CN109940567A - 一种在极端恶劣环境下工作的高精度光学回转工作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在极端恶劣环境下工作的高精度光学回转工作台。该发明通过步进电机驱动大传动比的减速机构实现360°转动机构转角高分辨率输出；通过具有双向定压预紧的传动副，消除极端温度下的啮合失配；通过使用聚酰亚胺制造传动零件实现极端温度环境下的自润滑；通过可以同时承受轴、径向载荷的超薄壁轴承实现工作台的高刚度支撑与大通光孔径；基座与轴系用与轴承钢相匹配的金属基复合材料制成，减小极端温度环境下相对热变形。该发明可用于真空、沙尘、极端温度和经历振动和冲击环境后，仍需保持良好的回转精度和高性能的应用；该发明适用于星载光通讯跟瞄机构和深空探测的扫描指向机构。该发明结构紧凑，质量轻巧，适用于各种恶劣环境。

Description

一种在极端恶劣环境下工作的高精度光学回转工作台

技术领域：

本发明涉及深空光学探测与星载光通讯领域，具体涉及一种光学回转工作台，特别涉及一种在极端恶劣环境下工作的高精度光学回转工作台，它用于对探测目标的跟踪、指向及扫描。

背景技术：

光学回转工作台是深空探测指向机构和星载光学遥感设备扫描机构的核心部件。通过带动安装在其上的光学仪器转动，实现对远距离光学终端的跟踪瞄准，以实现光学通讯，也可实现光学遥感设备的目标指向、对地扫描成像或相移补偿。

光学回转工作台作为光学扫描、指向机构通常被布置在光学望远镜前端，扩大光学系统的动态探测范围。光学回转工作台除实现光路动态指向外，还需要其对上光学仪器实现高刚度支撑，在大多数情况下需要承载大于自身重量的载荷抵抗飞行器平台在主动段的利学振动环境。另外，在回转工作台主轴需要留有大的通光孔径，用于光学链路的连通；以及航天或深空探测对其占用空间和重量的严格限制等应用环境限制，是轻小型化设计成为此类载荷设计的重点之一。

光学扫描机构作为前置光学系统，由于其大范围的转动和动态视场包络，经常被安装在卫星或巡视器外部，直接暴露在外太空环境中，承受真空、低温以及行星表面可能存在的沙尘环境。在没有充足的能源对其进行加热保温时，如何保证恶劣环境下机构的性能便成为关键的技术问题。

工作环境中温度的大范围波动，将使轴系的回转精度下降、润滑失效以及传动装置过大的空回或卡死。简单的材料匹配和常规的传动机构无法满足使用要求，需要对轴系的润滑方式和传动机构进行特殊的设计。通过自润滑材料的使用、定压预紧式的消隙机构以及特殊设计的防尘方式，从而使质量、体积轻巧的光学回转工作台能够适应真空、利学、沙尘和大范围温度变化，并能够实现高精度的光学指向要求。

发明内容：

本发明目的是提供一种在极端恶劣环境下工作的高精度光学回转工作台。如何设计一套质量极其轻巧、结构非常紧凑，具备承受飞行器平台带来的剧烈地振动和冲击载荷的能利的同时，能够在各种恶劣环境下(包含真空、温度、沙尘等)保持良好回转精度，是本发明所要解决的技术问题。

本发明通过低温步进电机驱动减速机构实现工作台360°转动，通过减速机构的大传动比实现机构转角的高分辨率输出；通过具有双向定压预紧的传动副，消除传动机构在极端温度下的啮合失配；通过使用聚酰亚胺制造其中一个传动零件，实现极端温度环境下机构的自润滑；通过可以同时承受轴、径向载荷的超薄壁轴承实现工作台的高刚度支撑与大通光孔径；轴承滚动摩擦副采用自润滑材料解决低温下的润滑问题；轴系防尘采用特殊设计防尘环，考虑真空环境下使用，防尘环材料采用聚酰亚胺；工作台基座与轴系零件使用与轴承钢相匹配的金属基复合材料制成，以减小极端温度环境下相对热变形。

