CN116812175A - 一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，属于航空航天机电技术领域；包括2个驱动模块和驱动模块转接件；其中1个驱动模块水平放置；另1个驱动模块水平设置在该驱动模块的上方；驱动模块转接件竖直连接在2个驱动模块之间；驱动模块转接件的顶部和底部均为带止口的法兰型结构；驱动模块转接件通过2个法兰型结构分别与2个驱动模块固连，组成旋转轴线正交的二维指向机构；本发明提供了一种结构紧凑、精度和可靠性高、温度适应范围广的二维指向机构。

Description

一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构

技术领域

本发明属于航空航天机电技术领域，涉及一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构。

背景技术

随着航天技术不断发展，空间探测活动越来越频繁、范围越来越广、任务越来越复杂，这使得星地或者星间传输的数据量也不断增加。

为了满足传输数据量增加的需求，飞行器通常是通过提高天线增益来提高数据传输速度。这使得天线的波束宽度也变得很窄，而指向不确定性会造成特定区域的增益降低，甚至造成通信链路连接不畅。因此，很多天线被设计成具有二维转动和定向的功能，以补偿天线因提高增益而导致的波束变窄，二维指向机构被用以实现该功能。

现有的二维指向机构重量和包络尺寸大，限制了其应用场景；轴系往往通过输出轴、框架、从动轴等多个零件连接而成，一般需要多级连接后组合加工保证零件同轴度指标，并使用销复位，加工实现过程复杂，而整机装配难以实现完全复位，实际装配同轴度低于预期值，导致轴系寿命和可靠性低；现有指向机构框架多为U型结构，由于框架尺寸跨度大、轴孔位置高，框架两端在空间不均匀的外热流环境下容易产生较大温度差，两端在高度方向热膨胀变形量不均，进而影响指向精度，且存在轴系一端径向受力导致机构卡滞无法转动的风险，需要额外热控资源控制框架温差。

因此，迫切需要一种结构紧凑、精度和可靠性高、温度适应范围广的二维指向机构。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，提供了一种结构紧凑、精度和可靠性高、温度适应范围广的二维指向机构。

本发明解决技术的方案是：

一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，包括2个驱动模块和驱动模块转接件；其中1个驱动模块水平放置；另1个驱动模块水平设置在该驱动模块的上方；驱动模块转接件竖直连接在2个驱动模块之间；驱动模块转接件的顶部和底部均为带止口的法兰型结构；驱动模块转接件通过2个法兰型结构分别与2个驱动模块固连，组成旋转轴线正交的二维指向机构。

在上述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，所述驱动模块包括基座、驱动端、驱动输出端、主轴、角接触轴承、深沟球轴承、测角端、轴承内圈压紧螺母、轴承外圈端盖和螺母；

基座水平放置；主轴轴向水平安装在基座上；驱动端设置在基座的轴向一端，且驱动端的驱动输出端与主轴同轴连接；角接触轴承安装于主轴的轴向内端；轴承内圈压紧螺母套装在主轴的轴向内端侧壁，通过轴承内圈压紧螺母对角接触轴承施加轴向预紧力；深沟球轴承安装在主轴的轴向外端；轴承外圈端盖通过螺纹紧固件连接于基座，通过轴承外圈端盖约束角接触轴承外圈的轴向移动；测角端套装在主轴上，且位于深沟球轴承的轴向外端；螺母套装在主轴上，且位于测角端的轴向外端。

在上述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，所述驱动端和驱动输出端采用电机+谐波减速器的结构；谐波减速器的柔轮即为驱动输出端；螺纹紧固件穿过谐波减速器柔轮安装孔连接于主轴。

在上述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，通过修磨轴承外圈端盖或在轴承外圈端盖与基座之间增加垫片的方式，控制角接触轴承外圈的压紧过盈量。

在上述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，角接触轴承外圈与轴承外圈端盖为过渡配合，配合间隙为±0.02mm，实现主轴的力矩输入端在基座内沿轴向的相对固定。

在上述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，所述测角端为分体式测角装置；由螺母同时将测角端的转子部分和深沟球轴承的内圈压紧固定在主轴上；测角端的定子部分通过螺纹紧固件连接于基座。

在上述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，深沟球轴承的外圈无约束，随主轴在基座内沿轴向小幅滑动；当二维指向机构整体出现膨胀或收缩时，基座和主轴材料热膨胀系数不同带来的轴向变形量存在差异；由于主轴的角接触轴承端与基座相对固定；通过主轴带动深沟球轴承在基座内沿轴向滑动，平衡热变形差异，避免轴系热胀冷缩顶死，大大增强机构热环境适应性。

在上述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，所述主轴为钛合金材料的一体结构；主轴和驱动模块转接件均为中空结构，零件重量轻，且中空结构内可用于机构、载荷等电缆走线、天线波导关节布局。

