CN112461259B - 大口径空间相机重力平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径空间相机重力平衡装置，包括：空间相机支撑结构、运动学支撑结构、单自由度重力平衡装置、工装结构；其中，空间相机支撑结构用于固定大口径空间相机的光学镜组；空间相机支撑结构通过运动学支撑结构与工装结构铰接卸载弯矩；单自由度重力平衡装置通过转接件与空间相机支撑结构铰接调节平衡，实现单独卸载整机的重量和弯矩，而不是卸载变形，且二者互不干扰，实现空间相机的重力平衡，保证各反射镜的相对位置满足指标要求。此外，该重力平衡装置可以消除测试环境对测试结果的影响，可实现重复测试。

Description

大口径空间相机重力平衡装置

技术领域

本发明涉及空间遥感技术领域，特别涉及一种大口径空间相机重力平衡装置。

背景技术

空间相机具有对天观测和对地观测无国界、搜集信息更全面及准确等特点，因此其在天文科学、地球科学、军事应用和民用生产等众多领域发挥着非常重要的作用。随着空间遥感技术的发展，空间相机向着大口径、长焦距、多元化的方向发展，这导致其支撑结构的体积增大、质量增加，传统的“过设计”已不能满足有限的空间尺寸、降低科研成本及发射成本的需求，必须对空间相机结构进行轻量化设计，高的轻量化率会导致空间相机结构的剖面尺寸降低，进而导致结构刚度降低，因此在地面进行系统装调、检测时，由重力原因产生的结构变形会导致各光学元件的面形和位置精度发生变化，造成离焦和系统传递函数下降。如果偏离量超出允许范围，相机在轨运行时处于无重力环境下，装调时的重力变形会发生回弹，使各反射镜的相对位置发生变化，最终降低光学系统的成像质量。因此，对于大口径空间相机而言，重力平衡是实现在轨零重力与地面1g重力力学环境一致的重要环节。

目前空间相机常用的重力平衡方案为在空间相机一侧设置多个重力平衡点，通过卸载支撑结构变形来实现重力平衡，该方法的本质是通过支撑结构“过设计”实现重力平衡，但该方法对大口径天基空间相机不适用。

发明内容

为了克服已有得技术问题，本发明提供一种大口径空间相机重力平衡装置，用于地面像质检测。在原有空间相机支撑结构上增加运动学支撑结构及3组为实现力平衡的单自由度重力平衡装置，实现仅卸载整机的重量和弯矩，且二者互不干扰，实现空间相机的重力平衡，保证各反射镜的相对位置满足指标要求。此外，该重力平衡装置可以消除测试环境对测试结果的影响，可实现重复测试。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：本发明提供一种大口径空间相机重力平衡装置，包括：用于固定大口径空间相机的光学镜组空间相机支撑结构、运动学支撑结构、单自由度重力平衡装置、工装结构；其中，空间相机支撑结构通过运动学支撑结构与工装结构铰接，卸载运动学支撑结构产生的弯矩；单自由度重力平衡装置通过转接件与空间相机支撑结构铰接，并根据杠杆原理以悬吊配重的方式与空间相机支撑结构自身的重力达到平衡状态。

优选地，空间相机支撑结构包括：前框架、桁架杆、中框架及基板；前框架、中框架以及基板通过桁架杆依次连接组成空间相机支撑结构的主体框架。

优选地，运动学支撑结构，运动学支撑结构包括至少2个支撑单元，每个支撑单元包括球铰支腿、分别安装在球铰支腿两端的球铰和运动学支撑结构球铰转接板；球铰支腿的两端分别通过球铰和运动学支撑结构球铰转接板与基板和工装结构铰接。

优选地，运动学支撑结构常见的结构形式还有切向-双脚架运动学支撑结构，切向-双脚架运动学支撑结构包括3个呈120°分布的支撑单元，每个支撑单元包括2个切向-双脚架球铰支腿、分别安装在切向-双脚架球铰支腿两端的切向-双脚架球铰转接板；切向-双脚架球铰支腿的两端分别通过切向-双脚架球铰转接板与基板和工装结构铰接。

优选地，单自由度重力平衡装置包括：横梁、测力传感组件、轴承组件和配重组件；其中，测力传感组件与位于横梁的一端，且测力传感组件的一端与转接件铰接，另一端与横梁固定连接，配重组件悬挂在横梁的另一端，轴承组件固定在横梁底部靠近测力传感组件的位置。

