CN108896069A - 一种真空低温环境下的双轴转台系统 - Google Patents

Abstract

一种真空低温环境下的双轴转台系统，包括转台系统、热控系统，转台可以实现台面俯仰方向及水平方向的转动，台体台体主要零部件包括外框架、内框架、轴、轴承、编码器、电机、台面、地脚；所述保温罩包括铝质框架、薄膜加热器、多层保温材料。保温罩包裹除台面外的所有零部件，保温罩内部布置多个温度传感器，热控系统机柜通过温度传感器的温度数据调节直流电源的功率输出达到闭环反馈控温的目的，将整个保温罩内部维持于常温状态，维持转台精密轴系正常润滑并保证轴系正常功能和精度，使得整个双轴转台系统很好的适应低温真空环境，适应能力强，工作寿命长，耐低温性能良好。

Description

一种真空低温环境下的双轴转台系统

技术领域

本发明涉及一种真空低温环境下的双轴转台系统。

背景技术

在太空探索的过程中，越来越多的太空探测设备在研制过程中需要在地面的真空低温罐内进行模拟测试，而高精度的探测设备需要在模拟的太空环境中实现高精度的运动及瞄准。现阶段实现高精度运动和瞄准的位置速率及动态转台只能在常温、常压下工作，不能适应特殊的真空低温环境。因此，需要研制一种可在模拟真空低温环境下正常工作的高精度测试转台，该转台要求机械台体整体安装在真空低温罐内中，并且能够提供二维运动和高精度的位置定位，满足太空探测设备进行低温真空下的模拟试验条件和在最接近实际使用环境下所进行的测试条件。

现阶段使用的双轴转台台体整体安装在温度为温度≤150K和真空度≤1×10-3Pa的真空低温试验罐内会存在很多的问题：1、由于温差过大将导致机械台体各零件由于热胀冷缩发生变形，所以常温条件下调整到位的轴系精度会发生不可预知的变化，测试过程中就无法保证位置的精确定位；2、转台各个轴系均由精密轴承、交流电机和角度编码器组成，在常温常压下运动时这些零部件通常都有润滑油进行润滑，以保证运动的良好，但是在真空温变环境中，这些润滑油不仅会大量挥发造成真空容器的污染，而且在低温环境下还可能发生因润滑油冻结而导致转动部件无法转动的失效情况。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，利用热控系统保证转台台体始终处于常温条件下工作，并解决转台在真空环境中的润滑及气隙空腔的问题，最终使整个双轴转台系统可以在真空低温的条件下为探测设备提供俯仰和方位两个方向上的驱动，实现精确的位置定位。

本发明的技术解决方案是：一种真空低温环境下的双轴转台系统，包括外框架、外轴系、内轴系、内框架、台面、地脚、保温罩、转台控制机柜、热控系统机柜，其中：

外框架、外轴系、内轴系、内框架、台面、地脚、保温罩工作在真空环境中，O型外框架支撑外轴系、内轴系、内框架、台面、保温罩，内框架支撑内轴系、台面，外轴系实现内框架、台面、内轴系的俯仰转动，内轴系实现台面的水平转动，保温罩包裹外框架、外轴系、内轴系、内框架、保温罩，地脚与外框架间、台面与内轴系间采用隔热材料，转台控制机柜、热控系统机柜布置于真空环境外部，转台控制机柜控制外轴系及内轴系运动，热控系统机柜(18)控制保温罩内部温度。

所述的O型外框架通过紧固螺钉固定于地脚，地脚与真空环境的安装板通过紧固螺钉固定连接。

所述的外轴系包括左轴、左轴承、右轴、右轴承、电机、角度编码器，外轴系驱动内框架、内轴系、台面俯仰方向上的运动，并通过机械限位装置避免台面与保温罩碰撞，实现台面俯仰方向-5°～+5°范围内的自由转动，左轴与右轴通过螺钉连接在内框架两端对称的框架孔内，左轴承与右轴承内圈通过过盈配合分别连接在左轴与右轴上，外圈通过过盈配合连接在外框架的框架孔内，电机转子通过螺钉连接在左轴上，电机定子通过螺钉连接在外框架上，角度编码器外壳通过螺钉连接在外框架上，可旋转的空心轴套在右轴系的右轴上。

所述的内轴系包括内轴、大理石轴、内轴承、角度编码器、电机，台面通过大理石轴与内轴采用紧固螺钉固定连接，台面可在0°～360°实现连续转动，内轴承内圈通过过盈配合与内轴连接，外圈通过过盈配合连接在内框架的框架孔内，电机转子通过螺钉连接内轴，电机定子通过螺钉连接内框架，角度编码器外壳通过螺钉与内框架固连，可旋转的空心轴套在内轴上。

