CN112113781A - 一种真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置，包括行走机构、第一平移机构、第二平移机构、回转机构和俯仰机构；平移机构中滚珠丝杆安装方式采用一端固定另一端支撑，丝杠与其支承轴承采用间隙配合，降低了丝杠热胀冷缩产生的应力，提高了位置调整的精度；直线导轨采用一根导轨固定，另一根浮动的方式，有效消除了传动系统由低温产生的形变所导致的卡滞现象；回转机构中的回转支承取消了钢球之间的隔离块，避免了低温下由于形变导致的卡滞现象；俯仰机构中铰支座的腰型孔有效消除了由低温形变导致的卡滞现象。本装置各部件相互独立，拆装简便、操作安全，可应用于航天器性能测试，实现真空低温环境下航天器位姿调整功能。

Description

一种真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置

技术领域

本发明涉及多自由度位姿调整技术，特别是一种真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置。

背景技术

航空航天技术关系着国家经济命脉和生存安危，各国都将其列入重点发展计划中。随着人类对太空深度和广度的不断拓展，对航天器的精度要求也越加严格。所以，将航天器相关技术作为重点发展对象，是保证我国在该领域占有领先地位的重要举措，而且对于国家的军事战略地位意义重大。

随着我国航天事业的高速发展，航天器位姿调整设备也得到了快速发展。目前为了满足航天器性能测试的要求，位姿调整设备需具备在真空低温环境下精确完成多自由度运动的能力。但是传统的位姿调整设备在真空低温环境下由于结构材料热胀冷缩、运动部件润滑等影响，导致其无法顺畅完成多自由度运动或无法满足位姿精确调整的要求，因此，传统的位姿调整设备已逐渐无法满足航天器性能研究日益提高的要求。

此外，多自由度位姿调整设备是一种非标精密设备，可实现的运动一般为旋转运动和平移运动的组合。现有位姿调整设备的运动自由度固定，无法根据实际需求进行增减，导致设备适用场合的局限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于航天产品地面测试的真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置，该装置不同自由度的运动机构相互独立，模块式安装，可根据实际需求进行运动自由度的增减。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置，包括行走机构、第一平移机构、第二平移机构、回转机构和俯仰机构；

所述行走机构包括行走平台和轮组，轮组安装于行走平台前后端，为两侧独立安装；

所述第一平移机构包括第一平移平台、第一直线导轨副、第一滚珠丝杠副、第一伺服电机、第一蜗轮蜗杆减速机、第一光栅尺及第一读数头；第一直线导轨副由两个平行的直线导轨共同构成，每根导轨布置双滑块，双导轨安装固定在行走平台上表面，双滑块安装固定在第一平移平台下表面；直线导轨安装采用一根导轨固定，另一根浮动的方式；第一滚珠丝杠副安装采用一端固定，另一端支撑的方式，固定端通过第一轴承座和第一蜗轮蜗杆减速机输出端连接，支撑端由第二轴承座进行支撑；第一伺服电机安装于第一蜗轮蜗杆减速机输入端；第一光栅尺安装在行走平台上表面且平行于直线导轨，第一读数头安装在第一平移平台下表面；

所述第二平移机构包括第二平移平台、第二直线导轨副、第二滚珠丝杠副、第二伺服电机、第二蜗轮蜗杆减速机、第二光栅尺及第二读数头组成；第二直线导轨副由两个平行的直线导轨共同构成，每根导轨布置双滑块，双导轨安装固定在第一平移平台上表面，双滑块安装固定在第二平移平台下表面；直线导轨安装采用一根导轨固定，另一根浮动的方式；第二滚珠丝杠副安装采用一端固定，另一端支撑的方式，固定端通过第三轴承座和第二蜗轮蜗杆减速机输出端连接，支撑端由第四轴承座进行支撑；第二伺服电机安装于第二蜗轮蜗杆减速机输入端；第二光栅尺安装在第一平移平台上表面且平行于直线导轨，第二读数头安装在第二平移平台下表面；