具体装置如附图1～3所示。

1.回转工作台基座1底面固定，顶面安装回转轴系2，传动机构3安装在其腔体内，侧面安装驱动电机5；传动机构3输入端连接驱动电机5，输出端连接回转轴系2，将驱动电机5的输出转动细分后传递给回转轴系2，实现回转工作台的高分辨率角度输出，传动机构3具有温度大范围变化后的消隙功能；回转轴系2底面安装在工作台基座1顶面，其输出主轴2-1顶部法兰用于光学负载安装，主轴2-1下端面连接传动机构3的输出端，主轴2-1内部开孔用于光路连通；防尘环4为聚酰亚胺材料制成的薄壁圆环，上半部嵌入式安装在主轴2-1法兰周向，下半部与轴承座2-3相接触，保证轴系防尘密封的可靠性，对轴系迷宫的入口进行了接触式密封；驱动电机5采用低温步进电机，输出轴接入传动机构3输入端，开环输出步进式转动，步距角经过传动机构3细分后实现最终回转工作台转动。

2.回转轴系2包括：主轴2-1、内圈压盖2-2、轴承座2-3、超薄壁轴承2-4、外圈压盖2-5；

所述的主轴2-1、内圈压盖2-2、轴承座2-3、外圈压盖2-5均采用与轴承钢相匹配的金属基复合材料制成，以适应对重量要求严格的场合；超薄壁轴承2-4放入轴承座2-3后，通过外圈压盖2-5固定，主轴2-1穿入超薄壁轴承2-4内孔中，使用内圈压盖2-2固定并对其施加预紧；使用端盖固定轴承内外圈，可以使空间占用最小化，以适应对空间限制严格的场合；超薄壁轴承2-4采用陶瓷滚动体或在其套圈沟道镀膜的方式实现轴承低温下的润滑，采用陶瓷滚动体时，热膨胀系数需要与轴承钢匹配；

3.传动机构3包括：传动副一3-1、传动副二-固定3-2、传动副二-游动3-3、弹性元件3-4、预压螺母3-5；

所述的传动副一3-1由聚酰亚胺材料制成，解决低温润滑的同时满足一定的使用寿命要求，其外圆周齿形表面与传动副二-固定3-2、传动副二-游动3-3啮合并传递转动，通过其端面与回转轴系2连接将转动输出给回转工作台；传动副二由传动副二-固定3-2和传动副二-游动3-3两部分组成，由同种金属材料制成，两部分相对独立，滑动配合，组合加工；可以是沿厚度方向切开齿轮，也可以是沿轴向切开的蜗杆；通过调整两部分相对位置(轴向或相对角度)使其与传动副一3-1双侧啮合，啮合通过弹性元件3-4预紧，并使用预压螺母3-5紧固；弹性元件3-4是由不锈钢制成的弹簧或扭簧，预压螺母3-5为不锈钢细牙螺母，与传动副二-固定3-2轴段上的外螺纹配合。

本发明的优点在于：

1)本发明通过具有双向定压预紧的传动副，消除传动机构在极端温度下的啮合失配；通过使用聚酰亚胺材料制造其中一个传动副零件，实现极端温度环境下机构的自润滑。保证了极端温度环境传动机构的高精度、低摩擦、长寿；

2)本发明通过可以同时承受轴、径向载荷的超薄壁轴承实现工作台的高刚度支撑与大通光孔径；轴承滚动摩擦副采用自润滑材料解决极端温度环境下的润滑问题；

3)本发明的轴系防尘使用特殊设计的聚酰亚胺材料制成的防尘环，并采用接触式密封，以适应真空、低温以及严重的沙尘环境。

附图说明：

图1是本发明光学回转工作台的结构示意图；

图中：1——回转工作台基座；

2——回转轴系；

3——传动机构；

4——防尘环；

5——驱动电机；

图2是回转轴系2的结构组成示意图；

图中：2-1——主轴；

2-2——内圈压盖；

2-3——轴承座；

2-4——超薄壁轴承；

2-5——外圈压盖；

图3是传动机构3的结构组成示意图；

图中：3-1——传动副1；

3-2——传动副二-固定；

3-3——传动副二-游动；

3-4——弹性元件；

3-5——预压螺母。

具体实施方式：

下面根据图1至图3给出本发明一个较好实施例，用以说明本发明的结构特征和实施方法，而非用来限定本发明的范围。

本实施例中的高精度光学回转工作台应用于资源匮乏，完全无主动温控的某行星表面探测的光学仪器的前置指向机构。转动总角度范围360°，轴内通光直径100mm，重量限制1公斤以内，尺寸空间限制170mm×170mm×45mm。工作温度-130℃，工作环境中长时间存在严重的沙尘环境，沙尘平均直径5um。运载发射和飞行器着陆时最大过载加速度达30个重利加速度，随机振动均方根加速度23g，冲击达1800g。装置具体包括如下几个部分：回转工作台基座1、回转轴系2、传动机构3、防尘环4、以及驱动电机5。

