CN114993344B - 一种应用于暗室环境的二维搭载平台 - Google Patents

Abstract

为模拟航天探测器等产品的在轨工况，本发明提出一种应用于航天暗室环境的二维搭载平台，其可以满足暗示内部对杂散光屏蔽的要求，同时可对搭载于其上的测试产品进行二维远程调节。本案所设计的二维搭载平台可应用于暗室环境，包括搭载平台、台体旋转单元、台体直线单元、辅助支撑、杂散光屏蔽系统及测控系统等。本发明能对暗室内的探测器等产品进行在轨环境模拟，提供二维高精度姿态调节，不会破坏暗室内部的光学环境，解决了类似物理实验中电动设备杂散光屏蔽的难题，提高地面模拟航天实验的可靠性，降低探测器等的研制风险。

Description

一种应用于暗室环境的二维搭载平台

技术领域

本发明涉及光学工程技术领域，具体涉及一种应用于暗室环境的二维搭载平台。

背景技术

航天探测器及敏感器的地面标定或地面试验是在模拟太空环境中的暗室内完成的，暗室的作用在于创建和在轨工况高度相似的模拟环境，剔除转台、工装和实验室背景对探测器的影响，降低探测器的研制风险。暗室内所有构件均应进行严格的杂散光抑制，通常用吸光材料制作的遮光罩是杂散光抑制的最有效手段。

开展新型探测器及敏感器的设计和相关技术的研究工作有利于促进测量控制领域的发展。探测器及星敏感器的杂散光分析在国内的研究起步较晚，特别是可模拟太空环境的地面暗室及暗室中构件的杂散光抑制具有重要的研究意义，对空间测量控制领域的发展具有积极的推动作用。通常来讲，遮光罩的利用是杂散光消除的主要方法。

但现有的二维搭载平台在杂散光抑制和探测器姿态的控制精度上表现的较差，经常在实验过程中对探测器的标定产生不利影响。因此，亟需提供一种能够在完成探测器二维高精度姿态调整的同时，不会破坏暗室内部的光学环境的二维搭载平台。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供的应用于暗室环境的二维搭载平台，该平台能够在完成探测器二维高精度姿态调整的同时，主要采用遮光罩进行杂散光屏蔽，且不会破坏暗室内部的光学环境。

本发明的具体技术解决方案如下：

该应用于暗室环境的二维搭载平台包括:

用于承载探测器的探测器平台，所述探测器平台设置于消光平台上；所述探测器平台与消光平台之间设置有用于带动探测器平台相对于消光平台旋转的台体旋转单元，以及用于带动探测器平台相对于消光平台直线运动的台体直线单元；所述探测器平台、消光平台、台体旋转单元以及台体直线单元之间的裸露处均设置有用于防止光线外漏的遮光板。

进一步地，所述台体旋转单元包括平移底板，设置在平移底板上的圆弧导轨，以及用于驱动探测器平台沿圆弧导轨运动的驱动装置；所述驱动装置包括电机和转台，电机与转台通过蜗轮蜗杆连接；转台中心位置处设置有与探测器平台固定连接的旋转轴，旋转轴的中心与圆弧导轨所在圆的圆心重合，探测器平台以所述圆心为中心沿圆弧导轨旋转。

进一步地，所述圆弧导轨由至少两段圆弧拼接形成；所述平移底板上设置有用于对各段圆弧位置进行微调的调节装置；所述调节装置包括与平移底板固定连接的调节块，调节块上设置有用于连接调节螺栓的螺纹孔。

进一步地，所述平移底板上设置有两级限位装置，分别为第一级的光电限位装置及第二级的机械限位装置；所述光电限位装置是在探测器平台最大位移量的90％～95％处设置的光电限位开关，光电限位开关固定设置在平移底板上；当探测器平台旋转至光电限位开关处时触发，进而关停电机；所述机械限位装置是固定设置在圆弧导轨两端处的平移底板上的限位块，所述机械限位装置是在探测器平台最大位移量的100％～105％处设置的限位块；当第一级光电限位装置失效时，探测器平台旋转至限位块位置处时被限位块阻挡，无法继续运动；所述圆弧导轨两端均设置有配合机械限位装置的余度段圆弧导轨，余度段圆弧导轨的弧长对应的圆心角为5°～10°，具体是指余度段两端与圆心连线形成的圆心角夹角为5°～10°。