所述回转机构主要由回转平台、回转支承、小齿轮、第三蜗轮蜗杆减速机、第三伺服电机及光栅组件组成；所述回转支承为外齿式，与小齿轮配对传动，小齿轮与第三蜗轮蜗杆减速机输出端连接，第三伺服电机安装于第三蜗轮蜗杆减速机输入端；回转支承内圈安装于第二平移平台上表面，外圈安装于回转平台下表面；光栅组件由绝对式圆光栅、真空读数头、读数头支架和光栅座组成，绝对式圆光栅安装于回转平台下表面，读数头支架安装于第二平移平台上；

所述俯仰机构由俯仰平台、螺旋升降机、联轴器、行星减速机和第四伺服电机组成；两台螺旋升降机分别通过第三铰支座固定于俯仰平台和回转平台之间的一侧，两台螺旋升降机相互由联轴器相连，行星减速机输出端与其中一台螺旋升降机输入端连接，第四伺服电机安装于行星减速机输入端；俯仰平台和回转平台之间的另一侧通过第一铰支座及第二铰支座连接，所述第一铰支座固定在俯仰平台下表面，第二铰支座固定在回转平台上表面，第一铰支座和第二铰支座通过销轴连接；

所述第一平移机构、第二平移机构用于实现水平方向上的横向和纵向位移调整；所述回转机构、俯仰机构分别用于实现旋转运动和俯仰运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明所设计平移机构中滚珠丝杆安装方式采用一端固定另一端支撑，丝杠与其支承轴承采用间隙配合降低了丝杠热胀冷缩产生的应力，提高了位置调整的精度；(2)直线导轨采用一根导轨固定，另一根浮动的方式，有效消除了传动系统由低温产生的形变所导致的卡滞现象，保证了设备运行顺畅；(3)回转机构中的回转支承取消了钢球之间的隔离块，调整了轴向和径向间隙，避免了低温下由于形变导致的卡滞现象；(4)俯仰机构中第一铰支座、第二铰支座的腰型孔有效消除了由低温形变导致的卡滞现象，提高了俯仰调整精度，同时降低了装调难度；(5)本装置各部件相互独立，拆装简便、操作安全，适用于多种场合；本发明可应用于航天器性能测试，实现真空低温环境下航天器位姿调整功能。

附图说明

图1为本发明真空低温环境下的大型多自由度位姿调整设备的立体图。

图2为本发明行走机构的立体图。

图3为本发明第一平移机构的立体图。

图4为本发明第一平移机构光栅尺和读数头的局部剖视图。

图5为本发明第二平移机构的立体图。

图6为本发明回转机构的立体图。

图7为本发明回转机构圆光栅和读数头的局部剖视图。

图8为本发明俯仰机构的立体图。

具体实施方式

如图1所示，一种真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置，包括行走机构1、第一平移机构2、第二平移机构3、回转机构4和俯仰机构5；

如图2所示，所述行走机构1包括行走平台1-1和轮组1-2，轮组1-2安装于行走平台前后端，为两侧独立安装；行走平台1-1为框架式结构，由不锈钢矩形管及不锈钢板焊接而成。

如图3所示，所述第一平移机构2包括第一平移平台2-1、第一直线导轨副2-2、第一滚珠丝杠副2-3、第一伺服电机2-4、第一蜗轮蜗杆减速机2-5、第一光栅尺2-8及第一读数头2-9；第一平移平台2-1由不锈钢板焊接而成；第一直线导轨副2-2由两个平行的直线导轨共同构成，每根导轨布置双滑块，双导轨安装固定在行走平台1-1上表面，双滑块安装固定在第一平移平台2-1下表面；直线导轨安装采用一根导轨固定，另一根浮动的方式，以消除传动系统由低温产生的形变所导致的卡滞现象；第一滚珠丝杠副2-3安装采用一端固定，另一端支撑的方式，固定端通过第一轴承座2-6和第一蜗轮蜗杆减速机2-5输出端连接，支撑端由第二轴承座2-7进行支撑，其中第一轴承座2-6、第二轴承座2-7均固定于行走平台1-1，丝杆螺母座安装于第一平移平台2-1的下表面；第一伺服电机2-4安装于第一蜗轮蜗杆减速机2-5输入端；如图4所示，第一光栅尺2-8安装在行走平台1-1上表面且平行于直线导轨，第一读数头2-9安装在第一平移平台2-1下表面；第一平移平台2-1下表面装有行程限位开关，作为机构极限位置电气保护。