所述的保温罩外侧包覆保温材料，内壁粘贴薄膜加热器(21)，热控系统机柜通过薄膜加热器动态调节保温罩内部温度。

所述的地脚与外框架间、台面与内轴系间采用隔热材料为大理石材料。

所述的外框架、内框架外表面黑色阳极化。

所述的外框架、外轴系、内轴系、内框架、台面、地脚、保温罩、转台控制机柜、热控系统机柜中固定连接所使用的紧固螺钉带透气孔或者对应的螺钉孔采用通孔。

所述的左轴承、右轴承、内轴承均为固态润滑轴承。

本发明的优点是：

(1)本发明通过将常温工作转台与热控系统有效组合的方式，解决了传统转台无法适应低温真空环境的问题，研发出一种可以在温度≤150K和真空度≤1×10-3Pa的真空低温试验罐使用的双轴转台系统，整个双轴转台系统具有很好的低温真空环境适应能力，工作寿命长，耐低温性能良好；

(2)本发明通过热控系统对保温罩内部温度动态调节，使转台系统台体部分在常温下工作，实现了在低温真空条件下对目标的高精度定位，角位置测量分辨率：≤0.36″；角位置定位精度：≤±1.5″；角位置定位重复性：≤±2″，具有定位精度高，定位重复性好的特点；

(3)本发明通过合理布局，保温罩采用三部分组合安装的形式，可方便拆装，具有安装及后期维修方便的特点；

附图说明

图1为本发明的转台台体组成结构图；

图2为保温罩正视图；

图3为保温罩覆膜结构示意图；

图4为本发明的转台台体轴测图；

具体实施方式

一种真空低温环境下的双轴转台系统，O型外框架8固定，外轴系实现内框架7及台面3的俯仰转动，内框轴系实现台面3的连续转动；保温罩(16)将转台台体除了台面3的其他部分包裹在内，保证台体部分常温状态下工作；转台台体下地脚15与外框架8之间、台面3与内框轴之间零件都采用隔热材料，隔绝保温罩16内部台体与外部的热传导；保温罩16内部台体外表面采用黑色阳极化实现真空条件下的辐射传导，使保温罩16内部温度分布较均匀；台体零件、铸件螺钉孔尽量采用通孔或使用带透气孔紧固螺钉两种方式避免台体结构中存在气隙空腔，影响整个真空罐内真空度的保持；转台控制机柜17和热控系统机柜18布置与真空罐外部，分别控制转台运动和保温罩16内部温度；改变轴系的常规润滑方式，避免污染真空罐内环境。

O型外框架8通过紧固螺钉固定于真空罐内安装板上，由轴承、角度编码器、轴及电机组成的外轴系驱动控制内框及台面3俯仰方向上的运动，并通过机械限位装置避免台面3与保温罩16碰撞，可以实现台面3俯仰方向-5°～+5°范围内的自由转动，台面3直接连接到内框轴系上，可以在0°～360°实现连续转动。

转台台体除了台面3的其他部分包裹在保温罩16内，保温罩16外侧包覆多层保温材料19，内壁粘贴薄膜加热器21，通过动态调节保持转台台体始终处于常温状态下。

转台台体四个支脚部分采用与外框架8固连的大理石材料，从而很好的隔绝调节地脚与台体的热传导。

转台台体内框架7与外框架8表面都采用黑色阳极化处理，加快保温罩16内部热量的辐射传递，使内部温度分布更均匀。

台体零件、铸件螺纹孔部分尽量采用通孔，无法采用通孔的螺纹孔装配时采用带透气孔的螺钉紧固，这样避免了台体结构中存在气隙空腔的可能性，以免在工作过程中空气的慢性渗出影响整个真空罐的真空度。

本设计将台体、保温罩16的控制及供电部分布置在真空罐外部，用耐低温的电缆及转接插头实现连接，分别控制转台运动和保温罩16内部温度。

常温常压转台通常都有润滑油或者润滑脂进行润滑，以保证运动的良好，但是在真空环境中，这些润滑油或者润滑脂会大量挥发造成真空罐的污染，所以本设计选用特殊的固态润滑轴承，实现良好润滑

