高帶寬天線伺服控制穩定平臺的製作方法
2023-05-08 00:43:11
本發明涉及一種利用慣性器件測量平臺的運動並進行穩定控制，廣泛用於雷達雷達等航天領域的同口徑天線高帶寬天線伺服控制穩定平臺結構。
背景技術：
穩定平臺是慣性穩定中的常見裝置，在主要用於感知天線狀態並反饋系統相關信息。穩定平臺一般由驅動電機、傳動結構部件和執行機構等幾個部分組成。根據使用的環境不同以及使用條件不同選擇合適的方案開展設計。控制帶寬是穩定平臺慣性控制系統的一個重要指標。為了使得天線在運動過程中完成對目標的掃描和跟蹤，必須採用伺服穩定平臺。根據載體姿態信息，通過轉臺控制天線運動。通常穩定平臺的結構形式有陀螺框架直接驅動、齒輪驅動、弓形齒弧驅動、連杆驅動，慣性平臺的穩定以陀螺為關鍵器件，兩軸天線伺服控制穩定平臺在不同方位轉角情況下，天線穩定平臺分別採用單自由度陀螺和測速發電機構成速率閉環反饋，由於機械結構、傳感器帶寬等條件的限制，很難提高閉環帶寬。而速率反饋穩定的能力同速率控制帶寬密切相關。在機械結構對帶寬的影響中機械諧振頻率，特別是扭振頻率影響最為明顯，因此傳統的齒輪傳動式穩定平臺在此方面有先天不足。隨著設備的功能和作用距離增加，設備的安裝空間與作為穩定平臺負載的天線的口面尺寸矛盾變得越來越明顯，穩定平臺的運動包絡必須儘量縮小，從而做到天線與載體達到「同口徑」的目的。以此為前提，直接驅動方式和普通的齒輪驅動方式均難以滿足要求。
在本領域中，穩定平臺實施方式多種多樣，直接驅動、齒輪驅動、弓性齒弧驅動、及連杆驅動均有見報導，但是同口徑穩定平臺相關報導鮮有。
目前與連杆相關的穩定平臺或伺服轉臺相關的文獻有：
在已知的本領域實施方式中，中國專利申請104990458a公開了一種拉杆式紅外成像導引頭位標器，包括支座、立板、內框架、光學組件、外驅動系統、內驅動系統。單該位標器為一維推拉杆（連杆）傳動，運動包絡大，不能滿足平板裂縫陣天線同口徑設計要求。
在已知的本領域實施方式中，中國專利申請201610173314.0公開了一種新型並聯艦載雷達天線穩定平臺，包括天線、動平臺、機座，連接動平臺、機座的三條運動支鏈，每條運動支鏈均由下連杆、中連杆和上連杆組成，天線與動平臺固連。但該穩定平臺體積大，縱深長，其結構形式並不適合彈上安裝。
在已知的本領域實施方式中，中國專利申請201520632751.5公開了一種小口徑穩定平臺，這種穩定平臺包括一維連杆機構和一維直接驅動機構，該產品雖然較小，但是由於一個維度採用的直接驅動，導致口面可用面積縮小，不能滿足雷達穩定平臺同口徑的要求。
在已知的本領域實施方式中，中國專利申請201010200590.4公開了一種高精度二自由度穩定平臺，包括上層平臺、中層平臺、下層平臺、曲柄、曲柄軸、曲柄連接件、中層大軸等部件，該平臺作為測試設備用，體積大。
技術實現要素：
本發明目的是在上述現有技術不足之處，提供一種結構緊湊、傳動剛度高、摩擦阻力小、可實現同口徑天線掃描跟蹤的高帶寬天線伺服控制穩定平臺。