优选地，测力传感组件包括：测力传感器、测力传感器转接件、球铰转接板、前端吊环转接板、前端吊环、球铰结构；测力传感器转接件与球铰结构固连，球铰结构通过球铰转接板与横梁固连；前端吊环通过前端吊环转接板与横梁固连。

优选地，轴承组件包括：左轴承座、轴承杆、右轴承座，轴承组件与横梁固连，与左轴承座及右轴承座间隙配合。

优选地，配重组件包括：配重块、钢丝绳、配重吊环、配重吊环转接板，配重吊环通过配重吊环转接板与横梁固连；配重块通过钢丝绳与配重吊环连接。

优选地，单自由度重力平衡装置为相互平行的3组，且分别作用于与基板接触的连接面上。

本发明能够取得以下技术效果：

1、本发明的原理为大口径空间相机的重力及由重力产生的弯矩分开卸载，运动学支撑结构卸载弯矩，单自由度重力平衡装置平衡重力，二者互不干扰，共同完成空间相机的重力平衡。

2、通过该重力平衡装置实现空间相机支撑结构的微米级变形，保证空间相机的成像质量。

3、该重力平衡装置实现了空间相机自由度的全约束且对工装及地面的平面度要求较低，同时实现了地面模拟在轨力学环境，可以消除测试环境对测试结果的影响，保证测试像质的准确性。可实现重复测试。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的一种大口径空间相机重力平衡装置的整体结构示意图。

图2是本发明的一个实施例的一种大口径空间相机重力平衡装置的空间相机支撑框架的结构示意图。

图3是本发明的一个实施例的一种大口径空间相机重力平衡装置的对称角度的结构示意图。

图4是本发明的一个实施例的一种大口径空间相机重力平衡装置运动学支撑结构的结构示意图。

图5是本发明的另一个实施例的一种大口径空间相机重力平衡装置运动学切向-双脚架运动学支撑结构示意图。

图6是本发明的一个实施例的一种大口径空间相机重力平衡装置单自由度重力平衡装置的结构示意图。

其中的附图标记包括：空间相机支撑结构1、运动学支撑结构2、单自由度重力平衡装置3、工装结构4、前框架101、次镜102、桁架杆103、中框架104、主镜105、三镜106、基板107、球铰支腿201、球铰202、运动学支撑结构球铰转接板203、横梁301、测力传感器302、测力传感器转接件303、球铰转接板304、前端吊环转接板305、前端吊环306、左轴承座307、轴承杆308、右轴承座309、配重块310、钢丝绳311、配重吊环312、配重吊环转接板313、球铰结构314、转接件315、切向-双脚架球铰转接板501、切向-双脚架球铰支腿502、切向-双脚架球铰转接板503。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面将对本发明提供的空间大口径相机重力平衡装置进行详细说明。

图1示出了本发明一种大口径空间相机重力平衡装置整体结构的结构图

如图1所示，为本发明实施例提供的空间大口径重力平衡装置，整体装置为两组左右对称结构。包括：空间相机支撑结构1、运动学支撑结构2、单自由度重力平衡装置3、工装结构4；空间相机支撑结构1通过运动学支撑结构2与工装结构4连接；单自由度重力平衡装置3通过转接件与空间相机支撑结构1的基板107连接；由于空间相机自身向下的重力，现有技术中的空间相机支撑结构1与工装结构4之间连接的连接杆会发生弯曲，此时内力在杆的截面上分布：则此时连接杆会向下弯曲，所以杆的截面上部会伸长，截面下部会收缩，也就是一边受拉伸，一边受压缩，此时便会产生弯矩；当空间相机支撑结构1不受空间相机重力的作用时已经产生的弯曲变形会发生回弹，使空间相机支撑结构1上固定的各反射镜的相对位置发生变化，最终降低光学系统的成像质量。此时便需要运动学支撑结构2和单自由度重力平衡装置3的配合来卸载重力和弯矩带来的影响。空间相机支撑结构1通过运动学支撑结构2与工装结构4铰接，运动学支撑结构2用于卸载空间相机支撑结构1受空间相机重力产生的弯矩，防止空间相机支撑结构1上固定的各反射镜的相对位置发生变化；单自由度重力平衡装置3通过转接件315与空间相机支撑结构1铰接，单自由度重力平衡装置3通过悬吊配重和空间相机自身的重力达到平衡状态。