1)回转工作台基座1由体份55％的铝基复合材料制成，该材料比刚度极高(弹性模量E＝180GPa，密度ρ＝3.0g/cm³)，可以与轴承钢热匹配(λ＝8×10^-6K^-1)，经轻量化设计后结构体重量135克。其结构形式为薄壁箱体结构，底面用于通过5个M5螺钉与外部平台安装固定，顶部安装回转轴系2，箱体内部安装传动机构3；

2)回转轴系2包括：主轴2-1、内圈压盖2-2、轴承座2-3、超薄壁轴承2-4、外圈压盖2-5；

超薄壁轴承2-4使用定制薄壁双列角接触球轴承，内径114.3mm，外径127mm，宽度10mm，滚动体材料采用ZrO₂陶瓷滚动体实现轴承低温下的润滑，ZrO₂热膨胀系数为11×10^{- 6}K^-1与轴承钢热膨胀系数可以很好的匹配；

主轴2-1、内圈压盖2-2、轴承座2-3、外圈压盖2-5均采用与轴承钢相匹配的体份55％的铝基复合材料制成，以减轻重量，匹配热膨胀。主轴2-1为空心轴，中心开孔直径104mm；轴径114.3mm，与超薄壁轴承2-4过盈配合，过盈量0.005mm；法兰用于负载安装，法兰直径130mm，端面加工6个M3螺纹孔。轴承座2-3中心开孔127mm，与轴承精密配合，配合间隙控制在0.004mm以内，轴承座法兰通过6个M2.5螺钉安装在回转工作台基座1顶面。内圈压盖2-2用于轴承内圈固定与预紧利施加，零件厚度4.5mm，上表面有迷宫结构与主轴2-1嵌入式配合，迷宫宽度0.2mm；外圈压盖2-5用于轴承外圈固定，过盈压量0.005mm，零件厚度5mm，下表面用于传动副一3-1安装；压盖式固定结构可以最小化尺寸空间占用，满足苛刻地空间限制要求；

3)传动机构3包括：传动副一3-1、传动副二-固定3-2、传动副二-游动3-3、弹性元件3-4、预压螺母3-5；传动机构3采用传动比80：1的蜗轮蜗杆，中心距73mm；传动副一3-1为聚酰亚胺材料制成的蜗轮，这种材料可以解决低温润滑的同时满足一定的使用寿命要求，蜗轮齿数80，分度圆直径158mm，齿厚15mm，重量仅60克，通过12个M2螺钉固定在外圈压盖2-5下表面；传动副二为蜗杆，模数1.6，分度圆直径20mm，螺纹导程35mm，重量60克。由传动副二-固定3-2和传动副二-游动3-3两部分组成，由同种金属材料钛合金TC4制成，以减轻重量。固定蜗杆长度96.25mm，两端安装轴承，螺纹导程从中间部位分开，固定、游动蜗杆各17.5mm。游动蜗杆中心孔直径10mm，与固定蜗杆轴段紧密配合，配合间隙小于0.01mm。两部分蜗杆相对独立，滑动配合，组合加工；通过修磨游动蜗杆端面，调整两部分轴向相对位置使其与传动副一3-1蜗轮两外侧齿面同时啮合，预紧量0.05mm；啮合预压利由弹性元件3-4提供，并使用预压螺母3-5紧固；弹性元件3-4是由不锈钢材质的弹簧，其弹性系数决定预紧后传动副的摩擦利矩；预压螺母3-5为不锈钢细牙螺母，螺距0.5mm，与传动副二-固定3-2轴段上的外螺纹配合；

4)防尘环4由聚酰亚胺材料制成，这种材料适应温度范围宽，并且可以实现与金属材料的低摩擦系数和自润滑。防尘环4为薄壁圆环结构，截面形状为“Γ”形，厚度0.3mm，上半部嵌入主轴2-1法兰周向，下半部与轴承座2-3相接触，微量过盈配合，过盈量0.03mm。保证轴系防尘密封的可靠性，对轴系迷宫的入口进行了接触式密封，可以有效防止细小沙尘进入轴系；

5)驱动电机5采用定制的低温步进电机，步距角为1.8°，牵出利矩60mN·m@200Hz，重量100g，输出轴直径4.5mm，基座直径28mm。步进电机控制简单，并可以通过传动机构实现高分辨率转角输出。电机输出轴与传动副二-固定3-2通过平键连接，电机法兰端面通过4个M2.5螺钉安装在回转工作台基座1侧面。

