DE69202481T2

DE69202481T2 - Anordnung zur Ausrichtung einer Nutzlast, insbesondere einer Satellitenantenne.

Info

Publication number: DE69202481T2
Application number: DE69202481T
Authority: DE
Inventors: Gilles Labruyere
Original assignee: Agence Spatiale Europeenne
Current assignee: Agence Spatiale Europeenne
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1992-01-30
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2012-01-31
Also published as: JP3095282B2; DE69202481D1; EP0498699A1; FR2672737B1; US5214361A; CA2060773C; EP0498699B1; FR2672737A1; JPH0587195A; CA2060773A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die gleichzeitig für den Drehantrieb einer Nutzlast gegenüber einer Struktur und für die Lagerung dieser Last (also seine Drehführung) sorgt.
Die Erfindung betrifft eine derartige, auch "Drehantriebs-tisch" genannte Vorrichtung, die in verschiedenen Anwen-dungsformen genutzt werden kann, insbesondere in einem Me-chanismus zum Ausrichten einer Satellitenantenne.
Bei dieser Anwendungsart kann man insbesondere den Strahl durch Drehung des Parabolreflektors um seinen Fokalpunkt orientieren.
Zu diesem Zweck wird bis heute so verfahren, daß entweder der Reflektor durch einen Arm mit einer Kardanstruktur um den Fokalpunkt herum verbunden wird und der Kardanantrieb durch eine Motorisierungseinheit motorisiert wird oder aber das in FR-A-2 646 023 im Namen der Antragstellerin entwikkelte Konzept angewendet wird. Im einen wie im anderen Fall müssen die Motorisierungseinheiten eine sehr große Robustheit, eine erhöhte Winkelgenauigkeit, einen geringen Raumbedarf und ein erhebliches Antriebsmoment aufweisen.
Es gibt aber bis heute keinen Mechanismus, der diese Qualitäten gemeinsam aufweist und dazu in der Lage ist, eine sehr träge Last (typischerweise in einer Größenordnung von 200 kg m²) mit einer ausreichenden Eigenfrequenz anzutreiben.
Diese Schwierigkeiten ergeben sich auch in anderen Anwendungsbereichen, wie der Ausrichtung eines Teleskops oder der Motorisierung von Roboterarmen.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Vorrichtung zum Lagern und Antreiben vorzuschlagen, die diesen unterschiedlichen Anforderungen entspricht und die nicht nur in den Anwendungsbereichen verwendet werden kann die genannt wurden, sondern auch auf all den Gebieten, auf denen sich die vorgenannten Qualitäten als vorteilhaft erweisen.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zum Lagern und Drehlagern einer Nutzlast gegenüber einer Struktur vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt:
- einen ersten, mit der Nutzlast verbundenen Verbindungskranz;
- einen zweiten, mit der Struktur verbundenen Verbindungskranz;
- ein Paar ringförmiger Wälzlager zur Drehführung des ersten Verbindungskranzes gegenüber dem zweiten Verbindungskranz;
- einen ringförmigen Motor, dessen Stator an einem der beiden Verbindungskränze befestigt ist und dessen Rotor den anderen Verbindungskranz über ein Untersetzunggetriebe drehantreibt; und
- ein Untersetzungsgetriebe in Form eines Differentialumlaufgetriebes, das innerhalb des Paares von ringförmigen Wälzlagern angeordnet ist.
Gemäß weiterer kennzeichnender Aspekte der Erfindung:
- der Rotor des Motors mit dem Satellitenträger des Untersetzungsgetriebes verbunden ist, der die beiden inneren Räder des Untersetzungsgetriebes trägt und drehantreibt, von denen jedes jeweils mit einem der beiden äußeren Räder des Untersetzungsgetriebes in Eingriff steht, von denen jedes jeweils mit dem ersten und dem zweiten Verbindungskranz drehverbunden ist;
- die inneren und die äußeren Räder sowie der Satellitenträger des Untersetzungsgetriebes in dem radial und axial von den inneren Ringen der beiden ringförmigen Wälzlager begrenzten, zentralen Innenraum angeordnet sind;
- der ringförmige Antriebsmotor außerhalb des genannten Raumes angeordnet und gegenüber dem Untersetzungsgetriebe axial versetzt ist;
- der Satellitenträger eine im wesentlichen ringförmige Grundform aufweist, um in der Mitte der Vorrichtung einen freien zentralen Durchlaß um die Drehachse der Vorrichtung auszusparen;
