CN103488193B - 一种星载高精度指向跟踪机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种星载高精度指向跟踪机构，包括方位运动机构和俯仰运动机构；方位运动机构包括箱体、方位轴电机、方位轴减速器、过渡轴、回转平台和方位轴编码器；俯仰运动机构包括双耳支架、俯仰轴电机、俯仰轴减速器、俯仰平台、平台托架、俯仰输出轴和俯仰轴编码器。本发明具有指向范围更大，能达到准半球空间指向目标；高度方向尺度较小，使得在二维指向跟踪机构整体的运动包络随之收缩，不易遮挡同一平面上的其他指向性载荷；各个运动机构输出角度精度较高。

Description

一种星载高精度指向跟踪机构

技术领域

本发明涉及一种星载高精度指向跟踪机构，属于航空航天技术领域。

背景技术

随着航天器应用领域规模日益庞大以及激光技术、光电子技术和计算机技术的发展，演化出多种多样的通信设备、遥感设备、光测设备、激光武器设备等光电***和产品。这些设备在应用中，需要通过激光、红外、天线、光度计、辐射计及光谱仪等诸多载荷实现对目标的捕获、跟踪、瞄准、测角测距及辐射特性测量等功能。这些载荷的有效集成需要一种公共的装调承载平台，这就是指向跟踪***。

指向跟踪机构按指向自由度分为二维、三维以及多维，二维指向跟踪机构较为常用，而从使用形式来看，二维指向跟踪机构一般是由两个电机轴向相互垂直布置，按这两个电机的布置形式，二维指向跟踪机构可分为方位/俯仰、俯仰/偏航两种机构形式。通过控制这两个电机的转动，实现载荷绕转动轴的多自由度运动对目标物体进行捕获；通过控制两电机的转速实现对目标物体的实时跟踪；通过高精度的编码器反馈，实现空间位置精确指向的功能。根据需求可以增加装配展开支撑臂，使机构能够获得更大的捕获空间，以便载荷捕获指定区域的信号，大大提高探测器的捕获工作性能，同时，机构提供载荷的结构支撑，增强探测器工作的可靠性。

根据载荷几何特点、平台几何特点以及平台在该安装面的其余指向性载荷的分布方式制定二维指向机构的结构形式。本发明内容根据上述要求，选择方位/俯仰机构形式进行设计。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种能够适应在微低重力环境下工作，具有高指向定位精度，能够捕获跟踪已知运动规律目标两自由度的星载指向跟踪机构。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种星载高精度指向跟踪机构，包括方位运动机构和俯仰运动机构。

所述方位运动机构包括箱体、方位轴电机、方位轴减速器、过渡轴、回转平台和方位轴编码器；箱体上设有工艺孔；所述方位轴电机与方位轴减速器通过方位联轴器连接，即方位联轴器一端连接方位轴电机的输出轴，方位联轴器的另一端连接方位轴减速器的输入轴，且方位轴电机与方位轴减速器均安装在箱体内，所述过渡轴连接在方位轴减速器的输出轴上，过渡轴的末端连接回转平台；所述方位轴编码器的定子与箱体固接，其转子套装且固接在过渡轴上。

所述方位运动机构中，方位轴电机通过方位联轴器驱动方位轴减速器工作，方位轴减速器进一步带动过渡轴旋转，从而使与过渡轴相连接的回转平台作旋转运动；而过渡轴旋转带动方位轴编码器的转子转动，以达到记录过渡轴旋转角度的目的。

所述俯仰运动机构包括双耳支架、俯仰轴电机、俯仰轴减速器、俯仰平台、平台托架、俯仰输出轴和俯仰轴编码器；所述双耳支架包括底板和左、右立板，左、右两个立板相互平行且与底板相垂直；所述底板通过螺栓/螺钉固接在方位运动机构的回转平台上，所述俯仰轴电机与俯仰轴减速器分别通过螺钉或螺栓固接在左立板的两个端面上，且俯仰轴减速器位于两个立板之间，俯仰轴电机和俯仰轴减速器通过俯仰联轴器相连接，即俯仰联轴器的一端与俯仰轴电机的输出轴连接，俯仰联轴器的另一端与俯仰轴减速器的输入轴连接；俯仰轴减速器的输出轴、俯仰输出轴均与平台托架固接，且两输出轴共轴线；俯仰编码器的定子固接在右立板上，其转子套装且固接在俯仰输出轴上；俯仰平台固接在平台托架上，随平台托架运动；探测器载荷安装在俯仰平台上。

