CN107131880B - 一种惯性稳定平台组合式球形框架 - Google Patents

一种惯性稳定平台组合式球形框架 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种惯性稳定平台组合式球形框架，是由一个一体化本体结构、2N个弧面结构体和两个球面结构组成，一体化本体结构上安装轴端组件，采用一体化结构形式确保了轴端组件安装面没有拼接，有利于保证轴端组件的安装精度，减小形位误差；2N个弧面结构体相对于本体结构可拆卸，方便球形框架内部有效载荷体的安装或拆卸，以实现惯性稳定平台结构的小型化；两个球面结构是为了实现球壳形框架的等刚度设计，以减小由非等刚度设计引起的二阶干扰力矩，采用该型框架可以最大限度的确保轴端组件的安装精度和减小动态误差，提高框架抗力矩干扰能力，有效降低框架占用的回转体积，可实现惯性稳定平台高精度、高稳定性和小型化。

Description

一种惯性稳定平台组合式球形框架
技术领域
本发明涉及一种惯性稳定平台组合式球形框架，属于机械结构设计领域。
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，因此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；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。
在专利“一种球形惯性稳定平台”(申请号：201510945612.2)中提及一种双层蒙皮框架结构，把一个球面通过轴端切分成两个部分，其优点是从里到外先安装框架内部的载荷再拼接球面的框架，缺点是由于框架不是整体，在轴端面会引起安装形位误差。在专利“一种双极轴球面网壳结构的球形惯性稳定平台”(申请号：201510946974.3)和“一种具有三角镂空结构的球形惯性稳定平台”(申请号：201510946880.6)中为了克服轴端面安装形位误差，没有从轴端切分球面，而是从交叉面切分，该交叉面与4个轴端中心点构成圆成45°角，这种切分方式虽然没有引起各轴端面的形位误差，但是没有从根本上解决分布在两个半球面的周端面的轴向对准精度。
综上所述，需要研究一种新的平台框架结构，既能保证轴端面的形位精度和对准精度，又能保证球面框架结构的等刚度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种惯性稳定平台组合式球形框架，该组合式球形框架可以最大程度的确保轴端元件的安装精度和减小动态误差，提高了抗干扰能力，通过有效降低框架占用的回转体积实现了平台小体积，可实现惯性稳定平台高精度、高稳定性和小型化。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种惯性稳定平台组合式球形框架，由多个球形框架套装组合形成，其特征在于：每个球形框架包括一体化本体结构、2N个弧面结构体和两个球面结构，其中一体化本体结构与2N个弧面结构体连接，构成一个包含N个轴端元件安装口的等宽闭合环形框架，所述等宽闭合环形框架的两个端面分别与两个球面结构连接，构成封闭式球形框架，其中N为正整数。
在上述组合式球形框架中，所述一体化本体结构为环形框架结构，环形框架表面均匀分布N个轴端元件安装口，连接相邻两个轴端元件安装口的连接杆两侧对称开设安装缺口，共开设2N个安装缺口，所述2N个弧面结构体分别安装在所述2N个安装缺口内，形成等宽闭合环形框架。
在上述组合式球形框架中，所述一体化本体结构的半径R通过如下公式确定：
Figure BDA0001290699420000021
其中：A为一体化本体结构的最大宽度，R1为球形框架内部安装载荷的半径，N为相邻两个球形框架之间的间隙。
在上述组合式球形框架中，所述一体化本体结构的最小宽度B通过如下公式确定：
Figure BDA0001290699420000022
其中：H为球形框架内部安装载荷的最大尺寸，R为球形框架的半径，即一体化本体结构的半径。
在上述组合式球形框架中，所述相邻两个球形框架之间的间隙为5～10mm。