- das Paar ringförmiger Wälzlager von zwei Wälzlagern miteinander gegenüber in Form eines "O" angebrachten, konischen Rollen gebildet ist;
- sie in einem Raumfahrzeug, wie eine Rakete, einem Satelliten, einer Raumstation oder einer Raumfähre eingebaut ist;
- sie zur Ausrichtung einer einen Satz Sensoren umfassenden Vorrichtung, wie z. B. eines Teleskops, benutzt wird;
- sie zum Drehantrieb eines Bauteils eines Roboters oder eines Automaten verwendet wird.
Weitere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung eröffnen sich beim Lesen der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung, die, nicht auf den Bedeutungsinhalt beschränkt, auf welchen durch die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist, beispielhaft wiedergegeben wird; es zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Ausrichten einer Satellitenantenne, die eine oder mehrere entsprechend der Ausführungsformen der Erfindung verwirklichte Vorrichtungen zum Lagern und Drehantrieb umfaßt;
- Fig. 2 eine Ansicht im Axialschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Lagern und Drehantrieb gemäß der Erfindung; und
- Fig. 3 eine schematische Darstellung, die das Funktionsprinzip des in der Vorrichtung zum Lagern und Drehantrieb integrierten untersetzten Differentialumlaufgetriebes darstellt.
In Fig. 1 wird eine Vorrichtung zur Ausrichtung einer Antenne der in der vorgenannten FR-A-2 646 023 beschriebenen und wiedergegebenen Art dargestellt, auf die sich in günstiger Weise bezogen werden kann, um die Einzelheiten einer Struktur und der Funktionsweise zu verstehen.
Man erkennt dort im wesentlichen einen Antennenreflektor 10, der gegenüber der Struktur 12 eines Raumschiffs oder eines Satelliten mit Hilfe von zwei Gelenkarmen 14 und 16, die selbst miteinander gelenkig verbunden sind, beweglich angebracht ist. Die drei Gelenkverbindungen werden jeweils mittels einer Vorrichtung zum Lagern und Drehantrieb 18 gesichert und motorisiert.
Jede dieser Vorrichtungen zum Lagern und Antreiben, auch "Drehantriebstisch" genannt, kann in Übereinstimmung mit der Lehre der Erfindung verwirklicht werden.
Auf Fig. 2 Bezug nehmend erkennt man eine Vorrichtung 18 für einen Drehantrieb eines an einem ersten Verbindungskranz 20 befestigten ersten Bauteils (nicht dargestellt) gegenüber einem an einem zweiten Verbindungskranz 22 befestigten zweiten Bauteil (nicht dargestellt) um eine Drehachse X-X.
Der erste Kranz 20 ist z. B. mit einer Nutzlast verbunden, die gegenüber der Struktur eines Satelliten, mit welcher der zweite Verbindungskranz 22 verbunden ist, in Drehung versetzt werden soll. Diese Verbindungen sind z. B. durch zwei Reihen von Schrauben 24 bzw. 26 gesichert, die über den Umfang der Kränze 20 und 22 verteilt sind.
Der erste Kranz 20 umfaßt eine ringförmige Platte 30, die sich über einen zylindrischen Außenring 32 axial in Richtung des zweiten Verbindungskranzes 22 ausdehnt.
In gleicher Weise umfaßt der zweite Kranz 22 eine ringförmige Platte 34, die sich durch einen zylindrischen Innenring 36 axial ausdehnt.
Die zwei Ringe 32 und 36 sind koaxial zu der gemeinsamen Achse X-X und dienen zur Drehführung des ersten Kranzes 20 gegenüber dem zweiten Kranz 22.
Zu diesem Zweck umfaßt die Vorrichtung 18 ein Paar Wälzlager mit in O- Form (back-to-back), das heißt, einander gegenüber angebrachten konischen Rollen 38 und 40, wobei die durch die Aktionsgeraden der Rollenelemente, rechtwinklig zu den Kontaktflächen, gebildeten Scheitel entgegengesetzt zueinander gedreht werden.
Die Außenringe der zwei Rollen 38 und 40 sind in der zylindrischen Ringhülse 32 mit Hilfe einer Spannplatte 42 und mit Einfügung eines Zwischenstegs 44 unter Spannung angebracht. Die Platte 42 wird mittels einer in einem radial nach außen stehenden Fortsatz 48 der Ringhülse 32 eingedrehten Schraube 46 eingespannt.
In einer symmetrischen Weise werden die Innenringe der Rollen mit Hilfe einer Spannplatte 50, eines Zwischenstegs 52 und einer in einem radial nach innen stehenden Fortsatz 56 der inneren Ringhülse 36 unter Spannung angebracht.