所述俯仰运动机构中，俯仰轴电机通过俯仰联轴器驱动俯仰轴减速器工作，俯仰轴减速器进一步带动平台托架作旋转运动，平台托架进一步带动俯仰输出轴和俯仰平台作旋转运动；而俯仰输出轴的旋转同时带动俯仰轴编码器的转子转动，以达到记录俯仰输出轴旋转角度的目的。

本发明的捕获跟踪功能通过方位运动机构和俯仰运动机构运动耦合实现，方位运动机构的运动在-180°～+180°范围内；而俯仰机构的运动在0°～90°范围内，因此，两轴耦合后的效果使得末端探测器载荷实现半球空间的指向定位。

本发明采用方位/俯仰机构形式，因为这种形式的指向跟踪机构有指向范围大、结构紧凑、传动部件少、耦合少、控制简单等优点，适合半球空间内的指向跟踪工作；末端执行器通过驱动电机、谐波减速器驱动，采用编码器进行反馈，不但解决了指向机构在半球空间的指向性问题，而且大大提高了指向精度。

本发明中每个驱动轴的设置均为驱动电机、谐波减速器、编码器依次连接组成，谐波减速器有减速比大、轴向距离短的特点，因此一方面可以缩短整个驱动机构的尺寸，另一方面提高***的精度；编码器的添加为闭环控制***引入了反馈部件，提高***控制精度。

进一步，所述方位运动机构中，过渡轴的末端套装且固接一过渡轴套，回转平台固接在此过渡轴套的末端，过渡轴的末端端面固接一止动端盖；其中，过渡轴与过渡轴套的固接方式为键连接，回转平台、止动端盖与过渡轴的固接方式均为螺栓/螺钉连接；止动端盖的设置可以将过渡轴套卡在过渡轴上，防止其轴向串动；回转平台、过渡轴套随过渡轴一起做旋转运动。

进一步，所述方位运动机构中，箱体包括底座、主壳体、转接法兰和末端套筒，且自下而上依次通过螺钉/螺栓固接；所述方位轴电机和方位轴减速器均安装在主壳体上，所述方位轴编码器的定子固接在转接法兰上；所述过渡轴套与末端套筒间通过轴承相连接，即轴承的外圈与末端套筒固接，轴承的内圈与过渡轴套固接，从而达到过渡轴套相对于末端套筒转动的目的，实现回转平台旋转运动。

进一步，所述俯仰运动机构中，俯仰轴电机通过一转接法兰固接在双耳支架的左立板上，即俯仰轴电机通过螺栓或螺钉固接在转接法兰上，转接法兰通过螺栓或螺钉固接在双耳支架的左立板上；俯仰减速器的输出轴固接一输出法兰，平台托架固接在输出法兰上。

进一步，所述俯仰运动机构中，双耳支架的右立板上固接一支撑套筒，支撑套筒与俯仰输出轴间通过轴承相连接，即轴承的外圈与支持套筒固接，轴承的内圈与俯仰输出轴固接，从而达到俯仰输出轴相对于支持套筒转动的目的，实现平台托架和俯仰平台的旋转运动。

进一步，还设有限位机构，所述限位机构包括限位支架、限位块和限位开关；所述限位支架固接在方位运动机构的回转平台上，且位于俯仰运动机构的另一端；所述限位块固接在俯仰运动机构的俯仰平台的下表面上；限位开关固接在限位支架上。当俯仰平台旋转一定角度即将或已经碰撞到限位块的上端面时，即限位块与限位开关的触头即将或已经接触时，限位开关开始工作发出信号，使俯仰平台停止运动，从而达到限定俯仰平台位置的作用，并保证了俯仰轴电机的安全，同时可以对俯仰平台与回转平台地平面的平行度进行调整，使其满足设计精度。