在上述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，所述主轴上设置有对外连接的法兰接口，以止口定位的方式，通过法兰接口与驱动模块转接件连接，组成旋转轴线正交的二维指向机构。

在上述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，驱动模块的工作过程为：

主轴获得驱动端和驱动输出端传递的转动和力矩后，通过主轴上对外连接法兰接口向外传递，安装在主轴的测角端实时获得主轴的转动位置；二维指向机构，通过两个驱动模块转动协作，完成空间中二维指向的功能，机构两个驱动模块的转动范围均大于±90°。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的二维指向机构与现有机构相比，选用同等规格成熟部组件具有相同性能的情况下，整机包络尺寸更紧凑，带来更大刚度，同时易实现大角度(单轴大于±90度)指向范围，重量减小40％以上；

(2)本发明的主轴和基座均为一体成型零件，零件精度易加工保证，装配无过多连接，整机易集成，刚度和设计可靠性高；

(3)本发明紧凑型结构不易产生温度端差，无需为基座设计额外热控措施，几乎消除在轨指向精度影响因素中的结构热变形项，保证了在轨高精度指向；

(4)本发明机构轴系一端浮动设计，可消除主轴和基座材料热膨胀系数不同产生的热变形差异，避免轴系轴向受热应力，机构热环境适应性强。

附图说明

图1为本发明二维指向机构整体示意图；

图2为本发明驱动模块转接件结构示意图；

图3为本发明驱动模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，具有结构紧凑刚度高、转动和测角精度高、温度适应性强等特点，可广泛应用于重量和空间约束要求高、热环境恶劣的场合，实现星载天线等载荷对目标的跟踪和指向功能。

星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，如图1所示，具体包括2个驱动模块1和驱动模块转接件2；其中1个驱动模块1水平放置；另1个驱动模块1水平设置在该驱动模块1的上方；驱动模块转接件2竖直连接在2个驱动模块1之间。如图2所示，驱动模块转接件2的顶部和底部均为带止口的法兰型结构；驱动模块转接件2通过2个法兰型结构分别与2个驱动模块1固连，组成旋转轴线正交的二维指向机构。

如图3所示，驱动模块1包括基座101、驱动端110、驱动输出端120、主轴102、角接触轴承105、深沟球轴承104、测角端130、轴承内圈压紧螺母107、轴承外圈端盖106和螺母103；基座101水平放置；主轴102轴向水平安装在基座101上；驱动端110设置在基座101的轴向一端，且驱动端110的驱动输出端120与主轴102同轴连接；角接触轴承105安装于主轴102的轴向内端；轴承内圈压紧螺母107套装在主轴102的轴向内端侧壁，通过轴承内圈压紧螺母107对角接触轴承105施加轴向预紧力；深沟球轴承104安装在主轴102的轴向外端；轴承外圈端盖106通过螺纹紧固件连接于基座101，通过轴承外圈端盖106约束角接触轴承105外圈的轴向移动；测角端130套装在主轴102上，且位于深沟球轴承104的轴向外端；螺母103套装在主轴102上，且位于测角端130的轴向外端。

驱动端110和驱动输出端120采用电机+谐波减速器的结构；谐波减速器的柔轮即为驱动输出端120；螺纹紧固件穿过谐波减速器柔轮安装孔连接于主轴102。

通过修磨轴承外圈端盖106或在轴承外圈端盖106与基座101之间增加垫片的方式，控制角接触轴承105外圈的压紧过盈量。

角接触轴承105外圈与轴承外圈端盖106为过渡配合，配合间隙为±0.02mm，实现主轴的102力矩输入端在基座101内沿轴向的相对固定。

测角端130为分体式测角装置；由螺母103同时将测角端130的转子部分和深沟球轴承104的内圈压紧固定在主轴102上；测角端130的定子部分通过螺纹紧固件连接于基座101。

深沟球轴承104的外圈无约束，随主轴102在基座101内沿轴向小幅滑动；当二维指向机构整体出现膨胀或收缩时，基座101和主轴102材料热膨胀系数不同带来的轴向变形量存在差异；由于主轴102的角接触轴承105端与基座101相对固定；通过主轴102带动深沟球轴承104在基座101内沿轴向滑动，平衡热变形差异，避免轴系热胀冷缩顶死，大大增强机构热环境适应性。

主轴102为钛合金材料的一体结构；主轴102和驱动模块转接件2均为中空结构，零件重量轻，且中空结构内可用于机构、载荷等电缆走线、天线波导关节布局。主轴102上设置有对外连接的法兰接口，以止口定位的方式，通过法兰接口与驱动模块转接件2连接，组成旋转轴线正交的二维指向机构。