进一步地，所述台体直线单元包括包括设置在消光平台上的驱动装置和至少一个直线导轨；所述驱动装置与平移底板连接，驱动平移底板沿直线导轨做直线运动。

进一步地，所述直线导轨为两个，两个直线导轨平行且均布在驱动装置两侧；所述驱动装置包括驱动电机，与驱动电机输出轴连接的滚珠丝杠，滚珠丝杠上设置有与平移底板固定连接的平移块；驱动电机启动后，电机输出轴带动滚珠丝杠旋转，平移块在滚珠丝杠的作用下沿滚珠丝杠做直线运动，由于平移块与平移底板固定连接，进而带动平移底板做直线运动。

进一步地，所述直线导轨上设置有两级限位装置，分别为第一级的光电限位装置及第二级的机械限位装置；所述光电限位装置是在探测器平台最大位移量的80％～90％处设置的光电限位开关，光电限位开关固定设置在消光平台上；当探测器平台平移至光电限位开关处时触发，进而关停驱动电机；所述机械限位装置是设置在直线导轨两端处的消光平台上的限位块，所述机械限位装置是在探测器平台最大位移量的95％～100％处设置的限位块；当第一级光电限位装置失效时，探测器平台旋转至限位块位置处时被限位块阻挡，无法继续运动。

进一步地，所述消光平台上设置有用于限制各类连接走向的拖链和接线盒，拖链位于驱动电机的连接线处，驱动电机的连接线经拖链束缚后与接线盒连接；台体旋转单元的电机连接线经平移底板的走线孔进入拖链，经拖链束缚后与接线盒连接；所述接线盒与外部控制系统连接。

进一步地，所述消光平台底部支撑装置包括支撑架，高度调节单元以及减振器；所述减振器设置在支撑架与消光平台之间；调节单元设置在支撑架与地面之间用于对消光平台进行调平。

本发明的优点在于：

1、本发明公开了一种应用于暗室环境的二维搭载平台，整个设备外表面无露白，进行了严格的杂散光抑制处理，介绍了所有构件的杂散光抑制措施。本发明满足某航天探测器的地面标定消光暗室的使用要求；同时可对搭载于其上的探测器进行二维远程精密调节，可靠性好。

2、本发明严格按照产品三性设计的原则进行设计

a)维修性整个系统设计采用标准化、模块化设计的指导思想，尽量采用标准元件，方便系统后期的使用和维护。

b)可靠性系统结构设计方面，运动部件采用了现成产品模组，结构简单，功能完备，运行稳定可靠。控制系统方面采用冗余量设计，如电机选型方面额定负载转矩为系统所需负载转矩的三倍，驱动器选型方面，驱动器输出驱动电流最高可达电机额定电流的两倍。

c)安全性系统运动包括旋转及平移二维运动，均为电动控制实现，为了防止系统飞车或其他不可预料的问题，系统所有运动均设有机械限位及电限位两重保护，同时驱动器具有限流保护，防止结构与其他外物碰撞堵转等情况。电控系统设计有过载保护、漏电保护，转台台体有效接地，可有效防止意外触电等。

3、本发明提供了有效的杂散光屏蔽措施

a)所有外露外购件均进行了杂散光抑制处理，包括标准件、外购件、加工件及电控元器件，主要用到的技术手段为标准件黑化处理、导轨等外购件黑化处理、铝合金加工件喷砂后黑色阳极化处理、电控元器件采用黑色硅胶涂覆或采用黑色壳体覆盖等；

b)电机等具有指示灯的元器件设计封闭黑色罩壳，线缆统一进入布线拖链，拖链隐藏于遮光板1、遮光板2及台面遮光板3围成的封闭箱体内部，通过连接器盒与控制箱对接；

c)消光平台及底部支撑装置采用天然黑色材质的大理石，且喷消光黑漆。

附图说明

图1为二维搭载平台立体图；

图2为二维搭载平台立体图(隐藏平移底板)；

图3为二维搭载平台俯视图；

图4为二维搭载平台俯视图(隐藏搭载平台)；

图5为二维搭载平台俯视图(隐藏平移底板)；

图6为二维搭载平台俯视图(隐藏遮光板)；

图7为二维搭载平台运动极限位置示意图；

图8为二维搭载平台立体图(隐藏平移底板上所有物体)；

图9为二维搭载平台立体图(隐藏搭载平台及台体旋转单元)；

附图标记

1-探测器，2-搭载平台，3-平移底板，4-遮光板1，5-大理石平台，6-圆弧导轨，7-电控旋转台，8-直线导轨，9-拖链，10-滚珠丝杆，11-旋转运动限位块，12-电机遮光罩，13-台面遮光罩，14-直线运动限位开关，15-连接器盒，16-直线运动限位块，17-遮光板2，18-支撑座。