限位机构的主要作用是调整俯仰平台初始位置；运动归零时限定平台位置，防止对结构或电机造成破坏。

进一步，所述限位机构还包括开关转接架，所述开关转接架为横截面为“L”形的拉伸体，所述限位开关通过螺钉/螺母固接在开关转接架上，开关转接架固接在限位支架上。

进一步，所述限位机构还包括调整螺钉和与之配合连接的锁紧螺母，所述调整螺钉与限位支架的上端面配合连接；调整螺钉可以调整其伸出限位支架上端的长度，以达到调整俯仰平台的水平度，锁紧螺母的作用使锁定调整螺钉的位置，防止其松动。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)指向范围更大：传统二维指向跟踪机构一般由于载荷体积限制或自身结构原因不能达到准半球空间指向，而本发明的设计构型就是要满足在半球指向的各个方位零件与零件之间不能发生干涉，因此可以达到准半球空间指向目标；

(2)高度方向尺度较小：本发明的另一个特点就是对回转平台采用了的弯曲式构型，压低了整体高度，使得在二维指向跟踪机构整体的运动包络随之收缩，不易遮挡同一平面上的其他指向性载荷；

(3)各个运动机构输出角度精度较高，并且在不改变机械装配的条件下，通过添加控制器的细分算法，可以进一步提高角度输出精度；

(4)末端俯仰平台面积大，不用加载任何转接件即可安装面积较大的探测器载荷，俯仰平台的背面剩余空间大，容易做压紧释放装置的设计；

(5)工艺孔的设置：第一，方便人员手动或使用工具对本机构进行相应操作及总体装配的进行；第二，便于线缆的合理设置，减少线缆长度以及关节回转时有较大的折弯半径；第三，减少了整体结构重量；

(6)箱体设计开放，安装时可关键部件大都裸露在外，如电机和编码器，所以容易对这些部件铺设热控薄膜、热控涂层，安装加热片等热控实施措施。

附图说明

图1为本发明具体实施例星载高精度指向跟踪机构的正视示意图；

图2为图1中星载高精度指向跟踪机构的俯视示意图；

图3为图1中星载高精度指向跟踪机构的左视示意图；

图4为图2中C-C剖视图所示的方位运动机构剖视示意图；

图5为图1中A-A剖视图所示的俯仰运动机构剖视示意图；

图6为图2中C-C剖视图的限位机构剖视示意图；

图7为图1中B向视图所示的限位机构示意图。

图中：

1.方位运动机构：101.底座，102.方位联轴器，103.主壳体，104.转接法兰，105.回转平台，106.末端套筒，107.止动端盖，108.过渡轴套，109.轴承，110.方位轴编码器，111.过渡轴，112.方位轴减速器，113.方位轴电机；

2.俯仰运动机构：201.双耳支架，202.转接法兰，203.俯仰轴电机，204.俯仰联轴器，205.俯仰轴减速器，206.输出法兰，207.俯仰平台，208.平台托架，209.支撑套筒，210.球轴承，211.俯仰输出轴，212.俯仰轴编码器；

