一種基於圓弧導軌的三自由度氣浮模擬器末端指向裝置的製作方法

2023-04-30 14:55:47

本發明涉及一種基於圓弧導軌的三自由度氣浮模擬器末端指向裝置，屬於太空飛行器空間活動模擬領域。

背景技術：

早期衛星等太空飛行器的地面仿真試驗基本是在一個靜止的氣浮仿真試驗臺上進行，指向裝置的旋轉圍繞旋轉中心，驅動裝置在旋轉中心。但現代小衛星在太空中需要有很好的軌道穩定性和精確性，很多時候需要變軌飛行，所以對其測試就需要一個動態的多自由度氣浮仿真試驗臺以提供更多的空間自由度，包括姿態旋轉運動以及軌道平移運動。

國內對於氣浮仿真試驗系統的研究起步較晚，我國第一代三自由度衛星氣浮仿真試驗系統是20世紀60年代末由國內某研究所研製，現已退役。目前國內所用氣浮仿真試驗系統多是進口。近年來，在引進國外先進氣浮仿真試驗系統的基礎上，國內一些重點院校及研究機構對氣浮仿真試驗系統的一些性能和用途進行過研究，並用於實際的衛星仿真試驗。但是從現有資料看來，我國自主研製的高精度三自由度氣浮模擬器末端指向裝置仍然是空白。

技術實現要素：

本發明的技術解決問題：為克服現有技術的不足，提供一種基於圓弧導軌的三自由度氣浮模擬器末端指向裝置，通過採用圓弧導軌和驅動裝置偏置安裝，增強指向杆剛度同時，提高指向杆指向定位精度。

本發明的技術解決方案：

一種基於圓弧導軌的三自由度氣浮模擬器末端指向裝置，包括上層平臺、指向杆、圓弧導軌、導向滑輪、慣性導航元件、驅動裝置、旋轉軸承和定位元件，

其中，指向杆通過旋轉軸承連接在上層平臺中心位置，指向杆可繞旋轉軸承轉動，圓弧導軌、定位元件均設置在上層平臺上，在指向杆上與的圓弧導軌配合處設置有前翼板和後翼板，前翼板和後翼板上均設置有導向滑輪，慣性導航元件和驅動裝置置於後翼板上，使指向杆的重心與旋轉軸承的中心重合，

上層平臺與三自由度氣浮模擬器的下層平臺連接，圓弧導軌採用雙層結構，圓弧導軌上層為V型突起，與導向滑輪上的V型槽配合，圓弧導軌下層為齒圈結構，與驅動裝置的驅動齒輪嚙合實現對指向杆沿圓周方向的驅動；

定位元件和慣性導航元件實時檢測指向杆的位置信息和姿態信息，驅動裝置和下層平臺實時調整指向杆的位置信息和姿態信息，直至與外界控制系統預設的信息一致為止。

定位元件和慣性導航元件將實時檢測的指向杆位置信息和姿態信息實時傳遞給外界控制系統，外界控制系統將得到的信息與預設的位置信息和姿態信息進行比對運算，得出指向杆需要調整的位置和姿態數據，驅動裝置和下層平臺進行相應調整，至定位元件和慣性導航元件實時檢測的信息與外界控制系統預設的信息一致為止。

指向杆前端位姿精度小於1mm。

定位元件和慣性導航元件實時檢測頻率為40Hz。

還包括潤滑塊，其固定在前翼板和後翼板上，與圓弧導軌的V型突起配合潤滑。

指向杆伸出圓弧導軌的部分至少為圓弧導軌半徑的1.5倍。

圓弧導軌的外齒圈嚙合的回差精度小於1mm。

指向杆的轉動慣量不大於5kg·m2。

本發明與現有技術相比具有如下有益效果：

(1)本發明採用齒輪圓弧導軌安裝指向杆，對驅動裝置偏置安裝，使驅動關節不在指向杆的轉動中心上而在轉動周向上，在保證指向杆前端指向精度的同時，降低驅動裝置控制精度，使得相同精度的驅動系統反饋到指向杆前端的精度提高30％～50％，同時指向杆的剛度也相應的提高了30％～50％；

(2)本發明通過對驅動裝置等的位置設置，確保指向杆的重心必須嚴格位於轉動中心上，實現指向裝置質心與旋轉中心重合，便於整個系統動力學控制，實現整個裝置的靜態平衡，使指向杆的轉動慣量最小化；

(3)本發明採用V型凸起結合齒輪傳動，圓弧導軌採用雙層結構實現單向傳動高精度定位。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖；

圖2為本發明圓弧導軌結構示意圖；

圖3為本發明的幾何抽象模型。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細的描述。

一種基於圓弧導軌的三自由度氣浮模擬器末端指向裝置，如圖1所示，包括上層平臺、指向杆1、圓弧導軌2、導向滑輪4、慣性導航元件5、驅動裝置6、旋轉軸承7和定位元件8，

其中，指向杆1通過旋轉軸承7連接在上層平臺中心位置，指向杆1可繞旋轉軸承7轉動，指向杆1的轉動慣量不大於5kg·m2。指向杆1伸出圓弧導軌2的部分至少為圓弧導軌2半徑的1.5倍，指向杆1前端位姿精度小於1mm，圓弧導軌2、定位元件8均設置在上層平臺上，在指向杆1上與的圓弧導軌2配合處設置有前翼板和後翼板，前翼板和後翼板上均設置有導向滑輪4，慣性導航元件5和驅動裝置6置於後翼板上，使指向杆1的重心與旋轉軸承7的中心重合，還包括潤滑塊3，其固定在前翼板和後翼板上，與圓弧導軌2的V型突起配合潤滑。

上層平臺與三自由度氣浮模擬器的下層平臺連接，圓弧導軌2採用雙層結構，如圖2所示，圓弧導軌2上層為V型突起，與導向滑輪4上的V型槽配合，圓弧導軌2下層為齒圈結構，與驅動裝置6的驅動齒輪嚙合實現對指向杆1沿圓周方向的驅動，圓弧導軌2的外齒圈嚙合的回差小於1mm。

定位元件8和慣性導航元件5實時檢測指向杆1的位置信息和姿態信息，實時檢測頻率為40Hz，定位元件8和慣性導航元件5將實時檢測的指向杆1位置信息和姿態信息實時傳遞給外界控制系統，外界控制系統將得到的信息與預設的位置信息和姿態信息進行比對運算，得出指向杆1需要調整的位置和姿態數據，驅動裝置6和下層平臺進行相應調整，至定位元件8和慣性導航元件5實時檢測的信息與外界控制系統預設的信息一致為止。

如圖3所示，圖中圓形為圓弧導軌示意，導軌直徑所在直線為指向杆示意。指向杆1在驅動裝置6驅動下沿著圓弧導軌2轉動。指向杆1長度為L＝1200mm，圓弧導軌外齒圈分度圓直徑為φ＝875mm。根據產品性能參數，圓弧導軌的外齒圈嚙合的回差精度為Δ1＝0.1mm，假設指向杆的各個方向的剛度都可以保證，作為剛體，指向杆的前端指向的定位精度和圓弧導軌的定位精度滿足如下關係：

因此，計算得指向杆的前端理論定位精度Δ2＝0.274mm，應用中，為安全起見，選取2.5倍容差係數，確定最終指向杆的前端端精度Δ＝0.685mm，使得相同精度的驅動系統反饋到指向杆前端的精度提高30％～50％。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。