Der Zusammenbau der Lager verleiht der Konstruktion eine sehr große Biegesteifigkeit.
Dank ihrer Geometrie verringert die Verhaltensweise der konischen Wälzlager die Reibung im Vergleich zu Kugellagern gleichen Umfangs und gleicher axialer Vorlasten.
Die Montage und Spannung der Ringe erlaubt, die axiale Vorlast der Rollen sehr genau zu regeln.
Für die Anwendungsformen, bei denen die Verunreinigung kritisch ist, ist eine sogenannte "trockene" Schmierung der Lager vorgesehen, z. B. mittels einer bekannten Zusammensetzung auf Basis eines Molybdändisulfids. Für die weiteren Anwendungsformen ist eine sogenannte "feuchte" Schmierung möglich.
Der Drehantrieb des ersten Kranzes 20 gegenüber dem zweiten Kranz wird mittels eines ringförmigen Elektromotors 58 besorgt.
Der Motor 58 umfaßt einen ringförmigen, zylindrischen Stator 60 und einen ringförmigen, zylindrischen Rotor 62, die zu einer gemeinsamen Achse X-X koaxial angeordnet sind.
Der Stator 60 ist an einem Trägerteil 64 befestigt. Der Träger 64 ist ein Rotationsteil, das einen ringförmigen Plattenabschnitt 66 umfaßt, der sich axial zu einem zylindrischen Bereich 68 erstreckt.
Der Stator 60 ist axial gegen eine Innenfläche der Platte 66 mittels einer Schulter 70 einer ringförmigen Schutzplatte 72 und durch Befestigungsschrauben 74 vorgespannt.
Der axiale Endabschnitt 76 des zylindrischen Bereichs 68 wird durch Schrauben 78 an dem axialen Endabschnitt 80 eines Zylinderbereichs 82 befestigt, der den radial nach innen stehenden ringförmigen Plattenabschnitt 84 des zweiten Verbindungsteils 22 verlängert.
Der Stator 60 ist genauso mit dem zweiten Verbindungskranz 22 fixiert und drehverbunden. Er ist dem zweiten Verbindungskranz 22 axial gegenüberliegend angeordnet und erstreckt sich axial über die radiale Ebene hinaus, in welcher sich die Platte 50 des ersten Verbindungskranzes 18 erstreckt.
Der Rotor 62 ist mit Hilfe von Schrauben 86 befestigt, die in einer radial nach innen stehenden Schulter 88 aufgenommen sind, die am axialen Ende eines Fortsatzes 90 des Satellitenträgers eines Untersetzungsgetriebes ausgebildet ist, dessen Struktur noch weiter beschrieben wird.
Bei dieser Gelegenheit sei angemerkt, daß, obwohl in der dargestellten Ausführungsform der ringförmige Antriebsmotor 58 gegenüber dem Untersetzungsgetriebe axial abgestuft ist, dieses Merkmal nicht notwendig ist und tatsächlich von Gestaltungszwängen abhängt, insbesondere dem maximal zugestandenen Umfang des Tisches. Daher könnte im Falle eines Tisches mit großem Durchmesser der Motor im Inneren des Untersetzungsgetriebes, in der Tiefe des Tisches, untergebracht werden, was zulassen würde, die gesamte Anordnung der Vorrichtung zu vereinfachen.
Der Motor 58 ist ein ringförmiger Schrittmotor. Die Schrittsteuerung kann durch Mikroschritte erfolgen, einerseits, um die Winkelgenauigkeit der Vorrichtung zu vergrößern, und andererseits, um die Stärke der eigenen Beschleunigungsspitzen beim Betrieb der Schrittmotoren zu reduzieren.
Der Motor ist z. B. das Modell 53PP, das durch die Gesellschaft SAGEM auf den Markt gebracht wird und 1200 Schritte pro Umdrehung aufweist.
Der Drehzahlminderer ist ein untersetzendes Differentialumlaufgetriebe, dessen Gestaltungsprinzip in der Figur 3 schematisch dargestellt ist.
Das Differential D wird aus einem Satellitenträger oder Exzenter P gebildet, der gegenüber einer festen Auflage F um seine Achse X-X drehend angebracht ist.
Der Satellitenträger P trägt zwei innere Zahnräder B und C, die durch den Satellitenträger gegenüber der Achse X-X folglich exzentrisch in Drehung versetzt werden. Die Räder B und C sind miteinander verbunden. Sie sind auf dem Satellitenträger P um ihre Achse drehend angebracht.
Das erste Innenrad B kämmt mit einem um die Achse X-X des Reduktionsgetriebes drehend angebrachten ersten Außenrad A.
Das zweite Innenrad C kämmt mit einem zweiten Außenrad D der Achse X-X, das aber gegenüber der Auflage F drehfest ist.