驱动模块1的工作过程为：

主轴102获得驱动端110和驱动输出端120传递的转动和力矩后，通过主轴102上对外连接法兰接口向外传递，安装在主轴102的测角端130实时获得主轴102的转动位置；二维指向机构，通过两个驱动模块转动协作，完成空间中二维指向的功能，机构两个驱动模块1的转动范围均大于±90°。

本发明中基座101为轴系安装孔跨度小、距离基座底面高度小的紧凑型结构。主轴102为钛合金材料的一体结构；主轴102上具有对外连接法兰接口。角接触轴承105的内圈沿轴向压紧，外圈沿轴向过渡配合，配合间隙±0.02mm。深沟球轴承104内圈沿轴向固定于主轴102，外圈无约束，可随主轴102在孔内沿轴向移动。

本发明中的主轴102、驱动模块转接件2均为中空结构。

机构两轴转动范围均大于±90°。

实施例

如图1所示，本发明提供一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，其特征在于，机构包括：2个驱动模块1、驱动模块转接件2。其中第一驱动模块和第二驱动模块结构完全相同，具有互换性。

如图2所述，所述驱动模块转接件2为两端带止口法兰型零件，两端分别与2个驱动组件1主轴102上接口通过螺纹紧固件固定连接，组成旋转轴线正交的二维指向机构；

由于第一驱动模块与第二驱动模块完全相同，在此对第一驱动模块进行详细介绍，第二驱动模块不再赘述。

如图3所示，驱动模块包括：基座101、驱动端110、驱动输出端120、主轴102、角接触轴承105、深沟球轴承104、测角端130、轴承内圈压紧螺母107、轴承外圈端盖106、螺母103等。驱动端110通过螺纹紧固件固定连接于基座101且其驱动输出端120与主轴102连接，在本实施例中，驱动端110和驱动输出端120选用的是电机+谐波减速器的驱动方案，谐波减速器柔轮端即为驱动输出部分，螺纹紧固件穿过谐波减速器柔轮安装孔连接于主轴102。角接触轴承105安装于主轴102，通过轴承内圈压紧螺母107获得轴向预紧力。主轴102另一端安装深沟球轴承104。安装轴承后的主轴组件从图3驱动模块左侧装入基座，轴承外圈端盖106通过螺纹紧固件连接于基座101，约束角接触轴承外圈沿轴向的移动。可以通过修磨轴承外圈端盖106或在其与基座101之间增加所需垫片的方式，控制轴承外圈压紧过盈量，本发明中，外圈沿轴向过渡配合，配合间隙±0.02mm，从而实现主轴的力矩输入端在基座内沿轴向的相对固定。

主轴另一端与测角端连接，本实施例中测角端130为分体式测角装置，转子部分安装于主轴102，由螺母103同时将转子部分及深沟球轴承内圈压紧固定在主轴上，测角装置的定子部分通过螺纹紧固件连接于基座101。深沟球轴承104内圈固定，外圈无约束，可随主轴在基座102内沿轴向小幅度滑动。在极端高温或低温环境下，机构整体出现膨胀或收缩，基座101和主轴102材料热膨胀系数不同带来的轴向变形量存在差异，由于主轴102角接触轴承端与基座101相对固定，可由主轴102带动深沟球轴承104在基座内沿轴向滑动，平衡热变形差异，避免轴系热胀冷缩顶死，大大增强机构热环境适应性。

基座101上两轴承安装孔具有跨度小、距离基座底面高度小特征，使得结构紧凑。当机构外热流环境不均匀时，很难引起基座101两端产生较大温差，且由于高度小，使得温差导致的两安装孔高度方向上的热变形差异微小，热变形对两孔同轴度影响、对轴线相对安装面倾斜变化降至最小，消除对轴系指向精度的影响，不易使轴系两端径向异常受力带来卡滞；主轴102为钛合金材料的一体结构，强度高刚度高，安装面精度易一次加工实现，避免多级连接轴系组合加工及装配存在的转动方向上有回差、安装面同轴度较差等问题。基座101和主轴102的设计为机构提供了紧凑、高刚度、高精度、高温度适应性等特性。

主轴102、驱动模块转接件2均为中空结构，零件重量轻，中空结构内可用于机构、载荷等电缆走线、天线波导关节布局，并为其提供空间辐照、空间碎片等的防护。

主轴102获得驱动端110和驱动输出端120传递的转动和力矩后，通过主轴102上对外连接法兰接口向外传递，安装于其上的测角端130可实时获得主轴转动位置。

单独的驱动模块装配完成后，主轴102具有360°整周转动的能力，可通过测量倾角回转误差、任何转动位置最小启动力矩等，评估轴系装配精度、装配质量的好坏，提高机构精度和可靠性。

