3、支撑框4和基座12；方位向运动机构还包括第一枢轴安装座5、第二挠性枢轴组件6、第一连杆7、第三挠性枢轴组件8、第一滑块9、第一直线运动导轨10、第一一体化电机组件11和第四挠性枢轴组件13；方位向运动机构中指向镜1固定安装在指向镜框2内，指向镜框2通过第一挠性枢轴组件3安装在支撑框4上，第一枢轴安装座5固定安装在支撑框4上，第一枢轴安装座5与第一连杆7通过第二挠性枢轴组件6挠性连接，第一连杆7与第一滑块9通过第三挠性枢轴组件8挠性连接，第一滑块9与第一直线运动导轨10固定安装。

如图2所示为俯仰向运动机构示意图，如图所示俯仰向运动机构还包括第二枢轴安装座20、第五挠性枢轴组件19、第二连杆18、第六挠性枢轴组件17、第二滑块16、第二直线运动导轨15和第二一体化电机组件14；俯仰向运动机构中第二枢轴安装座20固定安装在指向镜框2上，第二枢轴安装座20与第二连杆18通过第五挠性枢轴组件19挠性连接，第二连杆18与第二滑块16通过第六挠性枢轴组件17挠性连接，第二滑块16与第二直线运动导轨15固定连接，第二直线运动导轨15包括第二底座25、第二螺母26、第二滚动体27和第二丝杠轴28。

如图3所示为第一直线导轨示意图，由图可知第一直线运动导轨10包括第一底座21、第一螺母22、第一滚动体23和第一丝杠轴24；第一直线运动导轨10中的第一底座21和第一螺母22上分别有圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形螺旋槽合起来就成了螺旋滚道，滚道内装入第一滚动体23，第一一体化电机组件11带动第一底座21旋转运动，第一底座21相对第一螺母22旋转时，第一滚动体23在螺旋滚道内滚动，迫使第一底座21与第一螺母22发生轴向相对运动，第一底座21轴向固定安装在第一丝杠轴24上，第一丝杠轴24安装在基座12上，因此迫使第一螺母22沿轴向垂直方向直线运动，从而使第一滑块9沿垂直方向上做直线运动，实现了指向镜1、指向镜框2、第一挠性枢轴组件3、支撑框4以第四挠性枢轴组件13轴向为轴心的方位向转动，转动范围为-1.5°至1.5°。

如图4所示为第二直线导轨示意图，由图可知第二一体化电机组件14与第二直线运动导轨15中第二底座25固定安装，第二一体化电机组件14带动第二底座25旋转运动，带动第二滚动体26在螺旋滚道内滚动，第二滚动体27在螺旋滚道内滚动，迫使第二底座25与第二螺母26发生轴向相对运动，从而实现第二滑块16沿垂直方向上做直线运动，实现了指向镜1、指向镜框2、第一挠性枢轴组件3、支撑框4以第一挠性枢轴组件3轴向为轴心的俯仰向转动，转动范围-1.5°至1.5°。

第一一体化电机组件11和第二一体化电机组件14为步进电机和旋变一体化设计，步进电机作为驱动元件，旋变作为测角元件，通过旋变得到电机运动角位移。

方位向运动机构和俯仰向运动机构都采用闭环控制，二维指向机构装调测试时标定好指向镜零位时电机轴的角位置，并标定指向镜处于各指向位置时电机轴相对于零位的转动角度及方向。二维指向机构正常工作时根据需求的指向位置计算电机所需的运动角度和方向，控制系统输出电机运动指令使电机开始运动，通过旋变测量电机实际转角及方向并反馈给控制系统，当控制系统接受到电机到位信号时输出电机断电指令，使电机停止运动。指向镜稳定的停止在预先制定的位置，指向镜的稳定度得到很好的保证，而不像以往的指向机构那样采用力矩电机驱动，指向镜到达指向位置后还需要根据位置反馈元件提供的位置信号进行实时的调整，丧失一定的稳定度。

本发明中的二维指向机构方位向和俯仰向运动方位设计为-1.5°至1.5°，通过方位向运动机构和俯仰向运动机构的运动偶合实现捕获和跟踪功能。根据实际捕获跟踪范围的大小可设计出相对应的方位向和俯仰向指向角度范围。