在上述组合式球形框架中，所述一体化本体结构的环形框架表面均匀分布4个轴端元件安装口，且相对的2个轴端元件安装口中心点之间的连线与另外相对的2个轴端元件安装口中心点之间的连线互相垂直，连接相邻两个轴端元件安装口的连接杆为球形弧面结构，所述球形弧面结构的内表面任意点距离球形框架中心点的距离相同。
在上述组合式球形框架中，所述一体化本体结构上对称设置的安装缺口通过采用圆柱体在等宽闭合环形框架两侧对称切除获得，切除部分在圆柱体横截面上投影的宽度为
Figure BDA0001290699420000031
在上述组合式球形框架中，所述球形框架中心点距离等宽闭合环形框架的两个端面的距离为
Figure BDA0001290699420000032
等宽闭合环形框架的两个端面的半径为
Figure BDA0001290699420000033
其中R为球形框架的半径，即球面结构上的任意一点距离球形框架中心点的距离。
在上述组合式球形框架中，所述两个球面结构为结构形状完全相同的两个球缺，对称安装在等宽闭合环形框架的两个端面上，球面结构的厚度为6-10mm。
在上述组合式球形框架中，当惯性平台台体上没有安装星敏器时，采用一体化本体结构、2N个弧面结构体和两个球面结构构成的整体球面结构；当惯性平台台体上安装星敏器时，采用一体化本体结构、2N个弧面结构体构成的等宽闭合弧形框架结构。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明惯性稳定平台组合式球形框架中的每个球形框架由一个一体化本体结构、2N个弧面结构体和两个球面结构组合形成，通过对三部分结构的巧妙设计和组合，使得组合式球形框架整体结构紧凑，体积小，重量轻，可以最大限度的确保轴端组件的安装精度和减小动态误差，提高框架抗力矩干扰能力，有效降低框架占用的回转体积，可实现惯性稳定平台高精度、高稳定性和小型化。
(2)、本发明惯性稳定平台组合式球形框架本体结构上安装轴端元件，N个轴端面为一个整体，采用一体化形式确保了轴端面没有拼接，有利于安装精度和减小轴端面安装时的形位误差.
(3)、本发明惯性稳定平台组合式球形框架采用2N个可拆卸的弧形结构，2N个弧面结构体相对于本体结构可拆卸，有利于方便安装框架内部的有效载荷以实现平台结构的小型化；
(4)、本发明惯性稳定平台组合式球形框架的两个小球面结构是为了实现球壳形框架的等刚度设计，以减小由非等刚度设计引起的二阶干扰力矩；
(5)、本发明的组合式球形框架，有利于框架内部有效载荷的安装和减小框架体积；
(6)、本发明的组合式球形框架仍然为球形结构，具有较高的刚强度，即在同一外力作用下，球面结构的变形量小于环形结构，因此该球形惯性稳定平台的稳定性更高；
(7)、本发明惯性稳定平台组合式球形框架为可拆卸结构，方便更换内部载荷，对于不规则形状，代替现有技术中需要加大框架内径，增大框架体积的缺陷，直接采用弧面结构体实现不规则形状的快速安装，且不需要增加框架内径，显著减小了框架整体体积和重量，实现了惯性稳定平台的小型化和轻质化设计。
附图说明
图1为本发明一体化本体结构示意图；
图2为本发明一体化本体结构与弧面结构体组装示意图；
图3为本发明一体化本体结构、弧面结构体以及球面结构组装示意图；
图4a为本发明一体化本体结构尺寸示意图；
图4b为本发明组合式球形框架中安装载荷示意图。
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：
本发明惯性稳定平台组合式球形框架，由多个球形框架套装组合形成，每个球形框架包括一体化本体结构1、2N个弧面结构体2和两个球面结构3，其中一体化本体结构1与2N个弧面结构体2连接，构成一个包含N个轴端元件安装口4的等宽闭合环形框架5，所述等宽闭合环形框架5的两个端面分别与两个球面结构3连接，构成封闭式球形框架，N为正整数，大于或等于2。
如图1所示为本发明一体化本体结构示意图，由图可知一体化本体结构1为环形框架结构，环形框架表面均匀分布N个轴端元件安装口4，连接相邻两个轴端元件安装口4的连接杆6两侧对称开设安装缺口，共开设2N个安装缺口，2N个弧面结构体2分别安装在所述2N个安装缺口内，形成等宽闭合环形框架5，如图2所示为本发明一体化本体结构与弧面结构体组装示意图。
一体化本体结构1的半径R通过如下公式确定：
Figure BDA0001290699420000051