本發明上述目的可以通過以下方式來實現：一種高帶寬天線伺服控制穩定平臺，包括：置於方位驅動框架2四角頂點位置的推拉連杆組件7，安裝在方位驅動框架2的陀螺組件5，方位驅動電機10和俯仰驅動電機9，其特徵在於：兩根推拉連杆組件7對稱陀螺組件5，連接在框架上，帶有方位旋轉變壓器12的方位驅動電機10固聯在下部框架的內側兩端，帶有俯仰旋轉變壓器11的俯仰驅動電機9通過固聯兩側方位驅動電機10的俯仰驅動框架6，固聯在兩側方位驅動電機10的中部，方位驅動電機10的上方固聯有十字鉸鏈8，方位驅動框架2的底座4置於俯仰驅動框架6內部，並反置於俯仰驅動框架6外部，推拉連杆組件7將方位驅動框架2、俯仰驅動框架6連接天饋負載上框架1，形成雙框架四推拉杆的平行四邊形機構，推拉連杆組件7通過球頭15上自帶的螺紋調節推拉連杆組件7的長度，驅動天饋負載上框1方位、俯仰兩個自由度的運動，將運動能傳遞給上負載框架1，實現驅動框架對負載框架的傳動。推拉連杆組件7上下連接天饋負載上框架1和方位驅動框架2及其底座4，
本發明相比於現有技術具有如下有益效果：
結構緊湊、傳動剛度高。本發明利用平行四邊形的機構原理，兩軸穩定平臺在不同方位轉角情況下，設計兩個十字正交的運動框架，靠近天饋部分的十字框架僅承擔天饋的承載作用，通過遠離天饋部分的十字框架上安裝電機、測角測速元件，完成驅動和反饋的作用，雙框架四推拉連杆機構將轉軸直徑做小並靠近天線面，從而實現運動包絡最小；上下框架通過四連杆連接，四連杆之間通過加工及精裝配調節保證等高。天饋負載上框架1能夠儘可能有完整和足夠的空間安裝天饋的收發組件，將所述驅動框架的底座4置於俯仰驅動框架6內部而方位驅動框架2反置於俯仰驅動框架6外部，從而增大方位驅動框架2的面積，實現置於方位驅動框架2四角頂點位置的推拉連杆組件7間距拉大。天饋負載上框架1利用天饋本體，採用結構功能一體化設計，最大程度為穩定平臺負載減重，同時利用十字鉸鏈8與底座4頂部結構件固連，最後採用推拉連杆組件7將方位驅動框架2、俯仰驅動框架6與天饋負載上框架1連接形成平行四邊形機構，由於推拉連杆組件7通過球頭15上自帶的螺紋可以調節推拉連杆組件7的長度，從而可實現平行四邊形中軸線裝配誤差與推拉連杆組件7等高且誤差可調，進一步使得穩定平臺下部框架的運動能高精度傳遞給上負載框架1，實現高精度的傳動；
摩擦阻力小。本發明採用雙框架四推拉杆機構穩定平臺，利用平行四邊形的機構原理將驅動框架與負載框架分開，實現了穩定平臺同口徑、高剛度、高精度的目的。其中，採用的四推拉連杆組件7穩定置於天饋負載上框45°對角線位置，從而使得推拉連杆組件7可以同時驅動天饋負載上框1方位、俯仰兩個自由度的運動，將四推拉連杆組件7通過調節使其可以在鉸鏈座內部順暢滑動後，使得四推拉連杆組件7之間誤差抵消，提高了傳動精度，同時還提高了傳動剛度，提高了抗振能力。在推拉連杆組件7下部，設計4處鎢基合金的活動配重結構3，從而實現穩定平臺配重。綜合上訴設計，實現了該穩定平臺的高裝配密度，高剛度，小摩擦以及其本身功能。在有限的空間體積內實現了同口徑天線±20°的框架角掃描，跟蹤以及平臺的穩定。天饋負載上框架1採用了結構功能一體化設計方案。由於將真正的被驅動負載—天饋負載上框架1，與驅動部分方位驅動框架2和俯仰驅動框架6徹底分開，因此天饋負載上框架1的質量小，剛度好，完全可以即作為用於轉動的結構件又可作為天線的結構功能件，從而實現產品的小型化，輕量化設計。在四個推拉連杆組件7機構的下方安裝了4個鎢基合金的活動配重裝置3，配重裝置安裝在球頭鉸鏈下蓋16上，此零件下部攻有螺紋，使得配重裝置3可以通過螺紋進行上下調節，最終實現配重後通過螺釘並緊實現鎖緊。從而實現了穩定平臺方位俯仰兩個方向上的動態平衡調節，使得穩定平臺調平衡過程直觀而快速，增加了調平效率。