3.限位机构：301.限位支架，302.限位块，303.锁紧螺母，304.调整螺钉，305.限位开关，306.开关转接架。

具体实施方式

为了对本发明更加深入的了解，下面列举一具体实施例，并结合附图，对本发明做进一步的详细说明。

本实例是一种能够适应于微低重力环境，具有半球指向功能的高精度二维指向跟踪机构，由方位运动机构、俯仰运动机构和限位机构组成，机构总体外形图如图1—图3所示。

如图4所示，方位运动机构包括底座101、方位联轴器102、主壳体103、转接法兰104、回转平台105、末端套筒106、止动端盖107、过渡轴套108、轴承109、方位轴编码器110、过渡轴111、方位轴减速器112、方位轴电机113等零部件；底座101安装在平台上，底座101与主壳体103螺钉连接，主壳体103与转接法兰104螺钉连接，转接法兰104与末端套筒106螺钉连接；主壳体103上安装方位轴电机113和方位轴减速器112，且方位电机113通过方位联轴器102进入方位轴减速器112的输入端；转接法兰104上安装方位轴编码器110；末端套筒106上安装轴承109，轴承109的内圈安装过渡轴套108，因此过渡轴套108可以相对于末端轴套106以及转接法兰104、主壳体103、底座101相对转动；过渡轴111连接方位轴减速器112的输出端，穿过方位轴编码器110与过渡轴套108，且方位轴编码器110的转子部分随过渡轴111旋转，记录旋转角度，过渡轴套108通过键连接随过渡轴111旋转；止动端盖107与过渡轴111螺钉连接卡住过渡轴套108，防止其轴向串动；回转平台105与过渡轴套108螺钉连接，两零件运动规律完全一致；回转平台105上安装俯仰运动机构2和限位机构3；其中，方位轴电机113输出驱动力，通过方位联轴器102输入到方位轴减速器112中，经过方位轴减速11后由过渡轴111做旋转运动输出，过渡轴111穿过方位轴编码器110通过键与过渡轴套108固定连接，过渡轴套108与回转平台105通过螺钉固定连接，使回转平台105随过渡轴套108同步旋转。轴向力传递路线：来自回转平台105的压力通过过渡轴套108、轴承109、末端套筒106、转接法兰104、主壳体103、底座101传递到平台的表面。

如图5所示，俯仰轴运动机构包括双耳支架201、转接法兰202、俯仰轴电机203、俯仰联轴器204、俯仰轴减速器205、输出法兰206、俯仰平台207、平台托架208、支撑套筒209、球轴承210、俯仰输出轴211、俯仰轴编码器212等零部件；双耳支架201与方位运动机构1上的回转平台105螺钉连接，两零件运动规律完全一致，双耳支架201的一耳外端面与转接法兰202螺钉连接，内端面与俯仰轴减速器205的外壳螺钉连接，双耳支架201的另一耳与支撑套筒209螺钉连接；转接法兰202与俯仰轴电机203螺钉连接，俯仰轴电机203通过键连接与俯仰联轴器204相连，俯仰联轴器204与俯仰轴减速器205相连作为减速器的输入端，俯仰轴减速器205的输出端与输出法兰206螺钉连接，输出法兰206与平台托架208的一端螺钉连接，平台托架208的另一端与俯仰输出轴211螺钉连接，俯仰输出轴211与球轴承210内环配合，球轴承210外环与支撑套筒209配合，俯仰输出轴211穿过俯仰轴编码器212，与俯仰轴编码器212转子通过环形夹子压紧，俯仰轴编码器212定子与支撑套筒209螺钉连接，俯仰轴编码器212输出平台托架208的俯仰角度；平台托架208与俯仰平台207螺钉连接，俯仰平台207上安装探测器载荷；其中，俯仰轴电机203输出驱动力，通过俯仰联轴器204连接俯仰轴减速器205输入端，俯仰轴减速器205输出端连接输出法兰206，输出法兰206与平台托架208通过螺钉连接，平台托架208与俯仰输出轴211通过螺钉连接；俯仰平台207与平台托架208通过螺钉连接。输出法兰206、平台托架208、俯仰平台207、俯仰输出轴211的运动规律完全一致，俯仰输出轴211穿过俯仰轴编码器212，将俯仰角度做反馈并输出。

如图6和图7所示，限位机构包括限位支架301、限位块302、锁紧螺母303、调整螺钉304、限位开关305、开关转接架306等零部件；限位支架301安装在方位运动机构1的回转平台105上相对于俯仰运动机构2的另一端；限位块302安装在俯仰运动机构2的俯仰平台207下表面上；开关转接架306通过螺钉安装在限位支架301上，限位开关305通过螺钉/螺母安装在开关转接架306上；开关转接架306是截面为“L”形的拉伸体，它一端与限位支架301通过螺钉连接，另一端与限位开关305通过螺钉连接；调整螺钉304穿过锁紧螺母303安装在限位支架301的上面。