具体实施方式

本案所设计的二维搭载平台可应用于暗室环境，主要包括搭载平台、台体旋转单元、台体直线单元、辅助支撑、杂散光屏蔽单元等。其中，杂散光屏蔽单元又包含在其余四个单元内部，是其余四个单元的设计原则之一。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a，b或c中的至少一项(个)”，或，“a，b和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a，b，c，a-b(即a和b)，a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

以下结合附图1-9对本发明进行详述：

该应用于暗室环境的二维搭载平台包括用于承载探测器的探测器平台，探测器平台原则上建议设计为长方形，且四个角位置处进行倒圆角处理；长方形的优势在于既能满足探测器的的多位置安装，又相对节省材料减轻驱动装置的负担，同时，长方形在旋转过程中覆盖面积较小，不易对周围其他设备产生较大干扰。

探测器平台设置于消光平台上；探测器平台与消光平台之间设置有用于带动探测器平台相对于消光平台旋转的台体旋转单元，以及用于带动探测器平台相对于消光平台直线运动的台体直线单元；探测器平台、消光平台、台体旋转单元以及台体直线单元之间的裸露处均设置有用于防止光线外漏的遮光板。从机械结构设计的角度来看，台体旋转单元设置于台体直线单元上方或下方均可，但当台体旋转单元设置于台体直线单元下方时，结构相对复杂，因此，以台体旋转单元设置于台体直线单元上方为佳。

台体旋转单元的结构形式较多，应以在满足尽可能少的产生杂散光的前提下，运行稳定为原则，本发明提供一种较佳的结构以供选择：

台体旋转单元包括平移底板，设置在平移底板上的圆弧导轨，以及用于驱动探测器平台沿圆弧导轨运动的驱动装置；驱动装置包括电机和转台，电机与转台通过蜗轮蜗杆连接；转台中心位置处设置有与探测器平台固定连接的旋转轴，旋转轴的中心与圆弧导轨所在圆的圆心重合，探测器平台以所述圆心为中心沿圆弧导轨旋转。电机与转台的连接方式相对较多，选用蜗轮蜗杆连接主要是考虑到布局紧凑以及重心位置，且蜗轮蜗杆在旋转过程中相对较为稳定。

基于对加工精度的要求，直接加工整个圆弧导轨成本较高，因此在圆弧导轨的设计上，平衡成本和精度的前提下，可以选择通过至少两段圆弧拼接形成，如图4所示，本实施例选择4段圆弧进行了拼接；由于拼接必然会影响进度，因此考虑在平移底板上设置有用于对各段圆弧位置进行微调的调节装置；调节装置的结构形式较多，此处建议的调节装置包括与平移底板固定连接的调节块，调节块上设置有用于连接调节螺栓的螺纹孔。安装时，首先将各段圆弧轨道固定在平移底板上，然后在旋转调节螺栓，对各段圆弧导轨位置进行精调，调节至探测器平台相对于圆弧导轨运动时平稳即可。

为了防止旋转行程过量，优选在平移底板上设置限位装置，更佳的是考虑设计两级限位装置，两级限位装置进行功能区别，分别为第一级的光电限位装置及第二级的机械限位装置，光电限位装置进行首次限位，若光电限位装置失效，则机械限位装置进行兜底限位，避免脱轨；光电限位装置的安装位置选择空间较大，但考虑到模拟太空环境以及测量范围的问题，建议将光电限位装置设置在探测器平台最大位移量的90％～95％处，一般选择光电限位开关，当探测器平台旋转至光电限位开关处时触发，进而关停电机。