可以按照最大口徑設計。本發明下方位驅動框架2和俯仰驅動框架6在傳統的陀螺十字框架基礎上，將框架的內外框調轉反置，將環狀框架的內部空間用於放置較為細長且靜止不動的底座4。從而採用本發明的結構形式的天饋負載上框1外圈在外部，不受限制，可以按照最大口徑設計。上述負載框架1中上採用了小型十字鉸鏈8的結構，使得如圖4轉軸中心距離天線面僅為23mm,從而使得在負載框架1（天線）口面直徑為ø160的情況下，天饋負載上框架1天線的運動包絡僅為ø165mm，從而實現了天線的同口徑設計。
本發明中整個穩定平臺的體積僅為ø160×119，在目前的文獻中並未有在此體積下實現同口徑且框架角±20°的產品報導。
附圖說明
圖1是本發明一種高帶寬機推拉杆掃穩定平臺結構的正三軸測圖。
圖2是圖1的剖視圖。
圖3是圖1去負載框架1後的正三軸測圖。
圖4是圖3俯視剖面圖。
圖5是圖1推拉連杆部位局部剖視圖。
圖6圖1的運動關係示意圖。
圖中：1天饋負載上框架，2方位驅動框架，3活動配重裝置，4底座，5陀螺組件，6俯仰驅動框架，7推拉連杆組件，8十字鉸鏈，9俯仰電機，10方位電機，11俯仰旋轉變壓器，12方位旋轉變壓器，13推拉杆（連杆），14球頭鉸鏈上蓋，15球頭，16球頭鉸鏈下蓋，17球頭鉸鏈下蓋螺釘，左俯仰主軸18，右俯仰主軸19，左方位主軸20，右方位主軸21。
具體實施方式
參閱圖1-圖4。在以下描述的實施例中，一種高帶寬機推拉杆穩定平臺，包括：置於方位驅動框架2四角頂點位置的推拉連杆組件7，通過推拉連杆組件7上下連接天饋負載上框架1和方位驅動框架2及其底座4，安裝在方位驅動框架2的陀螺組件5，方位驅動電機10和俯仰驅動電機9。其中，兩根推拉連杆組件7對稱陀螺組件5，連接在弓形框架上，帶有方位旋轉變壓器12的方位驅動電機10固聯在下部弓形框架的內側兩端，帶有俯仰旋轉變壓器11的俯仰驅動電機9通過固聯兩側方位驅動電機10的俯仰驅動框架6，固聯在兩側方位驅動電機10的中部，方位驅動電機10的上方固聯有十字鉸鏈8，方位驅動框架2的底座4置於俯仰驅動框架6內部，並反置於俯仰驅動框架6外部，推拉連杆組件7將方位驅動框架2、俯仰驅動框架6連接天饋負載上框架1形成雙框架四推拉杆的平行四邊形機構，推拉連杆組件7通過球頭15上自帶的螺紋調節推拉連杆組件7的長度，驅動天饋負載上框1方位、俯仰兩個自由度的運動，將運動能傳遞給上負載框架1，實現傳動。
在俯仰驅動框架6的中心軸系安裝孔內裝有方位電機10和方位旋轉變壓器12，標準深溝球軸承套入方位驅動框架2，再從方位驅動框架2兩端安裝孔處裝入左方位主軸20及右右主軸21從而形成實現方位電機10通過鍵驅動方位驅動框架2的方位機構的完整軸系。此時在方位驅動框架2上的方位電機10以及左方位主軸20、右右主軸21中間隙和軸肩處墊入調整墊片，同時底座4上部的十字鉸鏈8與軸承接觸處也墊入適量墊片，調節此兩處的墊片，使之安裝中心處於一平面，誤差不超過±0.05。