Falls ZA, ZB, ZC und ZD als die Anzahl der Zähne der Räder A, B, C und D bezeichnet werden und unter Berücksichtigung der dargestellten Ausführungsform, in welcher die Drehzahl ΩD des Außenrades D Null ist, dann ist die Beziehung zwischen den Drehzahlen ΩP des Satellitenträgers und ΩA des ersten Außenrades A wie folgt:
Um keine geometrischen Störungen zwischen den Zähnen der Räder zu haben, wählt man:
ZD-ZC ≥ Nmin, und
ZA-ZB ≥ Nmin.
Für eine normale Zahnung (Eingriffswinkel von 20º) und für eine obere Zahnzahl von 100, erhält man Nmin = 8.
Die Exzentrizität e des Satellitenträgers ist gegeben durch die Gleichungen:
e=(ZD-ZC) × Zä hnezahl RadD/2, und
e=(ZA-ZB) × Zä hnezahl RadA/2.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf Figur 2, in welcher die Bauteile des Differentials D durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet werden, stellt man fest, daß der Aufbau des Differentials im Inneren des zylindrischen Raumes angeordnet ist, der radial durch die innere Ringhülse 36 und axial durch die Höhe bzw. axiale Tiefe der axialen Anordnung der zwei Wälzlager mit den konischen Rollen 38 und 40 begrenzt ist.
Das Differential D ist somit im Sinne der Erfindung "im Inneren" der Wälzlager 38 und 40 angeordnet.
Dieser sehr verringerte Raumbedarf wird Dank des Zusammenbaus erhalten, der nun beschrieben wird.
Der zentrale Körper 91 des Satellitenträgers P ist auf dem zylindrischen Fortsatz 82 der zweiten Verbindungsplatte 22 mit Hilfe von zwei Kugellagern mit geneigten Bahnen 92 und 94 drehend angebracht. Die Laufringe 92 und 94 sind durch die Spannplatten 96 und 98, die durch die Schrauben 100 und 102 aufgespannt sind, axial festgelegt.
Die zwei Innenräder B und C sind auf dem zentralen Körper 91 des Satellitenträgers durch ein Paar Kugellager mit geneigten Bahnen 104 und 106 drehend angebracht, die eine Ringfassung 108 tragen, welche die Räder B und C aufnimmt.
Die Kugellage 104 und 106 sind durch die Platten 110 und 112 eingespannt, und die Räder B und C sind durch eine Platte 114 axial eingespannt. Schrauben 116 und 118 dienen zur Einspannung.
Das erste Außenrad A ist an dem ersten Verbindungskranz 18 befestigt, der zu diesem Zweck eine zweite zylindrische
Ringhülse 120 aufweist, auf welcher das Rad A mit Hilfe einer Schraube 122 aufgeschraubt ist.
Das zweite Außenrad D ist auf einer radial nach innen stehenden Schulter 124 der Ringhülse 36 mit Hilfe einer Schraube 126 befestigt.
Der Aufbau des Reduktionsgetriebes ist somit im Inneren der Wälzlager 38 und 40 untergebracht, und eine zylindrische Lücke oder Öffnung 128 wird im Zentrum der Vorrichtung 18 freigelassen, wobei dieses zentrale Loch mit der Achse X-X koaxial ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, der in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, sind Mittel zum Messen des Drehwinkels vorgesehen.
Eine solche Messung ist dazu notwendig, die Bezugsposition zu überprüfen und einzustellen, die Linearität der Drehbewegung und das Nichtvorhandensein von Schrittsprüngen zu überprüfen sowie eine durch den Schrittzähler des Motors 58 gelieferte, ergänzende und weitergehende Information über diese zu ehalten.
Es wird vorgeschlagen, paarweise aneinandergekoppelte Abstandsmelder zu verwenden, das heißt, zwei mit einem Motor verbundene Paare und zwei mit den Verbindungskränzen verbundene Paare.
Es ist ebenfalls möglich, optische oder elektromagnetische Lagesensoren mit niedriger Auflösung (0,1º) zu verwenden.
Es ist ebenfalls wünschenswert, den Antriebstisch mit thermischen Meßfühlern auszustatten, um die unterschiedlichen Temperaturen und die thermischen Gradienten während der Anlaufphasen zu messen.
Die wesentlichen Dimensionsmerkmale der Vorrichtung der Erfindung sind z. B. ein Außendurchmesser von 300 mm und eine axiale Höhe von 45 mm über Motor.
Der Tisch ist sehr robust und kann Nutzlasten antreiben, deren Trägheit höher als 200 kg m² ist, ohne einen weiteren Befestigungspunkt zu benötigen.
Die Winkelgenauigkeit ist besser als 0,001º und das Übertragungsmoment ist höher als 100 Nm.