机械限位装置结构形式较多，考虑到稳定性及成本控制，同时易进行杂散光消光处理，本实施例中的机械限位装置选择固定设置在圆弧导轨两端处的平移底板上的限位块，机械限位装置是在探测器平台最大位移量的100％～105％处设置的限位块，选择在该位置的目的是，首先要大于光电限位装置的位移限制量，其仅作为兜底选择，一般情况下不会使用到机械限位装置，但当第一级光电限位装置失效时，探测器平台旋转至限位块位置处时被限位块阻挡，无法继续运动；机械限位虽然有极低地概率导致电机损坏，但相对于探测器平台上搭载的探测器成本，是非常必要的；当然，对于机械限位的行程考虑，只要满足大于最大位移量要求即可，所以，最好略微增长圆弧导轨的长度，圆弧导轨两端均设置有配合机械限位装置的余度段圆弧导轨，余度段圆弧导轨的弧长对应的圆心角为5°～10°，具体是指余度段两端与圆心连线形成的圆心角夹角为5°～10°。

台体直线单元的结构形式同样可选较多，本实施例提供一种较佳的方案，包括设置在消光平台上的驱动装置和两个直线导轨；驱动装置与平移底板连接，驱动平移底板沿直线导轨做直线运动。两个直线导轨平行且均布在驱动装置两侧，对平移底板的支撑更为均衡；驱动装置包括驱动电机，与驱动电机输出轴连接的滚珠丝杠，滚珠丝杠上设置有与平移底板固定连接的平移块；驱动电机启动后，电机输出轴带动滚珠丝杠旋转，平移块在滚珠丝杠的作用下沿滚珠丝杠做直线运动，由于平移块与平移底板固定连接，进而带动平移底板做直线运动。

与台体旋转单元的限位逻辑一致，直线导轨上也设置有两级限位装置，分别为第一级的光电限位装置及第二级的机械限位装置；光电限位装置是在探测器平台最大位移量的80％～90％处设置的光电限位开关，光电限位开关固定设置在消光平台上；当探测器平台平移至光电限位开关处时触发，进而关停驱动电机；所述机械限位装置是设置在直线导轨两端处的消光平台上的限位块，机械限位装置是在探测器平台最大位移量的95％～100％处设置的限位块；当第一级光电限位装置失效时，探测器平台旋转至限位块位置处时被限位块阻挡，无法继续运动。

由于该二维搭载平台在使用过程中包括了两个维度的位移量，如果不对内部走线进行合理的规划，则可能导致各类数据线、电线缠绕打结，因此可以选择在消光平台上设置有用于限制各类连接走向的拖链和接线盒，拖链位于驱动电机的连接线处，驱动电机的连接线经拖链束缚后与接线盒连接；台体旋转单元的电机连接线经平移底板的走线孔进入拖链，经拖链束缚后与接线盒连接；接线盒与外部控制系统连接。数据线、电线等连接线先穿过拖链，再进直线导轨下侧设置的走线孔进入接线盒内，这样在二维运动过程中，各连接线的位移轨迹相对一致，避免了缠绕打结的情况产生。

考虑到该二维平台在使用过程中，由于旋转或平移会产生振动，而探测器的模拟测试对于精度控制要求又相对较高，因此选择增设水平调节及减振结构；具体优选方案是在消光平台底部设置支撑装置，该支撑装置包括支撑架，高度调节单元以及减振器；所述减振器设置在支撑架与消光平台之间；调节单元设置在支撑架与地面之间用于对消光平台进行调平。

前述各类器件均采用杂散光消光处理，部分外购件如电机、驱动电机等增加电机遮光罩等将其完全置于罩内，阻挡杂散光外泄；而消光平台可以选择黑色大理石光学平台；台体旋转单元和台体直线单元的二层结构上，间隙部分也就是直线导轨等所在的立体空间外侧均设置有遮光板。可以将上述各类杂散光消除机构统称为杂散光屏蔽单元，但杂散光屏蔽单元包括但不限于遮光板、遮光板、台面遮光板、电机遮光罩及所有可有效进行杂散光屏蔽的措施。原则上尽可能防止一切光外泄。

使用时，台体旋转运动单元实现台面沿选装中心±90°旋转运动，主要包括圆弧导轨，电动转台，运动限位，带编码器步进电机。台体旋转运动通过测控系统电动控制完成。台体直线运动单元实现台面整体(+250～-50)mm平移运动，主要包括丝杆螺母，直线导轨，运动限位，带编码器步进电机。台体直线运动通过测控系统电动控制完成。