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。

如图1所示为本发明的转台台体组成结构图，如图2所示为保温罩正视图，如图3所示为保温罩覆膜结构示意图，如图4所示为本发明的转台台体轴测图，一种真空低温环境下的双轴转台系统，包括外框架8、外轴系(含左轴14、左轴承2、右轴10、右轴承11、电机1、角度编码器9)、内轴系(含内轴5、大理石轴6、内轴承4、角度编码器12、电机13)、内框架7、台面3、4个结构形状完全相同的地脚15、保温罩16、转台控制机柜17、热控系统机柜18。

外框架8是铝合金材料铸造成型，采用O型空腔结构，外框架8两对边中间位置有一对对称的框架孔，用于与左轴系和右轴系连接，外框架8底面的四个角位置分别落在调平地脚15上，支撑起整个转台台体。

内框架7是铝合金材料铸造成型，采用筒型空腔结构，框架外部有两个对称分布带轴孔的凸台，用于与左轴14和右轴10连接。

外轴系包括左轴系和右轴系。左轴系包括左轴14、左轴承2、电机1，右轴系包括右轴10、右轴承11、角度编码器9。左轴14与右轴10通过螺钉连接在内框架7两端对称的框架孔内。左轴承2与右轴承11内圈通过过盈配合分别连接在左轴14与右轴10上，外圈通过过盈配合连接在外框架8的框架孔内，所以内框架7通过左轴14、左轴承2、右轴10和右轴承11实现了与外框架8的旋转连接。电机1转子通过螺钉连接在左轴14上，电机1定子通过螺钉连接在外框架8上，从而实现左轴14相对于外框架8的旋转驱动；角度编码器9安装在右轴系，角度编码器9外壳通过螺钉连接在外框架8上，可旋转的空心轴套在右轴系的右轴10上，通过锁紧螺母压紧空心轴，从而角度编码器9可以检测右轴10相对于外框架8的位置关系。

内轴系包括内轴5、内轴承4、电机13、角度编码器12。内轴承4内圈通过过盈配合与内轴5连接，外圈通过过盈配合连接在内框架7的轴承内，从而内轴5实现了内框架7的旋转连接。电机13转子通过螺钉连接在内轴5，电机13定子通过螺钉连接在内框架7上，从而实现内轴5相对于内框架7的旋转驱动。角度编码器12外壳通过螺钉与内框架7固连，可旋转的空心轴套在内轴5上，通过锁紧螺母压紧空心轴，从而角度编码器12可以检测内轴5相对于内框架7的位置关系。

台面3直接与内轴5及大理石轴6通过螺钉串接在一起，随着内轴5做旋转运动，大理石轴6安装在台面3与内轴5之间，防止台面3与内轴5之间产生大量热传导，影响内轴系的精度；台面3用于安装探测设备或者被测件，台面3上均布44个M8的螺纹孔，便于安装。

保温罩16由左罩体22、右罩体23和底板24三部分组成，底板24为一部分，左罩体22和右罩体23为左右对称的两部分，各部分之间用螺钉连接，可以很方便拆卸，可以在不拆装转台台体的情况下用保温罩16将台体罩在内部。保温罩16外侧包覆多层保温材料19。按保温罩16的三部分分别包覆，包覆后不影响保温罩16的拆解，多层保温材料需要约4㎡。

保温罩16内壁粘贴薄膜加热器21，保温罩16顶部粘贴两个250mm×300mm，后部粘贴两个300mm×300mm薄膜加热器21，左右个粘贴一个300mm×300mm薄膜加热器21，底板计划粘贴4片250mm×300mm薄膜加热器21。保温罩16共分为3个温区(底部为1个温区，左罩体22和右罩体23各1个温区)。左罩体22、右罩体23和底板24分别布置4个PT100贴片铂电阻，保温罩16内悬空两个PT100贴片铂电阻，用来在保温罩16安装后固定在电机发热位置表面监测电机发热情况。