本发明中指向镜框与支撑框之间、支撑框与固定座之间以及曲柄滑块机构中的各铰接点都采用挠性枢轴支撑。枢轴与其安装孔之间为紧配合，加工时保证轴孔的形位公差及尺寸公差，方位向运动机构和俯仰向运动机构的运动不存在随机误差，其精度及稳定度不会受活动部件的影响，有利于保证指向精度及稳定度。因此，运动精度误差来源仅为步进电机的步距精度、滚动导轨智能组合单位的丝杠运动精度、旋变的测量精度以及指向位置标定精度。曲柄滑块机构中电机与曲柄旋转运动的传动比很大，电机驱动器细分后步距角可达到0.225°/步，旋变与电机一体化设计，旋变测角精度经曲柄滑块机构后转化为曲柄旋转的角度测量误差就非常小，综合电机步距误差、丝杠运动误差及旋变的测量误差后，转化为曲柄的旋转角度误差可达2″，再加上指向位置标定误差后，指向精度优于5″，二维指向机构能够满足方位向和俯仰向在-1.5°至1.5°范围内的摆动，稳定度能够达到≤0.2μrad/40ms。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种星载新型高精度高稳定度二维指向机构，其特征在于：包括方位向运动机构和俯仰向运动机构，方位向运动机构和俯仰向运动机构均包含共用的指向镜(1)、指向镜框(2)、第一挠性枢轴组件(3)、支撑框(4)和基座(12)；方位向运动机构还包括第一枢轴安装座(5)、第二挠性枢轴组件(6)、第一连杆(7)、第三挠性枢轴组件(8)、第一滑块(9)、第一直线运动导轨(10)、第一一体化电机组件(11)和第四挠性枢轴组件(13)；俯仰向运动机构还包括第二枢轴安装座(20)、第五挠性枢轴组件(19)、第二连杆(18)、第六挠性枢轴组件(17)、第二滑块(16)、第二直线运动导轨(15)和第二一体化电机组件(14)；方位向运动机构中指向镜(1)固定安装在指向镜框(2)内，指向镜框(2)通过第一挠性枢轴组件(3)安装在支撑框(4)上，指向镜(1)、指向镜框(2)、第一挠性枢轴组件(3)和支撑框(4)都安装在基座(12)上；第一枢轴安装座(5)固定安装在支撑框(4)上，第一枢轴安装座(5)与第一连杆(7)通过第二挠性枢轴组件(6)挠性连接，第一连杆(7)与第一滑块(9)通过第三挠性枢轴组件(8)挠性连接，第一滑块(9)与第一直线运动导轨(10)固定安装，第一直线运动导轨(10)与第一一体化电机组件(11)连接；俯仰向运动机构中第二枢轴安装座(20)固定安装在指向镜框(2)上，第二枢轴安装座(20)与第二连杆(18)通过第五挠性枢轴组件(19)挠性连接，第二连杆(18)与第二滑块(16)通过第六挠性枢轴组件(17)挠性连接，第二滑块(16)与第二直线运动导轨(15)固定连接，第二一体化电机组件(14)与第二直线运动导轨(15)连接；

方位向运动机构和俯仰向运动机构均采用闭环控制，二维指向机构装调测试时标定好指向镜(1)零位时电机轴的角位置，并标定指向镜(1)处于各指向位置时电机轴相对于零位的转动角度及方向；二维指向机构正常工作时根据需求的指向位置计算电机所需的运动角度和方向，控制系统输出电机运动指令使电机开始运动，通过旋变测量电机实际转角及方向并反馈给控制系统，当控制系统接受到电机到位信号时输出电机断电指令，使电机停止运动；指向镜(1)稳定的停止在预先制定的位置；

所述第一直线运动导轨(10)包括第一底座(21)、第一螺母(22)、第一滚动体(23)和第一丝杠轴(24)；其中第一一体化电机组件(11)的转轴与第一底座(21)固定安装，第一底座(21)和第一螺母(22)上分别有圆弧形螺旋槽，第一底座(21)和第一螺母(22)固定配合形成螺旋滚道，第一滚动体(23)位于螺旋滚道内，第一底座(21)轴向固定安装在第一丝杠轴(24)上，第一丝杠轴(24)安装在基座(12)上，第一一体化电机组件(11)带动第一底座(21)旋转运动，使第一滑块(9)沿垂直方向上做直线运动，实现了指向镜(1)、指向镜框(2)、第一挠性枢轴组件(3)、支撑框(4)以第四挠性枢轴组件(13)轴向为轴心的方位向转动；

方位向运动机构的方位向转动范围为-1.5°至1.5°；

第二直线运动导轨(15)包括第二底座(25)、第二螺母(26)、第二滚动体(27)和第二丝杠轴(28)；其中第二一体化电机组件(14)与第二底座(25)固定安装，第二底座(25)和第二螺母(26)上分别有圆弧形螺旋槽，第二底座(25)和第二螺母(26)固定配合形成螺旋滚道，第二滚动体(27)位于螺旋滚道内，第二底座(25)轴向固定安装在第二丝杠轴(28)上，第二一体化电机组件(14)带动第二底座(25)旋转运动，使第二滑块(16)沿垂直方向上做直线运动，实现了指向镜(1)、指向镜框(2)、第一挠性枢轴组件(3)、支撑框(4)以第一挠性枢轴组件(3)轴向为轴心的俯仰向转动；

俯仰向运动机构的俯仰向转动范围为-1.5°至1.5°；

电机驱动器步距角为0.225°/步，二维指向机构实现方位向和俯仰向在-1.5°至1.5°范围内的摆动，稳定度≤0.2μrad/40ms。

2.根据权利要求1所述的一种星载新型高精度高稳定度二维指向机构，其特征在于：第一一体化电机组件(11)和第二一体化电机组件(14)为步进电机和旋变一体化设计，步进电机作为驱动元件，旋变作为测角元件，通过旋变得到电机运动角位移。