驱动模块主轴102上具有对外连接法兰接口，以止口定位的方式，通过驱动模块转接件2与其它驱动模块连接，组成旋转轴线正交的二维指向机构，机构内部部组件之间接口简单可靠，界面清晰。

按照上述实施方式获得的二维指向机构，通过两个驱动模块转动协作，完成空间中二维指向的功能，机构两轴转动范围均大于±90°，可适应大多数天线、载荷空间指向范围需求。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，其特征在于：包括2个驱动模块(1)和驱动模块转接件(2)；其中1个驱动模块(1)水平放置；另1个驱动模块(1)水平设置在该驱动模块(1)的上方；驱动模块转接件(2)竖直连接在2个驱动模块(1)之间；驱动模块转接件(2)的顶部和底部均为带止口的法兰型结构；驱动模块转接件(2)通过2个法兰型结构分别与2个驱动模块(1)固连，组成旋转轴线正交的二维指向机构。

2.根据权利要求1所述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，其特征在于：所述驱动模块(1)包括基座(101)、驱动端(110)、驱动输出端(120)、主轴(102)、角接触轴承(105)、深沟球轴承(104)、测角端(130)、轴承内圈压紧螺母(107)、轴承外圈端盖(106)和螺母(103)；

基座(101)水平放置；主轴(102)轴向水平安装在基座(101)上；驱动端(110)设置在基座(101)的轴向一端，且驱动端(110)的驱动输出端(120)与主轴(102)同轴连接；角接触轴承(105)安装于主轴(102)的轴向内端；轴承内圈压紧螺母(107)套装在主轴(102)的轴向内端侧壁，通过轴承内圈压紧螺母(107)对角接触轴承(105)施加轴向预紧力；深沟球轴承(104)安装在主轴(102)的轴向外端；轴承外圈端盖(106)通过螺纹紧固件连接于基座(101)，通过轴承外圈端盖(106)约束角接触轴承(105)外圈的轴向移动；测角端(130)套装在主轴(102)上，且位于深沟球轴承(104)的轴向外端；螺母(103)套装在主轴(102)上，且位于测角端(130)的轴向外端。

3.根据权利要求2所述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，其特征在于：所述驱动端(110)和驱动输出端(120)采用电机+谐波减速器的结构；谐波减速器的柔轮即为驱动输出端(120)；螺纹紧固件穿过谐波减速器柔轮安装孔连接于主轴(102)。

4.根据权利要求2所述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，其特征在于：通过修磨轴承外圈端盖(106)或在轴承外圈端盖(106)与基座(101)之间增加垫片的方式，控制角接触轴承(105)外圈的压紧过盈量。

5.根据权利要求4所述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，其特征在于：角接触轴承(105)外圈与轴承外圈端盖(106)为过渡配合，配合间隙为±0.02mm，实现主轴的(102)力矩输入端在基座(101)内沿轴向的相对固定。

6.根据权利要求2所述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，其特征在于：所述测角端(130)为分体式测角装置；由螺母(103)同时将测角端(130)的转子部分和深沟球轴承(104)的内圈压紧固定在主轴(102)上；测角端(130)的定子部分通过螺纹紧固件连接于基座(101)。

7.根据权利要求6所述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，其特征在于：深沟球轴承(104)的外圈无约束，随主轴(102)在基座(101)内沿轴向小幅滑动；当二维指向机构整体出现膨胀或收缩时，基座(101)和主轴(102)材料热膨胀系数不同带来的轴向变形量存在差异；由于主轴(102)的角接触轴承(105)端与基座(101)相对固定；通过主轴(102)带动深沟球轴承(104)在基座(101)内沿轴向滑动，平衡热变形差异，避免轴系热胀冷缩顶死，大大增强机构热环境适应性。

8.根据权利要求2所述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，其特征在于：所述主轴(102)为钛合金材料的一体结构；主轴(102)和驱动模块转接件(2)均为中空结构，零件重量轻，且中空结构内可用于机构、载荷等电缆走线、天线波导关节布局。

9.根据权利要求2所述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，其特征在于：所述主轴(102)上设置有对外连接的法兰接口，以止口定位的方式，通过法兰接口与驱动模块转接件(2)连接，组成旋转轴线正交的二维指向机构。

10.根据权利要求9所述的一种星载紧凑型高精度高温度适应性二维指向机构，其特征在于：驱动模块(1)的工作过程为：

主轴(102)获得驱动端(110)和驱动输出端(120)传递的转动和力矩后，通过主轴(102)上对外连接法兰接口向外传递，安装在主轴(102)的测角端(130)实时获得主轴(102)的转动位置；二维指向机构，通过两个驱动模块转动协作，完成空间中二维指向的功能，机构两个驱动模块(1)的转动范围均大于±90°。