如上所述，该光学回转工作台通过低温步进电机驱动大传动比减速机构实现机构转角的高分辨率输出；通过具有双向定压预紧的传动副，消除传动机构在极端温度下的啮合失配；通过使用聚酰亚胺制造的蜗轮，实现极端温度环境下传动机构的自润滑；通过可以同时承受轴、径向载荷的超薄壁轴承实现工作台的高刚度支撑与大通光孔径；轴承滚动摩擦副采用自润滑材料解决低温下的润滑问题；轴系防尘采用特殊设计的聚酰亚胺材料接触式密封环；工作台基座与轴系零件使用与轴承钢相匹配的金属基复合材料制成，以减小极端温度环境下相对热变形。该反射镜的支撑与装夹装置结构紧凑、质量轻巧，可以适应大的利学过载和极端温度的工作环境，可适用于对质量、体积要求苛刻，利热、沙尘等环境极其恶劣的空间舱外指向、扫描机构应用。

Claims (3)

1.一种在极端恶劣环境下工作的高精度光学回转工作台，包括回转工作台基座(1)、回转轴系(2)、传动机构(3)、防尘环(4)、以及驱动电机(5)，其特征在于：

所述的回转工作台基座(1)底面固定，顶面安装回转轴系(2)，传动机构(3)安装在其腔体内，侧面安装驱动电机(5)；传动机构(3)输入端连接驱动电机(5)，输出端连接回转轴系(2)，将驱动电机(5)的输出转动细分后传递给回转轴系(2)，实现回转工作台的高分辨率角度输出，传动机构(3)具有温度大范围变化后的消隙功能；回转轴系(2)底面安装在工作台基座(1)顶面，其输出主轴(2-1)顶部法兰用于光学负载安装，主轴(2-1)下端面连接传动机构(3)的输出端，主轴(2-1)内部开孔用于光路连通；防尘环(4)为聚酰亚胺材料制成的薄壁圆环，上半部嵌入式安装在主轴(2-1)法兰周向，下半部与轴承座(2-3)相接触，保证轴系防尘密封的可靠性，对轴系迷宫的入口进行了接触式密封；驱动电机(5)采用低温步进电机，输出轴接入传动机构(3)输入端，开环输出步进式转动，步距角经过传动机构(3)细分后实现最终回转工作台转动。

2.如权利要求1所述的一种在极端恶劣环境下工作的高精度光学回转工作台，其特征在于，所述的回转轴系(2)包括：主轴(2-1)、内圈压盖(2-2)、轴承座(2-3)、超薄壁轴承(2-4)、外圈压盖(2-5)；

所述的主轴(2-1)、内圈压盖(2-2)、轴承座(2-3)、外圈压盖(2-5)均采用与轴承钢相匹配的金属基复合材料制成，以适应对重量要求严格的场合；超薄壁轴承(2-4)放入轴承座(2-3)后，通过外圈压盖(2-5)固定，主轴(2-1)穿入超薄壁轴承(2-4)内孔中，使用内圈压盖(2-2)固定并对其施加预紧；使用端盖固定轴承内外圈，可以使空间占用最小化，以适应对空间限制严格的场合；超薄壁轴承(2-4)采用陶瓷滚动体或在其套圈沟道镀膜的方式实现轴承低温下的润滑，采用陶瓷滚动体时，热膨胀系数需要与轴承钢匹配。

3.如权利要求1所述的一种在极端恶劣环境下工作的高精度光学回转工作台，其特征在于，所述的传动机构(3)包括：传动副一(3-1)、传动副二-固定(3-2)、传动副二-游动(3-3)、弹性元件(3-4)、预压螺母(3-5)；

所述的传动副一(3-1)由聚酰亚胺材料制成，解决低温润滑的同时满足一定的使用寿命要求，其外圆周齿形表面与传动副二-固定(3-2)、传动副二-游动(3-3)啮合并传递转动，通过其端面与回转轴系(2)连接将转动输出给回转工作台；传动副二由传动副二-固定(3-2)和传动副二-游动(3-3)两部分组成，由同种金属材料制成，两部分相对独立，滑动配合，组合加工；可以是沿厚度方向切开齿轮，也可以是沿轴向切开的蜗杆；通过调整两部分相对位置(轴向或相对角度)使其与传动副一(3-1)双侧啮合，啮合通过弹性元件(3-4)预紧，并使用预压螺母(3-5)紧固；弹性元件(3-4)是由不锈钢制成的弹簧或扭簧，预压螺母(3-5)为不锈钢细牙螺母，与传动副二-固定(3-2)轴段上的外螺纹配合。