其中：A为一体化本体结构的最大宽度，R1为球形框架内部安装载荷的半径，N为相邻两个球形框架之间的间隙(装配最小间隙)，因为相邻两个球形框架同球心，所以相邻两个球形框架之间的间隙即为相邻两个球形框架的半径差。本发明中相邻两个球形框架之间的间隙为5～10mm。
一体化本体结构1的最小宽度B通过如下公式确定：
Figure BDA0001290699420000052
其中：H为球形框架内部安装载荷的最大尺寸，R为球形框架的半径，即一体化本体结构的半径。
如图4a所示为本发明一体化本体结构尺寸示意图，图4b为本发明组合式球形框架中安装载荷示意图，球星框架的框架半径为R，球形框架内部安装载荷的半径为R1，本发明中若内部安装载荷为不规则形状，其球形部分(即载荷内切球体)的半径为R1，载荷的最大尺寸为H。一体化本体结构的最大宽度为A，最小宽度为B。
一体化本体结构1上对称设置的安装缺口通过采用圆柱体在等宽闭合环形框架两侧对称切除获得，切除部分在圆柱体横截面上投影的宽度为
Figure BDA0001290699420000061
如图3所示为本发明一体化本体结构、弧面结构体以及球面结构组装示意图；球形框架中心点距离等宽闭合环形框架5的两个端面的距离为
Figure BDA0001290699420000062
等宽闭合环形框架5的两个端面的半径为
Figure BDA0001290699420000063
其中R为球形框架的半径，即球面结构3上的任意一点距离球星框架中心点的距离。
两个球面结构3为结构形状完全相同的两个球缺，对称安装在等宽闭合环形框架5的两个端面上，球面结构3的厚度为6-10mm。一体化本体结构1和弧面结构体2的厚度也为6-10mm。
当惯性平台台体上没有安装星敏器时，采用一体化本体结构1、2N个弧面结构体2和两个球面结构3构成的整体球面结构；当惯性平台台体上安装星敏器时，采用一体化本体结构1、2N个弧面结构体2构成的等宽闭合弧形框架。
本发明一体化本体结构1、2N个弧面结构体2和两个球面结构3之间通过螺钉机械连接，即采用螺钉垂直于拼接面的方式进行连接，例如本实施例中一体化本体结构1、2N个弧面结构体2之间通过3个M3螺钉连接，一体化本体结构1、2N个弧面结构体2与球面结构3之间的连接是采用8个M3螺钉连接。
本发明球形框架的可以选择铝基复合材料、铝或者铝镁合金等具有强度高，质量轻等特点的材料制备。
本发明组合式球形框架由一个一体化本体结构、2N个弧面结构体和两个半球面结构等组合构成一个球形框架。本体结构上安装轴端元件，采用一体化形式确保了轴端面没有拼接，有利于安装精度和减小形位误差；2N个弧面结构体相对于本体结构可拆卸，有利于方便安装框架内部的有效载荷以实现平台结构的小型化；两个半球面结构是实现球形框架的等刚度设计以减小由框架引起的二阶干扰力矩。采用该型框架可以最大程度的确保轴端元件的安装精度和减小动态误差，提高了抗干扰能力，通过有效降低框架占用的回转体积实现了平台小体积,可实现惯性稳定平台高精度、高稳定性和小型化。
实施例1
如图1、2、3所示，本实施例中组合式球形框架为四轴三框架结构，每个球形框架包含一体化本体结构1，8个弧面结构体2和两个球面结构3。其中一体化本体结构1的环形框架表面均匀分布4个轴端元件安装口4，且相对的2个轴端元件安装口4中心点之间的连线与另外相对的2个轴端元件安装口4中心点之间的连线互相垂直，即相邻两个轴端元件安装口4之间的夹角为90°，连接相邻两个轴端元件安装口4的连接杆6为球形弧面结构，该球形弧面结构的内表面任意点距离球形框架中心点的距离相同。
一体化本体结构1上共安装了8个弧面结构体2，即连接相邻两个轴端元件安装口4之间的连接杆6两侧的安装缺口上各安装两个弧面结构体2，两两对称的8个安装缺口上共安装8个弧面结构体2，构成等宽闭合环形框架5，等宽闭合环形框架5的两个端面分别与两个球面结构3连接，构成封闭式球形框架。
组合式框架内安装的载荷如图4b所示，为非标准球形结构，载荷的最大尺寸H为215mm，载荷外径(即载荷内切球体的半径)R1为98mm，一体化本体结构的最大宽度A为100mm。
一体化本体结构1的半径R，即球形框架的框架内径R通过如下公式计算：
Figure BDA0001290699420000081
相邻两个球形框架的装配间隙N为2mm。