图2示出了本发明一种大口径空间相机重力平衡装置的空间相机支撑结构的结构图。图3为图2圈出部位的对称角度的结构示意图。

如图2和图3所示，在本发明的一个实施例中，空间相机支撑结构1包括：前框架101、桁架杆103、中框架104及基板107；基板107横截面为八边形；桁架杆103连接前框架101、中框架104和基板107组成了空间相机支撑结构，用于固定大口径空间相机的光学镜组；光学镜组中：主镜105及三镜106安装于基板107上，主镜105和三镜106安装在同一平面，但二者的轴向间距不同，二者像面处于同一球面上；次镜102安装于前框架101上。

图4示出了本发明一种大口径空间相机重力平衡装置的运动学支撑结构的结构图。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，运动学支撑结构2为多足运动学支撑结构，包括至少两个支撑单元，例如图4所示的运动学支撑结构2为六足运动学支撑结构，包括6个支撑单元，每个支撑单元包括：球铰支腿201、球铰202和运动学支撑结构球铰转接板203。球铰202的数量为两个，分别安装在球铰支腿201的两端，两个球铰202分别通过运动学支撑结构球铰转接板203与基板107和工装结构4铰接。通过球铰支腿201两端安装的球铰202释放3个方向的自由度，可使其成为一种静定且自由度全约束的支撑结构，通过活动连接的方式，使空间相机支撑结构1在地面进行系统装调、检测，受到向下的重力影响时，球铰202可以自由转动，而不会发生传统固定的连接杆弯曲现象，在轨运行时也不会由于无重力的情况而产生回弹现象，从而卸载由重力产生的弯矩。

图5是本发明的另一个实施例的一种大口径空间相机重力平衡装置运动学切向-双脚架运动学支撑结构图。

如图5所示，本发明另一个实施例的运动学支撑结构2为切向-双脚架运动学支撑结构，切向-双脚架运动学支撑结构包括：3个呈120°分布的支撑单元，其中每个支撑单元包括2个切向-双脚架球铰支腿502以及分别安装在切向-双脚架球铰支腿502两端的切向-双脚架球铰转接板501、503；切向-双脚架球铰支腿502的一端通过切向-双脚架球铰转接板501与基板107铰接，另一端通过切向-双脚架球铰转接板503与工装结构4铰接。此类型的支撑单元的球铰转接板面积更大，铰接面积更广，双支腿结构也能够使整个支撑结构变得更加稳定牢固。

图6示出了本发明一种大口径空间相机重力平衡装置的单自由度重力平衡装置的结构图。

如图6所示，在本发明的一个实施例中，单自由度重力平衡装置3包括：横梁301、测力传感组件、轴承组件、配重组件、单自由度重力平衡装置转接件315。单自由度重力平衡装置3平衡力施加原理是杠杆原理，其中杠杆为横梁301，支点为轴承组件所在位置，杠杆的两端分别是测力传感组件连接的空间相机支撑结构1和配重组件，当空间相机支撑结构1受到重力的影响时，通过配重组件悬吊配重，配重块310施加一个向下的力，杠杆的另一端会产生一个向上的力，由单自由度重力平衡装置转接件315作用在基板107上，从而实现对另一端来自空间相机支撑结构1的重力的平衡力施加；再通过球铰结构314释放转动自由度来平衡空间相机支撑结构1。

测力传感组件具体包括：测力传感器302、测力传感器转接件303、球铰转接板304、前端吊环转接板305、前端吊环306、球铰结构314。测力传感器302能够实时监测平衡力的大小，并通过测力传感器转接件303与球铰结构314固连；球铰结构314通过球铰转接板304与横梁301固连，球铰结构314能够释放3个转动自由度。

轴承组件具体包括：左轴承座307、轴承杆308、右轴承座309。轴承杆308与横梁301固连，与左轴承座307及右轴承座309转动配合，实现整个单自由度重力平衡装置3的转动。3组单自由度重力平衡装置3的左轴承座307及右轴承座309分别与工装结构4固连。

配重组件具体包括：配重块310、钢丝绳311、配重吊环312、配重吊环转接板313；前端吊环306通过前端吊环转接板305与横梁301固连，其作用为平衡卸载误差，具体实施方式为：通过前端吊环306悬吊配重来卸载误差，其中卸载误差是指：测力传感器302在配重块310未悬挂时有读数，需要通过悬吊配重块310对测力传感器302清零；配重吊环312通过配重吊环转接板313与横梁301固连；配重块310通过钢丝绳311与配重吊环312连接，实现预期平衡力的施加。