转台控制机柜17与转台通过电缆连接，用于接收转台外轴系和内轴系位置信号，并输出台体运动的指令信号。

热控系统机柜18与保温罩16通过电缆连接，用于接收保温罩16内部传感器输出的温度信号，并输出调节保温罩16内部温度的信号。

本发明的工作过程是：编码器9将检测到的外轴系位置信号传递给转台控制机柜17，转台控制机柜17将接收的位置信号与目标位置对比并处理输出驱动电流给电机1，电机1转子带动左轴14转动，继而带动内框架7、内轴系及台面3在俯仰方向上的转动。编码器12将检测到的内轴系位置信号传递给转台控制机柜17，转台控制机柜17将接收的位置信号与目标位置对比并处理输出驱动电流给电机13，电机13转子带动内轴5转动，继而带动台面3在方位方向上的转动。台面3俯仰及方位两个方向上的转动就能实现安装在台面3上的探测设备或被测件达到指令位置。保温罩16及其热控系统机柜18组成热控系统，其作用是使转台机械台体处于常规工作温度，保证实现转台的位置精度及正常工作。保温罩16内部贴片铂电阻检测内部温度并将信号传递给热控系统机柜18，热控系统机柜18将实时温度与目标温度对比并输出控制电流给薄膜加热器21，从而保证保温罩16内部温度恒定，使转台处于常规工作温度。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种真空低温环境下的双轴转台系统，其特征在于包括外框架(8)、外轴系、内轴系、内框架(7)、台面(3)、地脚(15)、保温罩(16)、转台控制机柜(17)、热控系统机柜(18)，其中：

外框架(8)、外轴系、内轴系、内框架(7)、台面(3)、地脚(15)、保温罩(16)工作在真空环境中，O型外框架(8)支撑外轴系、内轴系、内框架(7)、台面(3)、保温罩(16)，内框架(7)支撑内轴系、台面(3)，外轴系实现内框架(7)、台面(3)、内轴系的俯仰转动，内轴系实现台面(3)的水平转动，保温罩(16)包裹外框架(8)、外轴系、内轴系、内框架(7)、保温罩(16)，地脚(15)与外框架(8)间、台面(3)与内轴系间采用隔热材料，转台控制机柜(17)、热控系统机柜(18)布置于真空环境外部，转台控制机柜(17)控制外轴系及内轴系运动，热控系统机柜(18)控制保温罩(16)内部温度。

2.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下的双轴转台系统，其特征在于：所述的O型外框架(8)通过紧固螺钉固定于地脚(15)，地脚(15)与真空环境的安装板通过紧固螺钉固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下的双轴转台系统，其特征在于：所述的外轴系包括左轴(14)、左轴承(2)、右轴(10)、右轴承(11)、电机(1)、角度编码器(9)，外轴系驱动内框架(7)、内轴系、台面(3)俯仰方向上的运动，并通过机械限位装置避免台面(3)与保温罩(16)碰撞，实现台面(3)俯仰方向-5°～+5°范围内的自由转动，左轴(14)与右轴(10)通过螺钉连接在内框架(7)两端对称的框架孔内，左轴承(2)与右轴承(11)内圈通过过盈配合分别连接在左轴(14)与右轴(10)上，外圈通过过盈配合连接在外框架(8)的框架孔内，电机(1)转子通过螺钉连接在左轴(14)上，电机(1)定子通过螺钉连接在外框架(8)上，角度编码器(9)外壳通过螺钉连接在外框架(8)上，可旋转的空心轴套在右轴系的右轴(10)上。

4.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下的双轴转台系统，其特征在于：所述的内轴系包括内轴(5)、大理石轴(6)、内轴承(4)、角度编码器(12)、电机(13)，台面(3)通过大理石轴(6)与内轴(5)采用紧固螺钉固定连接，台面(3)可在0°～360°实现连续转动，内轴承(4)内圈通过过盈配合与内轴(5)连接，外圈通过过盈配合连接在内框架(7)的框架孔内，电机(13)转子通过螺钉连接内轴(5)，电机(13)定子通过螺钉连接内框架(7)，角度编码器(12)外壳通过螺钉与内框架(7)固连，可旋转的空心轴套在内轴(5)上。

5.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下的双轴转台系统，其特征在于：所述的保温罩(16)外侧包覆保温材料(19)，内壁粘贴薄膜加热器(21)，热控系统机柜(18)通过薄膜加热器(21)动态调节保温罩(16)内部温度。

6.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下的双轴转台系统，其特征在于：所述的地脚(15)与外框架(8)间、台面(3)与内轴系间采用隔热材料为大理石材料。

7.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下的双轴转台系统，其特征在于：所述的外框架(8)、内框架(7)外表面黑色阳极化。

8.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下的双轴转台系统，其特征在于：所述的外框架(8)、外轴系、内轴系、内框架(7)、台面(3)、地脚(15)、保温罩(16)、转台控制机柜(17)、热控系统机柜(18)中固定连接所使用的紧固螺钉带透气孔或者对应的螺钉孔采用通孔。

9.根据权利要求1所述的一种真空低温环境下的双轴转台系统，其特征在于：所述的左轴承(2)、右轴承(11)、内轴承(4)均为固态润滑轴承。