如图5所示，所述第二平移机构3包括第二平移平台3-1、第二直线导轨副3-2、第二滚珠丝杠副3-3、第二伺服电机3-4、第二蜗轮蜗杆减速机3-5、第二光栅尺及第二读数头组成；第二平移平台3-1由不锈钢板焊接而成；第二直线导轨副3-2由两个平行的直线导轨共同构成，每根导轨布置双滑块，双导轨安装固定在第一平移平台2-1上表面，双滑块安装固定在第二平移平台3-1下表面；直线导轨安装采用一根导轨固定，另一根浮动的方式；第二滚珠丝杠副3-3安装采用一端固定，另一端支撑的方式，固定端通过第三轴承座3-6和第二蜗轮蜗杆减速机3-5输出端连接，支撑端由第四轴承座3-7进行支撑；第二伺服电机3-4安装于第二蜗轮蜗杆减速机3-5输入端；第二光栅尺安装在第一平移平台2-1上表面且平行于直线导轨，第二读数头安装在第二平移平台3-1下表面；

如图6所示，所述回转机构4主要由回转平台4-1、回转支承4-2、小齿轮4-3、第三蜗轮蜗杆减速机4-4、第三伺服电机4-5及光栅组件组成；回转平台4-1由不锈钢矩形管及不锈钢板焊接而成；所述回转支承4-2为外齿式，与小齿轮4-3配对传动，小齿轮4-3与第三蜗轮蜗杆减速机4-4输出端连接，第三伺服电机4-5安装于第三蜗轮蜗杆减速机4-4输入端；回转支承4-2内圈安装于第二平移平台3-1上表面，外圈安装于回转平台4-1下表面；如图7所示，光栅组件由绝对式圆光栅4-6-1、真空读数头4-6-2、读数头支架4-6-3和光栅座4-6-4组成，绝对式圆光栅4-6-1安装于回转平台4-1下表面，读数头支架4-6-3安装于第二平移平台3-1上；第二平移平台下表面装有行程限位开关，作为机构极限位置电气保护。

如图8所示，所述俯仰机构5由俯仰平台5-1、螺旋升降机5-2、联轴器5-3、行星减速机5-4和第四伺服电机5-5组成；俯仰平台5-1由不锈钢矩形管及不锈钢板焊接而成；两台螺旋升降机5-2分别通过第三铰支座5-8固定于俯仰平台5-1和回转平台4-1之间的一侧，两台螺旋升降机5-2相互由联轴器5-3相连，行星减速机5-4输出端与其中一台螺旋升降机输入端连接，第四伺服电机5-5安装于行星减速机5-4输入端；俯仰平台5-1和回转平台4-1之间的另一侧通过第一铰支座5-6及第二铰支座5-7连接，所述第一铰支座5-6固定在俯仰平台5-1下表面，第二铰支座5-7固定在回转平台4-1上表面，第一铰支座5-6和第二铰支座5-7通过销轴5-9连接。

所述调整装置中所有电机、减速机、光栅读数头、行程开关等均选择真空专用型号，同时为了满足低温使用要求，以上元器件表面安装覆盖主动控温层以及被动隔热层，以达到其正常使用温度范围。

所述调整装置中结构件、紧固件、滚珠丝杠副、直线导轨副、回转支承等主要零部件均由不锈钢材料制造，满足真空低温环境使用要求。

所述调整装置中所有传动部件中的润滑采用表面喷镀二硫化钼的方式，满足真空低温环境使用要求。

具体应用本发明的大型多自由度位姿调整设备时，首先根据运动自由度的需求，对行走机构1、回转机构2、平移机构3和俯仰机构4进行组装。现以四个自由度的使用场合进行详述。

先利用俯仰机构5的螺旋升降机5-2将俯仰平台5-1调节到水平姿态，并将航天器安装在俯仰平台5-1上端，通过调平安装可提高安装精度，降低安装操作难度。此后，通过行走机构1的轮组实现直线位移调整。