一体化本体结构1的最小宽度B通过如下公式确定：
Figure BDA0001290699420000082
等宽闭合环形框架5的两个端面的半径为
Figure BDA0001290699420000083
框架三个组成部分的厚度均为10mm。
一体化本体结构1、2N个弧面结构体2之间通过3个M3螺钉连接，一体化本体结构1、2N个弧面结构体2与球面结构3之间的连接是采用8个M3螺钉连接。
对于四轴三框架结构，本实施例中相邻两个球形框架之间的间隙缩小了10～20mm，组合式框架整体体积缩小35％以上。
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。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种惯性稳定平台组合式球形框架，由多个球形框架套装组合形成，其特征在于：每个球形框架包括一体化本体结构(1)、2N个弧面结构体(2)和两个球面结构(3)，其中一体化本体结构(1)与2N个弧面结构体(2)连接，构成一个包含N个轴端元件安装口(4)的等宽闭合环形框架(5)，所述等宽闭合环形框架(5)的两个端面分别与两个球面结构(3)连接，构成封闭式球形框架，其中N为正整数；
所述一体化本体结构(1)为环形框架结构，环形框架表面均匀分布N个轴端元件安装口(4)，连接相邻两个轴端元件安装口(4)的连接杆(6)两侧对称开设安装缺口，共开设2N个安装缺口，所述2N个弧面结构体(2)分别安装在所述2N个安装缺口内，形成等宽闭合环形框架(5)；
连接相邻两个轴端元件安装口(4)的连接杆(6)为球形弧面结构，所述球形弧面结构的内表面任意点距离球形框架中心点的距离相同。
2.根据权利要求1所述的组合式球形框架，其特征在于：所述一体化本体结构(1)的半径R通过如下公式确定：
Figure FDA0002285209830000011
其中：A为一体化本体结构的最大宽度，R1为球形框架内部安装载荷的半径，M为相邻两个球形框架之间的间隙。
3.根据权利要求2所述的组合式球形框架，其特征在于：所述一体化本体结构(1)的最小宽度B通过如下公式确定：
Figure FDA0002285209830000012
其中：H为球形框架内部安装载荷的最大尺寸，R为球形框架的半径，即一体化本体结构的半径。
4.根据权利要求2或3所述的组合式球形框架，其特征在于：所述相邻两个球形框架之间的间隙为5～10mm。
5.根据权利要求1所述的组合式球形框架，其特征在于：所述一体化本体结构(1)的环形框架表面均匀分布4个轴端元件安装口(4)，且相对的2个轴端元件安装口(4)中心点之间的连线与另外相对的2个轴端元件安装口(4)中心点之间的连线互相垂直。
6.根据权利要求1～3之一所述的组合式球形框架，其特征在于：所述一体化本体结构(1)上对称设置的安装缺口通过采用圆柱体在等宽闭合环形框架两侧对称切除获得，切除部分在圆柱体横截面上投影的宽度为
Figure FDA0002285209830000021
其中：A为一体化本体结构的最大宽度，B为一体化本体结构的最小宽度。
7.根据权利要求1～3之一所述的组合式球形框架，其特征在于：所述球形框架中心点距离等宽闭合环形框架(5)的两个端面的距离为
Figure FDA0002285209830000022
等宽闭合环形框架(5)的两个端面的半径为
Figure FDA0002285209830000023
其中R为球形框架的半径，即球面结构(3)上的任意一点距离球形框架中心点的距离；其中：A为一体化本体结构的最大宽度。
8.根据权利要求1～3之一所述的组合式球形框架，其特征在于：所述两个球面结构(3)为结构形状完全相同的两个球缺，对称安装在等宽闭合环形框架(5)的两个端面上，球面结构(3)的厚度为6-10mm。
9.根据权利要求1～3之一所述的组合式球形框架，其特征在于：当惯性稳定平台台体上没有安装星敏器时，采用一体化本体结构(1)、2N个弧面结构体(2)和两个球面结构(3)构成的整体球面结构；当惯性稳定平台台体上安装星敏器时，采用一体化本体结构(1)、2N个弧面结构体(2)构成的等宽闭合环形框架。
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