Claims

1. Vorrichtung (18) zum Lagern, Lagerantrieb und Drehantrieb einer Nutzlast gegenüber einer Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

- einen ersten, mit der Nutzlast verbundenen Verbindungskranz (20);

- einen zweiten, mit der Struktur verbundenen Verbindungskranz (22);

- ein Paar ringförmiger Wälzlager (38, 40) zur Drehführung des ersten Verbindungskranzes (20) gegenüber dem zweiten Verbindungskranz (22);

- einen ringförmiger Motor (58), dessen Stator (60) an einem der beiden Verbindungskränze (22) befestigt ist und dessen Rotor (62) den anderen Verbindungskranz (20) über ein Untersetzungsgetriebe drehantreibt; und

- ein Untersetzungsgetriebe in Form eines Differentialumlaufgetriebes (D), das innerhalb des Paares von ringförmigen Wälzlagern (38, 40) angeordnet ist.

2. Vorrichtung zum Lagern und zum Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (62) des Motors (58) mit dem Satellitenträger (P, 91) des Untersetzungsgetriebes verbunden ist, der die beiden inneren Räder (B, C) des Untersetzungsgetriebes trägt und drehantreibt, von denen jedes jeweils mit einem der beiden äußeren Räder (A, D) des Untersetzungsgetriebes in Eingriff steht, von denen jedes jeweils mit dem ersten (20) und dem zweiten (22) Verbindungskranz drehverbunden ist.

3. Vorrichtung zum Lagern und zum Drehantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren (B, C) und die äußeren Räder (A, D) sowie der Satellitenträger (P) des Untersetzungsgetriebes in dem radial und axial von den inneren Ringen der beiden ringförmigen Wälzlager begrenzten, zentralen Innenraum angeordnet sind.

4. Vorrichtung zum Lagern und zum Drehantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Antriebsmotor (58) außerhalb des genannten Raumes angeordnet und gegenüber dem Untersetzungsgetriebe axial versetzt ist.

5. Vorrichtung zum Lagern und zum Drehantrieb nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Satellitenträger eine im wesentlichen ringförmige Grundform aufweist, um in der Mitte der Vorrichtung einen freien zentralen Durchlaß (128) um die Drehachse (X-X) der Vorrichtung (18) auszusparen.

6. Vorrichtung zum Lagern und zum Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar ringförmiger Wälzlager von zwei Wälzlagern (38, 40) mit einander gegenüber in Form eines "O" angebrachten, konischen Rollen gebildet wird.

7. Vorrichtung zum Lagern und zum Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Raumfahrzeug wie einer Rakete, einem Satelliten, einer Raumstation oder einer Raumfähre eingebaut ist.

8. Vorrichtung zum Lagern und zum Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Ausrichtung einer einen Satz Sensoren umfassenden Vorrichtung wie zum Beispiel eines Teleskops benutzt wird.

9. Vorrichtung zum Lagern und zum Drehantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Drehantrieb eines Bauteils eines Roboters oder eines Automaten verwendet wird.