通过第一平移机构2的第一伺服电机2-4和第一蜗轮蜗杆减速机2-5驱动第一平移机构2的第一滚珠丝杠副2-3运动，使第一直线导轨副2-2带动第一平移机构2实现纵向位移调整。考虑真空低温环境的影响，第一滚珠丝杠副2-3安装采用一端固定，另一端支撑的方式，丝杠与其支承轴承采用间隙配合以降低丝杠热胀冷缩产生的应力，提高位置调整的精度；第一直线导轨副2-2采用一根导轨固定，另一根浮动的方式，以消除传动系统的卡滞现象；导轨、丝杠、钢球等表面镀二硫化钼以满足润滑要求。在机构平移运动过程中，安装在第一平移平台2-1上的限位支架触碰到行程限位开关时触发断电保护，并采用蜗轮蜗杆传动形式在任意位置可靠自锁。第一读数头2-9和第一光栅尺2-8可精确控制水平位移，提高定位精度。

同理，通过第二平移机构可实现垂直于第一平移机构方向的运动。

通过回转机构4的第三伺服电机4-5和第三蜗轮蜗杆减速机4-4驱动小齿轮4-3带动固连于回转支承上4-2的回转平台4-1进行旋转运动。考虑真空低温环境的影响，回转机构4中的回转支承4-2取消钢球隔离块，通过调整轴向和径向间隙，以避免低温形变导致的卡滞现象。通过读数头4-6-2和圆光栅4-6-1可精确控制旋转角度。回转范围±10°。

通过俯仰机构5的第四伺服电机5-5和行星减速机5-4驱动螺旋升降机5-2沿竖直方向移动，使俯仰平台5-1绕第一铰支座5-6和第二铰支座5-7的销轴5-9旋转，以实现俯仰运动。考虑真空低温环境的影响，俯仰机构中第一铰支座5-6，第二铰支座5-7与销轴5-9连接孔为腰型孔，以消除低温形变导致的卡滞现象，提高俯仰调整精度，并同时降低装调难度。

综上所述，本发明的一种真空低温环境下的大型多自由度位姿调整设备可实现水平移动，回转运动和俯仰运动的微距位移调整动作，其微调行程的分辨率高、精确可控；各部件相互独立，拆装简便、操作安全，可根据自由度需求进行模块组装，适用于多种场合。

上述仅为本发明的主要特征、工作原理和优点等，对于本领域的技术人员来说，本发明并不受上述实施例的限制，在不违背其基本原理的前提下，针对不同的实施例本发明可以进行灵活的更改和变化，这些更改和变化如在本发明的精神和范围之内，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置，其特征在于，包括行走机构(1)、第一平移机构(2)、第二平移机构(3)、回转机构(4)和俯仰机构(5)；

所述行走机构(1)包括行走平台(1-1)和轮组(1-2)，轮组(1-2)安装于行走平台前后端，为两侧独立安装；

所述第一平移机构(2)包括第一平移平台(2-1)、第一直线导轨副(2-2)、第一滚珠丝杠副(2-3)、第一伺服电机(2-4)、第一蜗轮蜗杆减速机(2-5)、第一光栅尺(2-8)及第一读数头(2-9)；第一直线导轨副(2-2)由两个平行的直线导轨共同构成，每根导轨布置双滑块，双导轨安装固定在行走平台(1-1)上表面，双滑块安装固定在第一平移平台(2-1)下表面；直线导轨安装采用一根导轨固定，另一根浮动的方式；第一滚珠丝杠副(2-3)安装采用一端固定，另一端支撑的方式，固定端通过第一轴承座(2-6)和第一蜗轮蜗杆减速机(2-5)输出端连接，支撑端由第二轴承座(2-7)进行支撑；第一伺服电机(2-4)安装于第一蜗轮蜗杆减速机(2-5)输入端；第一光栅尺(2-8)安装在行走平台(1-1)上表面且平行于直线导轨，第一读数头(2-9)安装在第一平移平台(2-1)下表面；