在三坐標測量儀上測量出上負載框架1轉十字鉸鏈8的迴轉軸中心與底座4上轉軸中心中心距並記錄數據。根據上述測量數據，通過調節推拉連杆13和球頭15上配對的螺紋從而調節推拉連杆組件7的長度，使之負載框架1轉十字鉸鏈8的迴轉軸中心與底座4上轉軸中心中心距匹配，在調節過程中在推拉連杆13和球頭15加入調整墊片，使推拉連杆13和球頭15安裝時無間隙。球頭在裝入球頭鉸鏈上蓋13和球頭鉸鏈下蓋16後調整球頭鉸鏈上蓋13和球頭鉸鏈下蓋16的間隙使球頭鉸鏈上蓋13和球頭鉸鏈下蓋16以及球頭15之間可順利滑動無卡滯且無間隙。
參閱圖5。推拉杆13與球頭15通過螺紋連接，通過此螺紋可以實現推拉杆整體長度的調節，從而與底座4和其他推拉杆長度匹配達到四推拉杆協調工作的目的。推拉杆13與球頭15之間使用調整墊片以填補13與15調整後形成的間隙。球頭鉸鏈上蓋14和球頭鉸鏈下蓋16形成與球頭15形成完整的球頭軸承鉸鏈球頭軸承瓦，使球頭鉸鏈上蓋14，球頭鉸鏈下蓋16和球頭15之間形成線接觸。在球頭鉸鏈上蓋14，球頭鉸鏈下蓋16之間通過墊片調整間隙，以滿足上述要求。
在底座4的中心軸系安裝孔內安裝有通過深溝球軸承支撐主軸的俯仰電機9，俯仰電機9主軸套入在俯仰驅動框架6上，俯仰驅動框架6兩端制有裝配左俯仰主軸18、俯仰旋轉變壓器11，以及右俯仰主軸19的安裝孔，從而形成實現俯仰電機9通過鍵驅動俯仰驅動框架6的俯仰機構的完整軸系。在底座上部裝配有通過支撐軸承裝配的十字鉸鏈8，從而形成上負載框架1的支撐結構；此時在俯仰驅動框架6上的俯仰電機9以及左俯仰主軸18、右俯仰主軸19中間隙和軸肩處墊入調整墊片，同時底座4上部的十字鉸鏈8與軸承接觸處也墊入適量墊片，調節此兩處的墊片，使之安裝中心處於一平面，誤差不超過±0.05，此精度可用三坐標測量儀測量，墊入墊片時若墊片厚度差異較大，則需要用砂紙將墊片研細。
在實際應用時，將底座4安裝於安裝平臺之上，方位電機10和俯仰電機9驅動方位驅動框架2和俯仰框架6實現穩定平臺的掃描和跟蹤功能，同時方位驅動框架2和俯仰框架6通過推拉連杆組件7將運動複製到天饋負載上框架1，從而實現天線面的同步運動。由於十字鉸鏈8和天饋負載上框架1距離僅為23mm因此實現了在天線面為ø160mm的情況下，運動包絡僅為sø165，實現了同口徑傳動；四推拉杆的協調傳動實現了天線面的高精度傳動和高剛度傳動。
參閱圖6。穩定平臺分為了上框架和下框架，分別都為十字軸萬向結構。下框架為較為典型的陀螺框架結構，但是將通常的陀螺框架結構進行了倒置設計，即不動的支撐框架位於運動機構內部，而活動部分位於外部，這樣便可以通過內部框架支撐上框架的十字鉸鏈，使結構緊湊利於小型化。下框架的方位和俯仰電機分別驅動下框架的方位和俯仰轉軸使下框架產生二維的運動，此二維運動通過四周的四個推拉杆傳遞給上框架，又由於上框架中心採用了十字鉸鏈，因此下框架的方位俯仰運動在上框架上不會形成耦合運動，上框架會完全複製下框架的運動，從而實現下框架和上框架的同步運動，從而實現了同口徑要求下的直接驅動要求，提高了穩定平臺的扭振頻率、伺服帶寬。