由于单自由度重力平衡装置3为3组，转接件315也为3个，所以3个测力传感器302的一端分别连接1个转接件315，再与空间相机支撑结构1的基板107底端三个侧面固连；在空间结构布局上，3组单自由度重力平衡装置3相互平行；在平衡空间相机的重力时，3组单自由度重力平衡装置3可单独作用于由3个转接件315所接触连接的基板107的三个面上，并且可以释放接触面内2个方向的平动自由度，从而保证主镜105、次镜102及三镜106间的相对位置变化满足指标要求；又可以实现空间相机支撑结构1的微米级变形，保证空间相机的成像质量，从而起到平衡空间相机重力的作用；且对地面的平整度要求较低，可以消除测试环境对测试结果的影响，保证测试像质的准确性；可实现重复测试。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种大口径空间相机重力平衡装置，其特征在于，包括：用于固定大口径空间相机中光学镜组的空间相机支撑结构（1）、运动学支撑结构（2）、单自由度重力平衡装置（3）、工装结构（4）；其中，所述空间相机支撑结构（1）通过所述运动学支撑结构（2）与所述工装结构（4）铰接，卸载所述空间相机支撑结构（1）产生的弯矩；所述单自由度重力平衡装置（3）通过转接件与所述空间相机支撑结构（1）铰接，并根据杠杆原理以悬吊配重的方式与所述空间相机支撑结构（1）自身的重力达到平衡状态；

所述单自由度重力平衡装置（3）包括：横梁（301）、测力传感组件、轴承组件和配重组件；其中，所述测力传感组件位于所述横梁（301）的一端，且所述测力传感组件的一端与所述转接件铰接，另一端与所述横梁（301）固定连接，所述配重组件悬挂在所述横梁的另一端，所述轴承组件固定在所述横梁（301）底部靠近所述测力传感组件的位置；

所述测力传感组件包括：测力传感器（302）、测力传感器转接件（303）、球铰转接板（304）、前端吊环转接板（305）、前端吊环（306）、球铰结构（314）；所述测力传感器转接件（303）与所述球铰结构（314）固连，所述球铰结构（314）通过所述球铰转接板（304）与所述横梁（301）固连；所述前端吊环（306）通过所述前端吊环转接板（305）与所述横梁（301）固连。

2.如权利要求1所述的大口径空间相机重力平衡装置，其特征在于，所述空间相机支撑结构（1）包括：前框架（101）、桁架杆（103）、中框架（104）及基板（107）；所述前框架（101）、所述中框架（104）以及所述基板（107）通过所述桁架杆（103）依次连接组成所述空间相机支撑结构（1）的主体框架。

3.如权利要求2所述的大口径空间相机重力平衡装置，其特征在于，所述运动学支撑结构（2）包括至少2个支撑单元，每个支撑单元包括球铰支腿（201）、分别安装在所述球铰支腿（201）两端的球铰（202）和运动学支撑结构球铰转接板（203）；所述球铰支腿（201）的两端分别通过所述球铰（202）和所述运动学支撑结构球铰转接板（203）与所述基板（107）和所述工装结构（4）铰接。

4.如权利要求2所述的大口径空间相机重力平衡装置，其特征在于，所述运动学支撑结构（2）常见的结构形式还有切向-双脚架运动学支撑结构，所述切向-双脚架运动学支撑结构包括3个呈120°分布的支撑单元，每个支撑单元包括2个切向-双脚架球铰支腿（502）、分别安装在所述切向-双脚架球铰支腿（502）两端的切向-双脚架球铰转接板（501、503）；所述切向-双脚架球铰支腿（502）的两端分别通过所述切向-双脚架球铰转接板（501、503）与所述基板（107）和所述工装结构（4）铰接。

5.如权利要求1所述的大口径空间相机重力平衡装置，其特征在于，所述轴承组件包括：左轴承座（307）、轴承杆（308）右轴承座（309），所述轴承杆（308）与所述横梁（301）固连，与所述左轴承座（307）及所述右轴承座（309）间隙配合。

6.如权利要求1所述的大口径空间相机重力平衡装置，其特征在于，所述配重组件包括：配重块（310）、钢丝绳（311）、配重吊环（312）、配重吊环转接板（313），所述配重吊环（312）通过所述配重吊环转接板（313）与所述横梁（301）固连；所述配重块（310）通过所述钢丝绳（311）与所述配重吊环（312）连接。

7.如权利要求2所述的大口径空间相机重力平衡装置，其特征在于，所述单自由度重力平衡装置（3）为相互平行的3组，且分别作用于与所述基板（107）接触的连接面上。

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