本实施例通过方位运动机构实现对本指向跟踪机构上的探测器在水平面内回转角度的调整，调整角度范围为-180°～+180°；通过俯仰运动机构实现探测器俯仰角度的调整，调整角度范围为0°～90°；两个角度耦合调整，实现探测器在空间半球体内指向跟踪目标；限位机构主要作用是调整俯仰平台初始位置，运动归零时限定平台位置，防止对结构或电机造成破坏。

本实例所选减速器具有轴向距离短、减速比较大、质量轻等特点，较普遍的应用于追求小型化、轻量化、高精度的机械设备上；本发明的输出精度在驱动电机步距角一定的条件下，一方面可以通过选择减速比较大的减速器，另一方面通过控制器对驱动电机进行运动细化，减小单脉冲输出角度，进而提高***精度。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种星载高精度指向跟踪机构，其特征在于：包括方位运动机构和俯仰运动机构；

所述方位运动机构包括箱体、方位轴电机、方位轴减速器、过渡轴、回转平台和方位轴编码器；所述方位轴电机与方位轴减速器通过方位联轴器连接，且均安装在箱体内，所述过渡轴连接在方位轴减速器的输出轴上，过渡轴的末端连接回转平台；所述方位轴编码器的定子与箱体固接，其转子套装且固接在过渡轴上；

所述俯仰运动机构包括双耳支架、俯仰轴电机、俯仰轴减速器、俯仰平台、平台托架、俯仰输出轴和俯仰轴编码器；所述双耳支架包括底板和左、右立板，左、右两个立板相互平行且与底板相垂直；所述底板固接在方位运动机构的回转平台上，所述俯仰轴电机与俯仰轴减速器分别固接在左立板的两个端面上，且俯仰轴减速器位于两个立板之间，俯仰轴电机和俯仰轴减速器通过俯仰联轴器相连接；俯仰轴减速器的输出轴、俯仰输出轴均与平台托架连接，且两输出轴共轴线；俯仰编码器的定子固接在右立板上，其转子套装且固接在俯仰输出轴上；俯仰平台固接在平台托架上；

还设有限位机构，所述限位机构包括限位支架、限位块和限位开关；所述限位支架固接在方位运动机构的回转平台上，且位于俯仰运动机构的另一端；所述限位块固接在俯仰运动机构的俯仰平台的下表面上；限位开关固接在限位支架上。

2.根据权利要求1所述的星载高精度指向跟踪机构，其特征在于：所述方位运动机构中，过渡轴的末端套装且固接一过渡轴套，回转平台固接在此过渡轴套的末端，过渡轴的末端端面固接一止动端盖。

3.根据权利要求2所述的星载高精度指向跟踪机构，其特征在于：所述方位运动机构中，箱体包括底座、主壳体、转接法兰和末端套筒，且自下而上依次固接；所述方位轴电机和方位轴减速器均安装在主壳体上，所述方位轴编码器的定子固接在转接法兰上；所述过渡轴套与末端套筒间通过轴承相连接。

4.根据权利要求1所述的星载高精度指向跟踪机构，其特征在于：所述俯仰运动机构中，俯仰轴电机通过一转接法兰固接在双耳支架的左立板上；俯仰减速器的输出轴固接一输出法兰，平台托架固接在输出法兰上。

5.根据权利要求1所述的星载高精度指向跟踪机构，其特征在于：所述俯仰运动机构中，双耳支架的右立板上固接一支撑套筒，支撑套筒与俯仰输出轴间通过轴承相连接。

6.根据权利要求1所述的星载高精度指向跟踪机构，其特征在于：所述限位机构还包括开关转接架，所述开关转接架为横截面为“L”形的拉伸体，所述限位开关固接在开关转接架上，开关转接架固接在限位支架上。

7.根据权利要求1所述的星载高精度指向跟踪机构，其特征在于：所述限位机构还包括调整螺钉和与之配合连接的锁紧螺母，所述调整螺钉与限位支架的上端面配合连接。