测控系统实现转台运动的自动控制，主要包括运动没控制的单元，主控制器及系统电源。运动控制单元采用RS422通讯总线型闭环步进电机驱动器。主控制器为远程计算机。系统电源系统供电采用AC220V交流输入，通过ACDC电源模块，转换为24V/240W输出，给电机驱动器供电。

体旋转单元和台体直线单元可设置多种运动模式：点动模式，连续运动，增量运动模式，绝对位置运动模式；可实时显示转台当前位置，旋转位置及平移位置。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于暗室环境的二维搭载平台，其特征在于：包括用于承载探测器的探测器平台，所述探测器平台设置于消光平台上；所述探测器平台与消光平台之间设置有用于带动探测器平台相对于消光平台旋转的台体旋转单元，以及用于带动探测器平台相对于消光平台直线运动的台体直线单元；所述探测器平台、消光平台、台体旋转单元以及台体直线单元之间的裸露处均设置有用于防止光线外漏的遮光板；

所述台体旋转单元包括平移底板，设置在平移底板上的圆弧导轨，以及用于驱动探测器平台沿圆弧导轨运动的驱动装置；所述驱动装置包括电机和转台，电机与转台通过蜗轮蜗杆连接；转台中心位置处设置有与探测器平台固定连接的旋转轴，旋转轴的中心与圆弧导轨所在圆的圆心重合，探测器平台以所述圆心为中心沿圆弧导轨旋转；

所述圆弧导轨由至少两段圆弧拼接形成；所述平移底板上设置有用于对各段圆弧位置进行微调的调节装置；所述调节装置包括与平移底板固定连接的调节块，调节块上设置有用于连接调节螺栓的螺纹孔；

所述平移底板上设置有两级限位装置，分别为第一级的光电限位装置及第二级的机械限位装置；所述光电限位装置是在探测器平台最大位移量的90%~95%处设置的光电限位开关，光电限位开关固定设置在平移底板上；所述机械限位装置是固定设置在圆弧导轨两端处的平移底板上的限位块，所述机械限位装置是在探测器平台最大位移量的100%~105%处设置的限位块；所述圆弧导轨两端均设置有配合机械限位装置的余度段圆弧导轨，余度段圆弧导轨的弧长对应的圆心角为5°~10°；

所述台体直线单元包括设置在消光平台上的驱动装置和至少一个直线导轨；所述驱动装置与平移底板连接，驱动平移底板沿直线导轨做直线运动。

2.根据权利要求1所述的应用于暗室环境的二维搭载平台，其特征在于：所述直线导轨为两个，两个直线导轨平行且均布在驱动装置两侧；所述驱动装置包括驱动电机，与驱动电机输出轴连接的滚珠丝杠，滚珠丝杠上设置有与平移底板固定连接的平移块；驱动电机启动后，电机输出轴带动滚珠丝杠旋转，平移块在滚珠丝杠的作用下沿滚珠丝杠做直线运动，由于平移块与平移底板固定连接，进而带动平移底板做直线运动。

3.根据权利要求2所述的应用于暗室环境的二维搭载平台，其特征在于：所述直线导轨上设置有两级限位装置，分别为第一级的光电限位装置及第二级的机械限位装置；所述光电限位装置是在探测器平台最大位移量的80%~90%处设置的光电限位开关，光电限位开关固定设置在消光平台上；所述机械限位装置是设置在直线导轨两端处的消光平台上的限位块，所述机械限位装置是在探测器平台最大位移量的95%~100%处设置的限位块。

4.根据权利要求1至3任一所述的应用于暗室环境的二维搭载平台，其特征在于：所述消光平台上设置有用于限制各类连接走向的拖链和接线盒，拖链位于驱动电机的连接线处，驱动电机的连接线经拖链束缚后与接线盒连接；台体旋转单元的电机连接线经平移底板的走线孔进入拖链，经拖链束缚后与接线盒连接；所述接线盒与外部控制系统连接。

5.根据权利要求4所述的应用于暗室环境的二维搭载平台，其特征在于：所述消光平台底部支撑装置包括支撑架，高度调节单元以及减振器；所述减振器设置在支撑架与消光平台之间；调节单元设置在支撑架与地面之间用于对消光平台进行调平。