所述第二平移机构(3)包括第二平移平台(3-1)、第二直线导轨副(3-2)、第二滚珠丝杠副(3-3)、第二伺服电机(3-4)、第二蜗轮蜗杆减速机(3-5)、第二光栅尺及第二读数头组成；第二直线导轨副(3-2)由两个平行的直线导轨共同构成，每根导轨布置双滑块，双导轨安装固定在第一平移平台(2-1)上表面，双滑块安装固定在第二平移平台(3-1)下表面；直线导轨安装采用一根导轨固定，另一根浮动的方式；第二滚珠丝杠副(3-3)安装采用一端固定，另一端支撑的方式，固定端通过第三轴承座(3-6)和第二蜗轮蜗杆减速机(3-5)输出端连接，支撑端由第四轴承座(3-7)进行支撑；第二伺服电机(3-4)安装于第二蜗轮蜗杆减速机(3-5)输入端；第二光栅尺安装在第一平移平台(2-1)上表面且平行于直线导轨，第二读数头安装在第二平移平台(3-1)下表面；

所述回转机构(4)主要由回转平台(4-1)、回转支承(4-2)、小齿轮(4-3)、第三蜗轮蜗杆减速机(4-4)、第三伺服电机(4-5)及光栅组件组成；所述回转支承(4-2)为外齿式，与小齿轮(4-3)配对传动，小齿轮(4-3)与第三蜗轮蜗杆减速机(4-4)输出端连接，第三伺服电机(4-5)安装于第三蜗轮蜗杆减速机(4-4)输入端；回转支承(4-2)内圈安装于第二平移平台(3-1)上表面，外圈安装于回转平台(4-1)下表面；光栅组件由绝对式圆光栅(4-6-1)、真空读数头(4-6-2)、读数头支架(4-6-3)和光栅座(4-6-4)组成，绝对式圆光栅(4-6-1)安装于回转平台(4-1)下表面，读数头支架(4-6-3)安装于第二平移平台(3-1)上；

所述俯仰机构(5)由俯仰平台(5-1)、螺旋升降机(5-2)、联轴器(5-3)、行星减速机(5-4)和第四伺服电机(5-5)组成；两台螺旋升降机(5-2)分别通过第三铰支座(5-8)固定于俯仰平台(5-1)和回转平台(4-1)之间的一侧，两台螺旋升降机(5-2)相互由联轴器(5-3)相连，行星减速机(5-4)输出端与其中一台螺旋升降机输入端连接，第四伺服电机(5-5)安装于行星减速机(5-4)输入端；俯仰平台(5-1)和回转平台(4-1)之间的另一侧通过第一铰支座(5-6)及第二铰支座(5-7)连接，所述第一铰支座(5-6)固定在俯仰平台(5-1)下表面，第二铰支座(5-7)固定在回转平台(4-1)上表面，第一铰支座(5-6)和第二铰支座(5-7)通过销轴(5-9)连接；

所述第一平移机构(2)、第二平移机构(3)用于实现水平方向上的横向和纵向位移调整；所述回转机构(4)、俯仰机构(5)分别用于实现旋转运动和俯仰运动。

2.根据权利要求1所述的真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置，其特征在于，所述行走平台(1-1)为框架式结构，由不锈钢矩形管及不锈钢板焊接而成。

3.根据权利要求1所述的真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置，其特征在于，第一平移平台(2-1)、第二平移平台(3-1)由不锈钢板焊接而成。

4.根据权利要求1所述的真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置，其特征在于，所述回转平台(4-1)、俯仰平台(5-1)由不锈钢矩形管及不锈钢板焊接而成。

5.根据权利要求1所述的真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置，其特征在于，所述第一铰支座(5-6)、第二铰支座(5-7)与销轴(5-9)的连接孔为腰型孔。

6.根据权利要求1所述的真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置，其特征在于，所述调整装置中所有电机、减速机、光栅读数头、行程开关均选择真空专用型号，以上元器件表面安装覆盖主动控温层以及被动隔热层。

7.根据权利要求1所述的真空低温环境下的大型多自由度位姿调整装置，其特征在于，所有传动部件中的润滑采用表面喷镀二硫化钼的方式，满足真空低温环境使用要求。

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